現(xiàn)代有軌電車車輛關(guān)鍵技術(shù)

1、現(xiàn)代有軌電車車輛關(guān)鍵技術(shù) 軌道世界ID：RailWorld 摘 要：歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已擁有成熟的現(xiàn)代有軌電車車輛的關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)目前正處于技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收階段。本文對(duì)現(xiàn)代有軌電車車輛的關(guān)鍵技術(shù)，包括無(wú)網(wǎng)供電、轉(zhuǎn)向架、鉸接式模塊化技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和探討，并對(duì)我國(guó)新建現(xiàn)代有軌電車線路采用這些技術(shù)時(shí)提出了看法和建議。最后對(duì)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化提出了建議。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代有軌電車 無(wú)網(wǎng)供電 獨(dú)立輪對(duì) 模塊化Abstract: European countries had maturely predominated key technologies of modern trams, while China i

2、s still under introduction, digestion and absorption. The key technologies of modern trams, including wireless power supply, bogie and articulated modular vehicle, are introduced and investigated in detail in this paper. Suggestions about key technologies adopted during new tram lines is proposed, a

3、nd some advice are suggested to the technologies localization in China.Key Words: modern trams; wireless power supply; independent wheel; modular vehicle.北京城建設(shè)計(jì)研究總院 / 楊珂 李猛 郭澤闊 肖瑞金1.緒論有軌電車誕生于1881年的德國(guó)，距今已有130多年的歷史，其發(fā)展經(jīng)歷了誕生、發(fā)展、衰退再到復(fù)興的四個(gè)階段?，F(xiàn)代有軌電車的復(fù)興始于上世紀(jì)80年代的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，目前歐美多個(gè)城市已有多條線路開通運(yùn)營(yíng)，部分城市有軌電車線網(wǎng)長(zhǎng)度如表1所示。

4、我國(guó)目前已有天津?yàn)I海、上海張江開通了兩條膠輪自導(dǎo)向式現(xiàn)代有軌電車線路，沈陽(yáng)渾南新區(qū)有軌電車一期工程已進(jìn)入最后的調(diào)試階段，其有望在2013年8月通車運(yùn)營(yíng)。蘇州、北京、深圳、南京等多個(gè)城市也都開展了有軌電車項(xiàng)目?，F(xiàn)代有軌電車的復(fù)興，得益于其本身技術(shù)的革新。與傳統(tǒng)有軌電車相比，它具有高運(yùn)量、快速、美觀、節(jié)能、人性化等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。墨爾本30250km圣彼得堡35242km柏林22191.6km巴黎564.5km注：表中數(shù)據(jù)包含傳統(tǒng)有軌電車和現(xiàn)代有軌電車國(guó)內(nèi)已對(duì)現(xiàn)代有軌電車進(jìn)行了多方面的研究，這些研究主要從系統(tǒng)入手，包括從運(yùn)能、速度、編組、路權(quán)等幾個(gè)方面分析了現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的主要特征1，結(jié)合歐洲現(xiàn)代有軌

5、電車的應(yīng)用實(shí)例探討了其對(duì)我國(guó)的指導(dǎo)意義2，以及結(jié)合國(guó)內(nèi)部分線路設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)現(xiàn)代有軌電車的系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行闡述等3。本文主要介紹了現(xiàn)代有軌電車車輛的關(guān)鍵技術(shù)，包括無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)、現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架技術(shù)、模塊化技術(shù)等，闡述了其與傳統(tǒng)有軌電車的不同之處，對(duì)這些技術(shù)的采用提出了建議。最后為車輛關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化提出了建議。2.無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)過去100多年以來(lái)，接觸網(wǎng)供電一直是列車供電方式的首選，但隨著人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人開始反對(duì)在城市中設(shè)置接觸網(wǎng)。尤其是在一些著名的文物保護(hù)區(qū)、繁華的商業(yè)區(qū)，接觸網(wǎng)遭到了抵制和反對(duì)。由于接觸網(wǎng)供電存在的視覺污染，無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)一直是人類所追求的目標(biāo)。歐洲對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)久的研

6、究和探索，也曾發(fā)明過很多新穎的方法4，但都沒有得到實(shí)用。2003年，法國(guó)波爾多有軌電車采用的APS系統(tǒng)得到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，將無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)的發(fā)展推向一個(gè)高度。目前，各大軌道交通集團(tuán)都競(jìng)相開發(fā)出自己特色的無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)，但無(wú)論何種技術(shù)皆可將其歸為兩類：一是采用分段地面供電，二是采用儲(chǔ)能裝置供電。下面對(duì)這兩類技術(shù)進(jìn)行介紹。2.1 分段地面供電目前采用分段地面供電技術(shù)的有阿爾斯通的分段第三軌供電APS系統(tǒng)，安塞爾多的電磁吸附式Tramwave技術(shù)以及龐巴迪采用的無(wú)線感應(yīng)供電Primove系統(tǒng)。分段地面供電的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為需要鋪設(shè)特殊的軌道和車載受流裝置，供電系統(tǒng)可持續(xù)供電，無(wú)需考慮儲(chǔ)能裝置那樣的續(xù)航問題。2

7、.1.1 APS系統(tǒng)APS系統(tǒng)是無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)在商業(yè)化運(yùn)營(yíng)中首次得到應(yīng)用的技術(shù)，其系統(tǒng)組成及軌道外觀圖如圖1所示。APS系統(tǒng)由深埋于地下的多個(gè)電源箱，車載集電靴、天線及開關(guān)柜等組成。其工作原理可看做將普通地鐵第三軌供電分成若干相互絕緣的導(dǎo)電軌。采用地面電源供電，整條接觸軌分為若干絕緣段和導(dǎo)體段；當(dāng)導(dǎo)體段天線檢測(cè)環(huán)線感應(yīng)到車載天線信號(hào)時(shí)，相應(yīng)嵌入式電源箱對(duì)相應(yīng)的導(dǎo)體段供電；嵌入式電源箱僅對(duì)集電靴所在的導(dǎo)體段供電，當(dāng)集電靴駛離該導(dǎo)體段，電源箱立刻切斷該導(dǎo)體段的電源?，F(xiàn)代有軌電車屬于路面交通，且部分地段與行人共享路權(quán)，分段第三軌供電保證了供電的安全性。這種供電方式在開通初期曾受到雨水的影響，此外，集電

8、靴與導(dǎo)電軌之間的磨耗問題也較為嚴(yán)重，阿爾斯通后來(lái)采用了一系列措施來(lái)改善這兩個(gè)問題，從目前的運(yùn)營(yíng)來(lái)看，除造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本較高之外，技術(shù)已較為成熟。2.1.2 電磁吸附式Tramwave技術(shù)意大利安塞爾多公司的Tramwave技術(shù)是從其運(yùn)用于公交車的Stream系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來(lái)。意大利人從1994年開始研發(fā)Stream系統(tǒng)，1998年在意大利的里雅斯特（Trieste）一條3.3km的公交車上得到了商業(yè)運(yùn)營(yíng)。其軌道及車載受流器如圖23所示。系統(tǒng)由車載受流器與埋于軌道中的供電裝置構(gòu)成，二者通過磁力相互作用，使得車輛通過某段軌道時(shí)，該軌道與電源正極導(dǎo)通，車駛離該處軌道時(shí)，軌道與安全負(fù)極導(dǎo)通，保證無(wú)車時(shí)的供電

9、安全。該系統(tǒng)在公交車中得到了應(yīng)用，但在有軌電車的運(yùn)用成熟度仍有待實(shí)際情況進(jìn)一步的檢驗(yàn)。2.1.3 無(wú)線感應(yīng)供電Primove技術(shù)龐巴迪公司推出的Primove技術(shù)采用無(wú)線感應(yīng)供電方式，在軌道中分段鋪設(shè)逆變器，將軌道供電電纜750V的直流電逆變?yōu)?00V/20Hz的交流電；軌道中鋪設(shè)的初級(jí)感應(yīng)線圈通過不超過70mm的氣隙在次級(jí)感應(yīng)出約400V的交流，再將交流電轉(zhuǎn)換為600V的直流電，供給牽引系統(tǒng)。其能量流動(dòng)如圖4所示。盡管無(wú)線傳輸?shù)男誓茏龅?0%以上，但由于能量經(jīng)過了DC/AC、交流感應(yīng)、AC/DC等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此其系統(tǒng)效率較一般牽引系統(tǒng)低，整個(gè)系統(tǒng)的效率約為50%60%左右5。其最大的優(yōu)點(diǎn)在

10、于一次側(cè)與二次側(cè)實(shí)現(xiàn)了物理分離，不會(huì)有APS和Tramwave存在的磨耗問題。2.2儲(chǔ)能裝置供電系統(tǒng)車載儲(chǔ)能裝置多應(yīng)用于小汽車和公交車中，例如豐田Prius和本田Insight中采用的鋰離子電池供電，上海11路公交采用的超級(jí)電容供電等。在最早的軌道交通去接觸網(wǎng)研究中，曾使用過多種儲(chǔ)能裝置，例如飛輪、超導(dǎo)、超級(jí)電容、蓄電池等6。目前，在現(xiàn)代有軌電車中使用最廣泛的儲(chǔ)能裝置是超級(jí)電容和蓄電池。2.2.1 采用超級(jí)電容供電超級(jí)電容具有充放電時(shí)間快、功率密度大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，比較適合于現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行需求。西門子的Sitras系統(tǒng)、西班牙卡夫的ACR技術(shù)等都利用了超級(jí)電容的這些優(yōu)點(diǎn)。2.2.2采用

11、蓄電池供電蓄電池具有能量密度大、續(xù)航里程長(zhǎng)、充放電平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但充電時(shí)間較長(zhǎng)、壽命較短；其直接應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)不太適合，一般與超級(jí)電容配合使用。超級(jí)電容和蓄電池的比功率、比能量對(duì)比如圖5所示。2.2.3超級(jí)電容和蓄電池混合供電由于超級(jí)電容和蓄電池的缺點(diǎn)正好可以相互彌補(bǔ)，兩者結(jié)合起來(lái)可以保證在相同的體積和重量情況下，提供更大的能量和峰值功率。一方面發(fā)揮蓄電池續(xù)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)，一方面利用超級(jí)電容的平峰能力。采用這種系統(tǒng)最大的難點(diǎn)在于能量管理策略的設(shè)置。能量管理策略存在兩層意思，一是如何確定初始的蓄電池和超級(jí)電容的容量，即儲(chǔ)能裝置的初始容量配置；二是如何根據(jù)實(shí)際列車和線路參數(shù)，決定蓄電池和超級(jí)

12、電容的充放電策略，以使系統(tǒng)牽引能力、能耗等性能達(dá)到最優(yōu)7。能量管理策略及其控制的實(shí)現(xiàn)，代表了儲(chǔ)能裝置供電技術(shù)的較高水平。2.3無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)小結(jié)無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)可分為分段電面供電和儲(chǔ)能裝置供電兩大類。其各自的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。目前無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)技術(shù)成熟度較高，無(wú)論是分段地面供電還是儲(chǔ)能裝置供電，多個(gè)軌道交通裝備制造公司都可提供。但前者存在的問題是制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的提升，后者有一個(gè)共同的問題，即考慮實(shí)際線路特點(diǎn)，如坡道、過紅綠燈啟停時(shí)續(xù)航里程的問題。表2. 無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)對(duì)比技術(shù)特點(diǎn)共同問題分段地面供電APS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、供電可靠缺點(diǎn)：磨耗和積水預(yù)防采用分段地面供電，需鋪設(shè)特殊軌道，一方

13、面增加制造成本，另一方面增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本Tramwave技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)新穎，安全可靠缺點(diǎn)：磨耗、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量大Primove技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)接觸供電、無(wú)磨耗缺點(diǎn)：多級(jí)能量傳輸、效率較低儲(chǔ)能裝置供電超級(jí)電容功率密度大、壽命長(zhǎng)、充放電時(shí)間短能量管理策略的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)；考慮實(shí)際線路，如坡道、啟停次數(shù)等的續(xù)航能力問題蓄電池續(xù)航能力強(qiáng)、充放電時(shí)間長(zhǎng)、壽命較短超級(jí)電容+蓄電池結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)3. 現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架技術(shù)現(xiàn)代有軌電車經(jīng)歷了高地板、70%低地板、100%低地板等幾個(gè)發(fā)展階段。一般地板面的高度小于350mm稱為低地板。其中70%和100%低地板的區(qū)別在于車內(nèi)低地板面積占總面積的比例，兩者的車內(nèi)地板示意如

14、圖6所示。兩者的主要區(qū)別在于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的設(shè)置。理論上來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)100%低地板，保證前后低地板的全面貫通，必須采用獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架。然后，從目前開通運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)代有軌電車來(lái)看，部分仍采用了有軸轉(zhuǎn)向架?，F(xiàn)將兩者的特點(diǎn)簡(jiǎn)要闡述如下。3.1有軸轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)有軸轉(zhuǎn)向架主要的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)具有自導(dǎo)向功能，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，大大降低脫軌的危險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，磨耗較小。最大的缺點(diǎn)是對(duì)地板高度的影響，為實(shí)現(xiàn)地板高度小于350mm，一般采用輪徑小于600mm的小型車輪。目前龐巴迪的Flexity2型車和長(zhǎng)客生產(chǎn)的沈陽(yáng)渾南線100%低地板車都采用了這種方式。3.2獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架取

15、消了輪對(duì)之間的軸，從而實(shí)現(xiàn)全車低地板的貫通。但是，取消了軸的輪對(duì)在過曲線時(shí)完全依靠輪緣導(dǎo)向，因此輪緣磨耗嚴(yán)重。另外直線運(yùn)動(dòng)時(shí)一旦由于軌道不平順等原因偏離軌道中心，其沒有自動(dòng)對(duì)中的能力，增加了脫軌的危險(xiǎn)。目前比較成熟的是西門子采用的軸橋式縱向耦合動(dòng)力輪轉(zhuǎn)向架，如圖7所示。其將牽引電機(jī)-齒輪裝置縱向布置，使同一側(cè)的前、后兩個(gè)獨(dú)立車輪縱向耦合在一起，同時(shí)采用低橫軸連接左右車輪，利用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自對(duì)中和減少橫向擺動(dòng)。4. 鉸接式車體-模塊化技術(shù)現(xiàn)代有軌電車的另一個(gè)鮮明的特點(diǎn)是采用鉸接式車體，實(shí)現(xiàn)車輛的模塊化生產(chǎn)。鉸接式車體既可以保證小轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)可以根據(jù)客流改變模塊編組。以沈陽(yáng)渾南線有軌電車的模塊為

16、例，其分為司機(jī)室模塊、轉(zhuǎn)向架模塊和F車模塊。其中F車模塊即懸浮車體模塊，龐巴迪的Flexity2、阿爾斯通的Citadis、安塞爾多Siri和西班牙卡夫等也都采用了這種形式。與之不同的是西門子采用的模塊化技術(shù)，其在每一個(gè)模塊都安裝了轉(zhuǎn)向架。還有比較特別的廠家如斯柯達(dá)采用的是轉(zhuǎn)向架鉸接模式。三者的對(duì)比如圖8所示。懸浮車體模塊都采用了多鉸接結(jié)構(gòu)，而西門子這種型式即可以只采用單鉸接結(jié)構(gòu)。5. 車輛關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化建議現(xiàn)代有軌電車在歐洲已得到非常成熟的發(fā)展和應(yīng)用，在我國(guó)正處于快速發(fā)展階段。傳統(tǒng)牽引傳動(dòng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等車輛關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)部分廠家已基本完成了消化吸收的工作。但是現(xiàn)代有軌電車的無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)、獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架技術(shù)等，目前還遠(yuǎn)落后于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。對(duì)此本文有兩個(gè)建議：（1）加強(qiáng)自主研發(fā)，盡管知道自己已經(jīng)落后很多的情況下，仍不能放棄自主研發(fā)；以無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)為例，國(guó)外各廠家都擁有屬于各自不同的方式，但各自的技術(shù)也都存在一些缺點(diǎn)和問題。國(guó)內(nèi)是否能提出一種與之不同的方式？或是否能在國(guó)外某種技術(shù)的基礎(chǔ)上尋求改進(jìn)以彌補(bǔ)其不足？（2）在選擇這些關(guān)鍵技術(shù)時(shí)應(yīng)慎重。例如選擇無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)時(shí)，是必須全線皆采用無(wú)網(wǎng)供電，還是只在部分必須注意景觀和文物保護(hù)的區(qū)域采用？不應(yīng)為了使用新技術(shù)而采用新技術(shù)，而應(yīng)結(jié)合實(shí)際