直线电机车辆技术现状与应用发展

摘要阐述直线电机车辆具有爬坡能力强、转弯半径小等优点，介绍国内外直线电机车辆的技术特点和现状，对直线电机车辆转向架设计、电气牵引系统、辅助系统、制动系统等方面进行详细介绍，指出直线电机车辆在国内的未来应用和发展趋势。关键词直线电机;车辆;转向架;牵引控制系统;制动系统1直线电机车辆概述直线电机车辆是当今世界先进的城市轨道交通移动装备，因其采用直线电机牵引技术而得名。直线电机车辆的原理是固定在转向架的定子(一次线圈)通过交流电流，产生移动磁场，通过相互作用，使固定在道床上的展开转子(二次线圈、通常称为感应板)产生磁场，通过磁力(吸引、排斥)，实现轨道车辆的运行和制动。相对于旋转电机车辆，直线电机车辆具有以下优势:1)直线电机牵引属于典型的非粘着驱动，不受轮轨之间粘着限制，具有良好的爬坡能力，常规的旋转电机坡度一般不超过30‰～40‰，而直线电机爬坡可达60‰～80‰，且不易受雨雪天气的影响。2)直线电机为扁平设计，车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，车辆的轮廓尺寸可以减小，隧道断面小，可节省工程投资。3)方便采用自导或迫导型径向转向架，允许车辆通过半径小的曲线，为轨道线路设计提供了较大的选择范围，避免了地面建筑物或地下管线的大量拆除和重建的费用。4)直线电机牵引无需减速齿轮等装置，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标大大减低。我国地域辽阔，丘陵起伏，大江大河纵贯全国，如建设坡度超过30‰以上的城市轨道交通线路，就特别适合选择直线电机车辆。2国内外直线电机车辆现状2．1国外现状目前，直线电机车辆技术在国外已经有30多年的运用经验，总运用里程超过200km。直线电机运载系统在国外是技术成熟、安全可靠的轨道交通运载系统。国外直线电机轮轨车辆系统均属于中小运量，车辆的载客量和尺寸都不大。国外应用情况见表1。国外直线电机车辆的主要制造厂商有庞巴迪、川崎重工等公司。加拿大是世界上最早采用直线电机车辆技术的国家，其直线电机车辆为庞巴迪公司制造。为满足线路的灵活性以及高架车站总体规模、客流因素等需要，一般采用小编组、高密度、小运量系统。庞巴迪公司制造的车辆宽2．65m，车辆适合于小编组的轻轨系统，额定载客量大都在200人/车以下，多伦多采用此类型MKI和JFKMKII直线电机车辆。日本是世界上拥有直线电机车辆线路最多的国家。为便于线路通过，日本一般采用2．5m宽窄体车，大编组、载客量更小的小型化系统，以降低土建价格。东京大江户线12-000型车辆和福冈地铁3号线3000型车辆都是此类型车辆。2．2国内现状国内早在20世纪80年代就开始研究直线电机驱动方式的运载系统。2005年12月国内第1条城市轨道交通直线电机车辆线路在广州开通运营，2008、2009年首都国际机场线直线电机车辆线路和广州地铁5号线直线电机车辆线路相继开通运营，2011年广州地铁5号线增购具有自主知识产权的国产化直线电机车辆和广州地铁6号线直线电机车辆相继下线。到目前为止，国内运用直线电机车辆的线路总里程近150km。国内直线电机车辆生产厂商主要是南车青岛四方和长春客车股份。南车青岛四方为国内直线电机车辆交付数量最多、品种最全的企业，将为广州地铁4～6号线设计制造中大运量的直线电机车辆共696辆，直线电机车辆累计运营超过3000万km，单车最高运行里程超过85万km;长春客车股份为首都国际机场线设计制造了中等运量直线电机车辆40辆。国内应用情况见表2。2．2．1广州地铁直线电机车辆系列产品广州地铁4号线直线电机车辆是世界上第1列中大运量的直线电机车辆，它的开通标志着我国基本掌握了直线电机轨道交通系统的设计和制造技术，填补了国内直线电机车辆技术的空白，有力地推动了直线电机运载系统国产化及产业化的进程，为我国推广直线电机运载系统起到了良好的示范作用。图1～图3为广州地铁直线电机车辆，图4为首都国际机场线直线电机车辆。广州地铁正线坡度达到55‰，车场线和辅助线坡度达到60‰，最小平面曲线半径正线150m(车场线60m)。车辆的主要技术参数见表3。表3广州地铁直线电机车辆的技术参数2．2．2首都国际机场线直线电机车辆2008年首都国际机场线直线电机车辆投入运营。全线正线线路总长28．1km，地下线9．3km，U型槽1．2km，地面线2．4km，高架线15．2km，最小平面正线曲线半径200m(车场线70m)，最大纵坡35‰。首都机场线直线电机车辆的主要参数见表4。3直线电机车辆技术现状影响行车安全的铝合金车体设计制造、转向架设计制造及电气系统集成是直线电机车辆的核心技术。3．1铝合金车体技术采用铝合金车体是车辆轻量化的保证。直线电机车辆车体可以按照JIS标准进行铝合金车体焊接制造，也能按照欧洲EN标准进行铝合金车体焊接制造。广州直线电机车辆按照JIS标准进行铝合金车体焊接制造，采用大型挤压结构铝合金型材焊接而成，鼓形断面。广州地铁的铝合金车体质量平均为5．6t。3．1．1铝合金材料车体主体结构采用铝合金大断面挤压型材及板材制造，采用了A7N01S-T5、A6N01S-T5、A5083P-0和A7N01P-T4等铝合金材料，材料的机械性能、化学成分都符合JIS标准的要求。3．1．2车体结构车体结构为中空双面铝合金型材，满足作用于铝合金车体上的机械能量吸收。设计完成后，除对车体进行有限元计算分析外，还进行车辆速度大于15km/h的碰撞模拟计算。3．2直线电机转向架技术直线电机车辆采用直线电机驱动，其转向架结构与旋转电机驱动的转向架有很大不同，主要结构特征如下:●轮对轴箱装置。不传递牵引力，轮径较小，功能上与传统地铁拖车轮对轴箱类似。●构架。因内侧无齿轮箱装置，可以把构架侧梁设置在车轮内侧，减小结构尺寸。●一系悬挂。如直线电机采用构架悬挂，一系悬挂垂向刚度需采用大刚度设计，尽可能降低构架沉浮造成的电机气隙变化。●二系悬挂。一般采用空气弹簧，大多设有摇枕，利于通过小半径曲线。为保证车辆倾覆安全性，还可设置抗侧滚扭杆。●制动方式。机械制动大多数采用盘形制动。目前，国内直线电机转向架有4种:BM3000LIM型转向架、SDBLIM(GZ5)型转向架、FLEXXMetro2000型转向架、MKII型转向架，其中前3种由南车四方股份提供，重点介绍如下。3．2．1BM3000LIM型转向架广州4、5号线直线电机车辆采用BM3000LIM型转向架，见图5。其主要特点如下:●构架采用侧梁内置结构，降低自重;●轴箱、一系悬挂采用内置方式，在适当的定位刚度下，转向架具有自导向能力，适于通过小半径曲线;●直线电机悬挂在轴箱上，消除了一系悬挂系统挠度变化对直线电机与感应板之间气隙的影响;●直线电机间隙调整采用无级高度调整装置;●采用空心车轴，降低簧下重量;●采用外置式基础制动，易于更换闸片，制动盘和闸片散热性能好;3．2．2FLEXXMetro2000型转向架广州6号线直线电机车辆采用FLEXXMetro2000型转向架，该转向架以BM3000-LIM为平台，进行了以下调整:●采用轴箱安装径向型接地装置，紧凑、轻巧，有效降低振动水平;●优化直线电机悬挂橡胶节点，采用带有机械锁紧装置的直线电机高度调整装置，连接可靠;●采用带有机械定位方式的心盘结构;●调整和优化车轴尺寸和车轮硬度，使之更适于广州地铁线路和轨道条件;●调整车结构尺寸，降低轮对质量。3．2．3SDBLIM(GZ5)型转向架广州地铁5号线增购车辆采用SDB-LIM(GZ5)型转向架，见图6。该转向架主要特点如下:●模块化设计，整体结构紧凑，轴重大。●直线电机吊挂在独立的轴承支撑箱上，保证运行过程中气隙的稳定;同时采用独立二级大刚度弹性悬挂，降低冲击和振动。●采用垫片式直线电机高度调整装置，结构简单可靠、操作简便易行。●采用轮装盘形基础制动和紧凑式制动夹钳。●二系悬挂采用空气弹簧、无摇枕结构，降低转向架自重。●牵引装置采用弹性无磨耗Z字形牵引装置。●优化车轮硬度，使之适于广州地铁线路和轨道条件。●采用优化的车轴尺寸以及内置式轴承支撑箱，有利于平衡轮对受力、抑制轮对弯曲振动。●国产化率高，维护保养周期合理，费用低。●二系悬挂采用空气弹簧、摇枕结构，同时配以双重防过冲装置，最大限度地保证了安全和舒适性。3．3电气系统直线电机车辆的电气系统主要包括牵引系统、辅助电源系统、列车网络控制管理系统和制动系统。3．3．1牵引系统牵引系统包括牵引控制逆变器和直线电机两大核心部件。1)VVVF逆变器直线电机的速度、牵引力以及电制动力都由VVVF逆变器控制。目前，VVVF逆变器大多采用GTO或者具有自关断能力的IGBT元件，比如大阪7号线和东京12号线采用GTO开关器件，福冈3号线、广州4号线和北京机场线采用IGBT器件。在逆变器控制中，牵引/制动以及向前/向后的转换是通过对滑差频率以及三相输出相序的转换控制来实现的。直线电机车辆通常采用转差控制或矢量控制方法。日本东京都营12号线和大阪7号线采用转差频率控制，方法简单，转矩响应时间约几百ms。广州地铁4～6号线都采用矢量控制方法，这种控制方法动态响应速度快，可对电机电流进行瞬时控制，转矩响应时间约几十ms。直线电机车辆的VVVF逆变器与旋转电机车辆的VVVF逆变器在原理和控制上没有区别。广州地铁4～6号线的VVVF逆变器由6个开关元件SU～SZ组成，同一时间总是开通其中3个开关元件，输出三相交流电压。交流电压频率的调节可以通过改变开关周期(t2)来实现，而交流电压的幅值变化则可以通过调节开通时间(t1)来实现。见图7、图8。2)直线电机直线电机实际上是一台被剖开并展平的旋转感应电机，因此它的定子与转子在平面内是平行的。为了保证感应板与直线电机之间的气隙要求，在直线电机上安装有气隙传感器，随时检测气隙大小，并可向列车监控系统提供异常报警。对于不同的直线电机，其冷却方式不同。广州地铁直线电机车辆采用自然风冷(见图9)，而首都国际机场线直线电机采用强迫风冷(见图10)。3．3．2辅助电源系统直线电机车辆的辅助电源系统主要是静止逆变器SIV，由逆变电路和直流输出的整流电路组成。目前，车辆的静止逆变器大多采用IGBT元件，其功能是将直流电压逆变成三相交流电压(AC380V)，为空调、空压机、司机室通风机等提供稳定的三相交流电压，其直流输出电路将交流电压(AC380V)整流成为蓄电池充电，为控制电路、低压直流电器设备提供电能的DC110V电压。直线电机车辆的辅助电源系统与普通旋转电机车辆在控制和原理上没有实质性区别。3．3．3列车控制管理系统列车控制管理系统采用先进的网络通信技术，由具有冗余结构的列车总线和车辆总线组成，对有关的关键区域提供部分冗余，即在列车总线或车辆总线中的单点故障不会导致列车牵引停止。列车控制管理系统提供了控制和监视车载系统和设备的功能。3．3．4制动系统和普通旋转电机一样，直线电机车辆的常用制动优先使用电制动，不足制动力由空气制动补充;由于直线电机是典型的非黏着驱动方式，因此直线电机车辆的电制动具有不受轮轨黏着系数的影响，制动性能不易受雨雪天气影响等优点。广州地铁直线电机的制动系统包括常用制动、快速制动和紧急制动。常用制动和快速制动主要是以再生制动为主的非黏着制动，紧急制动采用了优先使用再生制动、不足制动力由空气制动补充的控制方式，当某个车辆的电制动失效时，该车辆所在单元将自动转为纯空气制动。为避免全车电制动力失效，还设置了由蘑菇按钮控制的纯空气紧急制动，给车辆提供最紧急情况下的应急安全保障。首都国际机场线直线电机车辆的制动系统包括常用制动和紧急制动。常用制动系统与再生制动随时配合;紧急制动系统分2级:一级是再生制动加磁轨制动，二级是液压制动加磁轨制动。4直线电机车辆对环境的影响直线电机车辆对环境的影响主要包括列车在运行过程中产生的噪声、电磁兼容、能耗等，这些问题长期困扰着人们。随着直线电机车辆的不断发展和应用，这些问题都已经逐渐得到澄清和解释。4．1减噪措施无论是旋转电机还是直线电机车辆，在运行过程中都会产生振动和噪声。通过对车辆采取不同的结构设计和技术处理，减轻和降低车辆系统所产生的振动和噪声，完全可以保证优于旋转电机车辆的噪声水平。4．2降低电磁辐射直线电机车辆与旋转电机车辆两者的电磁兼容性要求可以相同，都可以遵循相同的国际或欧洲电磁兼容设计标准和测试标准。经过测试，广州地铁4、5号线直线电机车辆的电磁兼容性完全符合EN50121电磁兼容性测试标准的要求。4．3降低能耗措施直线电机车辆的电机与感应板之间的气隙一般有8～12mm，与旋转电机的气隙1～2mm相比，直线电机自身的效率比旋转电机的效率低是不容否认的事实。直线电机的效率一般约为0．6～0．8，功率因数也较低，一般为0．5～0．6。在相同转差率条件下，旋转电机车辆传动系统的效率一般在0．9左右。根据日本地下铁道协会(JSA)提供的仿真计算数据，在相同线路条件下的1km区间内，对相同控制方式、相同载荷和相同运行状态的两列车，直线电机牵引能耗/旋转电机牵引能耗为1．1～1．2。而牵引能耗仅仅是车辆系统中的一部分，其能耗约占车辆总能耗的50%。作为一个完整的轨道交通系统，其能耗包括车站设备能耗和车辆能耗(约各占50%)，故直线电机车辆与旋转电机车辆的能耗差在理论上仅为2．5%～5%。根据2007年广州地铁和铁科院对广州地铁旋转电机B型车和直线电机L型车的牵引能耗测试报告，AW2载荷状态下，典型运行区间内的能耗测试