福州市轻轨交通车辆选型方案及编组方式的探讨

作者：    来源：《福建广播电视大学学报》

欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 摘要：本文根据福州市未来的客流量预测，进行轻执车辆选型方案的比较，分析了独执车辆、常规电机轻轨车辆和线性电机车辆的优缺点，同时就列，车编组的形式提出建议。 关键词：福州;轨道交通;车辆选型;列车编组 建设部[1991] 785号文件《关于地下铁道与轻轨交通建设标准的若干规定》中提出了“地铁”与“轻轨”的名称和定义，并且规定区分的依据为远期高峰小时单向客流量。其中规定:建设轻轨客流量标准为远期单向高峰小时超过1万人次，建设地铁客流量标准为远期单向高峰小时超过4万人次。我国城市轨道交通的建设规划应以此为基础进行发展和引伸。这就明确了轨道交通系统是以客流量来进行区分地铁和轻轨，而不能认为走地下就是地铁，走地上就是轻轨。目前我国有关标准将轻轨交通定义为:在通常情况下具有中等运量、车辆轴重较轻、有专用轨道导向的城市轨道交通系统。根据《福州市城区公共交通规划—调查分析报告集》中的数据进行分析，福州市选择轻轨交通完全可以满足远期单向高峰小时的客流量。选择轻轨相对于地铁建设周期较短，投资也小得多。 一、轻轨车辆的选型 轻轨车辆是直接为乘客服务的设备，也是城市轻轨交通系统中的重要组成部分。车辆的选型关系到整个系统的技术、经济以及社会与环境效益。城市轻轨交通系统中的车辆除应具有先进、可靠、节能、实用等一般性优点以及满足客流量需求外，还必须具备适应小半径、大坡度、低噪音、能快速起动制动、结构轻等特点。根据国际上城市轻轨交通车辆的发展状况，结合我国车辆专家提出的研究成果，现有以下几种车辆可供选择: 1.独轨车辆 独轨铁路是利用城市道路中间上空架设高架轨道梁，开行电动车辆的一种运输方式。独轨车辆分为跨座式和悬挂式两种。跨座式独轨铁路的车体在轨道梁上方，运行时车体跨座在轨道梁上:悬挂式独轨铁路的车体在轨道梁下方，转向架悬挂着车体沿轨道梁运行。由于独轨车辆具有轨道导向的特点，可以采用现代化的通信和信号技术，高频率的发车间隔，从而达到安全、快捷、便利、舒适地运送乘客。最高时速可达70KM/H, 起动加速度0. 97M/S2，制动减速度1. 1M/S2。独轨铁路曾广泛地建于公园，博览会，游乐场等处，日本率先将它作为现代化交通工具用于城市公共交通。自东京市中心至羽田机场就是使用这种交通系统，日本的北九洲、大阪环形线以及多摩、那霸等城市也采用这种形式;我国杭州、重庆对这种轨道交通系统也颇感兴趣。 独轨铁路的优点是: (1)适应复杂地形要求。在小半径曲线和大坡道的区段能发挥正常性能，可通过30M半径的曲线，最大坡度可达100%，较易于走街穿巷，独轨线路走向允许选在很复杂的地形上，可减少建设线路所必需的拆迁。 (2)线路占地少。因为独轨铁路轨道结构窄，且又可架设在道路上方，不需要很大空间。在市区不需要征用昂贵的土地，可设在市区道路中间分车带上方，通过支柱铺设轨道梁。每根支柱直径为1-1. 5M，双线轨道梁的线路断面总宽约为5-7M，与其它铁路轨道相比是较窄的。 (3)建设工期较短、施工简便、造价较低。独轨铁路轨道结构简单，标准轨道可在工厂预制现场拼装，建造容易，所以工期较短。造价远低于地铁，仅相当于地铁造价的1/30 (4)运输安全、正点。独轨铁路车辆和轨道的特殊型式能保证其安全运行，没有脱轨的危险。独轨铁路采用高架轨道，与其它交通各行其道，互不干扰，特别是不受公路拥挤的影响，不会发生撞车事故，能保证正点运行。 (5)独轨车辆采用橡胶轮胎和空气弹簧转向架，与一般地铁或轻轨相比，运行时噪声较低，振动小。采用电力驱动，无废气污染。 (6)对日照和城市景观影响小。由于独轨铁路比一般高架铁路或其它新交通系统占用空间少，轨道宽度仅0. 85M,沿线不会投下很大的遮光阴影，对城市景观还能起到点缀、美化的作用。 (7)乘坐舒适。由于橡胶车轮和空气弹簧转向架的采用，列车运行平稳，再加上空调等现代化设备的装设，旅客乘坐环境舒适，视野广阔，眺望条件好，在城市中运行可兼有游览观光的作用。 独轨铁路也存在一些不足之处: (1)造价较高。独轨车转向架等重要部件比较复杂，国内从未生产过，整车需要进口，维修也有难度。 (2)耗电量大。由于其走行装置采用橡胶轮，它与混凝土轨面的滚动摩擦阻力比钢轮钢轨大。故其能耗比一般轨道交通约大40%，且有轻度的橡胶粉尘污染。 (3)运能较小。当列车以6辆编组时，单向运送能力仅为2万人次/小时左右。 (4)整个系统不能与常规的地铁、轻轨接轨。 (5)道岔结构复杂、笨重，道岔转换时间较长，从而延长了列车折返时间，车辆走行装置也较复杂。 (6)列车运行在区间发生事故时，疏散和救援工作比较困难。 2.常规电机轻机车辆 轻轨车辆的选型可根据国家建设部[1991]785号文件规定选用全国统一形式的单厢四轴车、双厢单铰接6轴车及三厢双铰接8轴车。这些车辆既可单组运行，也可联挂成列。与地铁车辆相比，轻轨车体较窄，运能中等，爬坡能力较强，自重为1. 432T/M左右，可通过150M半径曲线，最高时速70-80KM/H，起动加速度达1. 0-1. 3M/S2，制动减速度达1. 2-1. 5M/S2,能耗比独轨车低40%。轻轨车辆电传动系统近年来在技术上进步很快，驱动与调控系统由最初的变阻调速发展到GTO斩波器凋速，以后又采用了先进的调压变频控制(VVVF)技术。目前VVVF技术已成熟，并进人市场，其良好的控制特性、很少的电机维修工作量、减小簧下重量及良好的粘着性能等优越性被人们所公认。广州地铁1号线、上海地铁2号线、及北京地铁复八线都已采用了VVVF技术，随着VVVF技术成熟和产业化，其价格已能与直流斩波调压控制相匹敌。轻轨车辆还采用弹性车轮、空气弹簧、径向转向架，在技术上已经成熟可靠，不足之处就是噪声较大，当时速达70KM / H时，噪声为78dB，如在高架上建声屏障既增加造价又影响景观，妨碍乘客向窗外眺望。该系统的桥梁工程和轨道工程造价均比独轨系统高，但轻轨车辆只需引进关键部件，组织攻关，较易实现国产化，日常维修费用也较低。目前我国能提供整车的工厂有四家:长春客车厂、青岛四方机车车辆厂、南京浦镇车辆厂、株洲电力机车厂。根据有关工厂提供的数据表明，轨道车辆目前进口价格为120-180万美元/辆，而长客厂提供给北京复八线的钢车体交流传动VVVF调压变频车为68万美元/辆(国产化率达到54% );我国出口到伊朗的地铁车辆为54万美元/辆，就是国外最先进的铝合金车体的交流传动车在国内生产也仅需100万美元/辆。可见，国内生产的车辆的价格仅为国外车辆价格的1/2-1/4。事实上，北京地铁车辆安全运行至今34年的历史，便充分说明了国产车的可靠性。 根据《福州市城区公共交通规划—调查分析报告集》预测，福州市未来的客流量属于次中量至中运量范围，因此从轨道交通车辆的基本特性、适用范围、技术水平和经济条件等具体情况进行分析筛选，适合福州市经济而实用的方案有两个可供决策时参考(如右上表)。 3.线性电机车辆 近代新发展的线性电机改变了传统电机旋转运动方式为直线运动方式，突破了轨道车辆长期以来依靠轮轨粘着作用传递牵引力的传统技术，其工作原理与旋转电机相类似。它可看成是将旋转电机沿半径方向剖开展平(如图所示)，定子部分在用硅钢片叠压成扁平形状的铁芯上，放人两层叠绕的三相线圈构成，沿纵向固定安装于车辆底架下部或转向架构架下部。而转子部分亦展平变为一条感应轨，铺设在两走行轨之间，一般由铝板或铝合金制成的外壳和铁芯组成。定子与转子感应轨之间保持8-l0mm间隙，当通过交流电时，由于磁场的相互作用产生推力，驱动车辆运行或制动车辆。据有关资料和专家研究表明，80年代中期加拿大率先研制、开发、生产、使用的线性电机车辆是一种新型城市轨道交通工具，它使用径向转向架以及自动化控制等新技术。这种车辆特别适用于高架铁路系统，首先它可使高架铁路的噪声减小到无须设置声屏障;其次它可使高架线路急上急下，走街穿巷，甚至可以从高楼大厦中穿过。乘客下车后就可直接就近进人他要去购物的商店或上班的公司，十分方便;此外，可使高架桥的桥面窄、梁轻巧、墩细小，从而使高架铁路显得美观并易于与周围环境相协调。因此，线性电机车辆的出现立即受到人们的青睐。日本在轨道交通方面无论是高速铁路或是地铁、轻轨，都可称为世界一流，但还是引进了加拿大的技术，开发出线性电机驱动的车辆。目前多伦多、温哥华、底特律、大阪、东京、曼谷等城市相继使用了这种车辆。我国的北京、武汉、台北等城市也将计划采用。现在，国产的线性电机车辆正在开发研制中，可以预期不久的将来将能投入使用。线性电机车辆与传统的旋转电机车辆相比，其特点有: (1)噪声低。由于动力系统省去了一系列传动机构，其噪声比一般车辆可降低l0dB左右。弹性车轮的使用使得轮轨力和滚动噪声亦大大下降。此外，由于径向转向架能顺利地通过曲线，减小了轮轨磨耗，也消除了常规转向架通过曲线时产生的刺耳噪声。 (2)重量轻，体积小。高度尺寸很小的线性电机定子可以安置在车轴以下，紧靠车轴，因此不必考虑旋转电机直径大小，车轮轮径可以取得很小，以降低车辆地板面高度，实现车辆小型化。同时由于省去了一系列传动机构，简化了车辆结构，重量也大为减轻，自重只有1. 168T/M。这样不但可使高架结构细小美观，且可降低土建工程的造价，车辆也可显著地降低运用故障率及维修费用。 (3)通过小半径曲线能力强。由于采用了径向转向架，且轮对的回转定位刚度很小，线性电机车辆在通过半径为70M的曲线时，可以不减速，而一般车辆的最小曲线半径都在150M以上。车轮采用大等效锥度的磨耗型踏面，与小半径的车轮结合，有利于发挥蠕滑导向的能力。 (4)加减速可靠，磨损小，爬坡能力强。由于线性电机车辆是由电磁力直接驱动或制动，不靠摩擦力，故车轮只起导向和支承作用，因此牵引力不受车轮与钢轨间的粘着系数影响。即使在雨雪天，车轮也不会出现打滑现象，可保证有可靠的加减速度和爬坡能力。一般车辆仅能爬30‰-40‰的坡道，而线性电机车辆的爬坡能力可达60‰。 (5)耗电小。线性电机的最大缺点是效率比旋转电机低10%-30%，因此线性电机车辆的耗电量较大，但是线性电机车辆的自重较轻，在相同功率下，线性电机的牵引力较大，而旋转电机车受轮轨粘着力影响，牵引力不能充分发挥。若以单位牵引重量所需功率计，线性电机车为9. 1KW/T，旋转电机车为11. 2KW/T。因此对车辆整体来讲，其耗电量反而比独轨车和轻轨车少。 (6)运营成本低。国外的线性电机车辆轨道交通系统是高度自动化系统，车辆无人驾驶，中央控制室集中统一调度，运行最小间隔1. 5min。由于用人减少，这种系统的运营成本低于常规城市轨道交通系统。 我们可以通过对以上三种车型的运送能力、对环境的影响、经济性、技术性能和技术可行性进行比较。首先对比运送能力，独轨车运送能力最小，只有2万人次/小时，轻轨车和线性电机国一辆运送能力较大，可达4万人次/小时。其次，对环境的影响如振动噪声，线性电机车辆最小，独轨车较小，轻轨车较大，景观影响独轨车最小，线性电机车辆较小，轻轨车较大。第三，从经济性考虑，独轨车系统总造价和运营成本(耗电量和维修量)最高，轻轨车次之，线性电机车辆最低。第四，从技术性能比较，独轨车和线性电机车辆通过最小曲线半径能力和爬坡能力都很好，轻轨车稍差。自重指标最先进的是线性电机车辆，其次是轻轨车，最差是独轨车。第五，从车辆国产化可行性来看，轻轨车最易实现国产化，线性电机车辆与独轨车的国产化进程较长，其中独轨车转向架更为复杂。 综上所述，独轨车、轻轨车和线性电机车辆均能基本满足城市高架轨道交通的客流需求以及服务水平，它们各有优缺点。但是，线性电机车辆的线性电机、径向转向架、无人驾驶、盘式和磁轨制动、铝合金结构等技术，均代表轨道车辆的发展方向，在技术上可以说是集当今世界上先进技术之大成。另外，由于线性电机车辆的结构较简单，省去了不少零部件，因而其成本价比较便宜，线性电机车辆除通过小半径曲线能力略低于独轨车、轨道工程因增加四轨和磁轨投资较大外，其它各项指标均处于最优水平。 二、轻轨车辆编组方式 根据研究资料表明，国内外轨道车辆的编组各不相同，大多数编组形式有4,6,8,10辆。编组车辆中有动车与拖车之分。如北京地铁4辆编组全为动车;上海地铁编组近期为4动2拖，远期为6动2拖;广州地铁采用4动2拖形式;筹建中的沈阳地铁采用2动2拖形式。国外大城市的情况亦大同小异。车辆编组形式主要决定于客流量，如何最大限度地保证客流通过是确定车辆编组的关键，合理的车辆编组和适当的行车密度，既可以缩短乘客的候车时间又可以最大限度地降低能耗，提高社会效益，吸引更多客流，减少空载率，从而降低运营成本，创造更多经济效益。 福州市的轻轨车辆编组近期宜采用4辆编组，远期采用6辆编组。发车时间宜从早晨5:00至24 : 00，每天19小时，近期高峰时3分钟发一班车，(高峰期指上午7 : 00一8 : 00，下午17:00-18:00)，平时5分钟发一班车(6:00-7:00,8:00-17:00,18:00-20:00)，早晨和夜间每小时发5班车(5 : 00-6: 00, 20: 00-24:00)，每天可发送: 2 x 20+12x12+5x5=209班 每辆车按240人定员估算，每天单向运载乘客的能力为: 209 x 4 x 240=200640人次 双向则可达401280人次。其中高峰时每小时单向可发送: 20 x 4 x 240=19200人次 远期高峰时2分钟发一班车，平时4分钟发一班车，早晨和夜间每小时发6班车，每天可发送: 2 x 30+12x15+5x6=270班 每天单向远载乘客的能力为: 270 x 6 x 240=388800人次 双向则可达777600人次。其中高峰时每小时单向可发送: 30x6x240=43200人次 如果按每辆定员320人计算，运能还将提高1/3以上。以上计算只是一条轻轨线的日运输能力，如轻轨路网建成后，则日运输能力将成倍提高。北京地铁1号线建成运营已34年了，最大单向高峰客流量仍未达到3万人/小时，所以福州市轻轨交通系统按以上计算编组方式是完全可满足近远期的客运需求。 参考文献: [1]林田井.福州市建立城市快速执道交通系统的研究[A].沦桑巨变结硕果—福州市改革开放20年优秀社会科学论文集[C]. 1998. 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