現(xiàn)代有軌電車車輛關鍵技術

1、現(xiàn)代有軌電車車輛關鍵技術 軌道世界ID：RailWorld 摘 要：歐美發(fā)達國家已擁有成熟的現(xiàn)代有軌電車車輛的關鍵技術，我國目前正處于技術的引進和消化吸收階段。本文對現(xiàn)代有軌電車車輛的關鍵技術，包括無網(wǎng)供電、轉(zhuǎn)向架、鉸接式模塊化技術等進行了詳細的介紹和探討，并對我國新建現(xiàn)代有軌電車線路采用這些技術時提出了看法和建議。最后對技術的國產(chǎn)化提出了建議。關鍵詞：現(xiàn)代有軌電車 無網(wǎng)供電 獨立輪對 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.北京城建設計研究總院 / 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，距今已有130多年的歷史，其發(fā)展經(jīng)歷了誕生、發(fā)展、衰退再到復興的四個階段。現(xiàn)代有軌電車的復興始于上世紀80年代的歐美發(fā)達國家，目前歐美多個城市已有多條線路開通運營，部分城市有軌電車線網(wǎng)長度如表1所示。

4、我國目前已有天津濱海、上海張江開通了兩條膠輪自導向式現(xiàn)代有軌電車線路，沈陽渾南新區(qū)有軌電車一期工程已進入最后的調(diào)試階段，其有望在2013年8月通車運營。蘇州、北京、深圳、南京等多個城市也都開展了有軌電車項目?，F(xiàn)代有軌電車的復興，得益于其本身技術的革新。與傳統(tǒng)有軌電車相比，它具有高運量、快速、美觀、節(jié)能、人性化等多個優(yōu)點。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)代有軌電車國內(nèi)已對現(xiàn)代有軌電車進行了多方面的研究，這些研究主要從系統(tǒng)入手，包括從運能、速度、編組、路權等幾個方面分析了現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的主要特征1，結合歐洲現(xiàn)代有軌

5、電車的應用實例探討了其對我國的指導意義2，以及結合國內(nèi)部分線路設計實例對現(xiàn)代有軌電車的系統(tǒng)特點進行闡述等3。本文主要介紹了現(xiàn)代有軌電車車輛的關鍵技術，包括無網(wǎng)供電技術、現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架技術、模塊化技術等，闡述了其與傳統(tǒng)有軌電車的不同之處，對這些技術的采用提出了建議。最后為車輛關鍵技術的國產(chǎn)化提出了建議。2.無網(wǎng)供電技術過去100多年以來，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，越來越多的人開始反對在城市中設置接觸網(wǎng)。尤其是在一些著名的文物保護區(qū)、繁華的商業(yè)區(qū)，接觸網(wǎng)遭到了抵制和反對。由于接觸網(wǎng)供電存在的視覺污染，無網(wǎng)供電技術一直是人類所追求的目標。歐洲對此進行了長久的研

6、究和探索，也曾發(fā)明過很多新穎的方法4，但都沒有得到實用。2003年，法國波爾多有軌電車采用的APS系統(tǒng)得到商業(yè)化運營，將無網(wǎng)供電技術的發(fā)展推向一個高度。目前，各大軌道交通集團都競相開發(fā)出自己特色的無網(wǎng)供電技術，但無論何種技術皆可將其歸為兩類：一是采用分段地面供電，二是采用儲能裝置供電。下面對這兩類技術進行介紹。2.1 分段地面供電目前采用分段地面供電技術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技術以及龐巴迪采用的無線感應供電Primove系統(tǒng)。分段地面供電的技術特點表現(xiàn)為需要鋪設特殊的軌道和車載受流裝置，供電系統(tǒng)可持續(xù)供電，無需考慮儲能裝置那樣的續(xù)航問題。2

7、.1.1 APS系統(tǒng)APS系統(tǒng)是無網(wǎng)供電技術在商業(yè)化運營中首次得到應用的技術，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電源箱，車載集電靴、天線及開關柜等組成。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電軌。采用地面電源供電，整條接觸軌分為若干絕緣段和導體段；當導體段天線檢測環(huán)線感應到車載天線信號時，相應嵌入式電源箱對相應的導體段供電；嵌入式電源箱僅對集電靴所在的導體段供電，當集電靴駛離該導體段，電源箱立刻切斷該導體段的電源?，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，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、靴與導電軌之間的磨耗問題也較為嚴重，阿爾斯通后來采用了一系列措施來改善這兩個問題，從目前的運營來看，除造價和運營成本較高之外，技術已較為成熟。2.1.2 電磁吸附式Tramwave技術意大利安塞爾多公司的Tramwave技術是從其運用于公交車的Stream系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來。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)運營。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成，二者通過磁力相互作用，使得車輛通過某段軌道時，該軌道與電源正極導通，車駛離該處軌道時，軌道與安全負極導通，保證無車時的供電

9、安全。該系統(tǒng)在公交車中得到了應用，但在有軌電車的運用成熟度仍有待實際情況進一步的檢驗。2.1.3 無線感應供電Primove技術龐巴迪公司推出的Primove技術采用無線感應供電方式，在軌道中分段鋪設逆變器，將軌道供電電纜750V的直流電逆變?yōu)?00V/20Hz的交流電；軌道中鋪設的初級感應線圈通過不超過70mm的氣隙在次級感應出約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)。其能量流動如圖4所示。盡管無線傳輸?shù)男誓茏龅?0%以上，但由于能量經(jīng)過了DC/AC、交流感應、AC/DC等多個環(huán)節(jié)，因此其系統(tǒng)效率較一般牽引系統(tǒng)低，整個系統(tǒng)的效率約為50%60%左右5。其最大的優(yōu)點在

10、于一次側與二次側實現(xiàn)了物理分離，不會有APS和Tramwave存在的磨耗問題。2.2儲能裝置供電系統(tǒng)車載儲能裝置多應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，曾使用過多種儲能裝置，例如飛輪、超導、超級電容、蓄電池等6。目前，在現(xiàn)代有軌電車中使用最廣泛的儲能裝置是超級電容和蓄電池。2.2.1 采用超級電容供電超級電容具有充放電時間快、功率密度大、使用壽命長等優(yōu)點，比較適合于現(xiàn)代有軌電車的運行需求。西門子的Sitras系統(tǒng)、西班牙卡夫的ACR技術等都利用了超級電容的這些優(yōu)點。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、充放電平穩(wěn)等優(yōu)點，但充電時間較長、壽命較短；其直接應用于現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)不太適合，一般與超級電容配合使用。超級電容和蓄電池的比功率、比能量對比如圖5所示。2.2.3超級電容和蓄電池混合供電由于超級電容和蓄電池的缺點正好可以相互彌補，兩者結合起來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)航能力強的特點，一方面利用超級電容的平峰能力。采用這種系統(tǒng)最大的難點在于能量管理策略的設置。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電容的容量，即儲能裝置的初始容量配置；二是如何根據(jù)實際列車和線路參數(shù)，決定蓄電池和超級

12、電容的充放電策略，以使系統(tǒng)牽引能力、能耗等性能達到最優(yōu)7。能量管理策略及其控制的實現(xiàn)，代表了儲能裝置供電技術的較高水平。2.3無網(wǎng)供電技術小結無網(wǎng)供電技術可分為分段電面供電和儲能裝置供電兩大類。其各自的技術特點及優(yōu)缺點如表2所示。目前無網(wǎng)供電技術技術成熟度較高，無論是分段地面供電還是儲能裝置供電，多個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、運營維護成本的提升，后者有一個共同的問題，即考慮實際線路特點，如坡道、過紅綠燈啟停時續(xù)航里程的問題。表2. 無網(wǎng)供電技術對比技術特點共同問題分段地面供電APS系統(tǒng)優(yōu)點：技術成熟、供電可靠缺點：磨耗和積水預防采用分段地面供電，需鋪設特殊軌道，一方

13、面增加制造成本，另一方面增加運營維護成本Tramwave技術優(yōu)點：技術新穎，安全可靠缺點：磨耗、運營維護工作量大Primove技術優(yōu)點：無接觸供電、無磨耗缺點：多級能量傳輸、效率較低儲能裝置供電超級電容功率密度大、壽命長、充放電時間短能量管理策略的最優(yōu)實現(xiàn)；考慮實際線路，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、充放電時間長、壽命較短超級電容+蓄電池結合兩者的優(yōu)點3. 現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架技術現(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)別在于動車轉(zhuǎn)向架的設置。理論上來說，要實現(xiàn)100%低地板，保證前后低地板的全面貫通，必須采用獨立輪對轉(zhuǎn)向架。然后，從目前開通運營的現(xiàn)代有軌電車來看，部分仍采用了有軸轉(zhuǎn)向架?，F(xiàn)將兩者的特點簡要闡述如下。3.1有軸轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)有軸轉(zhuǎn)向架主要的特點是技術成熟，曲線運動時具有自導向功能，直線運動時能夠?qū)崿F(xiàn)自動對中，大大降低脫軌的危險。結構簡單，性能良好，磨耗較小。最大的缺點是對地板高度的影響，為實現(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型車和長客生產(chǎn)的沈陽渾南線100%低地板車都采用了這種方式。3.2獨立輪對轉(zhuǎn)向架獨立輪對轉(zhuǎn)向架取

15、消了輪對之間的軸，從而實現(xiàn)全車低地板的貫通。但是，取消了軸的輪對在過曲線時完全依靠輪緣導向，因此輪緣磨耗嚴重。另外直線運動時一旦由于軌道不平順等原因偏離軌道中心，其沒有自動對中的能力，增加了脫軌的危險。目前比較成熟的是西門子采用的軸橋式縱向耦合動力輪轉(zhuǎn)向架，如圖7所示。其將牽引電機-齒輪裝置縱向布置，使同一側的前、后兩個獨立車輪縱向耦合在一起，同時采用低橫軸連接左右車輪，利用這種結構實現(xiàn)自對中和減少橫向擺動。4. 鉸接式車體-模塊化技術現(xiàn)代有軌電車的另一個鮮明的特點是采用鉸接式車體，實現(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，同時可以根據(jù)客流改變模塊編組。以沈陽渾南線有軌電車的模塊為

16、例，其分為司機室模塊、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，其在每一個模塊都安裝了轉(zhuǎn)向架。還有比較特別的廠家如斯柯達采用的是轉(zhuǎn)向架鉸接模式。三者的對比如圖8所示。懸浮車體模塊都采用了多鉸接結構，而西門子這種型式即可以只采用單鉸接結構。5. 車輛關鍵技術的國產(chǎn)化建議現(xiàn)代有軌電車在歐洲已得到非常成熟的發(fā)展和應用，在我國正處于快速發(fā)展階段。傳統(tǒng)牽引傳動、列車網(wǎng)絡控制技術等車輛關鍵技術，國內(nèi)部分廠家已基本完成了消化吸收的工作。但是現(xiàn)代有軌電車的無網(wǎng)供電技術、獨立輪對轉(zhuǎn)向架技術等，目前還遠落后于國外先進技術。對此本文有兩個建議：（1）加強自主研發(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)；以無網(wǎng)供電技術為例，國外各廠家都擁有屬于各自不同的方式，但各自的技術也都存在一些缺點和問題。國內(nèi)是否能提出一種與之不同的方式？或是否能在國外某種技術的基礎上尋求改進以彌補其不足？（2）在選擇這些關鍵技術時應慎重。例如選擇無網(wǎng)供電技術時，是必須全線皆采用無網(wǎng)供電，還是只在部分必須注意景觀和文物保護的區(qū)域采用？不應為了使用新技術而采用新技術，而應結合實際