城市轨道交通系统车辆及展望.doc

专业知识分享版摘 要 介绍城市轨道交通系统各种模式的车辆，涉及轮轨制式地铁系统( 包括直线电机系统) 、轻轨系统、单轨系统、自动导向系统、磁悬浮系统和无人驾驶系统的车辆。分析我国城市轨道交通的现状，指出国内城市轨道交通领域中的车辆以钢轮为主，并已基本实现国产化。最后对城市轨道交通车辆技术的未来进行展望。 关键词 城市轨道交通 车辆 技术特点 展望 美国的科学家曾对城市居民出行可容忍的时间进行研究，结论是 45 min。这就是说，一个城市需要有与之规模相适应的、具有最高运行速度的交通工具。 目前，世界上居住人口超过 1 000 万的城市约 20个，超过 100 万的城市约 300 余个，不少城市圈的直径超过 50 km。因此，最高运行速度为 80 km/h 的交通工具基本可以适应，而目前能承担如此重任的只有城市轨道交通。无论是供给型还是导向型的城市轨道交通，运送出行居民是一致的; 无论是什么制式的城市轨道交通，载客的工具都是车辆。 自世界上首条地铁线路建成以来，车辆在设计制造技术、性能、功能上都经历了不断发展的过程，出现了不同制式的车辆，以适应不同城市轨道交通模式的需求。 1 城市轨道交通车辆的制武 1 1 轮轨制式车辆 轮轨制式车辆有钢轮与橡胶轮两种，传统的城轨车辆采用钢轮。橡胶轮车辆在转向架上安装了驱动和导向橡胶轮，驱动橡胶轮运行在混凝土或钢制轨道梁上。橡胶轮具有较高的黏着系数，能发挥较大的启动牵引力和制动力，噪声相对较低，爬坡能力高于常规的钢轮钢轨制式。但是，由于橡胶轮污染环境、使用寿命短，使得技术成熟、适应性强的钢轮钢轨制式仍然在应用上占绝对优势。各种地铁车辆见图 1。 现代城市轨道交通车辆集机械、电器、计算机、制冷、光学及噪声学等技术于一体，交流异步传动是当前电力牵引的主流模式。 国际电工委员会规定的供电电压标准为直流 600、750 和 1 500 V，我国国标规定为直流 750 和 1 500 V 两种，多数采用 A 型车的线路和近年来采用 B 型车的线路都用 DC 1500V 作为供电电压。电气绝缘材料的发展，为地铁车辆采用 DC 1500V 工作电压提供了有利条件。 作为轮轨制式特例的直线电机车辆( 见图 2) 于20 世纪 80 年代问世，在技术上采取非黏着驱动，有利于提高车辆的启动加速度和制动减速度，爬坡能力强，电机结构简单; 采用径向转向架后，能适应曲线半径为 50 m 的弯道; 采用小直径车轮，降低了车辆高度，可用于较小直径的隧道; 自重轻，对线路冲击小，车辆运行时噪声相对较小。不过，直线电机车辆受电机功率的限制，车辆较小，载客量少; 由于电机气隙较大，损耗也较大，功率因数和效率相对较低。 直线电机模式是轮轨制式的特例，只有在特殊的线路条件下应用，才能显示出它的优越性。 1 2 轻轨系统车辆 1879 年，在德国西门子公司展示了一列 3 辆编组的小功率有轨电车后，美国于 1888 年造出了世界上第一列用于商业运营的有轨电车。在此之后，有轨电车在世界上得到了飞速发展。 有轨电车系统是轻轨系统的前身。从 20 世纪 70年代开始，一些国家对城市的旧式有轨电车系统进行技术改造，建成了新型的有轨电车系统( 见图 3) ，将线路建成相对独立或封闭( 或半封闭) 的形式，将现代科技( 包括计算机技术) 应用于车辆、通信、信号及供电系统中，提高了系统的安全性、可靠性和舒适性，同时提高了车辆的运行速度。 1978 年，国际公共交通联合会( UITP) 在布鲁塞尔召开会议，将新型有轨电车系统统一命名为 LRT( light rail transit) ，翻译为“轻轨”。目前，世界上已有 300 多个城市( 包括一些大城市) 拥有轻轨。轻轨车辆一般采用较小型的车辆，低地板或 70% 低地板，车站简易，线路设置灵活，最高速度多为 60 km/h。现代轻轨多采用模块化铰接式多轴车辆，适应城市中转弯半径小的线路和不同客流需求的线路。另外，国际上用于轻轨系统的供电制式多为 DC 600V 和 DC 750V。 1 3 单轨系统车辆 单轨系统是指车辆在特殊的单轨道梁上运行的城市轨道交通，有跨座式和悬挂式两种类型。轨道梁既承重车辆，又是车辆运行的导向轨道。单轨系统也有百余年的历史: 早在1821 年，英国人 P H Palmer 开发了单轨线路;1888 年，法国人在爱尔兰铺设了约 15km 的跨座式单轨铁路，采用蒸汽牵引;1893 年，德国人 Eugen Langen 研制成悬挂式单轨系统，并在德国的伍珀塔市建成了13 km 的线路，该系统运营至今，是世界上最古老的单轨模式。1952 年，瑞典出生的德国工业家 Axellenard Wenner-Gren 在德国科隆市建成了一条跨座式单轨试验线，采用混凝土轨道和橡胶充气轮胎，获得了最佳效果，并形成了目前通用的 ALWEG 型跨座式单轨模式。 单轨系统采用高架线路，分为跨座式和悬挂式两种，如图 4 所示。跨座式单轨车辆在轨道上方运行，车辆有 3 种车轮，走行轮运行在轨道梁上，导向轮在轨道侧面滚动导向，每一转向架另设 2 个稳定轮，起稳定作用。悬挂式单轨车辆的转向架安装在车厢上方，沿钢轨运行，车轮有钢轮和橡胶轮两种。 单轨系统车辆最高速度可达 80 km/h，列车可有4 6 辆编组，其爬坡能力大，易于通过小半径曲线，环境影响小; 但是能耗较大，车辆的走行装置结构复杂，价格较高，轮胎寿命短。一般单向运能达 1万 2 5 万人次/h。 1 4 自动导向系统车辆 为了减少城市的噪声和废气污染等公害，20 世纪60 年代末，国际上一些国家研制了新型的由导向轨导向的新交通系统，如图 5 所示。这是一种自动化程度高的轨道快速客运系统，车辆在专用的轨道上定时自动运行，车站上无管理人员，完全由中央控制中心的计算机系统集中控制。一般车辆较小，列车的编组也较短，运输能力也相对较小。 自动导向系统的车辆采用全自动无人驾驶，车轮为橡胶轮，在专用的混凝土轨道上运行，导轨系统有中央导向轨和侧向导向两种方式。自动导向系统车辆一般采用低地板，特点是噪声低，爬坡能力大，适应曲线半径小的线路，载客量不大，用得较多的是在机场内部，或在范围不大的区域内接驳乘客换乘其他市区交通。 1 5 中低速磁浮系统车辆 磁浮交通系统于 20 世纪 60 年代分别在德国和日本开始研究。经过几十年的研究和试验，2002 年 12 月31 日在上海建成了高速磁浮列车示范运营线，日本也建有中低速磁浮线并投入了运营。 磁浮模式的交通有高速、中速和低速 3 种系统，如图 6 所示。高速系统用于长距离的线路，中、低速系统适用于城市轨道交通。 中低速磁浮轨道系统依靠磁场吸引力或排斥力使车体悬浮; 并依靠现代控制技术实现动态稳定悬浮; 由直线电机驱动列车行驶，列车运行速度可达 100 km/h以上。中低速磁浮轨道交通系统比较适合于高峰小时单向客流 2 万 3 万人的中等运量的城市高架轨道线路，站间距越大，则优势越为明显。 磁浮系统的主要特点是非黏着驱动，加减速度动力性能强、噪声小、振动小，适用于曲线半径小和坡道大的线路。 1 6 无人驾驶模式车辆 国际上城市轨道交通运行模式的发展大致经历了 3个阶段: 人工驾驶模式、人工驾驶的自动化运行模式、全自动无人驾驶模式。“无人驾驶系统”在我国还有点陌生，但近20 年来在国际上已得到了广泛的应用，并且已成功地应用于一些大运量的城市轨道交通系统中。 全世界现有 30 多个机场设有自动化运输系统( people mover) ，里尔、里昂、巴黎、哥本哈根、伦敦、纽伦堡、新加坡、洛桑、巴塞罗那等城市已建成约 20 条全自动无人驾驶的城市轨道交通线。鉴于全自动无人驾驶系统已越来越被人们所接受，以至于像巴黎、马赛、里昂、柏林、汉堡、法兰克福、纽伦堡和纽约等城市，拟将既有的传统地铁运输系统陆续改造成为全自动无人驾驶系统，而我国上海已建设的轨道交通 10 号线就是采用这种模式。可见，全自动无人驾驶的模式代表了国际上城市轨道交通的一种新的潮流。 无人驾驶模式车辆( 见图7) 的技术特点主要体现在: 有人驾驶时，司机的职能完全由自动化的技术来替代。在车辆的设计制造、可靠性、可使用性和安全性方面，等级大幅提高，达到 99 9% 以上; 自动化程度大幅上升，通信的信息量也大幅增加，信号及综合监控系统的技术接口更加紧密和复杂。在车辆上增加了火灾探测与烟雾报警系统，增加了轨道障碍物探测、脱轨检测以及 CCTV 视频系统; 车门不再由司机控制，而是由 ATC( 列车自动控制系统) 进行控制; 列车的各主要系统都由 OCC( 运营指挥中心) 远程监控。 全自动无人驾驶模式车辆的安全性和可靠性高，有利于实现列车高密度运行。 2 我国城市轨道交通车辆的现状 2 1 我国城市轨道交通的现状 从 20 世纪初上海在我国率先建成第一条有轨电车线路开始，到 60 年代北京开始建设具有交通和人防双重功能的第一条地下铁道，开创了我国现代城市轨道交通的先河。限于当时的技术，采用直流调阻 B 型车辆。 上海在20 世纪90 年代初开始兴建地铁1 号线，并于 1995 年 5 月建成通车，标志着我国城市轨道交通系统步入了现代化的行列。 我国的城市轨道交通在 20 世纪 60年代起步后，由于种种原因，中间停顿了很长一段时间，因此有关技术的发展较慢，离世界水平有相当的距离，特别在车辆、信号等专业上尤为明显。因此，20 世纪 90 年代我国地铁车辆基本依赖进口，导致造价高，建设周期长，维护费用也高。经过 10 余年的努力，大力开展国产化工作，在采取“引进消化吸收”国外技术措施后，我国城市轨道交通车辆在技术国产化、自主化方面取得了明显的效果，基本甩掉了“洋拐棍”，出现了如中国南车和北车集团等6 家具有自主设计、制造、集成能力的车辆生产基地。 2 2 车辆 我国城市轨道交通系统的模式是多样化的。地铁模式是国内城市轨道交通的主要模式，钢轮钢轨制式车辆是主要的车型( 见图 8) 按我国标准，用于地铁的钢轮钢轨制式的车型分 A、B 和 C 型共 3 种。在我国南方几个城市客流量较大的线路较多地采用 A 型车，主要集中在上海、南京、广州和深圳等城市，其余线路大多采用 B 型车，如图 9所示。 轻轨模式比较适合中小城市，对于大城市近郊或与地铁接驳的线路或组团区域内的线路也是非常合适的。大连、长春、天津、上海等城市已建成 100 km 多的轻轨线路，除中央导向橡胶轮车辆进口外，其余均为国产车辆。 我国的重庆市素有“山城”之称，市内建筑密集，城市道路狭小，坡度大，因此比较适宜单轨模式。目前，重庆已建成我国首条跨座式单轨线( 较新线) ，全长 17 km，线路采用预应力混凝土轨道。通过引进、消化、吸收国外技术，采用单轨制式的重庆市轨道交通 3 号线橡胶轮车辆全部在国内生产。 广州市建成 2 条直线电机模式的轨道交通线，车辆在国内生产; 北京的首都机场线也是采用直线电机模式，在 2008 年奥运会前建成并通车试用，车辆采用了国外的技术。 广州 3 9 km 长的 APM 制式( 自动导向轨道系统)线路，采用进口车辆; 北京 T3 航站 AGT 制式线路的车辆也是国外生产的; 天津和上海分别于 2007 年和 2009年建成带中央导向轨的橡胶轮制式线路，车辆是从国外购买的。 我国除了上海建有一条 30 km 长的高速磁浮线外，国内尚无中低速的磁浮线，目前车辆尚处于研究开发阶段。 纵观国内城轨交通的现状可知，我国城市轨道交通的模式是多样的，但应用最为广泛的仍然是地铁模式，以钢轮钢轨制式车辆为主，并已基本实现了国产化。轻轨模式一旦被人们所认识，相信会得到较多的应用。至于其他模式，只是在特殊的线路条件、特殊的应用环境下才是可选的模式，目前这些模式的车辆基本通过进口。 我国城市轨道交通发展较晚，因此车辆有可能采用最新的技术，如铝合金和不锈钢车体、交流异步传动、模拟式制动机以及计算机网络控制等。可以说，就钢轮钢轨制式车辆而言，我国的车辆是当今世界城市轨道交通车辆先进技术的集中体现。 3 未来我国城市轨道交通车辆技术展望 据有关资料统计，未来 10 年我国总计 30 个城市将建设130 条地铁线路，约3600 km，总投资约16000 亿元;估计需要25 000 辆车辆，6 个每年生产 600 辆车的工厂需生产约 7 年。 目前，我国车辆采用的是世界上最先进的技术。但是，科学技术在不断地发展，低碳、节能、环保对车辆技术提出了新的挑战。 德国、法国以及日本早在 10 年前就开始研究永磁同步牵引电动机，并已成功地运用于城市轨道交通项目。与异步牵引电动机相比，永磁同步牵引电动机具有转速平稳、过载能力强、功率因数高、效率高、体积小、重量轻、噪声低、可靠性高等优点，而且结构多样化，应用范围也广。永磁同步牵引电动机体积小、重量轻，有条件满足直驱电机转速低、电机极数相对多的要求，并有可能在有限的空间下增加转矩，有可能实现直接传动方式。特别是对于最高运行速度低于 160 km/h的车辆，采用直接传动方式更加充分。实现了直接传动后，取消了齿轮传动，使车辆体现节能、高效、轻量等优越性。未来 10 年，永磁同步牵引技术有望在城市轨道交通车辆上得到推