直线电机系统在重庆市轨道交通中的应用初探

作者：    来源：《都市快轨交通》

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：分析城市轨道交通直线电机系统的技术发展、特点和优势，结合实际情况，探讨直线电机系统在重庆市轨道交通1号线中应用的可行性和前景。 关键词：城市轨道交通；直线电机系统；制式；应用前景 为了科学有效、因地制宜地建设城市轨道交通，有必要运用科学发展观，对不同的城市轨道交通制式进行探索，以期寻找一种与城市地理条件相适应、与运量等级相匹配、与城市经济实力相符合的交通模式，这对降低工程造价、提高投入产出效益、促进城市轨道交通可持续发展具有重要的意义。 1 重庆市轨道交通发展现状及规划 1.1 重庆市轨道交通线网规划 重庆市轨道交通线网规划由6线1环组成，共计354km。2010年(近期)前实施的线网由1、2、3号线以及6号线的北段组成，形成“大”字型的线网骨架见图1。根据轨道交通建设规划，2号线已于2004年观光运营，2005年正式通车运营；3号线试验段已开工建设，预计2008年通车；1号线正在进行可行性研究，预计2006年开工建设。 1.2 重庆市轨道交通线网规划的特点 (1)该线网贯穿城区，并延伸到壁山、江津、北碚等外围组团，有利于改善核心城区交通状况和环境质量，引导和促进周边组团的发展，促进城市化进程，实施城市发展“北移、南下、东拓、西扩”的战略，实现城市经济社会可持续协调发展。 (2)由于规划线路既贯穿旧城区又连接周边卫星城，因此线路建设既要以SOD(SeviceOrientedDevelopment)模式为主，缓解城区客流，又要兼顾TOD(Transit Oriented Development)模式，合理引导客流；同时在城乡结合部，在向外围组团延伸的线路需要两种模式综合考虑，统一筹划，如1号线的双碑组团、2号线的鱼洞组团、3号线的李家沱组团等。 (3)从线网规划的客流预测看，1、2、3号线为骨干线路，其远期单方向最大断面高峰客流分别为3.31万人次、2.74万人次、2.48万人次，其余线路单方向最大断面客流均在3万人次以下。从客流预测的结果看，重庆的整个线网各线客流规模均在3万人次左右，属于中运量级别的线网。 (4)从交通制式上看，重庆市轨道交通2号线和3号线采用单轨交通系统，其余线路拟采用另外一种交通制式，全市形成基本上由两种交通制式组成的网络系统。轨道交通1号线在线网中的作用举足轻重，其建设时序在2、3号线之后、其余线路之前，因此其交通制式的选择对其余待建线路有决定性的影响。 (5)从城市空间结构上看，重庆市主城区在东西方向受铜锣山、歌乐山和缙云山阻隔，三山间形成两个槽带；南北向受长江和嘉陵江切割，在主城核心区(铜锣山与歌乐山之间)形成3个片区、12个组团和核心区外围的11个组团，属于多中心、组团式，有机松散、分片集中的空间发展模式。规划线网5次跨过长江、6次跨过嘉陵江、2次穿过缙云山、3次穿过歌乐山、1次穿过铜锣山，轨道交通线路途经地形之复杂实属罕见。 (6)随着城市化建设高潮的到来，城市土地供应日益紧张，土地不断升值。而一般城市轨道交通车辆段(或停车场)、车站、主变电所占地面积较大，从重庆土地供应角度看要求选择一种小型系统。 2 直线电机系统在重庆轨道交通1号线中的应用 直线电机系统是一种先进的轨道交通模式，代表着轨道交通发展的方向，具有广泛的应用前景，其突出特点可概括为“轻”、“巧”、“灵”。“轻”指该系统轴重轻，荷载轻，体量轻；“巧”指该系统走行轨与反应板结合巧妙，受电与牵引结合巧妙；“灵”指该系统适应地形灵活，爬坡和转弯灵活。这些特点对重庆市的复杂地形具有较好的应对性。 2.1 工程概况 重庆市轨道交通1号线工程为重庆市轨道交通线网中的一条骨干线路，整体上呈东西走向，线路东起朝天门，西至规划的“西部新城”中的大学城，线路长33.24km，共设21座车站，远期将延伸至壁山，线路全长约49km。 地铁1号线朝天门至大学城段线路全长33.24km，其中地下线长21.472km，占全长的64.6%；高架线长6.08km，占全长的18.3%；地面线(含U型槽段5.688km，占全长的17.1%。一期工程大坪至大学城段，线路长25.582km，车站15座；二期工程朝天门至大坪段，线路长7.648km，车站6座。全线共设车站21座，其中地下站12座、地面站4座、高架站5座；平均站间距为1642m，最大站间距为6392m，最小站间距为664m。 2.2 工程特点和难点 (1)线路位于长江、嘉陵江两大地表水系汇合间的狭长半岛(重庆半岛)上，以山地、丘陵为主，且地形高低悬殊，地貌结构分明，海拔高度180~430m不等，相对高差约250m。全线地质纵剖面图呈“一波多褶”的曲线形式，见图2。 起点设计高程约214m，终点设计高程约278m；线路设计最低点高程205m左右，最高点高程324m左右，两者高差约120m。如采用传统轨道交通系统，势必加大车站埋深，不利于将来的乘客使用和列车运营，因此从线路纵断面考虑需要选用爬坡能力强的系统。直线电机系统采用非粘着驱动方式，不受粘着系数的限制，具有较强的爬坡能力，一般可达60‰~80‰(传统的轮轨系统一般不超过30‰~40‰)，在转入地下和爬升地面时相当灵活。传统的轮轨系统由地下转至高架，过渡段约需500m，而直线电机系统由地下转至高架，过渡段只需250m，大大减少了过渡段长度和用地面积，从而可方便道路交通疏解，降低征地费用，减少对城市景观的影响。采用直线电机系统，可以有效地克服1号线沿线地形高差大的困难。 (2)城市平坝、台地面积小，建筑密度大；路窄，弯急，坡陡。由于城市被两江相隔、两山相挟，城市地貌比较破碎，适宜城市建设用地的缓丘平坝、台地等都被“江”、“山”支离分割，城市建设只能在仅有的平坝、台地上进行。在渝中区，21.9km2的土地上居住着约60万常住人口和近40万流动人口，建筑密度之大，人口密度之高，可见一斑。 直线电机系统采用径向转向架，重量轻，没有牵引齿轮，没有空气压缩机，轮轨接触面好，因此可减小轮轨噪声，允许线路采用小半径曲线，而不至于像普通轮轨那样产生尖锐的噪声。在温哥华，列车产生的噪声较小，平均噪声测量值在距离轨道中心线15m处、列车时速80km/h时，产生的噪声值为72dB，且许多列车已运行16年。普通轮轨系统噪声较大，根据北京城铁噪声实测数据，在距离轨道中心15m处，并采用半封闭隔音墙的状态下，列车驶过的噪声峰值达81dB。直线电机系统是世界上较为安静的系统，这对像重庆这样人口密度如此之高的城市尤为重要。 重庆市城市道路最小平曲线半径为30~40m，路面一般为双向四车道，宽仅14m。道路坡度较大，极限坡度较普遍，据统计，超过8%坡度的主干道共15km，介于5%~8%坡度之间的主干道共48.3km。1号线杨公桥至双碑段，渝陪路道路宽度10~20m不等，而且道路连续转弯，转弯半径小，道路两侧多是山坡、沟地或新开发的建筑，选用爬坡能力强、转弯半径小的系统才能更加适应地形特点。 直线电机系统车辆采用径向转向架，平面转弯半径大大减小，由一般轮轨系统的200m可减至60m，这样在线路平面选线时，可最大限度地避开已建或规划待建的建筑物，以及建筑基础、地下管线和其他地下构筑物，减少基础处理、管线拆迁改移等附属工程，降低工程造价。采用直线电机系统，可以很好地适应重庆地形坡陡、弯急的特点。 (3)1号线在1994年完成初步设计后由于某些原因即告暂停，近年来城市沿线变化较大，车站旁边的石油大厦、山城电影院、三峡广场等建筑先后建成，城市规划，尤其是交通规划缺乏系统性和完整性，滞后于城市的发展，给进一步的选线布站带来限制。 直线电机系统利用感应原理推动车辆前进，不需要将旋转运动转换成直线运动，从而省去了齿轮箱等一系列传动机构，这样，车厢底板面可降低30cm；车轮仅起支承的作用，因而轮径较以前缩小20cm，减小了车体断面的尺寸，从而减小了地下隧道开挖断面和高架桥梁断面，降低了土建工程造价。在重庆市中心区地下管线及构筑物纵横交错，形成密密麻麻的地下管网，如采用直线电机系统，其隧道断面可缩小，这对减少地下拆迁量和施工都有利。 (4)1号线所经沿线有多处需要与周边开发相结合，近年来沿线有多处预留了轨道交通的出入口、风亭的接口，而且部分已与周边建筑合建，使得车站位置相对固定，给线路贯穿增加了困难。 (5)本线的客流预测见表1。从表1中可看出，本线的初、近、远期高峰小时单向最大断面客流预测值相差较大，只有选用“高密度、小编组”的系统模式才能更合理地适应客流预测特征的需要。 直线电机系统改变了传统的轨道交通驱动方式，车辆尺寸大大减小，正朝着小型化方向发展。加拿大温哥华早期的直线电机系统车辆长为12.7m，宽为2.4m，高为3.1m。车辆编组相当灵活，列车可采用2、4、6节编组。该系统采用较为先进的移动闭塞信号系统，可实现无人驾驶，采用“高密度、小编组”形式，其系统运输能力可达到高峰断面每小时3万人次，这种具有适中运送能力的系统，在具有一定规模的轨道交通线网中能发挥应有的作用，非常适合中等运量的轨道交通系统。从重庆的客流规模可以看出，直线电机系统的运输能力和其客流规模较为匹配。 (6)小什字至两路口前的燕喜洞段为既有的人防洞，长度约2.87km，人防隧道断面底宽约8m，拱顶净高为6m，断面形式有直墙拱形、斜墙拱形和曲墙拱形三种形式。为充分利用该资源，节省工程投资，计划利用这段人防隧道的主干道作为今后轨道交通的行车隧道，其断面形式能否满足轨道交通行车限界的要求，需要结合不同的系统模式进行分析比较。 采用直线电机系统，其较小的隧道断面，有利于更好地适应人防隧道的现状。 2.3 应用的可行性 根据直线电机系统的技术优势、重庆市的地形地貌特点以及1号线的工程难点，笔者对直线电机系统在重庆市轨道交通1号线工程中应用的可行性进行了研究，从技术上、经济上和环境上进行了全面分析。研究结论:该系统能满足使用要求，技术上先进可靠，运营灵活，经济合理可行。 2.3.1 线路 从线路平面上看，全线线路条件最为紧张的是小什字至两路口段，线路最小曲线半径仅为250m。由于该段线路采用既有的人防隧道，经分析，根据直线电机系统的线路技术标准，该段人防隧道基本不用改造即可作为轨道交通行车隧道使用。由于重庆1号线所经沿线轨道交通用地基本得到控制，线路在平面上采用直线电机方案和普通轮轨系统相比优势不大，但在纵断面上就有明显的优势。采用直线电机系统后，全线埋深最深的3座车站———鹅岭、高庙村、马家岩的车站埋深分别提高了21m、25m、12m。全线最大纵坡为56‰，最小纵坡地下线为2‰，地面线或高架线为平坡。全线25‰以上的坡长有11.98km，占全线长度的36.0%，其中35‰的坡长有3.0km，占全线长度的9.0%，该段坡度主要出现在两站之间地形高差大的区间。 2.3.2 车辆选型 根据目前世界上4个国家、7条线路直线电机系统运行车辆型式的比较，拟选用马来西亚MKII型车辆，采用VVVF逆变器控制，车体为16.85m×2.65m×3.44m(高)，最高设计速度为100km/h，最高运行速度为80km/h，载客量(按6人/m2计)为185人/辆，初期采用4辆编组，近、远期采用6辆编组。 由于直线电机系统的车辆结构简单、重量轻、磨耗低，大部分部件为在线可更换单元，车辆经过20年或500万km运行后，仅需要预防性检修工作，不需要彻底维修，高峰小时内车辆利用率为93%~95%，所以运营后的设备维修费与普通轮轨系统相比大大降低。 2.3.3 轨道 采用1435mm标准轨距，正线采用60kg/m钢轨，辅助线及车场线采用50kg/m钢轨，采用整体道床、预制轨道板方案，以固定钢轨、反应板、第3、4轨的支架，保证设计要求的埋设精度。 2.3.4 供电系统 采用集中供电方式，引入市电110kV电源；牵引供电系统采用750V直流，三、四轨供电方式；动力照明采用380/220V系统；感应板采用厚度约为22mm钢板加5mm铝面板复合结构；全线设置牵引降压变电所15座。 2.3.5 车辆段 由于直线电机系统的车辆驱动方式与传统旋转电机不同，因此直线电机车辆和传统旋转电机车辆的维修工艺也有较大不同。该车辆对线路的适应性强，咽喉区短，设备集成化程度高，运营安全可靠，维修设备少，维修成本低，车辆段占地面积小。经过研究和计算，重庆1号线设赖家桥车辆段1个和马家岩停车场1座，与采用传统轮轨系统的车辆段和停车场相比，建设用地大大减少。 3 直线电机系统在重庆城轨交通的应用前景 3.1 直线电机系统技术的可靠性和成熟性 如前所述，直线电机系统在加拿大、日本、马来西亚、美国等国家有多条线路运营，其运营的安全性和技术的可靠性已得到公认。在我国，广州地铁4号线已决定选用直线电机系统模式，车辆制造商已招标确定，某些关键技术转让正在进行谈判，并逐步为我国所掌握，待广州地铁4号线一期工程于2005年建成后，直线电机系统的技术将在我国生根结果。 广州地铁4号线采用直线电机系统的技术特点是:线路正线最小曲线半径为150m(车场线60m)，最大坡度为5%，最高行车速度为90km/h，最大行车密度为33对/h，列车编组固定4辆，车站站台长度为75m，受电方式采用DC1500V接触轨上部受电，车辆段采用柔性架空接触网，信号系统采用有司乘人员自动驾驶的ATC系统，环控系统采用屏蔽门系统。 根据广州轨道交通建设规划，其5、6、7号线也拟采用该技术，经过广州项目的引进、消化、吸收和创新，我国将基本掌握该项技术，其技术可靠性和成熟性就更加明显，待重庆市准备实施时，有了广州的实例参照，重庆1号线将做得更可靠、更成熟。 3.2 直线电机系统的国产化率 直线电机系统的设备国产化重点在车辆和轨道系统，尤其是车辆。车辆的关键技术有三项:牵引电动机、转向架、电力传动控制。根据广州的实践，其车辆国产化的思路是:创造条件使直线电机车辆和其设备在国内组装或制造，引进仅限于部件、零件、材料、专用工具以及专用的测试仪器。经过招标，车辆拟由日本川崎重工业株式会社与四方车辆厂合资生产。广州4号线制定了稳妥可行的国产化方案，经计算，其综合国产化率在70%以上。借鉴广州的经验，待重庆实施直线电机系统时，其综合国产化率一定可以大大提高。 3.3 应用前景 在重庆的城市轨道交通线网规划中，除2、3号线采用单轨模式外，还有1、4、5、6号线和环线，总长约255km。如果1号线采用直线电机系统具有可行性，则其他线路完全可以采用直线电机系统模式，这将为重庆城轨交通的发展方向和发展策略开辟新的思路。 4 结语 本文通过对直线电机系统的技术特点和优势、以及在重庆轨道交通1号线中的应用分析，可以看出: (1)直线电机系统作为一种新的系统模式，虽然面世仅二三十年，但其技术优势随着众多工程的应用却日趋明显，它将是城市轨道交通发展的一个方向。 (2)重庆1号线采用直线电机系统能满足使用要求，技术上先进可靠、运营灵活、经济合理可行。这将为规划的其他几条线路，如4、5、6号线和环线对系统模式的选择提供有益的参照。从这几条线所经沿线的地形地貌和客流预测看，如果也采用直线电机系统，可能会有更大的技术优势。 (3)随着全国城市轨道交通制式的多样化，开发研究具有中国特色的城市轨道交通直线电机系统并付诸实施(如广州、北京、重庆等地的研究和应用)，具有重要意义，这也是落实科学发展观在城市轨道交通领域中的时代体现，可以作为我国发展城市轨道交通的技术策略之一。 参考文献 [1]北京城建设计研究总院.重庆地铁1号线可研报告[R]，2004. [2]施仲衡，冯爱军.城市轨道交通技术发展战略探讨[J].都市快轨交通，2004，17(4):48. [3]陈韶章，吴俊泉，刘智成.直线电机运载系统技术在广州市轨道交通中的应用[J].地铁与轻轨，2003(6):19. [4]重庆轨道交通总公司.重庆市城市快速轨道交通线网规划研究报告[R]，2003. [5]北方交通大学，北京城建设计研究总院.直线电机系统在首都机场线的应用研究报告[R]，2003.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/14/2008)