王忠杰， 尹力明

（1.上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海200235；2.上海軌道交通設備發(fā)展有限公司，上海200233）

輕軌交通作為解決大城市的支線交通和中小城市的干線交通問題的途徑之一已被廣泛接受[1]，并得到系統(tǒng)性的研究[2]。輕軌車輛具有容量較大、易過小曲線、噪聲低、乘坐舒適、無環(huán)境污染、節(jié)能、經(jīng)濟等特點。社會需求的多樣性和輕軌車輛的復雜性使各國研究了種類繁多的輕軌列車，目前我國非常有必要在借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗的基礎上進一步研究適合我國國情的輕軌車輛[3－4]。低地板輕軌車輛以其方便旅客乘降，編組多樣，運行靈活，投資少，建設速度快，與現(xiàn)有公交站臺、路面資源共享等特點非常適應大城市的支線交通、干線的末端收集系統(tǒng)和中小城市的干線交通的需求，有著廣闊的市場前景。

1 低地板輕軌車輛技術發(fā)展概況

低地板輕軌車輛是指車體的地板面距離軌面高度在350～400 mm的軌道交通車輛。一般低地板輕軌車輛的列車模塊為2～7節(jié)，總長度約為19～43 m，具有中等運能，其在城市軌道交通中填補了公共汽車與地鐵運量間的空白。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上30多個國家的140多個城市已擁有超過5 000多輛低地板輕軌車輛。在我國城鎮(zhèn)化和城市遠郊化的社會背景下，低地板輕軌車輛必將獲得廣泛運用，具有很大的市場前景[5]。

按低地板面占整個車輛貫通道地板面的比例區(qū)分，低地板輕軌車輛的發(fā)展經(jīng)歷了分段式低地板（低地板面比例約為15%～20%）、中間貫通式低地板（低地板面比例約為70%）、全低地板（低地板面比例為100%）3個階段[6]。而100%低地板車輛由于車廂內(nèi)流動通道無臺階或斜坡，最方便旅客流動、乘降；因此，它是國內(nèi)外低地板輕軌車輛發(fā)展的必然趨勢，也是運營商追求的目標，在歐洲已得到廣泛應用。

世界上第一輛100%低地板輕軌車輛是由AEG MAN和Kiepe公司聯(lián)合生產(chǎn)，于1990年2月在德國的不來梅市投入使用。此后，歐洲的法國、意大利等國，北美的美國、加拿大，亞洲的日本，也都相繼出現(xiàn)了100%低地板輕軌列車。從20世紀90年代開始，總共有十幾個廠家生產(chǎn)出二十幾種型號的100%低地板輕軌車輛。隨著技術的發(fā)展，優(yōu)勝劣汰，目前國際上的100%低地板輕軌車輛的生產(chǎn)技術基本由西門子、阿爾斯通、龐巴迪和Ansaldo Breda等公司所壟斷，并且各公司形成了各自的品牌，如Combino（西門子公司），Citadis（阿爾斯通公司），F(xiàn)lexity Outlook（龐巴迪公司），Sirio（Ansaldo Breda公司）等。

低地板輕軌車輛在我國還處在初期發(fā)展階段：大連市輕軌公司在原有軌電車線路上改造、研制了70%的低地板輕軌車輛；長春市快軌交通已運用了低地板輕軌車輛，基本還都屬于第二代低地板輕軌車輛。

70%低地板輕軌列車與100%低地板輕軌列車相區(qū)別的關鍵的技術主要是在動力轉向架及其驅動上。70%低地板輕軌列車端部采用傳統(tǒng)的剛性輪對轉向架，并作為動力轉向架，而列車的中部通常使用不帶動力的小輪徑剛性輪對轉向架或獨立車輪轉向架；而100%低地板輕軌列車轉向架一般通過如下方式實現(xiàn)100%低地板：

（1）全部采用小直徑傳統(tǒng)輪對；

（2）動力轉向架采用小直徑傳統(tǒng)輪對，拖車轉向架采用獨立輪對；

（3）拖車轉向架采用小直徑傳統(tǒng)輪對，動力轉向架采用獨立輪對；

（4）全部采用獨立輪對。

由于傳統(tǒng)輪對的動力轉向架技術及其驅動相對成熟可靠，而獨立輪對的動力轉向架及其驅動相對復雜，對系統(tǒng)可靠性要求很高，關鍵技術尤其是獨立輪對的牽引傳動控制系統(tǒng)研制難度大、造價高；因此，本文的100%低地板輕軌列車采用了動力轉向架使用小直徑傳統(tǒng)輪對，拖車轉向架使用獨立輪對的成熟的技術方案。

2 100%低地板輕軌車輛總體技術方案

2.1 輕軌車輛的技術特點

目前，國內(nèi)外輕軌車輛具有以下技術特點：

（1）站間距離短，啟停頻繁，對牽引和制動性能要求很高；啟動加速度達到1 m／s2；制動減速度達到1.2 m／s2；緊急制動減速度達到2 m／s2。

（2）最小曲線半徑可達25 m，要求走行部曲線通過性能好。

（3）運營線路的坡度大，可達30‰～60‰，要求車輛能順利通過小半徑豎曲線。

（4）對噪聲指標控制嚴格，要求有減噪措施，比地鐵噪聲至少降低3～5 dB；通過小曲線時，可降低8～10 dB。

（5）軸重一般為10～12 t，車輛斷面較地鐵小，長度也較短，車體連接多采用鉸接形式。

（6）軸距較小，為1.8～1.9 m，采用較小的軸距有利于通過小半徑平曲線。

（7）走行部結構布置緊湊，尤其對于動車轉向架而言，由于軸距較小，車體地板低，要在有限的空間布置電機、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱及制動設備，結構必須簡潔緊湊。

2.2 100%低地板輕軌車輛技術方案

2.2.1 車輛概況

借鑒國內(nèi)外成熟的低地板車輛編組總體技術方案，并結合目前國內(nèi)各城市輕軌交通的要求（如客流量等）、機車車輛行業(yè)制造水平、軌道裝備供應商配套能力等，本文所提出100%低地板輕軌車輛的總體技術方案如圖1所示，整列車為“六軸五車體模塊”的編組形式。

圖1 100%低地板車輛三維模型

2.2.2 車輛總體技術參數(shù)

低地板比率為100%；

地板面高度為350 mm（司機室480 mm）；

過道寬度為800 mm／1 300 mm；

車輛高度為3 600 mm；

車輛寬度為2 650 mm；

車輛長度為28 200 mm；

軌距為1 435 mm；

通過最小平曲線半徑為20 m；

最小豎曲線半徑為1 000 m；

最大坡度為35‰；

座位定員為44人，額定為197人，超員為248人；

空車質量44 t，額定質量55.8 t，超員列車重量為58.9 t；

網(wǎng)供電壓為DC 750 V；

最高運行速度為80 km／h；

啟動加速度為1.0 m／s2（0～30 km／h）；

制動減速度，常用為1.2 m／s2，緊急時為2.2 m／s2；

制動方式為電制動＋軸盤式空氣制動＋磁軌制動；

轉向架軸式為Bo－2－Bo；

軸重為11 t；

輪對組成：動車為傳統(tǒng)輪對，拖車為獨立輪對；

輪徑為660 mm（新輪）；電機功率為4×120 k W。

2.2.3 車輛總體技術方案

（1）編組形式

圖2為“六軸五車體模塊”的編組形式，具體方案如下：整列車分別由兩端的司機室車體、中間的短車體及2個較長的浮動車體等五車體組成，在司機室和短車體下方都各布置一個轉向架，車體間采用車鉸聯(lián)接。

圖2 列車編組形式

（2）地板面高度方案

100%低地板輕軌車輛中間拖車轉向架采用獨立輪對，轉向架上方車廂內(nèi)貫通道地板高度為350 mm。兩端動車轉向架仍采用傳統(tǒng)輪對，放到獨立的司機室下面。司機室的地板面可以高一些（通過一個臺階進入司機室），但不會影響乘客區(qū)的地板面高度，從而實現(xiàn)350 mm高度的乘客區(qū)100%低地板。

（3）轉向架總體結構概況

100%低地板輕軌車輛轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架兩大類。動車轉向架主要部件組成包括：① 內(nèi)置式構架裝置；② 橡膠彈簧減震的輪對軸箱定位裝置，采用傳統(tǒng)小直徑并優(yōu)化了踏面形狀的彈性車輪；③ 帶附加氣室的空氣彈簧中央懸掛裝置；④ 結構簡單的雙牽引拉桿裝置；⑤ 一軸一盤的軸盤制動裝置和2套磁軌制動裝置；⑥ 外側懸掛縱向布置的電機齒輪箱傳動裝置[7]。

拖車轉向架與動車轉向架比較，沒有電動機齒輪箱傳動裝置，構架的側粱為U形，采用獨立輪軸橋結構，一輪一盤的制動裝置，其余結構與動車轉向架基本相同。

動車轉向架和拖車轉向架的總體結構實體模型如圖3、4所示。

圖3 動車轉向架實體模型

（4）車體斷面方案

圖4 拖車轉向架實體模型

100%低地板輕軌車輛動車轉向架車軸處、中心處剖視斷面，拖車轉向架車軸處、中心處剖視斷面及浮動車體的剖視斷面如圖5所示。車輛寬度2 650 mm，動、拖轉向架的車輪內(nèi)側距均為1 360 mm，中間過道寬度除浮動車體外都是800 mm，浮動車體考慮座椅為縱向布置，中間過道寬度為1 300 mm。

圖5 車輛斷面圖

（5）車端聯(lián)結方案

100%低地板輕軌車輛的車體間，除采用橡膠風擋和緩和縱向沖擊的車端減振器外，還采用了普通軌道車輛不常用的車鉸結構[8]，具體鉸接布置方案如圖6所示，它能使列車順利通過平面曲線和豎曲線，且列車各功能件間不發(fā)生相互干涉。

圖6 車端聯(lián)結

（6）門窗座椅布置方案

“六軸五模塊”車輛在浮動車體上設置4對雙開塞拉門。車窗在每種車體上都布置，并盡量采用通透的超大車窗；全車座椅定員44個，司機室不設置乘客座椅，短車體由于下面有轉向架宜布置成雙排靠背座椅，中間過道也可站人，較長的浮動車體則布置縱向長椅，以便讓出更多的過道空間，增加載客量，如圖7所示。車輛額定載客量為197人，超員載客量為248人，完全滿足城市輕軌載客量要求。

圖7 門窗座椅布置

（7）制動方案

低地板車輛大都運行在城市的普通街道上，有時甚至與行人、機動車輛共享道路資源，需要較大的制動減速度。100%低地板輕軌車輛確定了電制動＋機械制動＋磁軌制動的制動系統(tǒng)方案。常用制動時，先用電制動將車速降至5 km／h，再用空氣杠桿制動直至停車。緊急制動時，電制動器、機械制動器及磁軌制動器同時動作，制動減速度達到2.2 m／s2要求。上述制動裝置的聯(lián)合作用過程具體情況如圖8所示[9]。

圖8 制動系統(tǒng)的工作特性

（8）車輛其他系統(tǒng)

100%低地板輕軌車輛其他系統(tǒng)參照國內(nèi)現(xiàn)有軌道交通車輛采用的系統(tǒng)，如功率輸入電壓的額定值為DC750 V；受電方式為架空柔性接觸網(wǎng)及使用受電弓受電；交流牽引系統(tǒng)采用IGBT－VVVF的交流調(diào)速方案；牽引與制動采用32位以上微機處理器控制；額定輸出功率為2×（120 k W×2）；主電機設短路、過壓、過流、過熱與欠壓保護裝置；風源系統(tǒng)采用空氣壓縮機組；車廂內(nèi)的環(huán)境控制采用空調(diào)器、電熱取暖器等。

接觸網(wǎng)受電弓布置于中間的短車體上端，空調(diào)機組、空氣壓縮機組布置于浮動車體上端盡量靠近司機室車體處，逆變器、蓄電池布置于兩端司機室車體上端，以平衡動、拖車間的軸重。

2.3 100%低地板輕軌車輛動力學性能分析

2.3.1 100%低地板輕軌車輛動力學仿真模型

利用SIMPACK軟件建立的100%低地板輕軌車輛系統(tǒng)仿真模型如圖9所示。

2.3.2 100%低地板輕軌車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化

圖9 100%低地板輕軌車系統(tǒng)動力學仿真模型

用SIMPACK軟件通過對輕軌車輛的運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和動態(tài)曲線通過性能的計算比較，優(yōu)化選擇了轉向架一、二系懸掛及車體間減振器的參數(shù)，如表1所示。

表1 一、二系懸掛等參數(shù)及車體間減振器參數(shù)

2.3.3 100%低地板輕軌車輛動力學性能分析

（1）運動穩(wěn)定性分析

空車狀態(tài)下的臨界速度為195 km／h，超載狀態(tài)下的臨界速度為202 km／h，完全能夠滿足80 km／h速度安全運行的需要，并有足夠的裕量。

（2）運行平穩(wěn)性分析

空車和超載狀態(tài)下的橫向平穩(wěn)性指標與垂向平穩(wěn)性指標在80 km／h的速度范圍內(nèi)都沒有超過2.5，達到了GB5599－85規(guī)定的優(yōu)等標準。

（3）運行安全性分析

空車和超載狀態(tài)下，各以v＝5 km／h通過20 m平曲線半徑、v＝10 km／h通過50 m平曲線半徑、v＝20 km／h通過100 m平曲線半徑、v＝40 km／h通過250 m平曲線半徑、v＝60 km／h通過300 m平曲線半徑和v＝80 km／h通過600 m平曲線半徑的線路，各項安全性指標均未超過GB5599－85規(guī)定的標準。

3 結 語

100%低地板輕軌車輛采用“六軸五車體模塊”列車編組形式，在兩端司機室布置帶傳統(tǒng)輪對的動力轉向架，在中間短車體下方布置帶獨立車輪的非動力轉向架，車體間采用車鉸連接，該技術方案是較成熟的。在國內(nèi)現(xiàn)有機車車輛行業(yè)制造水平的基礎上，整車各部位結構及功能均能實現(xiàn)，動力學性能也均滿足了相應的標準要求。該技術方案已于2011年4月完成了全部技術方案設計，并于2011年6月通過了軌道交通領域專家的評審，主要結論如下：①技術方案結合了實際工程需要，具有較好的工程應用價值；② 技術方案的特色是使用現(xiàn)有的成熟技術實現(xiàn)了客室的100%低地板，為國內(nèi)首創(chuàng)，車輛總體設計方案新穎、可行、合理、詳細；③ 技術方案的動力學性能均滿足相應標準要求，證實了方案設計的正確性。

但100%低地板輕軌車輛的試制，特別是今后的工程化有待進一步深入研究，包括：① 需具體針對某一城市具體線路的100%低地板車輛項目，有針對性地進行完整的設計和試驗論證工作；②需對車體、構架、軸箱等關鍵零部件進行有限元強度分析對輕軌車輛進行牽引制動仿真計算并需進行一系列的強度疲勞試驗和多種性能的型式試驗等；③ 關鍵零部件如制動裝置、牽引裝置、彈性車輪等需深入地與科研院所、專業(yè)配套商一起研制。

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