有轨电车轻轨车辆的技术特点

有轨电车轻轨车辆的技术特点

1低地板轻量车和独立车1.1有轨电车/轻轨车辆20世纪20年代，现代的公共汽车和公共汽车系统在世界上取得了巨大的发展。按国际公共交通联盟1997年统计,全世界约有350个有轨电车/轻轨系统,线路总长15000km,车辆约35000辆,其中大约80%在欧洲和北美。有些地区,有轨电车/轻轨系统原本是很少见的,但近些年来也出现了新的轻轨系统,如非洲的突尼斯(1985年)、马来西亚首都吉隆坡(1996年)、土耳其的伊斯坦布尔、澳大利亚的悉尼(1997年)等。有轨电车/轻轨系统的运送能力为单向10000人次/h～30000人次/h,站间距离为500m～1000m,介于公共汽车与地铁之间。地铁的建设费用巨大(粗略估算,建1km地铁地下线的费用可建轻轨地面线10km～15km),因此,只有在远期客流量很大的情况下才应考虑修建地铁,否则应选用修建费用低得多的轻轨系统。老式有轨电车振动大、噪声大、车辆小、车内设备简陋、速度低。现代有轨电车/轻轨车辆车辆大、载客多、速度高、运行平稳舒适、车内外噪声低。当前先进的有轨电车/轻轨车辆的技术特点是:采用IGBT元件的交流驱动系统、低地板、标准模块化设计满足不同需要、减轻自重、降低造价。车辆自重是一个很重要的指标,对车辆制造成本及运行费用起重要影响。近些年来制造的轻轨车辆的自重指标为1.3t/m～1.5t/m;当今用模块化设计的低地板有轨电车/轻轨车辆的车辆自重可低达1t/m;而车辆制造商追求的目标为——28m长的模块化低地板车辆的自重指标为0.7t/m。1.2中间通道的地面车辆有轨电车和轻轨车辆在结构上没有什么不同。低地板有轨电车/轻轨车辆10多年来得到了很大的发展,行驶于街面上的轨道车辆及公共汽车,国外几乎都采用低地板技术。低地板离轨面高度通常为350mm(高地板为900mm～1000mm),乘客上下车方便且缩短了停站时间。据国外统计,与高地板车相比,低地板车乘客上下车时间减少30%,使行车旅行速度增高3%～4%。降低地板高度的障碍不是车轮而是车轴,因此,低地板车辆不能用常规车轴及轮对,必须把车轴做成下凹的U形,以便降低中间通道的地板高度,在U形车轴两端的短轴上装独立回转的车轮组成轮对(见图1)。运行时,车轴不转动,两车轮可以不同的转速转动,这种结构称为独立车轮。低地板轻轨车分2类:70%低地板车及100%(全长)低地板车(见图2)。70%低地板车的两端动力转向架上仍为高地板,采用常规的动力转向架,牵引电动机的安装、驱动机构及基础制动装置都是常规的。中间从动轴改用独立车轮结构,因为不装牵引电动机,故结构并不很复杂(参见图1)。100%低地板车的动力转向架也要采用独立车轮结构,由于地板下的空间很小,牵引电动机及驱动机构的传统布置方案不再可能,必须另想办法,使结构复杂化。100%低地板车一直是追求的目标,在欧洲已得到广泛应用。70%低地板车与100%低地板车相比,有如下优点:(1)采用常规的动力转向架,结构简单,技术成熟。(2)中间非动力转向架采用独立车轮,结构相对简单。(3)车门开在低地板部位,乘客上下车同样方便,车内用二三个台阶由低地板过渡到高地板,给乘客带来的麻烦不大。(4)常规动力转向架可装较大功率的牵引电动机,每轴功率为100kW～150kW,甚至更大;而驱动的独立车轮,因受空间的限制,2个独立车轮的牵引电动机功率不超过70kW～90kW。基于上述优点,美国当前的低地板轻轨车辆都采用70%低地板。这是因为美国轻轨车的运用条件与欧洲不同,主要表现在:(1)美国轻轨车容量较大;(2)通常要运行至市郊;(3)运行速度较快;(4)启动加速度较大;(5)需要较大的牵引功率。虽然美国当前运行的低地板轻轨车都是70%低地板车,但有些城市中的有轨电车准备采用欧洲流行的100%低地板车。1.3双铰接、70%低地板车解放初,上海、北京、天津等城市曾有大量的老式有轨电车,不久即陆续淘汰,现仅大连、鞍山、长春仍保留少量的有轨电车。这些老式有轨电车必须用现代化的车辆来代替,增大容量、改善乘车环境,提高行车速度,采用轴式B0-2-B0、双铰接、70%低地板车应该是最好的选择。我国将来新建的轻轨系统,如果在街面上行驶,或主要在地面线行驶,对于这些低站台情况,为方便乘客上下车,也应采用70%低地板车辆。如果轻轨线为高架,则应采用结构较简单的高地板车。两端高地板、中间低地板使车底架呈元宝形,在两端纵向压力作用下,底架的载荷情况比较恶劣,要慎重确定纵向力的大小及底架的结构强度。此外,由于底架中部下降,原来在车底下的许多设备要移至车体顶部,车顶载荷比常规车辆大得多,而且要工人上去安装维修,因此车顶结构要增强。中间非动力转向架必须采用独立车轮。与常规轮对相比,独立车轮有其固有的运行特性,若设计不当,运行中会发生意想不到的问题。2双轨车轮独立车轮独立车轮轮对的左右两轮的转速可以不同,根本不产生纵向蠕滑力,在直道上不会发生蛇行运动。铁路车辆研究采用独立车轮,正是基于它不发生蛇行运动的优点,对高速行车具有潜力。但是应该注意到,轻轨车辆的行车速度不高,不会超过100km/h,上述优点得不到发挥。独立车轮的缺点:(1)在直道上运行时,由于轨道横向不平顺等原因,车轮发生横向偏移时,不能自动对中,造成轮缘与钢轨持续接触,发生轮缘磨耗。(2)通过曲线时,不存在左右轮蠕滑力形成的力偶的导向作用,完全依靠轮缘导向,冲角和轮轨横向作用力较大,轮缘磨耗较严重。(3)前面已提到独立车轮高速时不发生蛇行失稳为其一大优点,但根据理论分析及试验结果,在低速时倒有可能产生明显的摇头振动,这是轮轨横向蠕滑力特性引起的。3独立车辆的线性运营性能3.1重力原位力的形成常规轮对采用锥形踏面或磨耗形踏面,当轮对横向偏移时,由左右轮滚动半径差产生的纵向蠕滑力矩使轮对自动对中。独立车轮若用锥形踏面,则没有自动对中能力,造成轮缘持续贴靠,无法实际应用。为了使独立车轮也能自动对中,必须采用磨耗形踏面,使踏面的接触角各处不同,随着向轮缘接近,接触角逐渐增大。当轮对横移时,左右轮的接触角不同,钢轨法向反力的横向分力不同,其差形成一个复原力,使轮对回复至中央位置。独立车轮重力复原力所起的复位作用比之常规轮对时的复位作用要小得多,自动对中慢得多。例如,试验测得当轮对横向偏移5mm时,常规轮对走行几十米即复位,独立车轮要走行几百米才复位,但毕竟避免了轮缘贴靠。3.2车轮轮对的横向模装用独立车轮的车辆无蛇行运动,不受蛇行临界速度的限制,容许较高的运行速度,而且高速时的横向运行平稳性较好,舒适度较高。但是,装用独立车轮的铁路车辆线路试验发现,当一系悬挂的横向及纵向刚度较低时,在低速时会发生频率为6Hz左右的摇头振动,使车体产生很大的横向加速度,使轮缘接触钢轨。当车速增加时,振动频率变化不大;轮轨摩擦因数减小时,振幅减小,下雨天摇头振动消失。常规轮对的蛇行振动频率与车速成正比,而独立车轮的摇头振动频率与车速无关,其振动特性与常规轮对完全不同,这是由独立车轮的横向蠕滑力(无纵向蠕滑)特性决定的。横向蠕滑力由两部分叠加合成——轮对摇头角产生的横向蠕滑力及由回旋蠕滑(spin)产生的横向蠕滑力。锥形踏面接触的回旋蠕滑很小,通常可忽略不计;磨耗形踏面的接触角较大,特别是接近轮缘根部时,回旋蠕滑较大,所产生的横向蠕滑力就不可忽略。独立车轮低速时的摇头振动必须加以控制,这一点十分重要。增大一系悬挂的横向刚度及纵向刚度就能使摇头振动不发生。为了改善常规轮对的曲线通过性能,一系悬挂的水平刚度宜取较小的数值,使轮对在纵向蠕滑力作用下向径向位置偏斜。对独立车轮来说,由于不存在纵向蠕滑力,较小的一系悬挂水平刚度无任何优点,应取较大值。4曲线通过的性能独立车轮与常规轮对通过曲线的基本差异为独立车轮不能产生纵向蠕滑力形成的导向力矩。常规轮对的导向力矩使轮对冲角及导向力减小,在较大半径曲线上,采用磨耗形踏面可避免轮缘接触。独立车轮无导向力矩,仅靠踏面上的重力复原力及轮缘导向,因而冲角及导向力较大。应该指出,在很小半径曲线上,常规轮对的纵向蠕滑力形成的力矩与大半径曲线相反,阻碍导向。独立车轮无纵向蠕滑力倒成为优点,通过小半径曲线的性能不会比常规轮对差。独立车轮的曲线通过性能,特别是通过小半径曲线的性能还需进一步研究。轻轨车辆要通过很小半径的曲线。曲线通过的主要问题是轮缘和钢轨的磨耗及刺耳的尖啸噪声。尖啸噪声是由于轮轨的摩擦(蠕滑)引起的。独立车轮无纵向蠕滑,横向蠕滑仍然存在,与常规轮对相比,尖啸噪声大幅度减小。独立车轮通过曲线时的导向力即便比常规轮对大,但轮缘磨耗也不一定增加,因为磨耗还取决于蠕滑率。如果踏面设计合理,避免在曲线上轮轨2点接触(一点在踏面、一点在轮缘),则可避免轮缘接触点的大蠕滑和快磨耗。独立车轮没有纵向蠕滑,对减少轮轨磨耗是一个有利因素。5运营部的组件误差对独立车轮性能的影响5.1横向整合差异轮对组装不平行,偏斜0.1mrad～0.5mrad是很常见的。这时,在直道上运行的车轮对钢轨有冲角,相当于在半径为几千米的曲线上运行。对于常规轮对,只要横向偏移一点点,左右轮滚动半径差产生的纵向蠕滑力形成的力矩就足以导向,轮缘不会与钢轨接触,只引起踏面很小的磨耗。对于独立车轮,由于无纵向蠕滑力矩导向,仅靠轮对向外横移,左右轮接触角产生的复原力导向,轮对偏斜引起轮对较大的横移。如果左右轮踏面接触角差很小,则很小的轮对偏斜(0.1mrad)就足以使独立车轮发生轮缘接触。这就是所谓独立车轮对于轮对组装误差特别敏感。轨道横向不平顺时,组装误差引起的轮对横移呈振动状态,使车体横向加速度增大。这时,横向不平顺成为横向冲击,车辆运行品质恶化。很明显,与常规轮对相比,独立车轮的组装间隙要小,使轮对偏斜不超过0.1mrad,否则在直道上也会发生轮缘接触,且使运行品质恶化。5.2轮缘贴靠钢轨独立车轮在线路试验中曾发现奇怪的现象:轮对组装偏斜时,不管车辆的运行方向如何,总是同一轮缘贴靠钢轨(按常理,运行方向改变时,轮缘接触应改成另一边)。研究表明,这可能是悬挂装置(轴箱及弹簧组装)中的间隙所致,致使运行方向改变时,轮对偏斜方向也随之改变。因此,独立车轮的组装间隙宜小。6独立车轮安装6.1横向重力复合力独立车轮采用锥形踏面时,在直道上不发生蛇行运动,但也不能自动对中,因轨道横向不平顺等原因,使轮对偏离中央位置,造成轮缘单边贴靠。为了使轮对复原到中央位置,必须采用磨耗形踏面。轮对偏离中央位置时,由于左右轮接触角不同,左右轮法向反力的横向分力之差,即重力复原力使轮对向中央位置复原。如果采用锥形踏面,轮对横移时,左右轮接触角之差甚小,重力复原力也极小,不能使轮对复原至中央位置,从而造成轮缘贴靠和磨耗。另外,独立车轮通过曲线时,没有纵向蠕滑力矩导向,仅靠上述的横向重力复原力导向;如果复原力不足,则轮缘与钢轨接触,轮缘力参与导向。因此,应仔细设计磨耗形踏面,保证有足够的横向复原力。6.2磨损和研磨的要求6.2.1独立车轮踏面的一般规定和现代车辆说对于常规轮对的磨耗形踏面,其最重要的参数是等效斜度,通常为0.15～0.2,因为它关系到蛇行稳定性及曲线通过性能。此值不能过大,否则会发生蛇行失稳。但是,对于独立车轮来说,踏面等效斜度的概念已毫无意义。等效斜度的概念是轮对左右轮转速相同,滚动半径差相对轮对横移量的变化率。对于独立车轮,左右轮可以独立回转,转速可以不同,滚动半径差对动力学性能已不起任何影响。因此,独立车轮的磨耗形踏面设计,绝不能用毫无意义的等效斜度作为参数。独立车轮磨耗形踏面设计的重要参数是左右轮接触角之差,应足够大。因为正是这一参数产生重力复原力,使轮对在直道上自动对中、在曲线上导向。左右轮接触角之差随轮对横移量而增大。图3为日本铁路车辆设计试用的独立车轮踏面左右轮接触角之差(αR-αL)随轮对横移量的变化关系,图中还给出了与其他踏面的比较。由图3可以看到,该独立车轮踏面的接触角差比一般磨耗形踏面大得多,独立车轮在轮对横移3mm的重力复原力与一般磨耗形踏面横移8mm相当。该踏面的试用表明:在直道上,轮对自动对中性能较好,轮对与轨道中心线保持一致,未发现轮缘贴靠情况;车辆的曲线通过性能良好,侧压力不大。这说明该踏面设计是成功的。当然,独立车轮根本不会发生蛇行失稳的问题。6.2.2踏面和轮缘2点接触为减轻轮缘和钢轨磨耗,踏面外形设计应与钢轨匹配,使轮对横移时,不发生踏面和轮缘2点接触。磨耗形踏面设计容易做到在直道上避免2点接触;通过曲线时,由于车轮和钢轨之间存在着冲角,2点接触有时难以避免。踏面设计应尽可能做到在直道及曲线上不发生2点接触。7独立车轮的一般性能(1)独立车轮无蛇行运动,没有蛇行临界速度的限制,可以达到较高的速度,但这一优点对轻轨车辆无实际意义。(2)独立车轮在直道上偏离中央位置后,靠踏面上的重力复原力自动对中,对中过程慢,对走行部的组装误差及间隙很敏感。要保证足够的踏面斜度差及较小的组装误差及间隙,以免引起轮缘贴靠及横