城市輕軌車輛走行部技術(shù)綜述

許文超 李 芾 黃運(yùn)華

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司車輛部，315105，寧波；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，碩士）

城市輕軌具有運(yùn)量大、污染小、能耗少、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。與地鐵相比，城市輕軌投資成本低，每公里造價(jià)僅為地鐵的1／4～1／2。作為改善城市交通現(xiàn)狀的有效載體，城市輕軌可有效緩解人口與交通資源、汽車與交通設(shè)施之間的緊張關(guān)系，方便乘客出行，使居民享受到更高品質(zhì)的生活。同時(shí)，它也符合綠色交通的標(biāo)準(zhǔn)。故從20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外輕軌車輛技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

1 輕軌車輛走行部

走行部是輕軌車輛重要的組成部分，起著支承車體，傳遞載荷及制動(dòng)力、牽引力等重要作用。隨著輕軌車輛技術(shù)的不斷進(jìn)步，世界各軌道車輛制造商陸續(xù)生產(chǎn)了多種輕軌車走行部，以適應(yīng)不同的運(yùn)行需要。這些走行部型式繁多，技術(shù)特點(diǎn)各不相同。

1.1 小輪徑轉(zhuǎn)向架

低地板輕軌車是指地板面距離軌面高度在400 mm以內(nèi)的輕軌車。在獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪出現(xiàn)以前，降低車體地板面高度使用的方法是采用部分低地板或小輪徑車輪轉(zhuǎn)向架。

Bombardier（龐巴迪）公司生產(chǎn)了S 1000型小輪徑轉(zhuǎn)向架，如圖1。它采用的輪對(duì)為傳統(tǒng)輪對(duì)。地鐵車標(biāo)準(zhǔn)新輪輪徑為840 mm，而該轉(zhuǎn)向架最大輪徑只有560 mm，因此車體地板面高度得以降低，車內(nèi)座間通道下轉(zhuǎn)向架高度只有310 mm。S 1000型轉(zhuǎn)向架軸距為1 850 mm，自重4.7 t，最大軸重為10 t，最高運(yùn)行速度為70 km／h。它采用彈性車輪以減小噪聲和振動(dòng)，一系懸掛為橡膠堆，二系懸掛為鋼彈簧和垂向減振器，制動(dòng)方式為輪盤制動(dòng)，牽引電機(jī)縱向布置在兩側(cè)。S 1000型轉(zhuǎn)向架用于Bombardier公司的Cityrunner型100%低地板輕軌車［1］，2001年以來(lái)，超過(guò)150臺(tái)該型轉(zhuǎn)向架已經(jīng)投入了運(yùn)營(yíng)。

1.2 獨(dú)立輪對(duì)二軸轉(zhuǎn)向架

獨(dú)立輪對(duì)技術(shù)于20世紀(jì)初出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)普遍用于低地板輕軌車上。獨(dú)立輪對(duì)對(duì)左右車輪解耦，使它們繞各自的中心軸旋轉(zhuǎn)，故可以去掉公共車軸而采用下凹曲柄軸或者兩根短車軸的型式，從而降低車體地板面高度。

城市輕軌車獨(dú)立輪對(duì)二軸轉(zhuǎn)向架一般采用內(nèi)側(cè)軸箱懸掛的型式。內(nèi)側(cè)軸箱懸掛是指將軸箱懸掛裝置設(shè)在車輪內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在車輪內(nèi)側(cè)與一系懸掛相連［2］。圖2為內(nèi)側(cè)軸箱懸掛和傳統(tǒng)的外側(cè)軸箱懸掛示意圖。

內(nèi)側(cè)懸掛可縮短車軸長(zhǎng)度近500 mm，減小了簧下質(zhì)量，有利于減小輪軌動(dòng)作用力。此外，內(nèi)側(cè)懸掛還縮短了構(gòu)架橫梁長(zhǎng)度，減小了構(gòu)架質(zhì)量及慣性矩，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化，改善列車運(yùn)行品質(zhì)。

圖3所示為Siemens（西門子）公司生產(chǎn)的SF30C TWF型轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架用于其Combino型100%低地板輕軌車［3］。轉(zhuǎn)向架采用內(nèi)側(cè)軸箱懸掛技術(shù)，自重4.3～4.5 t，最大軸重10 t，軸距1 800 mm，輪徑600 mm，最高運(yùn)行速度為70 km／h。一系懸掛為錐形橡膠堆，二系懸掛為4個(gè)高圓彈簧及2個(gè)垂向液壓減振器，裝于構(gòu)架側(cè)梁之上。牽引電機(jī)布置在構(gòu)架兩側(cè)梁之下。電機(jī)、彈性聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱共同組成了縱向驅(qū)動(dòng)單元，左右各一套，分別驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)車輪。轉(zhuǎn)向架采用盤形制動(dòng)，制動(dòng)盤安裝在電機(jī)輸出軸上。

圖3 SF30C TWF型轉(zhuǎn)向架

其他軌道車輛公司的輕軌車獨(dú)立輪對(duì)二軸轉(zhuǎn)向架基本上也采用了內(nèi)側(cè)軸箱懸掛的方式，如Alstom（阿爾斯通）公司Citadis系列100%低地板輕軌車的Arpège型和Solfège型轉(zhuǎn)向架，Bombardier公司Incentro型100%低地板輕軌車的S－1100型轉(zhuǎn)向架，AnsoldoBreda公司Sirio型的轉(zhuǎn)向架等。

1.3 單輪對(duì)轉(zhuǎn)向架

相較于常規(guī)二軸轉(zhuǎn)向架，單輪對(duì)轉(zhuǎn)向架只有一個(gè)輪對(duì)，屬于車輪與車軸裝于一體的傳統(tǒng)輪對(duì)單軸轉(zhuǎn)向架。單軸轉(zhuǎn)向架代替二軸轉(zhuǎn)向架，可以減少輪對(duì)數(shù)量，減輕車組質(zhì)量，節(jié)約牽引功率，降低噪聲。同時(shí)，單軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，比二軸轉(zhuǎn)向架更容易進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，改善曲線通過(guò)性能，降低輪軌作用力和磨耗。

圖4所示的運(yùn)行于丹麥哥本哈根市的第四代S－tog車組，行駛在市中心到郊區(qū)之間，最高運(yùn)行速度為90～100 km／h。

圖4 哥本哈根市的S－tog車組

S－tog車組采用了 KERF（Kurvengesteuertes Einzel－Radsatz－Fahrwerk）型單輪對(duì)轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架最初由德國(guó)著名的F.Frederich教授和LHB公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，之后又得到了不斷完善。圖5所示為改進(jìn)型KERF轉(zhuǎn)向架。KERF轉(zhuǎn)向架裝于車體端部，車體另一端由相鄰車體來(lái)支撐，故每節(jié)車下只有一個(gè)轉(zhuǎn)向架，但位于列車端部的車輛下部裝有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架。由于輪對(duì)數(shù)量減少，所以軸重有所增加，為13～19 t。KERF型轉(zhuǎn)向架采用“口”字形構(gòu)架，中間放入單個(gè)輪對(duì)，采用橡膠堆作為一系懸掛，空氣彈簧、液壓減振器和牽引拉桿構(gòu)成二系懸掛。低位的單牽引拉桿不僅起到傳遞縱向力的作用，還可以在不影響構(gòu)架搖頭運(yùn)動(dòng)的前提下限制構(gòu)架的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)。左右兩側(cè)的徑向油缸用來(lái)進(jìn)行徑向調(diào)整。制動(dòng)方式為輪盤制動(dòng)。KERF型轉(zhuǎn)向架可用于部分低地板輕軌車，但目前主要用于市郊輕軌列車。

圖5 KERF型單輪對(duì)轉(zhuǎn)向架

1.4 獨(dú)立輪對(duì)單軸轉(zhuǎn)向架

獨(dú)立輪對(duì)單軸轉(zhuǎn)向架具備單軸轉(zhuǎn)向架的所有優(yōu)點(diǎn)，是低地板輕軌車輛研究中的重要課題。

圖6所示為德國(guó)DUEWAG公司和BSI公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的 EEF（Einzelrad－Einzel－Fahrwerk［4］）型單軸轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，內(nèi)側(cè)軸箱懸掛，一系懸掛為橡膠堆，二系懸掛有垂向、橫向液壓減振器和垂向鋼彈簧等。轉(zhuǎn)向架采用輪盤制動(dòng)，車輪可繞豎直方向旋轉(zhuǎn)±15°，實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)導(dǎo)向。EEF型轉(zhuǎn)向架應(yīng)用于德國(guó)許多城市的低地板輕軌車上。

圖6 EEF型單軸轉(zhuǎn)向架

Siemens公司生產(chǎn)的ULF型100%低地板輕軌車是世界上地板面最低的輕軌車，其地板面在車門處的高度不超過(guò)200 mm，如圖7所示。它采用了“門式”單軸迫導(dǎo)向徑向獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，如圖8所示。ULF型轉(zhuǎn)向架采用鉸接的型式安裝在兩車體之間。牽引裝置和盤形制動(dòng)裝置垂直布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，磁軌制動(dòng)裝置也布置于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)。一系懸掛為橡膠彈簧，位于軸箱上方。二系懸掛為鋼彈簧并聯(lián)減振器，位于“門式”構(gòu)架上，連接構(gòu)架和車體中部。轉(zhuǎn)向架上的迫導(dǎo)向裝置用于在車體間存在相對(duì)轉(zhuǎn)角時(shí)進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)。

1.5 獨(dú)軌交通走行部

由架空的單根帶形梁體作為軌道，車輛跨坐于其上或懸掛于其下的交通方式稱為獨(dú)軌交通［5］。獨(dú)軌交通高峰單向每小時(shí)客流量可達(dá)1萬(wàn)～3萬(wàn)人次／h，故可將其歸類為城市輕軌交通。獨(dú)軌車輛的走行部一般采用橡膠輪胎轉(zhuǎn)向架，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，最高運(yùn)行速度可達(dá)80 km／h。

圖7 ULF型100%低地板輕軌車

圖8 ULF型單軸轉(zhuǎn)向架

獨(dú)軌車輛根據(jù)走行部型式可分為跨坐式和懸掛式兩類。

跨坐式獨(dú)軌車輛一般“騎坐”在預(yù)制混凝土軌道梁上，軌道梁跨度為20～22 m。如重慶軌道交通3號(hào)線上所開(kāi)行的列車（見(jiàn)圖9），其走行部為跨坐式二軸轉(zhuǎn)向架，如圖10所示。該轉(zhuǎn)向架由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、牽引裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、減振裝置和橡膠輪胎等組成。其中橡膠輪胎包括走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪。構(gòu)架上有懸臂固定的兩根車軸，每根車軸裝有兩個(gè)充有氮?dú)獾淖咝休?，走行輪主要?fù)責(zé)承重以及粘著產(chǎn)生牽引力和制動(dòng)力。車軸由縱向牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)。構(gòu)架中部每側(cè)各有兩個(gè)導(dǎo)向輪，底部每側(cè)各有一個(gè)穩(wěn)定輪，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪內(nèi)充入空氣，主要負(fù)責(zé)導(dǎo)向和緩和橫向振動(dòng)。構(gòu)架上部裝有兩個(gè)空氣彈簧并裝有橫向減振器（圖中未裝配）。制動(dòng)方式為盤形制動(dòng)［6］。

圖9 重慶軌道交通3號(hào)線獨(dú)軌列車

圖10 跨坐式獨(dú)軌車輛轉(zhuǎn)向架

懸掛式獨(dú)軌車輛懸掛于單根軌道梁下運(yùn)行，分為非對(duì)稱式和對(duì)稱式。非對(duì)稱式獨(dú)軌車有吊鉤，吊鉤上有鋼制車輪，車輪在鋪設(shè)于軌道梁上的單根鋼軌上運(yùn)行。對(duì)稱式獨(dú)軌車則用裝有左右兩排橡膠輪胎的轉(zhuǎn)向架在軌道梁上運(yùn)行。

圖11所示為行駛在日本千葉縣的Urban Flyer 0－type型懸掛式獨(dú)軌列車。它由兩節(jié)車體編組而成，每節(jié)車廂懸掛于兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架之下，轉(zhuǎn)向架運(yùn)行于軌道梁之上（見(jiàn)圖12）。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖13所示。與跨坐式相似，懸掛式轉(zhuǎn)向架也由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、牽引裝置、橡膠輪胎以及制動(dòng)裝置等組成。兩根車軸上共裝有4個(gè)橡膠走行輪胎，由縱向牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用盤形制動(dòng)，制動(dòng)盤安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。構(gòu)架4個(gè)角落上裝有4個(gè)導(dǎo)向輪。走行輪、導(dǎo)向輪的作用與跨坐式轉(zhuǎn)向架相同。

圖11 日本千葉縣懸掛式獨(dú)軌列車

圖12 日本千葉懸掛式獨(dú)軌車編組示意圖

圖13 懸掛式獨(dú)軌車轉(zhuǎn)向架

懸掛式獨(dú)軌車和跨坐式獨(dú)軌車各有優(yōu)勢(shì)。懸掛式車的導(dǎo)電軌、走行部隱藏于鋼梁內(nèi)部，不易受外部氣候影響，但不方便檢查維護(hù)，跨坐式車則正好相反；懸掛式交通軌道梁較高，跨坐式交通軌道梁高度只需滿足下方車輛界限即可；懸掛式車通過(guò)的最小曲線半徑可以很小，而跨坐式車最小曲線半徑有一定限制。

1.6 自動(dòng)導(dǎo)向交通系統(tǒng)走行部

自動(dòng)導(dǎo)向交通（Automated Guideway Transit，簡(jiǎn)為AGT）系統(tǒng)采用橡膠輪胎車輛，其車輪沿著特制的導(dǎo)向裝置運(yùn)行在專用軌道上，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，最高運(yùn)行速度在60 km／h左右。

AGT車輛的走行部有3種導(dǎo)向方式［7］，如圖14所示。其中，a）為中央導(dǎo)向方式，由一對(duì)導(dǎo)向車輪夾著軌道中央的1根導(dǎo)向軌前進(jìn)；b）為側(cè)導(dǎo)向方式，導(dǎo)向軌設(shè)在路面兩側(cè)，通過(guò)走行輪外側(cè)的導(dǎo)向輪貼靠導(dǎo)向軌前進(jìn)；c）為中央溝導(dǎo)向方式，利用左右路面的內(nèi)側(cè)溝作為導(dǎo)向軌導(dǎo)向。

AGT車輛在日本的應(yīng)用較多，大多采用側(cè)導(dǎo)向的方式。例如，運(yùn)行在日本橫濱市金沢區(qū)海邊線上的橫濱新都市交通2000型電車8（見(jiàn)圖15），其單節(jié)車體有前后兩組橡膠輪胎走行輪，每組走行輪兩側(cè)布置4個(gè)導(dǎo)向輪，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)向臂，負(fù)責(zé)承受橫向力以及導(dǎo)向，最高運(yùn)行速度為60 km／h。

圖14 AGT車輛導(dǎo)向方式

圖15 橫濱新都市交通2000型電車

2 對(duì)我國(guó)輕軌交通建設(shè)的思考

近年來(lái)我國(guó)掀起了一股低地板輕軌車熱，尤其是100%低地板輕軌車受到了各大城市的追捧。2012年6月，Siemens公司將Combino Plus型100%低地板輕軌車技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了株洲電力機(jī)車有限公司，之后株洲電力機(jī)車有限公司為廣州市生產(chǎn)100%低地板儲(chǔ)能式輕軌車；2012年10月19日，由長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司研制的中國(guó)首列100%低地板輕軌車在長(zhǎng)春輕軌線上正式開(kāi)始試運(yùn)營(yíng)；2012年11月，蘇州市對(duì)其首條市內(nèi)軌道交通線進(jìn)行招標(biāo)，也采用100%多模塊低地板輕軌車。100%低地板輕軌車技術(shù)先進(jìn)、綠色環(huán)保，是輕軌車技術(shù)的發(fā)展方向，作為國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目在我國(guó)有著良好的發(fā)展前景。就目前情況來(lái)看，100%低地板技術(shù)在我國(guó)發(fā)展有一定難度，我國(guó)不能照搬歐洲城市的經(jīng)驗(yàn)。具體有以下幾點(diǎn)原因：

（1）歐洲城市的低地板輕軌車行駛在既有有軌電車線路上，軌道直接在現(xiàn)有道路上鋪設(shè)，到站時(shí)車輛在地面停靠。我國(guó)人口眾多，市民流動(dòng)隨意性大，道路交通擁擠，在無(wú)法保證道路暢通的情況下，若將輕軌線鋪設(shè)在既有道路上，勢(shì)必難以管理。

（2）我國(guó)城市新建輕軌一般會(huì)修建專用線路，通過(guò)設(shè)置封閉站臺(tái)來(lái)管理乘客上下車，同時(shí)也方便票務(wù)管理。既然設(shè)置了站臺(tái)，則可通過(guò)合適的站臺(tái)高度來(lái)適應(yīng)車體地板面，100%低地板就失去了意義。

（3）雖然我國(guó)各大車輛廠紛紛與國(guó)外廠商簽訂了100%低地板技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，但獨(dú)立輪對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件還是無(wú)法獨(dú)自生產(chǎn)，購(gòu)買價(jià)格相當(dāng)高。如廣州投資新建的輕軌列車工程融超級(jí)電容和100%低地板技術(shù)于一體，項(xiàng)目投資估算總額為89.26億元，由于其耗資巨大而運(yùn)力又與公交車差不多，引起了廣州市民的關(guān)注。

因此，從效益出發(fā)，我國(guó)若要發(fā)展路面有軌電車，可先考慮發(fā)展70%低地板輕軌車，在列車兩端采用傳統(tǒng)輪對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架降低列車制造成本，同時(shí)像公共汽車那樣在車內(nèi)地板面高度變化處設(shè)置臺(tái)階，乘客也不至于不適應(yīng)；然后，在70%低地板輕軌車的運(yùn)營(yíng)中積累經(jīng)驗(yàn)，待國(guó)產(chǎn)化研究成熟時(shí)發(fā)展100%低地板輕軌車。若要修建專用線路，則可以采用高地板輕軌車，設(shè)置高站臺(tái)，既方便人員和票務(wù)管理，又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠［9］。

獨(dú)軌交通是另一種值得我國(guó)嘗試的輕軌交通。隨著高密度的城市開(kāi)發(fā)，我國(guó)城市布局越來(lái)越緊湊，城市交通構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜，而獨(dú)軌交通則能夠適應(yīng)這一城市化特點(diǎn)。獨(dú)軌線路施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、工期短，最大的特點(diǎn)是它只占用地面支座的面積就可在城市上空建成一條空中軌道，對(duì)地面建筑影響不大，與地面交通互不干擾，可以準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。獨(dú)軌車輛采用橡膠輪胎，爬坡能力和曲線通過(guò)能力強(qiáng)，噪聲低，乘坐舒適。獨(dú)軌交通還可建在機(jī)場(chǎng)與市區(qū)之間以及山地旅游景區(qū)內(nèi)。我國(guó)可借鑒日本的經(jīng)驗(yàn)，在100萬(wàn)人口以下、中等運(yùn)量需求的大中城市建設(shè)獨(dú)軌交通系統(tǒng)。

AGT屬于中等運(yùn)量的城市輕軌交通系統(tǒng)，在我國(guó)屬于新型的交通系統(tǒng)。它具有橡膠輪胎走行部的優(yōu)點(diǎn)，如安全舒適、噪聲低、曲線通過(guò)半徑小等，比較適合用于中短途交通干線、機(jī)場(chǎng)專用線、大型娛樂(lè)場(chǎng)所和城市商業(yè)區(qū)等；同時(shí)，其車輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低，比較容易實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。日本幾十年發(fā)展AGT交通的實(shí)踐證明，若要將AGT系統(tǒng)列入我國(guó)輕軌交通建設(shè)的規(guī)劃之中，就必須制定AGT系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，將其標(biāo)準(zhǔn)化；同時(shí)地方政府要保證充足的資金投入，調(diào)動(dòng)經(jīng)營(yíng)者的積極性，以促進(jìn)AGT交通的發(fā)展。

［1］Harry Hondius.LRV orders progress，but trams stall［J］.Railway Gazette International，2003，159（1）：57.

［2］劉寅華，李芾，傅茂海，等.內(nèi)側(cè)懸掛式轉(zhuǎn)向架的發(fā)展及應(yīng)用［J］.國(guó)外鐵道車輛，2005，42（6）：24.

［3］Osterhus W，Kortemeyer A.The COMBINO low－floor light rail vehicle：a new train of thought［J］.Rail Engineering International，1996，25（11）：10.

［4］Schiefelbusch M.Developments in Kassel.Pt.2：Kassel＇s newest tram：the first to use EEF［Einzelrad－Einzel－Fahrwerk：self－steering single wheel］running－gear［J］.Modern Tramway and Light Rail Transit，1991，54（12）：399.

［5］張建全，黃運(yùn)華，李芾，等.獨(dú)軌交通的發(fā)展及其在城市軌道交通中的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2009，29（1）：25.

［6］宮文平.跨座式單軌車輛特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況［J］.國(guó)外鐵道車輛，2013，50（1）：5.

［7］俞展猷.自動(dòng)導(dǎo)向新交通系統(tǒng)——AGT［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28（3）：48.

［8］佚名.橫濱新都市交通株式會(huì)社2000型電機(jī)品［J］.東洋電機(jī)技報(bào)，2011，123：34.

［9］陳穗九.低地板有軌電車的選擇［J］.城市軌道交通研究，2013，16（1）：12.