輕軌車輛技術(shù)特征及其發(fā)展

楊 珂 于松偉 馮愛軍 魏 運(yùn)

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

1 輕軌車輛概述

輕軌車輛是從傳統(tǒng)的有軌電車脫胎發(fā)展而成的一種能在地面、高架或隧道中運(yùn)行的現(xiàn)代化交通工具。世界上第一條有軌電車線是1888年在美國(guó)開通的，而后許多城市相繼建成了有軌電車系統(tǒng)。自20世紀(jì)以來(lái)，汽車運(yùn)輸發(fā)展很快，特別是私人小汽車逐漸多起來(lái)，馬路上開始擁擠。由于有軌電車同其他車輛共享路面、噪聲大、速度低和乘坐舒適性差，逐漸失去了往日的地位，被公共汽車和私人小汽車所替代，因而在全球范圍內(nèi)有不少有軌電車線路被停運(yùn)和拆除。但在東歐、西歐、前蘇聯(lián)等的某些城市仍保留著有軌電車，并逐步對(duì)有軌電車系統(tǒng)進(jìn)行全面提升:使用現(xiàn)代化、大容量的鉸接車輛，修建靈活路權(quán)的有軌電車線路，使用特殊的信號(hào)控制，修建與地鐵、公共汽車換乘的樞紐等［1］。

這種提升后的系統(tǒng)在速度、可靠性、舒適度和安全性等方面更加類似于快速軌道交通，而不是傳統(tǒng)的有軌電車，它被賦予了一個(gè)新名字——輕軌［2］。與傳統(tǒng)有軌電車不同的是，輕軌車輛不僅在外觀上有許多變化，而且在技術(shù)裝備上融入了諸多現(xiàn)代高科技的元素，具有更高的運(yùn)行速度、更舒適的乘車空間以及快捷的換乘方式，其技術(shù)性能和舒適度是老式有軌電車無(wú)法望其項(xiàng)背的。

輕軌車輛作為城市現(xiàn)代化的交通運(yùn)輸工具，與其他軌道交通相比，非常適合填補(bǔ)大中城市地面公交和地鐵之間的中等運(yùn)量空白［3］。下面將對(duì)輕軌車輛的分類進(jìn)行介紹，對(duì)車輛的主要技術(shù)特征和將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納分析。

2 輕軌車輛分類

1)輕軌車輛有4軸車、6軸車、8軸車，見圖1～圖2。

圖1 6軸輕軌車輛

圖2 8軸輕軌車輛

2)輕軌車輛有高地板車、低地板車［4］，見圖3～圖4。低地板輕軌車輛一般是指地板面距軌面高度在400 mm以下的車輛，主要有3個(gè)發(fā)展階段:早期的30%低地板車、70%低地板車和當(dāng)前發(fā)展主流的100%低地板車。

3)輕軌車輛按組成模塊數(shù)量劃分，有2～7模塊的車輛，見圖5～圖6。

圖3 高地板輕軌車輛

圖4 低地板輕軌車輛

圖5 3模塊輕軌車輛

圖6 7模塊輕軌車輛

3 主要技術(shù)特征

輕軌車輛是在有軌電車的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是利用了現(xiàn)代高科技技術(shù)開發(fā)的新一代噪聲低、速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、換乘方便的新型有軌電車。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，輕軌車輛無(wú)論從車輛性能、舒適程度、環(huán)保要求和車體外觀等方面都發(fā)生了根本性的改進(jìn)。

3.1 車輛性能

3.1.1 質(zhì)量和速度

輕軌車質(zhì)量輕、速度快。車輛每米質(zhì)量在1.1～1.5 t之間，額定負(fù)載下的軸重一般在13 t以下，在特定的條件下軸重也不超過(guò)16 t，故由此得名為“輕軌車”。輕軌車輛的最高設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)70～100 km/h，在城市中心地區(qū)的半獨(dú)立路權(quán)和共享路權(quán)區(qū)段的旅行速度一般都在20 km/h左右，在城市郊區(qū)的旅行速度可達(dá)30 km/h以上。

3.1.2 加減速性能

輕軌車的加減速性能優(yōu)異。為方便乘客，吸引客流，提供高質(zhì)量服務(wù)，輕軌站間距離短，介于500～1 500 m，因此需要車輛具備良好的加減速能力。共享路權(quán)輕軌線路區(qū)間或與城市其他交通方式共用，半獨(dú)立路權(quán)輕軌線路區(qū)間或與地面交通存在平交，均需要輕軌車輛具備良好的加減速能力。車輛常用制動(dòng)平均減速度應(yīng)在1.0 ～1.5 m/s2，緊急制動(dòng)減速度應(yīng)在2.0 ～3.5 m/s2［5］。

3.2 主要構(gòu)成

3.2.1 車體與轉(zhuǎn)向架

輕軌車輛通常在都市擁擠、狹窄的街道中運(yùn)行，街道轉(zhuǎn)彎半徑小。輕軌車輛車體由多個(gè)短模塊鉸接連接而成，可大幅提升輕軌車輛在街道有限空間內(nèi)運(yùn)營(yíng)的靈活度。車體中每個(gè)模塊都不長(zhǎng)，否則在通過(guò)小半徑曲線時(shí)，車體兩端外伸及車體中間模塊向內(nèi)侵入線路的部分容易與限界碰觸，也容易與鄰線車輛發(fā)生碰觸。輕軌車輛的轉(zhuǎn)向架軸距短，通常為1800～2 100 mm。軸距短有利于車輛通過(guò)小半徑曲線，輪緣及側(cè)磨耗較少，適應(yīng)于城市地面路況，可顯著降低線路的造價(jià)。軸距短，轉(zhuǎn)向架就輕，但對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的布置會(huì)造成困難。

3.2.2 供電系統(tǒng)

輕軌采取架空接觸網(wǎng)、地面接觸軌、蓄電池等多種供電方式。除了通常采用傳統(tǒng)的架空接觸網(wǎng)供電外，在部分景觀、空間限制的區(qū)段，還可以采用蓄電池供電(僅限局部困難路段)或地面嵌入式第三軌供電(目前僅限于鋼輪鋼軌)，供電電壓可以在500～900 V范圍內(nèi)波動(dòng)。

1)地面嵌入式第三軌供電(APS)系統(tǒng)［5］。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)架空接觸網(wǎng)線路的受流，從而保護(hù)了城市景觀和自然景觀，見圖7。

2)架空線供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)具有造價(jià)低、維修養(yǎng)護(hù)方便等特性，見圖8。

圖7 地面嵌入式第三軌供電系統(tǒng)

圖8 架空線供電系統(tǒng)

3.2.3 制動(dòng)系統(tǒng)

輕軌車輛的結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性和交通適用性，使其制動(dòng)系統(tǒng)具有鮮明的特點(diǎn)，制動(dòng)方式多樣。以Alstom公司的Citadis系列輕軌車輛為例，其按照歐標(biāo)EN 13452-1劃分為常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、安全制動(dòng)、固定制動(dòng)、停車制動(dòng)5種制動(dòng)模式［6］。車輛設(shè)有電動(dòng)制動(dòng)、摩擦制動(dòng)、電磁制動(dòng)等制動(dòng)方式，分別在不同制動(dòng)模式下單獨(dú)或聯(lián)合作用。常規(guī)制動(dòng)模式:在低速情況下，常用制動(dòng)由電動(dòng)制動(dòng)和摩擦制動(dòng)共同確保。緊急制動(dòng)模式:由電動(dòng)制動(dòng)和摩擦制動(dòng)共同確保，另外還使用電磁制動(dòng)器。安全制動(dòng)模式:由摩擦制動(dòng)和電磁制動(dòng)器共同確保，電磁制動(dòng)器在該階段受到了系統(tǒng)性的抑制。固定制動(dòng)模式:在規(guī)定的坡道和負(fù)載條件下車輛靜止，固定制動(dòng)可確保車輛能夠完全固定不動(dòng)(“預(yù)先準(zhǔn)備”狀態(tài))，主控制器從牽引“范圍”內(nèi)去除。固定制動(dòng)由所有轉(zhuǎn)向架的摩擦制動(dòng)確保，在車輛速度接近0時(shí)可以由預(yù)先設(shè)置的負(fù)載水平自動(dòng)施加。停車制動(dòng)模式:確保在規(guī)定的坡道和負(fù)載下車輛完全固定靜止不動(dòng)，由動(dòng)車轉(zhuǎn)向架(彈簧制動(dòng)器)的摩擦制動(dòng)確保，在車輛停止時(shí)以最大負(fù)載自動(dòng)施加。

3.3 列車運(yùn)能

輕軌系統(tǒng)使用現(xiàn)代化的鉸接車輛，一輛單車由不同數(shù)量的車體模塊鉸接而成，列車的編組具有很大的靈活性:客流量少時(shí)可以一輛運(yùn)行，客流高峰時(shí)一趟列車可以掛接不同數(shù)量的車輛編組運(yùn)行，再配以靈活的發(fā)車頻率，使得輕軌系統(tǒng)擁有十分寬泛的運(yùn)能范圍，其單向運(yùn)能可以適應(yīng)從0.5萬(wàn)～2.5萬(wàn)人次/h的客流需求。輕軌車輛的主流產(chǎn)品是具有從20～60 m不同長(zhǎng)度的系列產(chǎn)品，其車體比常規(guī)有軌電車的車體寬，通常為2.20～2.65 m。寬車體易實(shí)現(xiàn)大的載客量，并能最大程度地提高乘客舒適度。以Alstom公司的Citadis系列輕軌車輛為例，每車按4人/m2計(jì)算，列車乘客的額定載客量為50～450人，單向設(shè)計(jì)運(yùn)能一般可達(dá)到0.5萬(wàn)～1.2萬(wàn)人次/h。如果將列車2～4輛重聯(lián)起來(lái)，輕軌車輛單向運(yùn)能可在1.2萬(wàn)～2.5萬(wàn)人次/h。若按照6人/m2計(jì)算，由2輛32 m車重聯(lián)的一列車實(shí)際單向運(yùn)能達(dá)1.8萬(wàn)人次/h左右，2輛42 m車重聯(lián)的一列車實(shí)際單向運(yùn)能可達(dá)2.4萬(wàn)人次/h左右。

3.4 車輛優(yōu)點(diǎn)

1)噪聲低。輕軌車輛開行時(shí)的噪聲不超過(guò)75 dB，低于汽車交通，一般運(yùn)營(yíng)中的噪聲比城市交通中的背景噪聲還低。輕軌車輛在降噪方面已有了根本性的改善，主要體現(xiàn)在以下幾方面:轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)采用橡膠減震元件、彈性車輪、獨(dú)立車輪、空氣彈簧、空心車軸等新技術(shù)，可有效地降低曲線噪聲和輪軌磨耗，減小軌道沖擊，提高車輛使用壽命;采用徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，由于車體使用迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架，在列車通過(guò)曲線時(shí)輪軸處于曲線徑向位置，噪聲和輪軌磨耗等指標(biāo)也大大降低;輕軌車輛采用電制動(dòng)、摩擦制動(dòng)、磁軌制動(dòng)等多種先進(jìn)的制動(dòng)方式，可使引起的噪聲非常小。

2)車內(nèi)環(huán)境舒適。駕駛室和客室各有獨(dú)立的通風(fēng)或空調(diào)裝置，可以自行調(diào)整。

3)采用大開度的側(cè)門，增加側(cè)門數(shù)量，方便乘客就近乘降，減少車輛站停時(shí)間。

4)采用交流傳動(dòng)和微機(jī)控制制動(dòng)技術(shù)，使車輛在運(yùn)行時(shí)加速和制動(dòng)產(chǎn)生的加速度受到了嚴(yán)格的控制，其平穩(wěn)性和舒適性與地鐵車輛相當(dāng)。

5)車輛總體造型流暢，前部造型和車身造型圓滑、平順。車輛大窗臺(tái)、對(duì)開門，外觀明快，車身顏色搭配適當(dāng)，視覺效果比較好。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 低地板車輛

低地板輕軌車輛與高地板車輛相比具有以下優(yōu)點(diǎn):可在地面(不設(shè)站臺(tái))或接近地面處上車，更適合城市內(nèi)地面交通的環(huán)境;與城市一體化相吻合，能更好地融入整體化的城市環(huán)境中;上下車十分方便，縮短站停時(shí)間;方便老人、兒童和乘輪椅的殘疾乘客。

4.2 模塊化結(jié)構(gòu)

由于各個(gè)城市的具體差異，用戶會(huì)對(duì)車輛提出特殊的要求，給車輛廠帶來(lái)一定的困難，造成結(jié)構(gòu)相同的部分被多次重復(fù)設(shè)計(jì)。而采用模塊化結(jié)構(gòu)車體，有利于車輛標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和組織生產(chǎn)，有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，便于組織小批量生產(chǎn)和降低車輛造價(jià)，便于運(yùn)用部門調(diào)整車輛編組。模塊化在輕軌車輛上的應(yīng)用，主要是以車輛的一部分作為模塊，車輛長(zhǎng)短、載客人數(shù)都可根據(jù)需要靈活調(diào)整。在運(yùn)營(yíng)初期，由于客流量較小，可采用基本模塊編組;隨著客流量的增加，可在原車的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的模塊，延長(zhǎng)列車長(zhǎng)度，使運(yùn)能具有較大的彈性空間。例如，Alstom的Citadis系列可以訂制長(zhǎng)度20～45 m(3～7個(gè)車廂模塊)、寬度2.3～2.65 m的任何大小的車輛(見圖9)［7］。

圖9 Citadis系列模塊化結(jié)構(gòu)擴(kuò)充

4.3 維保簡(jiǎn)便化

輕軌車輛上通常裝有故障自診斷與顯示系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，保證列車的安全運(yùn)行。特別是車輛電子化、自動(dòng)化程度的不斷提高，在極大地優(yōu)化車輛技術(shù)性能的同時(shí)，也使得車輛的控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)帶來(lái)很大的麻煩。為了迅速診斷故障部位，提高維修效率，世界輕軌車輛廠家紛紛開發(fā)故障自診斷與顯示系統(tǒng)，以便提高維保工作效率，使維保作業(yè)簡(jiǎn)便化。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輕軌車輛作為現(xiàn)代化城市軌道交通的多種高新技術(shù)集成的載運(yùn)工具，在客運(yùn)能力、車輛功率、運(yùn)行速度、自動(dòng)化程度以及材料和制造工藝等各方面都有了重大發(fā)展。輕軌車輛具有更高的運(yùn)行速度、更舒適的乘車空間、更方便的換乘系統(tǒng)，是傳統(tǒng)有軌電車無(wú)法比擬的，是目前較為理想的城市軌道交通運(yùn)輸方式。輕軌車輛發(fā)展到現(xiàn)階段，技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到較先進(jìn)的水平，其中復(fù)合材料車體、低地板車體、獨(dú)立車輪徑向轉(zhuǎn)向架等的采用，使得輕軌車輛的質(zhì)量大為減輕，不但減少了能耗，而且達(dá)到了與城市和自然的和諧，所以輕軌交通是真正的“綠色交通”。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)內(nèi)，城市輕軌將在國(guó)內(nèi)的城市交通中快速發(fā)展，占據(jù)重要的位置。

［1］Ford R.Light rail vehicle technology［J］.Modern Railway，1993(8):494-496.

［2］Luke S，MacDonald M.Public transport mode selection:a review of international practice［C］//European Transport Conference，2006.

［3］毛勵(lì)良，楊珂.北京城市軌道交通西郊線系統(tǒng)制式選型研究［J］.都市快軌交通，2010，23(5):8-11.

［4］Booz Allen＆ Hamilton Inc.Applicability of low floor light rail vehicles in North America［R］.Washington，D.C.:Transportation Research Board，National Research Council，1995.

［5］法國(guó)Systra公司.北京現(xiàn)代有軌電車西郊線可行性研究報(bào)告技術(shù)審查咨詢［R］.北京，2009:89.

［6］Alstom.Citadis 302 for the Beijing Fragrant Hills tramway project［R］.北京，2009.

［7］北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.北京現(xiàn)代有軌電車西郊線工程可行性研究報(bào)告［R］.北京，2009.