中運量軌道交通系統(tǒng)車輛的分類及特點

贠 虎

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

地鐵由于其大運量、準時的特點，是目前國內(nèi)特大、大城市采用的最主要的軌道交通形式，對解決主城區(qū)交通問題起到了重要作用。同時，也由于其建設(shè)成本高(地鐵造價達6億～8億元/km，輕軌造價為3億～5億元/km)[1]，建成后30年內(nèi)的運營補虧及還本付息費用與建設(shè)投資相當，給地方政府帶來一定財政壓力[2-3]。為此，國家相繼出臺了相關(guān)政策，對建設(shè)地鐵及輕軌、有軌電車等，設(shè)置了基本的“準入”條件和審批程序，這對合理控制地方政府財政風險、統(tǒng)籌配置城市各類交通資源發(fā)揮了重要作用。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，目前許多二、三線城市也基本具備了建設(shè)輕軌的“準入”條件，這些城市對于建設(shè)城市軌道交通具有較強的需求，通過建設(shè)輕軌，可以緩解城市交通壓力，減少大氣污染，促進地方經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。但同時，這類城市在建設(shè)城市軌道交通中，更需要解決好建設(shè)資金籌集和運營虧損的政府財政資金補貼問題[4]。

而中運量系統(tǒng)，在具備準時、運量較大特點基礎(chǔ)上，投資相對于地鐵卻較低，是適合中小城市采用的軌道交通形式。中運量系統(tǒng)的車輛種類繁多，隨著其技術(shù)成熟度不斷提高[7]、應(yīng)用范圍不斷擴大，許多新型軌道交通型式(如中低速磁懸浮、自動導向新交通系統(tǒng))的加入，需要系統(tǒng)地歸納研究其車輛的分類及特點，以利于根據(jù)城市特點進行車輛選型。

建標104-2008《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》規(guī)定，中運量系統(tǒng)通常指運量等級為高峰小時1萬～3萬人次的軌道交通系統(tǒng)，在此運量等級范圍內(nèi)，可供選擇的軌道交通系統(tǒng)制式有地鐵B型車系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)的跨座式單軌、懸掛式單軌、中低速磁懸浮及C、D型鉸接車系統(tǒng)等。由于輕軌的定義國內(nèi)尚無一致的認識和明確的界定[5-6]，存在諸多模糊不清的地方，給軌道交通項目的申報和審批造成了許多困惑，為此對相關(guān)政策及標準的執(zhí)行提出了建議。

2 中運量系統(tǒng)車輛的分類及應(yīng)用實例

中運量系統(tǒng)通常指單向運能達1萬～3萬人次/h的軌道交通系統(tǒng)，在這個運能范圍內(nèi)，可選擇的車輛類型繁多[8]，有跨座式單軌車、中低速磁懸浮車、鋼輪鋼軌B型車、直線電機車、C/D型鉸接車、懸掛式單軌車、自動導向新交通系統(tǒng)等[9-10]，根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)形式、牽引方式的不同，對常用及有發(fā)展前景的6種中運量系統(tǒng)車輛分類見圖1 。

圖1 中運量系統(tǒng)車輛的分類

2.1 鋼輪鋼軌B型車輛

鋼輪鋼軌B型車在國內(nèi)應(yīng)用十分廣泛(圖2)，中國第一條地鐵線采用的就是B型車系統(tǒng)。目前在整個軌道交通系統(tǒng)里占30%以上，B型車具有市場占有率高、載客量大、技術(shù)成熟、資源共享條件好的特點，但輪軌噪聲值較高，爬坡能力較低，轉(zhuǎn)彎半徑較大(最小轉(zhuǎn)彎半徑為150 m左右)。上海地鐵C型車(圖3)基本同B型車，其各方面參數(shù)基本相同，只是車寬為2.6 m。

圖2 西安地鐵B型車輛

圖3 上海地鐵C型車輛

這類車輛主要由車體、轉(zhuǎn)向架及車鉤、牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、通風與空調(diào)、車輛網(wǎng)絡(luò)控制及故障診斷系統(tǒng)等組成，車輛軸重為14 t。

(1)車體、轉(zhuǎn)向架及車鉤：車體結(jié)構(gòu)通常為整體承載輕量化焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機室等組成，車體材料有不銹鋼、鋁合金等。構(gòu)架采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接完成后采用整體退火熱處理工藝，消除焊接應(yīng)力。車輪采用鋼制車輪，車輪的設(shè)計確保車輪有80 mm的磨耗量(按直徑減小量考慮)。車鉤分為全自動車鉤、半自動車鉤、牽引桿等3種，前兩種設(shè)置在車輛的兩端，為頭車密接式車鉤，只在車輛發(fā)生救援的情況使用；后一種設(shè)置在兩個車輛單元中間，作為中間棒式車鉤起到緩和、連接兩個車輛單元的作用。

(2)牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)：主要包括VVVF逆變器、三相異步牽引電動機、齒輪裝置、速度傳感器、受電弓、高速斷路器、濾波器等。采用1臺逆變器拖動4臺電機(車控)或2臺電機(架控)的控制方式。系統(tǒng)具有功能齊全的自檢、自診斷、監(jiān)控和故障記錄系統(tǒng)。牽引系統(tǒng)能夠按列車載重量調(diào)整牽引力和制動力的功能，并具有防空轉(zhuǎn)功能。制動系統(tǒng)采用微機控制的模擬式電空聯(lián)合制動：常用制動采用電制動，其中優(yōu)先采用再生制動，線路上再生能量吸收不足時，余下部分由電阻制動補充；在電制動力不足時，由空氣制動補足。

(3)輔助電源系統(tǒng)：車輛輔助供電系統(tǒng)的輸出能力滿足車輛各種負載工況的用電要求。輔助供電系統(tǒng)通常由兩套獨立的系統(tǒng)組成，當其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，采取相關(guān)措施滿足車輛的基本用電要求并保證車輛可以行駛回車輛段內(nèi)。采用免維護蓄電池，標稱電壓DC24V，容量滿足至少30 min對車輛應(yīng)急負載供電的需要。

北京、天津、成都、青島、杭州、沈陽、西安、寧波、佛山、廈門等城市基本采用的是B型車輛。

2.2 Lb型直線電機車輛

直線電機軌道交通系統(tǒng)是指采用直線電機驅(qū)動的輕軌交通系統(tǒng)[11]。為了應(yīng)對城市主城區(qū)建筑密度大，道路狹小，軌道交通需要大坡度、小半徑曲線繞避建筑物的特點，減小了車廂的斷面以及隧道斷面，降低工程成本；在不采用膠輪的前提下，列車可以有較高的爬坡能力，可以通過彎度較大的曲線，并減少噪聲。在這樣的要求下，使用車輛比傳統(tǒng)軌道交通使用車輛車廂更小的直線電機軌道系統(tǒng)應(yīng)運而生。直線電機軌道系統(tǒng)由于舍棄了掛軸電機，車下的空間可以縮得更小，車輪輪徑也可以相應(yīng)縮小，若直線電機應(yīng)用于地鐵中，就可以降低車輛高度，減小車廂斷面，從而減小隧道斷面。除了縮小空間，沒有掛軸電機，轉(zhuǎn)向架也不需要擔負驅(qū)動牽引的質(zhì)量，只需要承載車體即可，這種可活動的轉(zhuǎn)向架可以適應(yīng)半徑很小的曲線，克服了一般傳統(tǒng)地鐵不能通過的小半徑曲線的局限性，這樣線路設(shè)計的自由度就大大增加。采用直線電機牽引，列車前進將不再依靠輪軌間的摩擦力，而是利用軌面超距力“吸引”前進，這樣就不再存在雨天打滑的問題，最大設(shè)計坡度可達50‰。但這種車輛的缺點也很明顯，就是耗電量較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機高出30%，由于直線電機氣隙要求為10 mm左右，對于線路及車輛的維修標準要求很高，從而加大了日常維修工作量。目前，世界許多國家都在采用這種形式的軌道交通，例如美國紐約AirTrain JFK line、日本東京都營地鐵大江戶線、北京機場線、廣州地鐵4、5 號線(圖4)，廣州地鐵4、5號線的直線電機車輛由于加大了車輛尺寸，直線電機車輛的優(yōu)勢并未充分體現(xiàn)出來。

圖4 廣州地鐵4號線直線電機車輛

2.3 C、D型鉸接車輛

C、D型鉸接車輛即現(xiàn)代有軌電車，通常采用3模塊或多模塊組成，車輛軸重為10～12 t，最小轉(zhuǎn)彎半徑為30 m左右，編組運行在以全封閉或半封閉的地面線、高架線為主(必要時可為地下線)的專用線路上的中低運量城市軌道交通系統(tǒng)，主要聯(lián)系市區(qū)內(nèi)主要交通走廊或市區(qū)與近郊區(qū)之間的中長距離交通。

這類車輛的路權(quán)形態(tài)極具彈性。無論是舒適性、準時性、噪聲、空氣污染以及營運績效，均優(yōu)于一般公交系統(tǒng)；投資成本以及工期，遠低于其他軌道交通系統(tǒng)。此外，一般有軌電車的運營成本優(yōu)于一般公交系統(tǒng)。

目前，有軌電車種類繁多，從地板面高低分有高地板車輛(圖5)、70%低地板車輛(圖6)、100%低地板車輛(圖7)；從供電方式分有接觸網(wǎng)供電車輛、超級電容儲能式無接觸網(wǎng)車輛、意大利安薩爾多創(chuàng)威 “Tramwave”地面供電系統(tǒng)車輛(圖8)。

圖5 高地板有軌電車

圖6 70%低地板有軌電車

圖7 100%低地板有軌電車

圖8 地面供電有軌電車

世界上第一條電力軌道車1881 年在德國Lichterfelde 運營，到2019年，全球有軌電車路網(wǎng)已經(jīng)超過400個。國內(nèi)目前已有上海、廣州、珠海、沈陽、大連、蘇州、長春、武漢等城市開通了約306 km的有軌電車線路。

2.4 跨座式單軌

跨座式單軌采用膠輪支撐和導向，振動噪聲較低；采用I 型軌道梁，梁軌合一，高架敷設(shè)景觀性相對好(但由于現(xiàn)在要設(shè)置中間安全疏散通道，使得景觀效果大打折扣)；地下敷設(shè)時斷面相對較大，不經(jīng)濟；同時救援疏散平臺難以安裝，在噪聲要求較高區(qū)域無法安裝聲屏障等；道岔較為復雜，運行能耗高，膠輪養(yǎng)護維修工作量較大，雨雪天氣爬坡能力下降較大；一般為單線運行，很少成網(wǎng)運營[12]。

跨座式單軌車輛由單根軌道梁支承、穩(wěn)定和導向，車輛跨坐在軌道梁上運行，車輛大部位于軌道梁上方。轉(zhuǎn)向架走行輪由橡膠輪胎取代傳統(tǒng)鐵道車輛的鋼制車輪，且由4 個導向輪及2個穩(wěn)定輪從側(cè)面抱住軌道梁，起到自動對中和導向作用。跨座式單軌能有效利用城市道路綠化隔離帶空間，具有占地少、運能中等、投資適中、工期較短(2～3年) 、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強及噪聲低等特點; 適用于客運量中等、地形較為復雜(高差較大) 的城市和地區(qū)，也可作為觀光旅游線，宜采用高架線?？缱絾诬壴谌毡緫?yīng)用較多。目前，國內(nèi)已運營的重慶軌道交通2、3 號線均采用該系統(tǒng)(圖9)，同時蕪湖、安陽、濟寧、桂林、蚌埠、銀川、深圳等多個城市也都在建設(shè)跨座式單軌系統(tǒng)。

圖9 重慶跨座式單軌車輛

2.5 懸掛式單軌

懸掛式單軌車輛懸掛于箱形軌道梁下，轉(zhuǎn)向架位于箱形軌道梁內(nèi)部，轉(zhuǎn)向架上裝有走行輪和導向輪，在車輛行駛中，走行輪和導向輪始終在箱形梁內(nèi)部，因此充分保障了列車的運營安全，適應(yīng)天氣的能力較強，同時車輛運行于高架線路上，不會對地面交通帶來壓力。懸掛式單軌采用高架敷設(shè)方式，具有運能較小、投資小、速度較低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、占地少、噪聲低、施工簡單、工期短(2～3年) 等特點，適用于客運量較低、地形較為復雜的城市和地區(qū)，也可運用于觀光旅游線路[13]。懸掛式單軌在國內(nèi)應(yīng)用較少，國外則有德國伍珀塔爾和多特蒙德以及日本千葉等城市采用了該系統(tǒng)。目前，在成都市雙流區(qū)、中車青島四方機車車輛股份有限公司各建有1條試驗線(圖10)，陜西渭南、貴州安順亦擬采用該系統(tǒng)。

圖10 成都懸掛式單軌車輛

2.6 中低速磁懸浮

磁懸浮列車是利用磁性原理使車輛上浮，并利用磁力來推動的車輛行走，磁懸浮車輛由于其軌道的磁力作用而懸浮在空中，行走時不同于其他列車需要接觸軌面，因此只受來自空氣的阻力，幾乎沒有軌道摩擦能量損失，并且具有速度快、爬坡能力強[14]、轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低、環(huán)保、維修工作量小等特點，是發(fā)展前景十分廣闊的中運量軌道交通系統(tǒng)。

按懸浮方式劃分，磁懸浮列車可以分成電動懸浮和電磁懸浮兩大類。電磁懸浮列車是利用異性磁場之間產(chǎn)生的吸引力，作為車輛的支撐與引導，又稱為吸引式磁浮。電動懸浮列車是利用同性磁場間產(chǎn)生的排斥力，作為列車的支撐與導引，又稱為“互斥式”磁浮。由于在車輛上裝有超導體磁鐵，能夠產(chǎn)生巨大的磁場，車輛先經(jīng)由外力驅(qū)動，超導體磁鐵所產(chǎn)生的磁場會跟著移動，而在地上的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流再生磁場。由于兩個磁場的方向是相同的，所以在車輛與軌道之間產(chǎn)生排斥力，因此車輛被反作用力推著懸浮起來。由于車輛的懸浮是靠兩個磁場的作用力相平衡而達成的，所以懸浮高度可以固定不變，列車具有一定的穩(wěn)定性。此外，由于車輛必須快速移動，其所帶的磁場才會產(chǎn)生感應(yīng)電流與磁場，所以車輛必須裝有輔助車輪，供啟動與?？恐?。

目前國內(nèi)中低速磁懸浮列車是通過常導磁吸式實現(xiàn)懸浮和導向，采用直線感應(yīng)電機驅(qū)動，車體與軌道之間保持約10 mm的間隙。中低速磁浮列車已經(jīng)實現(xiàn)技術(shù)自主化，株洲電力機車廠和唐山北控磁浮公司都具備自主生產(chǎn)磁浮列車的能力，國產(chǎn)更高速度的中低速磁懸浮列車正在研制中，長沙已有一條長為18.5 km、車速100 km/h的磁懸浮列車線路(圖11)，北京磁懸浮列車的S1線也已開通運營。

圖11 長沙磁懸浮車輛

3 中運量系統(tǒng)車輛的特點

通過對上述中運量系統(tǒng)車輛的分類及應(yīng)用實例分析，總結(jié)出中運量系統(tǒng)車輛的應(yīng)用有如下特點[15]。

3.1 以高架敷設(shè)為主

以地下隧道為主的地鐵系統(tǒng)，其投資通常為6億～8億元/km，而以高架為主的輕軌系統(tǒng)，其投資通常為3億～5億元/km，相對地下敷設(shè)方式，高架敷設(shè)可明顯減小工程投資總額。根據(jù)城市道路寬度條件，在道路中間或一側(cè)設(shè)置架空橋梁，軌道交通線路高架走行，因此適于高架敷設(shè)的軌道交通車輛更具競爭潛力。

3.2 車輛爬坡能力強

由于沿地面高架敷設(shè)，為更好地適應(yīng)地形條件，減少橋梁及高架車站的工程投資，要求車輛具有較強的爬坡能力。

3.3 環(huán)境噪聲水平、景觀效果要求高

對于在城市中穿行的高架軌道交通系統(tǒng)，其噪聲對周邊居民、醫(yī)院、科研院所、學校、政府機關(guān)等影響十分明顯，因此，低噪聲的軌道交通系統(tǒng)是系統(tǒng)選型的關(guān)鍵因素。相對于地鐵，以高架為主的系統(tǒng)應(yīng)有較好的景觀效果，這樣才能更好地融入城市、融入街區(qū)。

3.4 應(yīng)急救援、逃生條件差

對在高空中運行的車輛來說，車輛下部懸空，在突發(fā)情況下(如車輛故障、火災(zāi)、線路故障等)的快速逃生疏散相對較為困難，是建設(shè)過程中需要重點研究解決的核心問題[16]。

3.5 工程施工周期短

高架橋梁處于地面以上，可以方便地采用多段同時作業(yè)，也可以方便地使用各種大型工程機械，因此，其施工周期相對較短，在排除拆遷影響因素外，施工工期可控性強。

3.6 運營費用小

高架系統(tǒng)由于沒有了地下系統(tǒng)的通風空調(diào)費用、照明費用、預(yù)防火災(zāi)的各種設(shè)施維護費用，相對地下系統(tǒng)容易實現(xiàn)運營管理費用的控制。

4 對相關(guān)政策及標準的認識

根據(jù)國辦發(fā)[2018]52 號《關(guān)于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》(以下簡稱“52號文”)的要求，現(xiàn)階段，申報發(fā)展地鐵的城市應(yīng)達到下述基本條件：地方財政一般財政預(yù)算收入應(yīng)在300 億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值達到3000 億元以上，市區(qū)常住人口在300 萬人以上，規(guī)劃線路初期客運強度不低于每日每公里0.7 萬人次，遠期客流規(guī)模達到單向高峰小時3 萬人以上[17]；申報建設(shè)輕軌的城市應(yīng)達到下述基本條件：地方財政一般預(yù)算收入在150 億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值達到1500 億元以上，城區(qū)人口在150 萬人以上，規(guī)劃線路初期客運強度不低于每日每公里0.4 萬人次，遠期客流規(guī)模達到單向高峰小時1 萬人以上[18]。中運量系統(tǒng)基本涵蓋了上述“輕軌”系統(tǒng)。

根據(jù)建標104-2008《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》的有關(guān)規(guī)定，城市軌道交通按線路遠期單向客運能力，可以分為高運量、大運量和中運量3種運能等級，同時結(jié)合目前國內(nèi)高、中運量車型，將運能分成4級，相關(guān)技術(shù)特征見表1。

表1 各級線路相關(guān)技術(shù)特征

從以上標準可以看出，中運量系統(tǒng)可選擇的車型有鋼輪鋼軌B型車輛、Lb直線電機車輛、C型及D型鉸接車輛、跨座式及懸掛式單軌車輛，以及國內(nèi)近幾年新出現(xiàn)的中低速磁懸浮車輛。

“52號文”將“輕軌”作為客流規(guī)模單向高峰小時1萬～3萬人城市的“準入”分類條件[19]，而對于輕軌的定義缺少清晰準確的描述，由于其概念覆蓋面較廣，具體操作起來很難把握。廣義和狹義輕軌概念中的車輛，其運量等級均在中運量系統(tǒng)運量覆蓋范圍內(nèi)[20]，而中運量系統(tǒng)的定義相對比較明確固定，概念清晰。建議以高運量、大運量、中運量作為“準入”分類條件，更有利于目前國內(nèi)建設(shè)規(guī)劃的申報和政府的審批。

5 結(jié)論和建議

中運量系統(tǒng)車輛的應(yīng)用具有以下特點：(1)以高架敷設(shè)為主；(2)車輛具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、系統(tǒng)維修工作量小、環(huán)境噪聲水平低的特點；(3)對于高架橋梁，要處理好景觀效果、應(yīng)急救援、逃生條件等問題；(4)工程造價低、施工周期短是其得以推廣的基本條件。

鋼輪鋼軌B型車輛使用范圍廣，市場占有率高，載客量大，技術(shù)成熟，資源共享條件好，但輪軌噪聲值較高，爬坡能力較低、轉(zhuǎn)彎半徑較大，建議在具有一定線網(wǎng)規(guī)模、中運量系統(tǒng)的城市推廣。Lb直線電機車輛相對B型車轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、盾構(gòu)斷面小，但耗能高、系統(tǒng)維修量大，比較適合地下敷設(shè)，可在建筑物密集，需要較強爬坡能力的城市和地區(qū)使用。鉸接車輛相對B型車，轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量小、軸重較輕、整體工程投資額少?？缱絾诬壾囕v相對鋼輪鋼軌車輛，環(huán)境噪聲較小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、梁軌合一，比較適合高架敷設(shè)，不適合地下敷設(shè)；其換輪維修量較大、道岔結(jié)構(gòu)復雜、在城市中設(shè)置聯(lián)絡(luò)線困難，適合在景區(qū)及線網(wǎng)規(guī)模較小的城市使用。懸掛式單軌車輛的特點基本同跨座式，不同的是其適應(yīng)天氣的能力較強，逃生條件差。中低速磁懸浮適合高架敷設(shè)，其爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、系統(tǒng)維修工作量小、環(huán)境噪聲水平低，但其使用經(jīng)驗較少，技術(shù)成熟度亟待提高，建議加大研發(fā)推廣力度。

建議以高運量、大運量、中運量作為“準入”分類條件，對于大多數(shù)二、三線城市來說，更適合采用中運量系統(tǒng)車輛，中運量系統(tǒng)車輛具有的因地制宜、物盡其用、經(jīng)濟合理的特點，為二、三線城市發(fā)展軌道交通展現(xiàn)了美好的前景。