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低地板轻轨车关键技术

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编者按:本文主要从城市轨道交通作为一个大交通系统,应将各种形式的有轨运输方式包括进来,这其中当然包括轻轨系统;低地板轻轨车辆的主要类型;低地板轻轨交通的关键技术;对低地板轻轨交通的设想与建议,对低地板轻轨车关键技术进行讲述。其中,主要包括:城市轨道交通作为一个大交通系统,应将各种形式的有轨运输方式包括进来,这其中当然包括轻轨系统、环境污染小、节约能源、投资少、乘坐舒适、塑造良好的城市形象、低地板轻轨车辆的主要类型、独立旋转车轮、线路走向及车站布局应合理、车辆应易于制造、维修方便、低地板轻轨车产业应成为新经济增长点,具体材料请详见:

摘要:从环境、能源、投资等方面分析了发展低地板轻轨交通的优势;并从独立旋转车轮车辆、制动装置、牵引电机悬挂、电气控制等方面介绍了低地板车辆的主要类型和关键技术,对低地板轻轨系统的线路走向及车辆制造方面提出了建议。

关键词:轻轨交通,低地板轻轨车,关键技术

城市轨道交通作为一个大交通系统,应将各种形式的有轨运输方式包括进来,这其中当然包括轻轨系统。轻轨交通单向高峰小时客运能力为1-3万人次,最高时允许达到4万人次。其运输能力介于地铁与道路公共交通之间,尤其适用于50-100万人的中型城市以及一些大型城市中人口相对集中、居住密度不大的区域。我国50-100万的城市有44座,100万以上的大城市已有35座。这些城市的交通方式,除了北京、上海及广州外,绝大多数采用传统的公共汽车和无轨电车。这种结构单一的传统公共交通方式,己越来越难以满足现代城市民众出行的需要,因此发展多种形式的有轨交通运输已成当务之急[1]。20世纪80年代以来,城市轻轨车辆技术迅速发展,尤其是低地板轻轨交通以其环境污染小、节约能源、投资少、便于乘降及乘坐舒适等优点而得到广泛应用。

低地板轻轨交通的发展优势

(1)环境污染小

城市小汽车与地面公共汽车排放的废气及产生的噪声已经成为城市公害,使城市居住环境越来越恶劣。相反,轻轨交通采用电力牵引,不产生废气污染,车辆和轨道的良好动力性能使运行时的轮轨振动及噪声进一步减弱。另外,轨道两侧的绿化带也有助于美化环境,减少噪声污染。

(2)节约能源

从每人·km能耗看,轨道交通、道路公共汽车、私人小汽车的能耗比为1:1.8:5.9,可见轨道交通运输方式是最为节能的。而轻轨交通的能耗又低于地铁系统。另外,轻轨等轨道交通的发展,也遏制了由于私人小汽车发展而引起的耗能型分散居住方式的蔓延[2]。

(3)投资少

轻轨与地铁的单位社会成本比汽车低,而轻轨又比地铁低。我国已建、在建、拟建的轻轨交通每公里造价在1.5-3.5亿元人民币,仅为地铁造价的1/4-1/2。如北京轨道交通13号线的单位造价约为北京地铁复入线的1/4。目前,我国大中城市的建设资金普遍不足,因此轻轨交通相对较低的造价为我国城市交通大发展提供了可能[3]。

(4)乘坐舒适

低地板轻轨系统的车辆减振性能和轨道稳定性能,可保证其运行平稳流畅。此外,较低的车辆地板以及无缝登车踏板,使乘客乘坐舒适。目前,低地板轻轨交通前景被看好的关键一点是方便乘客上下车。

(5)塑造良好的城市形象

低地板轻轨车辆为乘客提供了足够的座位,有着美观的外形设计。在许多国家,轻轨交通已成为城市的一大景观。国外大量调查资料表明[4.5],人们对于低地板轻轨交通的满意度远高于道路公交系统。在西方某些城市,低地板轻轨车已成了整座城市的象征,提高了居民生活质量,被誉为“城市的宠物”。

2低地板轻轨车辆的主要类型

1984年,Duewag公司为日内瓦制造的低地板车揭开了低地板车发展的序幕上[6]。1986年,法国车辆制造厂商为南特市第2条轻轨线路制造的3节编组的轻轨车辆,由3节铰接车体组成,两端是870mm的高地板面动车,中间为350mm的低地板面拖车。这样,病残人和幼儿可坐在轮椅或小车上从站台直接进人车内。这种结构的车辆问世后,很受用户和乘客的欢迎,标志着轻轨车辆由高、中地板向低地板迈开了关键一步。按技术的复杂程度,现在世界上已经出现了三代低地板轻轨车辆:

(1)第一代低地板轻轨车的中间部分有一个低地板进口,低地板大约占车长的10%-15%%;随后该车经过改进可得到占车长50%左右的低地板。这种类型的车辆采用常规转向架、分段式低地板,车内需要台阶过渡。例如,庞巴迪为荷兰阿姆斯特丹制造的轻轨车辆,低地板部分的地板高度为277mm,占整个地板长度的13.5%。

(2)第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分,约占整车的60%-70%,但车内还需要台阶向高地板区过渡。这种轻轨车辆的中间走行部需要一种全新的安装方式,主要有3种方法:小车轮拖车走行部、独立车轮走行部和独立旋转车轮走行部。例如瑞士Vevey公司为贝尔纳制造的轻轨车就采用了车轮直径为410m。的小车轮拖车走行部,低地板高度为350mm,占整个地板长度的72%。阿尔斯通为法国的格勒诺布尔制造的低地板轻轨车采用独立车轮走行部,345mm高的低地板部分占整个车长的63%o

(3)第三代低地板轻轨车辆为全低地板式。如果动力转向架也采用独立车轮,取消车轴,则动力转向架上方的中间通道也可以做成低地板,两侧车轮突起部分可设置座椅,从而实现100%低地板,地板面距轨面通常仅为350mm。如西门子公司研制的Combino模块组合式轻轨车辆,就属于全低地板轻轨车辆。

3低地板轻轨交通的关键技术

现代低地板轻轨交通是在继承了传统有轨电车和地下铁道技术的基础上发展起来的,其基础工程、车辆类型、行车控制以及列车保护、运行管理等一系列技术,都充分体现了上述两者的完美结合。低地板轻轨交通的关键技术主要集中在车辆及控制上。对于其线路形态,由于直接影响城市景观,应布局得当,构思精巧,塑造出一条亮丽的现代化都市流动风景线。

低地板轻轨车是20世纪90年代随着机车车辆由传统产业向高新技术转变,在城市轨道交通方面进行技术创新的结果[7],包含了转向架技术发展的一系列新成果,如各种轮对径向调整技术、独立车轮技术、独立车轮驱动技术等。这些技术的运用,使得低地板轻轨车走行部分的动力学行为较常规转向架远为复杂[8]。

(1)独立旋转车轮

要想使轻轨车辆的地板面距离轨面小于400mm,采用常规整体轮对转向架几乎是不可能的。于是,人们自然想到了采用独立旋转车轮转向架,并开始逐步认识到低地板轻轨车辆采用独立旋转车轮转向架的优越性和必要性[9]。

当然,独立旋转车轮不产生常规轮对的纵向蠕滑力,因而不具备常规轮对的优点而成为独立车轮的缺点。如:直道上不能自动对中;通过曲线时,若轮轨关系匹配不好,轮缘磨耗较严重;低速时可能产生明显的摇头振动。如果加强踏面及一系悬挂水平刚度的设计,可以避免这些缺点。

(2)弹性车轮

为了降低轮轨滚动噪声,国外轻轨车广泛应用弹性车轮。这种车轮在轮心与轮箍之间加一圈橡胶块(或复合材料),使之具有缓冲减振、消声、改善轮轨动作用力、延长轮轨使用寿命等功能。采用弹性车轮后,只有轮箍是簧下质量,轮轨冲击和振动大为减轻。国外30年来对弹性车轮的设计和运用经验表明,对轻轨车辆,轴重在15t以下的弹性车轮是成功的。

(3)消声车轮

消声车轮是在刚性车轮上施加各种消声措施,以达到降低轮轨噪声的目的。其优点是消除了弹性车轮采用轮箍、轮心结构所带来的种种问题。现在许多发达国家运用轮轨动力学及声学原理,采用有限元软件进行了声学车轮的优化设计,使车轮本身具有消声功能。

(4)制动装置

低地板轻轨车辆的制动通常采用动力制动、盘形制动和磁轨制动。动力制动又分为再生制动和电阻制动。再生制动优先,辅以电阻制动。德国轻轨车盘形制动采用弹簧油压方式,液缸装在主电动机旁,制动盘装在主电动机轴端。另外,每个转向架设有磁轨制动装置,用于紧急制动。磁轨制动的特点是所产生的制动力不受轮轨粘着条件的限制。

(5)牵引电动机驱动及冷却方式

低地板轻轨车电机布置方式主要有纵向和横向两种。①纵向布置:很多低地板轻轨车采用纵向布置,有万向轴传动的,也有齿轮箱传动的,都为交流异步电机。例如Comino轻轨车,将电机纵向布置在车轮的外侧,通过螺旋圆锥齿轮驱动与车轮固结的端轴。②横向布置:很明显,如将电机放置在转向架内部,无法满足低地板要求。所以,有些低地板轻轨车转向架将电机横向布置在转向架的外侧,出现了轮毅电机。如阿尔斯通的Citadis模块化轻轨车就采用轮毅电机。

为了满足空间上布置需要及增加牵引电机装设在簧下时的抗冲击性,低地板轻轨车的牵引电动机应尽量小型化、轻量化,因此广泛采用水冷方式,改善其可操作性和提高可靠性。

(6)电气控制部分

到了90年代,电机控制已发展到直接转矩控制阶段,列车总线通信系统微机控制已发展到32位高速处理器,变频器和电机已发展到水冷。新的传动系统把输入的直流电经过L一C滤波装置,由VVVF逆变器变成三相交流电,驱动异步电机。新一代电力电子器件绝缘门极双极晶体管(IGBT)开发后,又进展到性能优越的智能功率模块(IPM)、轻轨交通行车密度小,时间不需太精确,因此其列车自动控制系统(ATC)不像地铁那样要求严格。轻轨车辆发展到现在,基本上是有司机驾驶,全自动的轻轨系统比较少。但通常轻轨系统也都装有ATC。

4对低地板轻轨交通的设想与建议

(1)线路走向及车站布局应合理

现代低地板轻轨交通的线路形态和走向,主要沿城市街道布局来定线,多数情况下不能随意拆迁障碍物,因而小半径曲线(≥25m)和大坡度(≤7%)现象较多。低地板轻轨交通主要采取专用轨道线路方式,其线路形态以地面线或高架线为主;在条件特别困难时,可以采用地下线路,但应尽量避免设置地下车站,最好将区间线路布设在地下,用浅埋隧道方式通过;在城市的特殊地段,必要时也可将轻轨线路铺设在市区道路上,与其它交通共用路面和混合运行,其站台应因地制宜设置,可利用路边人行道或道路分隔带设施,作为旅客乘降用。低地板轻轨车辆的运行速度一般可达25-40km/h,可根据线路每天客运量的疏密规律,采用单节车或多节联挂的方式满足客运要求。以上这些特征,体现了低地板轻轨交通的机动性与灵活性。

(2)车辆应易于制造、维修方便

低地板轻轨车技术比较复杂,其价格相对高地板车要高出15%-20%。低地板轻轨车辆若要得到广泛应用,必须通过降低成本来获得合理的车辆价格,因此现在几乎所有的低地板轻轨车辆都引入了模块化制造技术。所谓模块化,是指在车辆设计过程中,对整车结构进行分解,形成若干个各自独立而又相互联系的分系统,即模块。模块的形式可以是车辆的某一大部件,也可以是整个车辆的一部分,还可以是车辆的某些附属设备。如今,轻轨车辆采用模块化设计后,车辆长短、编组方式、载客人数都可根据需要灵活调整。

现代轻轨车辆都装有故障诊断与显示系统,维护十分简便。必须培养能维护和管理新型轻轨车辆的技术人员。低损耗、低磨耗及低运营费用的运营技术,是低地板轻轨车辆维护的重要方面之一。

(3)低地板轻轨车产业应成为新经济增长点

随着我国社会经济发展水平的提高,在可持续发展思想的指导下,资源及环境保护问题将日益受到关注。当前,我国大、中城市要求改善公共交通的压力很大,使经济实用的中运量轻轨交通系统面临着难得的发展机遇。建设我国低地板轻轨交通,既要向国际先进技术靠近,又要充分利用我国现有的技术条件和科技能力,使低地板轻轨产业成为我国新的经济增长点。

参考文献

1沈钢.发展中的轻轨车辆走行部.城市轨道交通研究,2002,(3):31-35

2周栩民.城市轨道交通的发展趋势及其动因分析.城市轨道交通研究,2001,(2):1-4

3甄静,金辰虎.我国轻轨交通的发展战略.城市轨道交通研究,2002,(1):18-20

4DekkerNMJ.Low-floorpresentstatusandfuturedevelopments.Design,Reliability,andMaintenanceforRailways.BuryStEdmuds;ImecheSeminarPublication,1996,11-19

5ToppHH.Innovationsintramanlightrailsystems.Proc.theInstn.ofMechEngrs,1999,213(F3):133-141

6李莆,黄运华.独立旋转车轮的发展及其在轻轨车辆上的应用.国外铁道车辆,2002,(1):1-5

7罗世辉.大连低地板有轨电车的动力学性能.机车电传动,2001,(3);28-31

8EickhoffBM,HarveyRR.Theoreticalandexperimentalevaluationofindependentlyrotatingwheelsforrailwayvehciles.11thIAVSDSymposiumontheDynamicsonRoadsandTracks,1989

9鲍维千.独立车轮在低地板轻轨车辆上的应用.内燃机车,2001,(1);12-17

10何宗华.发展城市轻轨交通的机遇与选择.城市轨道交通研究,2002,(4):11-14

11李青山,李晶才.模块化概念在城市轨道车辆中的应用.国外铁道车辆,2000,(4);11-13

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低地板轻轨车关键技术责任编辑:刘老师    阅读:人次
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