國外新一代100%低地板有軌電車技術(shù)特征及發(fā)展趨勢

牛悅丞,李 芾,楊 陽,李金城

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031)

1 100%低地板有軌電車介紹

新世紀(jì)以來，世界各國進(jìn)入了城市化的高速發(fā)展期，與之同時(shí)發(fā)生的是人們對城市各項(xiàng)功能要求更加嚴(yán)苛。在日常出行方面，汽車是人們的主要選擇，但由于汽車具有污染大、運(yùn)量小且易造成交通擁堵等缺點(diǎn)，故大力發(fā)展城市軌道交通勢在必行[1]。

有軌電車是城市軌道交通的主要組成部分之一。有軌電車既可以與一般汽車共用路權(quán)，也可以建立專用道路供其行駛。有軌電車運(yùn)量介于公共汽車與地鐵之間，但相比于公共汽車更為環(huán)保，整體造價(jià)比地鐵便宜。100%低地板有軌電車是一種新型的有軌電車，主要特點(diǎn)是整車地板面距軌面高度400 mm以下，具有造價(jià)低、污染低、能耗低和便于旅客上下車等優(yōu)點(diǎn)。世界上第一輛100%低地板有軌電車在德國布萊梅于1990年2月投入使用[2]。隨后至今100%低地板有軌電車的發(fā)展十分迅速，由國內(nèi)外不同的生產(chǎn)廠家發(fā)展出了各種各樣的型式。100%低地板有軌電車按其各方面特點(diǎn)可分為表1所示的以下型式[3-4]。

表1 100%低地板有軌電車特征區(qū)分

2 國外100%低地板有軌電車概覽

國外生產(chǎn)100%低地板有軌電車的公司眾多，各制造商出產(chǎn)的有軌電車具有不同的特點(diǎn)，以下將按制造商為分類分別介紹不同具有代表性新一代100%低地板有軌電車應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)。

2.1 Bombardier公司

Bombardier公司生產(chǎn)的FLEXITY系列有軌電車?yán)锇?0%低地板有軌電車和100%低地板有軌電車。其中已投入運(yùn)營的新一代列車是FLEXITY 2系列有軌電車，全部采用100%低地板設(shè)計(jì)，于2012年4月在英國布萊克浦最先投入使用。FLEXITY 2系列有軌電車相比于FLEXTIY系列更為節(jié)能且更加舒適，目前應(yīng)用于比利時(shí)根特及安特衛(wèi)普、瑞士巴塞爾和澳大利亞黃金海岸等城市。另外中車浦鎮(zhèn)廠通過吸收引進(jìn)FLEXITY 2技術(shù)生產(chǎn)的Cinius有軌電車已在蘇州一號線、南京河西線與南京麒麟線得到應(yīng)用。FLEXITY 2一般編組型式為5模塊編組，其第一節(jié)和第五節(jié)為動(dòng)車，最中間節(jié)為拖車，第二節(jié)和第四節(jié)為浮車。見圖1。

FLEXITY 2系列有軌電車使用FLEXX Urban 3000型轉(zhuǎn)向架，牽引電機(jī)布置于側(cè)梁外側(cè)，運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)對角的兩個(gè)車輪。此轉(zhuǎn)向架采用常規(guī)式設(shè)計(jì)，為確保低地板方案的實(shí)施，采取了下述幾點(diǎn)措施：使用小輪徑橡膠彈性車輪、電機(jī)采用縱向布置、制動(dòng)盤外置。縱向牽引裝置為橫梁處單牽引拉桿。該轉(zhuǎn)向架最大軸重為12 t[5]。見圖2。

圖1 布萊克浦FLEXITY 2低地板有軌電車

圖2 FLEXX Urban 3000型轉(zhuǎn)向架

此外，F(xiàn)LEXITY 2可選擇裝備Bombardier公司Primove感應(yīng)式電力傳輸技術(shù)。Primove無線充電基于埋在地下的部件和安裝在車輛下面的接收設(shè)備之間的高功率感應(yīng)能量傳輸[6-7]。當(dāng)車輛完全覆蓋充電區(qū)域時(shí)，路邊部件與車輛“通信”，自動(dòng)開始非接觸充電過程。系統(tǒng)以非常高的效率傳輸能量而不用直接接觸。有軌電車可在運(yùn)動(dòng)或靜止下快速充電。Primove的原理是在初級線圈中通入電流產(chǎn)生磁場，在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果初級線圈在環(huán)路中延伸，則次級線圈可以沿著該環(huán)路的任意位置接收電能[8]。通過Primove技術(shù)可以代替弓網(wǎng)接觸得電方式，從而達(dá)到節(jié)省空間和不影響城市景觀之目的。Primove技術(shù)原理示意見圖3，F(xiàn)LEXITY2布萊克浦有軌電車技術(shù)參數(shù)見表2。

圖3 Primove技術(shù)原理示意

項(xiàng)目參數(shù)列車編組Mc-F-Tp-F-Mc最高運(yùn)行速度/(km·h-1)70車輛長度/mm32230車輛寬度/mm2650車輛高度/mm3420地板面高度/mm320最大軸重/t12最大載客量/人350供電方式弓網(wǎng)接觸

ForCity系列有軌電車采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式[10-11]，將電機(jī)橫向布置于輪對外部，每個(gè)車輪由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)省去了傳動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)效率更高，可充分利用車輪性能。并采用彈性車輪加輪盤制動(dòng)的特殊結(jié)構(gòu)。見圖5。ForCity Alfa布拉格有軌電車技術(shù)參數(shù)見表3。

圖4 運(yùn)行于布拉格的ForCity Alfa有軌電車

圖5 koda ForCity永磁電機(jī)[12]

項(xiàng)目參數(shù)軸列式BoBoBoBo最高運(yùn)行速度/(km·h-1)60車輛長度/mm31400車輛寬度/mm2460車輛高度/mm3600地板面高度/mm320最大軸重/t12最大載客量/人180供電方式弓網(wǎng)接觸

2.3 Alstom公司

Citadis系列是Alstom公司自20世紀(jì)90年代末生產(chǎn)的一系列低地板有軌電車，包括多種70%低地板有軌電車及100%低地板有軌電車[13]。到2017年已有超過1800輛的電車投入使用。其中最新一代的是應(yīng)用于北美渥太華等城市的Citadis Spirit系列和應(yīng)用于澳大利亞悉尼等城市的Citadis X05系列。兩種系列的有軌電動(dòng)車全部采用100%低地板設(shè)計(jì)，并采用了Alstom的無接觸網(wǎng)供電APS技術(shù)[14]。APS技術(shù)的原理是在兩運(yùn)行軌道加設(shè)一條中央供電軌道段。第三軌道傳輸?shù)碾娔芡ㄟ^位于有軌電車中央轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的兩個(gè)接觸靴傳入蓄電池或超級電容。只有當(dāng)車輛完全覆蓋供電軌道段時(shí)供電裝置才會(huì)打開以確保行人的安全。見圖6。

圖6 運(yùn)行于澳大利亞悉尼的Citadis X05有軌電車

Citadis X05系列有軌電車采用Ixège轉(zhuǎn)向架(圖7)；Citadis Spirit系列有軌電車采用Iponam轉(zhuǎn)向架(圖8)。與FLEXX Urban 3000型轉(zhuǎn)向架類似，兩種轉(zhuǎn)向架將永磁電機(jī)布置于側(cè)梁外側(cè)，運(yùn)行時(shí)通過齒輪傳動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)對角位置的車輪。采用軸盤制動(dòng)，制動(dòng)盤外置呈對角布置[15]。Citadis X05有軌電車技術(shù)參數(shù)見表4。

圖7 Ixège轉(zhuǎn)向架

圖8 Iponam轉(zhuǎn)向架

項(xiàng)目參數(shù)列車編組Mc-F-T-F-Mc最高運(yùn)行速度/(km·h-1)80車輛長度/mm32000車輛寬度/mm2400地板面高度/mm342最大軸重/t13最大載客量/人238最小通過曲線半徑/m20供電方式APS無接觸網(wǎng)技術(shù)

2.4 Siemens公司

Avenio是德國Siemens公司在2009年在維也納公共交通國際聯(lián)會(huì)(UITP)貿(mào)易展會(huì)上推出的新一代100%低地板有軌電車品牌。是在其前一代低地板有軌電車Combino Plus的基礎(chǔ)上制造的。Avenio系列有軌電車擁有從兩模塊到八模塊的多種編組方式，八模塊車車長可達(dá)到72 m，是目前最長的100%低地板有軌電車[16-18]。Avenio系列包括Avenio原版和Avenio M兩種形式，兩者的主要區(qū)別是Avenio原版是單鉸接型，車輛編組中不含浮車；Avenio M是多鉸接型，即包含浮車的混合編組。目前Avenio系列有軌電車已在荷蘭海牙和德國慕尼黑等地投入使用。見圖9。

Avenio系列有軌電車同樣可以采用無受電弓供電的方案。電能通過建造在車站或隧道頂部的傳電軌道傳入由雙層電容器和蓄電池組合而成的車內(nèi)儲(chǔ)能裝置。另外儲(chǔ)能裝置還可以儲(chǔ)存來自制動(dòng)時(shí)的電能。

圖9 運(yùn)行于海牙的Avenio有軌電車

Avenio系列有軌電車轉(zhuǎn)向架采用小輪徑獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，電機(jī)縱向布置于側(cè)梁外側(cè)，同側(cè)車輪由同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即前后車輪縱向耦合。見圖10。Avenio海牙有軌電車技術(shù)參數(shù)見表5。

圖10 Avenio動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

項(xiàng)目參數(shù)軸列式Bo’2’BoBo最高運(yùn)行速度/(km·h-1)80車輛長度/mm35000車輛寬度/mm2550地板面高度/mm350最大軸重/t8.8最大載客量/人232最小通過曲線半徑/m25供電方式弓網(wǎng)接觸

2.5 Stadler公司

Stadler公司生產(chǎn)的低地板有軌電車包括Variobahn和Tramlink以及最新一代的Metelitsa。其中Tramlink全部為100%低地板有軌電車，采用多鉸接型編組，運(yùn)用于德國羅斯托克、巴西桑托斯等城市[19]。Metelitsa有軌電車是一款專門運(yùn)行于寬軌的有軌電車，包括2014年投入俄羅斯莫斯科的部分低地板有軌電車和2017年8月投入俄羅斯圣彼得堡的100%低地板有軌電車(圖11)。Metelitsa有軌電車可選擇二到七輛編組，并適用于-40 ℃～40 ℃的所有環(huán)境。Metelitsa圣彼得堡有軌電車技術(shù)參數(shù)見表6。

圖11 圣彼得堡Metelitsa有軌電車

2.6 CAF公司

Urbos 100系列有軌電車屬于西班牙CAF公司生產(chǎn)的第三代Urbos系列輕軌車輛(圖12)。自2011年起運(yùn)用于法國貝桑松、匈牙利布達(dá)佩斯等城市，其中“100”代表100%低地板。Urbos 100系列具有許多種配置方案，其編組可以選擇3列、5列、7列以及9列，對應(yīng)的長度從23 m到56 m；車寬可以選擇2 300、2 400 mm以及2 650 mm。

表6 Metelitsa圣彼得堡有軌電車技術(shù)參數(shù)

圖12 貝桑松有軌電車

Urbos 100可選搭載CAF公司開發(fā)的Greentech無接觸網(wǎng)供電技術(shù)，與Alston的APS技術(shù)類似，在車上搭載超級電容或者鋰基電池，當(dāng)車輛停在站臺(tái)充電區(qū)域時(shí)可通過受電弓或第三軌獲得電能，站間無需設(shè)立接觸網(wǎng)[20-21]。貝桑松有軌電車技術(shù)參數(shù)見表7。

表7 貝桑松有軌電車技術(shù)參數(shù)

2.7 PESA公司

Twist系列低地板有軌電車是波蘭Pesa公司自2012年起投入使用的新一代有軌電車，包括70%與100%低地板的不同版本，應(yīng)用于波蘭的弗羅茨瓦夫和克拉科夫等地[22]。見圖13。弗羅茨瓦夫有軌電車技術(shù)參數(shù)見表8。

圖13 弗羅茨瓦夫有軌電車

項(xiàng)目參數(shù)軸列式Bo’2’2’Bo最高運(yùn)行速度/(km·h-1)70車輛長度/mm32000車輛寬度/mm2400地板面高度/mm350最大載客量/人220供電方式弓網(wǎng)接觸

3 結(jié)論與展望

經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，目前100%低地板有軌電車已逐步替代了原有的各類有軌電車，成為有軌電車的主流。相比于前幾代有軌電車，各制造商生產(chǎn)的新一代100%有軌電車的各項(xiàng)性能取得了較大提升，車輛的組成及設(shè)計(jì)方案也發(fā)生了很大變化。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)無接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)?？紤]到為傳統(tǒng)的有軌電車架設(shè)的接觸網(wǎng)會(huì)影響城市美觀，在極端天氣下還會(huì)具有一定的安全隱患，許多制造廠商都推出了無需弓網(wǎng)接觸得電的有軌電車方案。這些方案通常是通過在車輛上搭載的超級電容或者蓄電池供應(yīng)車輛運(yùn)行時(shí)的電能，并在車輛運(yùn)行路線上部分站點(diǎn)或區(qū)域設(shè)置充能裝置。充能裝置包括使用中部供電軌道段以及充電感應(yīng)設(shè)備等。無接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)對于古城區(qū)尤為適用，可以防止有軌電車線路建設(shè)對古城風(fēng)景的破壞。

(2)編組型式。最早的100%低地板有軌電車GTN采用的是單車型式[23]，即每節(jié)車底各有一個(gè)轉(zhuǎn)向架。隨后100%低地板有軌電車發(fā)展出了多種多樣的編組型式，目前最新一代的100%低地板有軌電車往往采用浮車型(多鉸接型)，即部分車體下方無轉(zhuǎn)向架支承，利用鉸接裝置與兩側(cè)車體連接的型式。這種型式雖然對鉸接裝置的承載能力有較高的要求，但是可以減少轉(zhuǎn)向架的使用，節(jié)省大量生產(chǎn)資金；由于車底無轉(zhuǎn)向架，所以不需要專門為轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域設(shè)置座椅等設(shè)施以保證100%低地板設(shè)計(jì)，這使得車內(nèi)實(shí)現(xiàn)低地板更為方便，車內(nèi)空間的安排也更為自由。隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟，浮車型式將成為100%低地板有軌電車的主要編組方式。

(3)電機(jī)選用。永磁電機(jī)具有效率高、發(fā)熱小、體積小、無傳動(dòng)齒輪等特點(diǎn)，非常適合低地板車輛應(yīng)用。通常永磁電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁外側(cè)，為低地板設(shè)計(jì)提供了條件。但永磁電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用成本相對較高。隨著永磁電機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的增加，永磁電機(jī)因其優(yōu)點(diǎn)會(huì)逐步取代一般電機(jī)在100%低地板有軌電車上的使用。

100%低地板有軌電車不僅在國外多個(gè)城市得到充分應(yīng)用，在我國也引起了極大興趣，多家國內(nèi)制造商在充分吸收引進(jìn)國外技術(shù)后也生產(chǎn)了一批應(yīng)用于國內(nèi)外的100%低地板有軌電車，例如中車大連為珠海1號線設(shè)計(jì)的五模塊有軌電車、中車株機(jī)為江蘇淮安設(shè)計(jì)的超級電容四模塊有軌電車和中車青島四方為青島城陽區(qū)設(shè)計(jì)的三模塊氫能源有軌電車等。截至2016年12月，在我國共有29座城市具有城市軌道交通運(yùn)營線路，共計(jì)129條[24-25]。而在2013年，只有12座城市具有城市軌道交通運(yùn)營線路?？梢姰?dāng)前正是我國城市軌道交通的快速發(fā)展階段，100%低地板有軌電車也必將得到更多應(yīng)用。