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铁路与轨道交通 |
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现代有轨电车交通系统及其车辆的技术定位 |
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作者：于禹夫 方力 |
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内容提要：本文通过介绍大连市轨道交通试验线路工程，引发了对我国城市轨道交通系统分类的思考，并对现阶段研制70%低地板轻轨电车的技术定位问题进行了详细的阐述。
一、大连市轨道交通试验线路的工程概况
大连市轨道交通试验线路工程，是《大连市城市轨道交通总体规划》的1号线南段工程，于 1999年10月15日开工建设。2002年12月1日正式建成通车。该工程在原有202路有轨电车线路（1911年8月建成通车）的基础上，进行现代化改（扩）建而成。
大连市轨道交通试验线路由兴工街至河口，全长12.5公里。沿线经过西安路商业街、星海会展中心、中山路西段海滨旅游区、高新技术产业园区。
线路形态：兴工街至解放广场为机动车混行路，全部地面线路；解放广场至河口为电车专用路段，以地面线路为主，建有轨道交通专用桥4座总长1.92公里。线路最小水平曲线半径19m，最大纵向坡度60‰。
轨道工程：全线为整体混凝土道床的无缝线路。混行路段铺设槽型钢轨，专用路段铺设50kg/m普通钢轨。其中新建3.1公里延伸线路全部铺设网格状草坪，以利吸收车辆运行的噪声。
通信信号：设专用无线电通信设备，实现车—地通信；平交道口设远红外线控制装置，城市道路交通信号给予电车优先通行权；道岔的开通由车载无线遥控装置控制。
牵引供电：近期DC600V，远期DC750V，接触网采用弹性简单悬挂，接触网高度5300±100mm。专用线路的接触线采用上下行轨道中央立杆架设，混行线路的接触线采用街道两侧立杆架设，接触线杆上方设城市道路照明系统。
车站工程：全线设15个地面车站，均为侧式站台，平均站距833m。
客运组织：高峰小时单向断面客流量，近期为10000人次/小时，远期为15000人次/小时，行车间隔为2.5分钟，平均运营速度25km/h。
车辆及车辆段：全线计划配备70%低地板轻轨电车30辆。在线路终点（河口）建设尽头式车辆段1处，出入线1条。主要担负车辆的停放、整备、检修等任务。
工程造价：工程总投资概算为19957万元人民币。其中7.1公里改造线路的综合造价（不含车辆购置费）为1585万元/公里；新建3.1公里延伸线路的综合造价（不含车辆购置费、车辆段建设费用等）为2806万元/公里。大连市轨道交通试验线路工程是我国第一个利用既有有轨电车改扩建的城市轨道交通工程，是我国第一个采用低地板轻轨车辆的城市轨道交通工程。因而该工程在国内城市轨道交通建设方面具有示范性。
二、轻轨交通系统与现代有轨电车交通系统
以汽车为主的交通体系存在着对石油资源的过分依赖和严重的空气污染的问题。二十世纪七十年代，人们开始重新评价有轨电车在城市交通的作用。在欧洲等一些保留有轨电车的城市，尤其是德国对有轨电车的技术发展起到积极作用，不断地解决了老式有轨电车存在的技术问题，并对早期建设的有轨电车系统进行技术改造，采用了信号控制、线路封闭/半封闭、车地通信等措施。这一时期制造的有轨电车开始采用了铰接式车体、斩波调速等新技术，明显改善了乘坐舒适性，大大提高了车辆的载客量。经过工程技术改造、管理形式的变革和采用新型车辆的有轨电车交通系统，其客运量、安全性、旅行速度等已得到大大提高，逐步发展成为中等运量的轨道交通系统。1968年德国的法兰克富和汉诺威两个城市为了解决城市交通问题，计划修建地铁系统。由于工程规模大、实施时间长、资金迟迟不能到位，因此提出把有轨电车线路进行技术改造与部分新建地铁线路结合起来的建设方案，并研制出U2型轻轨车辆。德国开创的这种交通方式，首先得到比利时的响应，布鲁塞尔、安特卫普、沙勒罗瓦等城市利用有轨电车系统改造，建成新的轨道交通系统。1978年，国际公共交通联会UITP在比利时布鲁塞尔召开的会议上，把在有轨电车的基础上发展而成的中等运量的城市轨道交通方式，定名为“轻轨交通”。
德国一直保持在轻轨交通的技术标准研究方面的领先水平，先后颁布了《德国联邦轻轨运输系统建设和运行规范》等技术标准。德国轻轨交通系统的等级及其主要特征如表1所示。德国轻轨交通系统的等级及其主要特征（表1）
 我国城市轨道交通系统分类的主要依据是《城市快速轨道交通工程项目建设标准》。由于该标准对于采用“双司机室型铰接式70%低地板车辆”的交通系统没有界定其适用范围，因此，大连市轨道交通试验线路工程很难进行系统分类。借鉴表1的分类方法大连市轨道交通试验线路工程与德国Ⅱ级轻轨交通系统的主要技术指标十分接近，应将其列为“轻轨交通系统”范畴。
注：表中所称“城市轨道交通”系指采用钢轮—钢轨运行方式的交通方式。
车辆定员是按照站席6人/m2计算。
目前，城市轨道交通系统已经呈多样性发展态势，国内各城市对其称谓也有所不同，主要有城市铁路、地下铁道、轻轨交通、快轨交通、现代有轨电车等数种。为了准确描述城市轨道交通系统的技术特征，现将我国已有的轨道交通方式进行如下的划分，如表2所示，并将“现代有轨电车交通”划入“低运量轻轨交通”的范畴。
三、DL6W型70%低地板轻轨电车的技术定位
1、车辆型式
由于，该工程为我国首例利用有轨电车改扩建的城市轨道交通项目，线路为典型的欧洲城市“轻轨交通”的模式。经过技术分析，在目前我国车辆工业发展水平下，只有双司机室型铰接式70%低地板轻轨电车，才能满足该工程的使用条件。
70%低地板结构是指车辆低地板区域的长度占车辆全长的70%。这种结构可以大大方便儿童、老人和残疾人等行动不便者的上下车，也有利于减少车辆的站停时间，提高车辆的旅行速度。
目前，国外采用100%低地板的车辆，无一例外的都采用了铝合金轻量化车体、独立车轮式全动力转向架、轮毂式牵引电动机和VVVF交流传动控制技术等先进技术。由于受到我国电力电子、电机制造、精密加工、金属冶金等行业的技术水平限制，轮毂式牵引电动机和VVVF交流传动控制等先进技术在我国仍是空白。为此，轻轨电车采用70%低地板的设计，两端使用传统的轮对式动力转向架，中央采用无车轴结构的独立车轮式从动转向架的做法。这样降低了转向架和牵引电动机的设计难度。
根据高峰小时单向断面客流量的测算，该车的车辆长度应在25m左右。但是，受到线间距和最小曲线半径的限制，该车采用了双铰接形式。该机构由弹性铰接、固定铰接、自由铰接、液压减震器以及折叠式风档等组成，以确保通过道的宽度和满足车辆运行要求。
该车采用了模块化结构设计，把全车分为司机室玻璃钢结构模块、动车钢结构模块、从动车钢结构模块、动力转向架模块、从动转向架模块、车顶电器模块、空调机组模块等。在保证接口尺寸和要求的条件下，各模块可以在不同地点进行生产，并可以根据使用要求构成多铰接的大型车体，以满足不同用户的客运要求。
2、转向架
DL6W型轻轨电车使用了两种转向架，即2台动力转向架和1台非动力转向架，构成B0—2—B0轴式。
动力转向架采用中心承载方式、二系弹性悬挂装置、电机驱动、齿轮传动、焊接结构构架，车轴安装盘式制动器，侧梁安装磁轨制动器。
非动力转向架主要由构架、轴桥轮组、二系弹性悬挂装置、基础制动装置、横向液压减震器等组成。非动力转向架除不设置牵引电动机和驱动装置外，两轮之间必须设计成下凹形，以便使车厢地板面下沉，实现车辆的70%低地板结构。此外，非动力转向架的轮轴结构采用了中间下凹的轴桥结构，车轮相对于车轴旋转而车轴不转动，这种结构称之为独立车轮。
3、车门
DL6W型轻轨电车每侧设4个双页电动塞拉门，具有结构紧凑，轻便灵活，开启平稳，低噪音，安全性能可靠，控制系统设有5公里安全保护，密封性能良好，免于维护，门页关闭后与车体协调一致等特点，并克服了压缩空气驱动的车门装置存在着冬季冻气而动作呆滞、夏季管件接头漏油漏水、连杆机构动作有死点、启闭噪音大、密封性能差等缺点。
4、空调系统
由于，轻轨电车的最高运行速度为60km/h，部分线路的线间距小等原因，所有车窗均采用了整体玻璃窗结构，以防止乘客发生意外。为了解决车内的通风、换气和保持适宜的温、湿度的环境，轻轨电车使用2台制冷量35KW的车顶单元式环保型空调机组作为舒适性空气调节设备。该系统由空调机组、电气控制柜、风道、回风道、静压风道、排风机等组成。
两台空调机组安装在Ⅰ、Ⅱ端车顶端部，空调机组采用全封闭制冷压缩机和环保型冷媒。具有制冷、通风及制热功能。通过风道、回风道供风，空调机组可通过静压风道向车厢内提供新鲜、适宜的空气。安装在从动车顶上的排风机，作为辅助排风装置，可使整车空气达到均衡。该方案达到了夏季车厢内温度保持在22℃～28℃之间、总风量4500m3/h、新风量1200m3/h的设计要求。
5、车内装饰
车内装饰广泛采用了新材料、新工艺、新技术。客室内装饰板采用ABS/PC皮纹合金板，司机室内装饰板采用GRP聚脂玻璃钢制成。客室内饰板采用真空负压吸塑工艺成型的各种形状的内装饰件，结构件结合处采用宽自然缝，无明钉结构。车内顶棚设有空调风道出口、日光灯灯带、车内喇叭等设施。客室座椅采用横、纵向排布，座椅结构、尺寸采用满足人体工程的设计要求，面料采用高档装饰布包装。车内地面铺设高档耐磨地板布，便于清洁，不易磨损。整车的内装效果已经达到豪华客车的标准。
6、电力牵引装置
交流电动机与直流电动机相比，具有电机故障少、维修简便等特点，已成为当今电力牵引领域内的主要动力；以智能化、小型化、大功率的IGBT （绝缘栅型双极晶体管）和IPM（智能化功率模块）为代表的新型电力电子器件在性能、价格等方面越来越完美，使其已具备商业化应用的条件；微机自动化控制技术的普及应用；交流传动控制理论的发展等，使VVVF交流传动技术具有广泛的应用前景。
DL6W型轻轨电车采用了先进的 VVVF交流传动技术，全车的4台三相异步牵引电机分别由2组牵引逆变器驱动，由微机监控系统可对车辆的牵引、制动等运行工况进行控制。牵引逆变器把从接触网提供的750V直流电，转换成电压、频率可调的交流电，满足交流电动机的运行要求。微机监控系统具有车辆运行状态参数的监测与显示；车辆牵引、制动特性控制；系统故障诊断与报警保护；数据通讯与显示等功能。
7、制动系统
DL6W型轻轨电车的运行线路不专用，有平交路口和混行路面，要求车辆具有较高的制动减速度（2.5m/s2以上）。为此，该车的制动方式主要有常用制动（再生—电阻制动、空气制动）和紧急制动（磁轨制动）组成的综合制动系统。
再生—电阻制动由牵引逆变器的控制。利用电机的工作可逆特性，电机把车辆的动能转换成电能，产生的电能将向电网反馈供线路上其它车辆使用或由本车制动电阻吸收，因而只有在动轴上才能够产生电制动力。磁轨制动为非粘者制动，不依赖车轮和钢轨之间的粘着进行制动，因而可以获得较高的制动减速度，同时可以避免因紧急制动的车轮擦伤。
空气制动系统主要由模拟式制动机和转向架上的基础制动装置组成。模拟制动系统的工作原理是司机控制器发出人工信号（或ATO自动信号）该信号被传送到编码器，编码器将其转换为与输入指令相对应的脉宽调制信号（PWM），该脉宽调制信号通过列车导线被传送到每辆车的EP制动单元中的解码器。解码器出接受来自编码器的制动指令外，还接受来处在空气弹簧的车载信号（空气压力信号），强迫缓解信号和电制动反馈信号（电流信号）。解码器对所有指令和信号进行计算，输出一个与车辆载荷成比例的电制动指令和牵引电流增加值。该模拟制动系统优先使用电制动。当电制动不足要求补偿空气制动时，制动指令被传送到EP转换阀，EP转换阀将电制动指令转换成空气制动信号，经过中继阀等的作用最终输出所需的空气制动力值，并由各车轴（车轮）上的盘式制动器完成安全、平稳的制动停车。由于，模拟制动系统和数字制动系统比较，具有换算精确、制动无冲击、系统可靠稳定等优点，而越来越多的被应用于城市轨道车辆上。
8、辅助电源装置
轻轨电车辅助电源系统将以集中供电、体积小型化、智能运行、高可靠性为目标。该车的低压电器采用了直流24V、交流380V、交流220V等多种制式的电压，设备功率从5KW到16KW。为此，辅助电源采用了斩波调压电路、全桥式功率转换电路、强迫风冷、微机控制和保护等新技术。
IGBT在大功率电力设备的应用十分普遍和优越，但是其过流、过压性能很差，以过流能力为例，即使采用快速熔断器加以保护，也是快速熔断器一旦产生保护作用，IGBT也会烧毁。IGBT的保护机理相当复杂，微机控制和保护技术因能够在短时间内完成电流、电压的取样、放大、运算等复杂的信号处理过程，而彻底解决了因保护动作不及时而造成的IGBT损坏。
四、结束语
大连市轨道交通试验线路工程开创了我国利用既有有轨电车线路改扩建成现代化轻轨交通的“先河”，实现了传统有轨电车交通系统资源的再生和可持续发展，并以其适当的设计标准和适度的建设规模，实现“经济实用”与“技术先进”的统一。同时， DL6W型70%低地板轻轨电车的问世，填补了我国在低地板轻轨电车设计和制造领域的空白，完善了我国城市轨道车辆的型谱，有力地推动我国大中城市的轨道交通建设，也是近年来我国城市轨道交通车辆制造行业取得的重大科技进步。
原文作者：于禹夫 方力（大连现代轨道交通有限公司）
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(3/11/2005) |
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