龐巴迪直線電機軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及改進

張永道

(龐巴迪運輸集團系統(tǒng)部 加拿大)

龐巴迪INNOVIA ART(advanced rapid transit)直線電機系統(tǒng)是專門為了中等運量需求的城市及線路設(shè)計的最具經(jīng)濟效益的城市軌道交通系統(tǒng)，其運量大致在10000～40000人次/h。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)工程及系統(tǒng)集成技術(shù)

1.1.1 ART不僅是車輛的概念，而且是一個軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)品

ART是由一個系統(tǒng)的概念設(shè)計并研發(fā)和測試的，很多當時參與研發(fā)的人員都是來自航空業(yè)(canadair)的系統(tǒng)工程師。航空業(yè)是系統(tǒng)工程的起源行業(yè)，由于其可靠性、安全性非常重要，航空業(yè)也是系統(tǒng)工程運用得最好的行業(yè)。航空業(yè)的工程師習慣于考慮系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成，并習慣于考慮總體系統(tǒng)的性能。ART概念設(shè)計開始于“一張白紙”，沒有必要必須使用某種已經(jīng)存在的軌道技術(shù)和既有的技術(shù)概念，整個的設(shè)計都是為了更好地滿足運營要求和市場需求。

1.1.2 工程實施經(jīng)驗

龐巴迪的直線電機系統(tǒng)多數(shù)是以系統(tǒng)交鑰匙工程的方式成功實施的，包括底特律、溫哥華、紐約肯尼迪機場線、馬來西亞吉隆坡、韓國龍仁，紐約肯尼迪機場線更是包括了運營和維護合同。龐巴迪已經(jīng)對肯尼迪機場線進行了多年的運營與維護。

軌道交通系統(tǒng)采購模式一般不包括對系統(tǒng)各部件的具體要求，而是對系統(tǒng)的功能及系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格進行要求。例如，規(guī)定系統(tǒng)的運量要求(每小時單向旅客流量)，高峰期旅客的最長等車時間(行車間隔)，系統(tǒng)的可用性、舒適度，系統(tǒng)的噪聲水平等功能參數(shù)［1］。不同的系統(tǒng)供應(yīng)商可以根據(jù)要求來設(shè)計最優(yōu)的解決方案，會提供不同尺寸的車輛和不同的車輛數(shù)目。當然，評標也要從系統(tǒng)的層面來進行。

1.2 直線電機

龐巴迪的直線電機設(shè)計，實現(xiàn)了高功率、高效率、低重量、低成本和低維護，采用自適應(yīng)滑差控制以保證其運行在推力滑差曲線的最高點，見圖1、圖2。在速度、感應(yīng)軌溫度、磁場間隙、感應(yīng)軌的結(jié)構(gòu)等變量變化的情況下，仍監(jiān)控以保證使用最高推力。

圖1 電機滑差控制

圖2 ART直線電機

1.3 徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架

當初開發(fā)ART系統(tǒng)的一個重要運營要求就是適合典型城市高架軌道線路。其實，此要求相當于2個互相矛盾的要求:1)50 m的轉(zhuǎn)彎半徑(車輛段內(nèi)35 m)意味著線路與建筑物的距離將很近;2)低噪聲。為滿足這兩個似乎互相矛盾的要求，龐巴迪開發(fā)了低噪聲的徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架［2］(見圖3)。

圖3 ART徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架

ART徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架同時應(yīng)用了強制導(dǎo)及自導(dǎo)的概念［3］。其設(shè)計簡單，重量輕，成本低。原因是車輪直徑較小。直線電機所產(chǎn)生的推力通過磁場直接作用在感應(yīng)軌上，不需要齒輪箱、驅(qū)動軸、驅(qū)動軸聯(lián)接件以及相應(yīng)的軸承。

此轉(zhuǎn)向架優(yōu)越的動力性能包括:

●低運行噪聲。在15 m距離，小于75 dB。徑向自導(dǎo)能力，不需要齒輪箱及驅(qū)動軸及其聯(lián)接件的設(shè)計降低噪聲。

●無法蘭噪聲。徑向自導(dǎo)徹底避免了通過小曲線時可能產(chǎn)生的法蘭噪聲。溫哥華用戶在北美交通協(xié)會上發(fā)表的一篇文章中也提到“通過曲線時絕對沒有法蘭噪聲”［4］。

●較低的車輪磨耗。例如，肯尼迪機場線11.25萬km的磨耗小于1.5 mm。

●較低的軌道磨耗。溫哥華世博線經(jīng)歷了25年運營，只是曲線上剛剛開始更換鋼軌，而且原因是世博線上當年所用的鋼軌硬度較低。

●具有較高的安全性以防止爬軌脫軌。零攻擊角度。

●較好的輪對均衡?？夏岬蠙C場線的卸載小于15%。

●重心低，穩(wěn)定性較高，防側(cè)翻。

●較好的轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性。北京機場線、肯尼迪機場線最高運行時速100 km/h。

●較好的舒適度。美國肯尼迪機場線超過ISO標準。

1.4 輕型車輛

較低的車輛自重是當初ART開發(fā)項目的一個要求，直線電機的使用幫助達到了這個要求。原因是可以使用小直徑的車輪，較小的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，不需要齒輪箱、驅(qū)動軸、驅(qū)動軸聯(lián)接件以及相應(yīng)的軸承，省去了駕駛室，增加了旅客空間，同時減輕了重量。車體采用輕型的鋁合金，與世界上其他的類似車輛相比，ART車輛的自重大約輕24% (1300 kg/m車長度相對于1700 kg/m車長度)，參見圖7。

車輛自重較輕降低了能耗，降低了高架土建結(jié)構(gòu)的投資，同時也降低了噪聲及振動。

2 優(yōu)勢

由于其獨特的技術(shù)性能，ART直線電機技術(shù)系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)城市軌道技術(shù)系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)勢:

●全天候運營。該系統(tǒng)可在全天候的環(huán)境下無人駕駛安全運行［5］。

●無打滑及空轉(zhuǎn)問題。無需輪軌之間的黏著，就可以提供可靠的加速度以及制動力，可以保證準確的停車距離。

●適合城市環(huán)境。車自重較輕、高架軌道建筑小、車輛編組小、低噪聲等特點，使該系統(tǒng)可以很好地融入城市環(huán)境。

●較低的建設(shè)及運營維護成本。由于直線電機軌道交通爬坡能力強，所以可以更多地使用高架線路，避免隧道。即使使用隧道，由于車輛的地板比較低，可以使用比一般地鐵小很多的隧道，以節(jié)約建設(shè)成本;由于直線電機車輛轉(zhuǎn)彎半徑比較小，可以使線路繞既有建筑而行，避免不必要的搬遷，或避免繞行更長的線路;由于可實現(xiàn)小車輛編組，車站可以設(shè)計得較短，從而也節(jié)約了建設(shè)成本，運營維護成本也較低。請參照第4部分。

●運營的靈活性以及高質(zhì)量的乘客服務(wù)。車輛小編組可以縮短行車間隔，減少乘客等車時間，從而提高服務(wù)質(zhì)量，并降低能耗。可以根據(jù)客流量來調(diào)整車輛編組及行車間隔。在客流低谷期，此特點更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。

●采用獨特的徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架。其優(yōu)勢是轉(zhuǎn)彎半徑小，低噪聲，車輪及軌道的磨損低，高速運行的穩(wěn)定性高。

3 能耗

首先，能耗是一個系統(tǒng)的概念?；谥本€電機本身的效率低于普通電機而得出結(jié)論:直線電機軌道交通系統(tǒng)比普通電機軌道交通系統(tǒng)能耗高，此說法是不夠準確的。

相對于普通電機軌道交通系統(tǒng)，ART系統(tǒng)具有如下特性，使其能耗與普通電機系統(tǒng)相類似或者更省:

●直接驅(qū)動，不需要齒輪箱、驅(qū)動軸及聯(lián)結(jié)件。

●車輛自重較輕。

●直接驅(qū)動及徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架降低了曲線上的摩擦阻力。

●較小的旋轉(zhuǎn)慣量。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量是一般地鐵的20%。

在系統(tǒng)設(shè)計方面:

●先進的系統(tǒng)仿真模擬軟件可以用來設(shè)計最高效的供電系統(tǒng)。

●此系統(tǒng)仿真模擬軟件，可以用來設(shè)計最佳的運行方案，以降低能耗。

●小編組列車可以縮短行車間隔，提高再生能量的利用。

●自動駕駛的使用，可以避免司機人為因素造成不必要的高能耗。

●根據(jù)客流量的要求可靈活調(diào)整編組，減小客流低谷期的能耗。

●小編組列車可以使用較小的車站，從而降低車站的能耗，包括屏蔽門、照明、取暖及空調(diào)。

另外，需要指出更重要的一點，直線電機技術(shù)軌道交通系統(tǒng)的爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小等特點是普通電機軌道交通系統(tǒng)所不具備的。在必須使用小轉(zhuǎn)彎半徑和大坡度的線路情況下，能耗的比較是相對次要的，或者說是不相關(guān)的，因為傳統(tǒng)電機是無法在此線路上運行的。如果通過隧道橋梁等改變線路，使普通電機軌道交通系統(tǒng)可以運行，那么建設(shè)投資將大幅度增大，也會因此無法實現(xiàn)最佳車站位置的選擇。

溫哥華的直線電機系統(tǒng)能耗與其他北美軌道交通系統(tǒng)的能耗相比較低。

4 生命周期成本

4.1 降低生命周期成本的措施

運營與維護成本和最初的建設(shè)成本同樣重要，所以ART當初開發(fā)研究的運營要求之一就是低運營維護成本。

4.2 特殊的設(shè)計實現(xiàn)了低成本

INNOVIA ART技術(shù)的如下幾個特性使它的運營與維護成本較低。

●可靠的無人駕駛系統(tǒng)省去了駕駛員及其費用。

●車輛段內(nèi)的調(diào)車是自動化的，無需司機駕駛。例如，車輛自動行使到停車庫、洗車庫等作業(yè)。

●列車編組靈活，可以根據(jù)客流量進行編組及對行車間隔進行靈活調(diào)整，節(jié)約運行成本。

●除了冷卻風扇以外，直線電機沒有其他運動部件。由于是通過電磁場直接驅(qū)動，它不需要齒輪箱、驅(qū)動軸、聯(lián)接件以及相關(guān)軸承等，從而省去了相關(guān)的維護。

●轉(zhuǎn)向架的自重相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架非常低。原因是如上所述的沒有齒輪傳動等，使用相對較小直徑的車輪。這也減少了對軌道的磨損與維護。

●徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架降低了車輪以及軌道的磨損。由于使用徑向自導(dǎo)轉(zhuǎn)向架，所以在曲線上沒有法蘭磨損，直接驅(qū)動車輪，不用傳遞動力。常用制動主要由電制動實現(xiàn)，車輪很少用來傳遞制動力。

4.3 實踐證明的低運營維護成本

INNOVIA ART技術(shù)的低運營成本通過了實際用戶的經(jīng)驗證明。

4.3.1 車輛維護成本

圖4和圖5對比了溫哥華和美國輕軌及重軌系統(tǒng)的車輛維護成本，比較的基礎(chǔ)是每車公里車輛維護費用。溫哥華的數(shù)據(jù)來自其運營公司British Columbia Rapid Transit Company Ltd.(BCRTC)，美國系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來自美國聯(lián)邦交通管理局的全國交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫［6］。

圖4 ART車輛維護成本與美國輕軌系統(tǒng)的對比

圖5 ART車輛維護成本與美國重軌系統(tǒng)的對比

4.3.2 總體運營維護成本

圖6對比了溫哥華和美國肯尼迪機場線的直線電機系統(tǒng)與美國重軌系統(tǒng)(地鐵)總體運營與維護成本，對比的基礎(chǔ)是每乘客平均總體運營及維護成本。Y軸是每乘客平均總體運營及維護成本，X軸是全年總體客流量。從圖6中可見，重軌系統(tǒng)的乘客量一般較高所以可以實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，客流量多的系統(tǒng)平均旅客成本較低。這也是比較合乎常理的。

圖6 ART每客戶總體運營維護成本與美國重軌系統(tǒng)的對比

雖然無人駕駛是運營成本低的一個因素，但是僅從車輛維護費用來看，ART仍然遠遠低于其他系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)設(shè)計是其運營與維護成本較低的一個非常關(guān)鍵的因素。

5 技術(shù)改進

5.1 INNOVIA產(chǎn)品平臺的使用

INNOVIA產(chǎn)品平臺包括直線電機系統(tǒng)(ART)，單軌車(monorail)和自動運人系統(tǒng)(APM)。近來對此產(chǎn)品平臺進行了技術(shù)更新，新的產(chǎn)品平臺為300系列，此產(chǎn)品平臺實現(xiàn)了標準化，并盡可能地使3個產(chǎn)品共用很多子系統(tǒng)的設(shè)計及部件，以降低成本，提高規(guī)模效應(yīng)。

5.2 車輛輕量化

ART的車輛設(shè)計是行業(yè)中最輕的，與其他車輛的對比見圖7。

圖7 ART與其他車輛的質(zhì)量對比

降低車輛自重主要包括車體的設(shè)計、驅(qū)動裝置、輔助供電系統(tǒng)、電器裝置、制動系統(tǒng)、車門車窗、車鉤、空調(diào)、車內(nèi)飾(包括座椅)等方面。

5.3 車體設(shè)計的改進

車體使用較大的擋風玻璃和較大的車窗，以提高旅客視野的美觀度，車體組裝工藝大大簡化，可以輕易地實現(xiàn)國產(chǎn)化。目前，車體及其他很多部件的供應(yīng)商都來自中國。

5.4 直線電機的改進

對直線電機的改進大致包括:

●提高電機線圈絕緣過程的控制，從而提高電機的可靠性和耐久性。電機的壽命因此提高，維護的費用也大大降低。

●電機芯中加入硅膠絕緣材料，以防止異物進入損壞電機。

●增加冷卻風扇線路的保護、減少潮濕、雪和磨損的影響。

●有2種風扇結(jié)構(gòu)來滿足不同的客戶需求:2個風扇或新設(shè)計集中的一個風扇。

●改善電機的懸掛和電機蓋，以方便維護。

5.5 噪音的改善

1)使用微動塞拉門，有效地提高密封度，降低車內(nèi)噪聲。

2)提高軌道輪廓(包括道岔部分)的設(shè)計以減少噪聲，降低局部應(yīng)力以延長軌道壽命。

3)以前項目所得到的教訓將運用到未來的項目上。

●第三軌和受電靴間的噪聲:如果第三軌由其他公司提供將更密切地注意其使用的材料及設(shè)計，以避免由于不匹配可能產(chǎn)生的噪聲。

●由于無論是在隧道內(nèi)或隧道外，ART一般運行的時速較高，需要建議土建公司對隧道內(nèi)壁增加吸音材料，以降低隧道內(nèi)的噪聲。

5.6 其他方面的改進

在感應(yīng)軌方面，開發(fā)并測試了新的安裝方式:感應(yīng)軌、軌道鋼軌以及供電第三軌采用一體的安裝方式，從而簡化了安裝過程，降低了噪聲與振動。

同時也改進了制動系統(tǒng)的設(shè)計:簡化了設(shè)計，減少了管路和線路，每轉(zhuǎn)向架有單獨的控制單元。

6 結(jié)論與推薦

ART直線電機軌道交通系統(tǒng)是以系統(tǒng)產(chǎn)品方式開發(fā)的，也是以系統(tǒng)的方式進行銷售和建設(shè)的。此產(chǎn)品是為中運量要求的線路開發(fā)并優(yōu)化的，具有很多獨特的技術(shù)優(yōu)勢，包括可靠的無人駕駛、大坡度、小轉(zhuǎn)彎半徑、低建設(shè)及運營成本、低噪聲等。根據(jù)龐巴迪的經(jīng)驗，要使一個直線電機項目成功地實施并實現(xiàn)其所具有的技術(shù)優(yōu)點，需要采用系統(tǒng)交鑰匙工程的采購方式。此方式可充分發(fā)揮直線電機的優(yōu)勢，并可保證達到客戶系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格的要求，縮短項目周期，降低項目成本，并有效及時地解決可能出現(xiàn)的問題。

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［2］Didrikson P.Reduction of civil works costs for passenger rail transit in challenging terrain suing ART LIM technology［C］//Taiwan Forum on Railway Engineering.Taipei:China Engineering Consultants，2010.

［3］Byers D.AGT goes upscale-the advanced rapid transit MKII［C］//1995 APTA Conference in New York.Washington:APTA，1995.

［4］Sun F.Automated guideway transit adhesion requirements:important considerations for driverless metros［C］//APTA Rail Transit Conference.Washington:APTA，2000.

［5］Ferrence D.Operating on steep grades with steel wheel/steel rail transit［C］//TDH Rail.Cranleigh April:TDH Rail，2006.

［6］National Transit Database［EB/OL］.(2011 03-10)［2011- 07- 12］.http://www.ntdprogram.gov/ntdprogram/data.htm

［7］Sun F.Automated Guideway Transit Adhesion Requirements:Important Considerations for Driverless Metros［C］//APTA rail transit conference.Washington:APTA，2000.