8 研究開發(fā)新型地鐵系統(tǒng)
隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市軌道交通在改善城市交通擁擠狀況、快速集散客流、提高人民生活水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常重要的作用。然而修建地鐵往往需要大量資金，造價(jià)非常昂貴，使許多城市望而卻步，在一定程度上延緩了軌道交通在我國的建設(shè)進(jìn)程，急需開發(fā)新型地鐵系統(tǒng)。
8．1 直線電機(jī)地鐵概述
在傳統(tǒng)城市軌道交通中，軌道對車輛的運(yùn)動起驅(qū)動、支承及導(dǎo)向作用，車輛上電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪及輪軌間的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v在軌道上的運(yùn)動。車輛牽弓1力必須克服輪軌間的摩擦力，速度受到輪軌間相互作用的限制。車輛行駛過程中產(chǎn)生較大的振動，輪軌間粘著系數(shù)較低，導(dǎo)致啟動、制動性能較差。此外，地鐵建設(shè)中修建隧道的費(fèi)用非常昂貴，而隧道的工程造價(jià)取決于隧道斷面的大小，所以在保證載客量不變的情況下，為降低工程造價(jià)，修建小斷面地鐵非常必要。
直線電機(jī)地鐵的出現(xiàn)為城市軌道交通開辟了一條新的途徑，它是21世紀(jì)無人駕駛?cè)詣拥罔F系統(tǒng)的發(fā)展方向。直線電機(jī)驅(qū)動的軌道交通系統(tǒng)介于傳統(tǒng)軌道交通與磁懸浮鐵路之間，技術(shù)比較成熟。直線電機(jī)地鐵具有造價(jià)低、振動小、噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、牽引能力優(yōu)越、通過曲線半徑小、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合大中城市大中等運(yùn)量交通發(fā)展的要求。
與用于高速磁懸浮鐵路(TR、ML)采用的直線同步電機(jī)(LSM)不同，直線電機(jī)地鐵一般采用直線感應(yīng)電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將旋轉(zhuǎn)電機(jī)切割展開成直線狀，定子(初級線圈)設(shè)置在車輛上、轉(zhuǎn)子(次級線圈)設(shè)置在感應(yīng)軌上(見圖8-1)。車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，定子與感應(yīng)軌之間的間隙控制在 10mm左右。當(dāng)初級線圈通以三相交流電時(shí)，由于感應(yīng)而產(chǎn)生電磁力，直接驅(qū)動車輛前進(jìn)。改變磁場移動方向，車輛運(yùn)動的方向也隨之改變。
目前，加拿大溫哥華空中列車、馬來西亞吉隆坡PUTRAII線、日本大阪7號線(鶴見綠地線)、東京地鐵12號線(大江戶線)、斯卡伯勒快速運(yùn)輸系統(tǒng)、底特律市區(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)、紐約肯尼迪機(jī)場線都采用了這種直線電機(jī)牽引制式

8.2.1車輛
旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛已有100多年的發(fā)展歷史，由于受到粘著驅(qū)動的限制，很難再進(jìn)一步提高牽引性能。直線電機(jī)車輛打破了這個(gè)限制，與傳統(tǒng)地鐵所用車輛相比，由于動力系統(tǒng)不需要從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，從而省去了齒輪箱等一系列傳動機(jī)構(gòu)，車體重量得以大大減輕。
車體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻、車頂?shù)炔糠纸M成，一般采用整體承載方式，采用大型鋁合金擠壓型材或不銹鋼制成。鋁合金或不銹鋼制作的車體與碳素鋼車體相比，重量減輕30％一35％。車體降低地鐵造價(jià)及工程建設(shè)管理等若干問題的研究輕量化對于城市軌道交通具有重要意義，不僅可以減輕軸重、降低車輛對線路的沖擊、減小車輛運(yùn)行噪聲，而且還可以大大節(jié)約能源消耗。
大阪市直線電機(jī)地鐵所采用的車輛采用扁平的線性感應(yīng)電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了車上各種設(shè)備的小型化。此外，由于開發(fā)使用了新型轉(zhuǎn)向架，輪徑較以前縮小20多厘米，車體底板較以前降低了60厘米，在保持車內(nèi)容積變化不大的前提下，車輛縮小到傳統(tǒng)地鐵車輛70％，車輛實(shí)現(xiàn)了小型化。由于車輛重心低，在小曲線或陡坡線路上高速運(yùn)動時(shí)，車輛平穩(wěn)性好，左右振動幅度小，大大提高了乘客舒適度。
大江產(chǎn)線使用的車輛均為12-000系列車輛，該系列車輛具有較高的頂板，最大限度地保障了旅客的舒適感.
吉隆坡PUTRAII線和加拿大溫哥華空中列車采用了加拿大Bombardier公司研制的MARKⅡ 型車輛，該車具有輕巧靈活、乘坐舒適、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。吉隆坡PUTRAII線車輛頂板比溫哥華空中列車車輛頂板要稍高一些，用以安裝大型空調(diào)設(shè)備。吉隆坡PUTRAH線和溫哥華空中列車所采用的MARKH型車輛造價(jià)基本相同，每輛車1500萬人民幣。按中國的物價(jià)水平計(jì)算，造價(jià)約在1600萬到1800萬人民幣之間。這種車輛造價(jià)比傳統(tǒng)的地鐵車輛造價(jià)稍高，但直線電機(jī)車輛具有高效、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。綜合而言，該種車輛具有較高的性價(jià)比。
8．2．2 列車編組
直線電機(jī)地鐵車輛無動力車和非動力車之分，可以靈活編組，列車由2—6節(jié)車輛組成。小編組、高密度發(fā)車可以減少車站等待時(shí)間，改善旅客服務(wù)質(zhì)量，增加乘坐量和收入，客流量較少的時(shí)間段較短的列車運(yùn)營更為經(jīng)濟(jì)。
8.3土建工程
8.3.1線路工程
直線電機(jī)地鐵不受輪軌之間的粘著限制，因此具有良好的爬坡能力。常規(guī)鐵路的坡度一般不超過3％一4％，直線電機(jī)地鐵坡度可達(dá)6％一8％。這使得直線電機(jī)地鐵在轉(zhuǎn)入地下和爬升地面時(shí)顯得相當(dāng)靈活，直線電機(jī)地鐵從地下爬到6米高的高架線上所需的距離約是普通地鐵所需距離的1／2，這顯然可大大縮短隧道長度。
輕軌采用高架形式后造價(jià)比地鐵有所降低，國內(nèi)地鐵造價(jià)每公里約4．5—4．8億人民幣，輕軌可降低至每公里小于2億，大連輕軌(主要是地面線)造價(jià)己低于每公里0．8億。直線電機(jī)地鐵由于車體較小，高架結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更加輕巧靈活。良好的爬坡能力使得地下部分變?yōu)榈孛婢€或高架線成為可能，工程造價(jià)大大降低(資料顯示直線電機(jī)高架段造價(jià)要比輕軌低30％)。
同時(shí)，由于車體使用迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架，車輛可以在曲線半徑很小的線路上平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)，輪緣力和輪軌磨耗等性能指標(biāo)也大大降低。例如，加拿大空中列車在通過曲線半徑為70m的彎道時(shí)可以不減速。采用如此小的曲線半徑一方面有利于城市軌道交通選線，另一方面可以在困難地段減少拆遷量，降低工程造價(jià)。因此直線電機(jī)地鐵非常適合城市軌道交通小曲線、大坡度的需要。
8.2.2軌道工程
直線電機(jī)地鐵軌道由整體道床、走行軌、感應(yīng)軌、供電軌、彈性扣件等構(gòu)成。單線安裝直線電機(jī)感應(yīng)軌每米大約為2100元人民幣。除了感應(yīng)軌之外，其它部分可采用傳統(tǒng)地鐵軌道結(jié)構(gòu)形式。由于直線電機(jī)地鐵振動低，噪聲小，對軌道結(jié)構(gòu)及減振降噪措施的要求比傳統(tǒng)地鐵標(biāo)準(zhǔn)要低。直線屯機(jī)地鐵軌道具有良好的性價(jià)比。
8．3．3 隧道及車站
城市中地下管線縱橫交錯(cuò)，隧道斷面縮小，能減少地下及管線改動工程量，同時(shí)又便于施工。因此在城市中采用直線電機(jī)地鐵能大大降低工程造價(jià)。
直線電機(jī)地鐵車輛及隧道尺寸比傳統(tǒng)地鐵車輛尺寸小，表8-3列出了大江戶線與傳統(tǒng)地鐵(都營新宿線)在車輛及隧道斷面方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，前者車輛寬度只有后者的89％、高度為后者的77％。
圖8-2表示了直線電機(jī)地鐵和傳統(tǒng)地鐵隧道限界的差別，前者凈空斷面面積只有后者得48％，前者要求的隧道斷面比后者要小得多。所以直線電機(jī)地鐵若修建在地下，可以大大減小工程量、降直線電機(jī)地鐵車站站臺形式主要采用島式或側(cè)式，地下結(jié)構(gòu)站臺長度為100 m，地面和高架站臺長度近期為80m，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期可達(dá)到100m，可供6節(jié)聯(lián)掛列車?？俊u式站臺寬度一般為6m-8m，少數(shù)為10m，側(cè)式站臺寬度為3—4m。目前一般選用80米長車站，比傳統(tǒng)地鐵100米長車站造價(jià)約低25％。
8.4其它影響因素分析
8．4．1 噪聲
直線電機(jī)地鐵驅(qū)動系統(tǒng)沒有任何旋轉(zhuǎn)部分，其運(yùn)行噪音可以維持在很低的水平。由于使用了徑向轉(zhuǎn)向架，在列車通過曲線時(shí)輪軸始終處于曲線徑向位置，因而減少了輪軌的磨損和噪聲。
直線電機(jī)地鐵以60km／h速度運(yùn)行時(shí)，距線路中心10米處測得的聲強(qiáng)比傳統(tǒng)地鐵要低10dB左右。直線電機(jī)地鐵是目前世界上噪聲最低的軌道交通系統(tǒng)之一。
為了進(jìn)一步降低輪軌噪聲，可采用浮置板軌道結(jié)構(gòu)和彈性車輪。彈性車輪在輕軌交通中已有多年的應(yīng)用歷史，列車在直線段運(yùn)行時(shí)，彈性車輪可降低噪聲2dB。列車經(jīng)過曲線段時(shí)，彈性車輪的降噪效果更為明顯。浮置板軌道在軌道板與導(dǎo)向軌之間設(shè)置彈性墊層，通過隔振作用來減弱列車運(yùn)行時(shí)帶來的地面及結(jié)構(gòu)物的振動。
此外，直線電機(jī)車輛采用再生制動、液力盤式制動，制動方式引起的噪聲非常小，高架結(jié)構(gòu)采用混凝土箱梁后也有效地降低了二次噪聲。由于系統(tǒng)噪聲小，使得降噪工程造價(jià)大大降低。
8．4．2 振動
直線電機(jī)系統(tǒng)是低振動系統(tǒng)，列車在軌面上正常運(yùn)行時(shí)，車體的橫向、縱向和垂向振動加速度不超過0．1g RMS，所有振動加速度頻率在0．1到50赫茲之間。在1到40赫茲1／3倍頻帶范圍內(nèi)加速度總持時(shí)不會超過一小時(shí)，符合旅客舒適度要求。
8．4．3 養(yǎng)護(hù)維修
養(yǎng)護(hù)維修工作主要有線路養(yǎng)護(hù)維修及電氣設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修和車輛檢修。直線電機(jī)地鐵低噪音意味著低磨耗?？罩辛熊?0年內(nèi)走行5億公里無需大修，只需細(xì)致的防護(hù)性維護(hù)。車輛大多部件被設(shè)計(jì)成線性可移動單元，可在短時(shí)間內(nèi)維修，保證高峰時(shí)刻93％一95％的車輛投入運(yùn)營。
與傳統(tǒng)軌道不同，直線電機(jī)地鐵軌道增加了反力板(reacUonplate)這種特殊設(shè)備，所以除對軌道進(jìn)行傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修之外，還要對這種特殊的反力板進(jìn)行檢修。傳統(tǒng)地鐵通常對曲線部分的鋼軌進(jìn)行油脂潤滑，以此來降低輪軌擠壓噪聲。直線電機(jī)地鐵車輛采用活動關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向架，無需對鋼軌進(jìn)行油脂潤滑?？罩辛熊嚥捎酶蓾櫥瑏砀纳戚嗆壗佑|條件。干潤滑的原理是讓一個(gè)固體潤滑棒與車輪踏面相接觸，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時(shí)即在車輪踏面上形成薄層潤滑膜。
列車運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行自動化和列車指揮自動化。采用無人駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移動閉塞信號。由于采用了最新的數(shù)據(jù)信號處理技術(shù)，導(dǎo)致了各種信號設(shè)備小型化，可靠性更高。另外，還設(shè)計(jì)了故障自動檢測設(shè)備，使養(yǎng)護(hù)維修更簡便。
8．4．4 車輛段及其它用房
一般地鐵車輛段占地20多公頃，并且大部分設(shè)在市區(qū)，地價(jià)高，拆遷量大。直線電機(jī)地鐵車輛養(yǎng)護(hù)維修工作量小，曲線半徑小，這使設(shè)置小型車輛段成為可能。溫哥華空中列車車輛段占地僅11．46公頃(114600平方米)，包括了控制中心、主任辦公室、培訓(xùn)基地及除去車站操作人員有限用房之外的所有設(shè)施。車輛段除安放線路養(yǎng)護(hù)設(shè)備之外還建有環(huán)形軌道，車輛段絕大多數(shù)線路上列車可以實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。由于直線電機(jī)地鐵諸多優(yōu)點(diǎn)，因而可以使用小號碼道岔，道岔長度變短，咽喉區(qū)縮短，使車輛段規(guī)模變小，工程造價(jià)降低，明顯優(yōu)于其它軌道交通形式。
8．5 經(jīng)濟(jì)效益
直線電機(jī)地鐵在輸送能力、造價(jià)、能耗等諸多方面優(yōu)于傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)，這使得該系統(tǒng)有良好的企業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾方面。
(1)造價(jià)低。以溫哥華空中列車為例，其造價(jià)5．8億美元，每公里造價(jià)為2 720萬美元.
(2)投資償還期短。溫哥華空中列車第一年運(yùn)營就有了盈余，而且滿載率日益增加，已成為該地區(qū)客運(yùn)交通的主要力量。
(3)緩解交通狀況，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。大江產(chǎn)環(huán)線開通后，形成了新交通網(wǎng)絡(luò)，其直接效果表現(xiàn)為可以為鐵路交通不便地區(qū)的乘客提供更多的轉(zhuǎn)乘方式，此外對緩和周邊線路的擁擠也有效果，
降低地鐵造價(jià)及工程建設(shè)管理等若干問題的研究這方面每年的經(jīng)濟(jì)效益超過626億日元。汽車交通量明顯減少，這使得汽車用戶能縮短出行時(shí)間、降低出行費(fèi)用、減少交通事故風(fēng)險(xiǎn)，使道路擁擠狀況得到緩解。每年汽車用戶的經(jīng)濟(jì)效益約340億日元。
(4)經(jīng)濟(jì)拉動效果。直線電機(jī)地鐵技術(shù)先進(jìn)、造價(jià)低、效率高，該技術(shù)的應(yīng)用有利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)，增加就業(yè)機(jī)會，具有顯著的社會效益。例如大江戶線8000億日元的投資(不包括土地購置費(fèi))，在東京則帶來與投資額同等的經(jīng)濟(jì)拉動效果。而在日本全國范圍帶來約2萬1000億日元(投資額的 2．64倍)的經(jīng)濟(jì)拉動效果。此外，這些經(jīng)濟(jì)拉動還在全國增加了13．9萬人的就業(yè)機(jī)會，創(chuàng)造出5200 億日元的效益。
8．6 結(jié)論
直線電機(jī)地鐵在降低工程造價(jià)方面的主要優(yōu)越性可概括如下(與傳統(tǒng)地鐵比)：
(1)直線電機(jī)(LIM)牽引系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的牽引方式之一，技術(shù)成熟，已在國外多條地鐵線中得到成功應(yīng)用。
(2)車輛尺寸是傳統(tǒng)地鐵車輛的70-80％，軸重減輕，車體斷面變小，使得隧道造價(jià)降低20—30％。
(3)不靠輪軌粘著牽引，是低振動系統(tǒng)，對軌道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的要求低，從而降低工程造價(jià)。
(4)車輛內(nèi)外部噪聲都大大降低，是世界上噪聲最低的軌道交通方式之一，減少了降噪工程數(shù)量，降低工程造價(jià)。
(5)爬坡能力強(qiáng)，限制坡度由地鐵的3％—4％提高到6％—7％，減少了土地占用及拆遷工程量。
(6) 限制坡度大、振動低、噪聲小，可以在市區(qū)內(nèi)將部分地下線路改到地上或高架，該措施可降低造價(jià)50％以上。
(7) 曲線半徑可以很小，正線上最小曲線半徑由地鐵的幾百米最大可降低到70米，從而更靈活地適應(yīng)地形，減小城市建筑物拆遷量，降低工程造價(jià)。
(8) 最小曲線半徑小，道岔號碼小，可有效縮短咽喉區(qū)長度，降低地鐵造價(jià)。
(9) 列車可以無人駕駛自動運(yùn)行，有效地實(shí)施小編組、高密度運(yùn)輸組織方式，從而縮短站臺長度，降低車站造價(jià)。
(10)低振動帶來低磨耗，線路及車輛所需的養(yǎng)護(hù)維修人員減少，養(yǎng)護(hù)維修工作量減少，從而大大降低養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)。
(11)由于養(yǎng)護(hù)維修工作大大減少，車輛段和維修基地規(guī)模相應(yīng)減小近50％，占地少，造價(jià)低。 綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，直線電機(jī)地鐵無論在造價(jià)還是性能方面均具有優(yōu)越性，為降低地鐵工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)效益開辟了一條新路。這種交通形式代表了二十一世紀(jì)城市軌道交通發(fā)展方向，具有廣泛的發(fā)展前景。