現代有軌電車交通系統及其車輛的技術定位

內容提要：本文通過介紹大連市軌道交通試驗線路工程，引發了對我國城市軌道交通系統分類的思考，并對現階段研制70%低地板輕軌電車的技術定位問題進行了詳細的闡述。
一、大連市軌道交通試驗線路的工程概況
大連市軌道交通試驗線路工程，是《大連市城市軌道交通總體規劃》的1號線南段工程，于 1999年10月15日開工建設。2002年12月1日正式建成通車。該工程在原有202路有軌電車線路（1911年8月建成通車）的基礎上，進行現代化改（擴）建而成。
大連市軌道交通試驗線路由興工街至河口，全長12.5公里。沿線經過西安路商業街、星海會展中心、中山路西段海濱旅游區、高新技術產業園區。
線路形態：興工街至解放廣場為機動車混行路，全部地面線路；解放廣場至河口為電車專用路段，以地面線路為主，建有軌道交通專用橋4座總長1.92公里。線路最小水平曲線半徑19m，最大縱向坡度60‰。
軌道工程：全線為整體混凝土道床的無縫線路。混行路段鋪設槽型鋼軌，專用路段鋪設50kg/m普通鋼軌。其中新建3.1公里延伸線路全部鋪設網格狀草坪，以利吸收車輛運行的噪聲。
通信信號：設專用無線電通信設備，實現車—地通信；平交道口設遠紅外線控制裝置，城市道路交通信號給予電車優先通行權；道岔的開通由車載無線遙控裝置控制。
牽引供電：近期DC600V，遠期DC750V，接觸網采用彈性簡單懸掛，接觸網高度5300±100mm。專用線路的接觸線采用上下行軌道中央立桿架設，混行線路的接觸線采用街道兩側立桿架設，接觸線桿上方設城市道路照明系統。
車站工程：全線設15個地面車站，均為側式站臺，平均站距833m。
客運組織：高峰小時單向斷面客流量，近期為10000人次/小時，遠期為15000人次/小時，行車間隔為2.5分鐘，平均運營速度25km/h。
車輛及車輛段：全線計劃配備70%低地板輕軌電車30輛。在線路終點（河口）建設盡頭式車輛段1處，出入線1條。主要擔負車輛的停放、整備、檢修等任務。
工程造價：工程總投資概算為19957萬元人民幣。其中7.1公里改造線路的綜合造價（不含車輛購置費）為1585萬元/公里；新建3.1公里延伸線路的綜合造價（不含車輛購置費、車輛段建設費用等）為2806萬元/公里。大連市軌道交通試驗線路工程是我國第一個利用既有有軌電車改擴建的城市軌道交通工程，是我國第一個采用低地板輕軌車輛的城市軌道交通工程。因而該工程在國內城市軌道交通建設方面具有示范性。
二、輕軌交通系統與現代有軌電車交通系統
以汽車為主的交通體系存在著對石油資源的過分依賴和嚴重的空氣污染的問題。二十世紀七十年代，人們開始重新評價有軌電車在城市交通的作用。在歐洲等一些保留有軌電車的城市，尤其是德國對有軌電車的技術發展起到積極作用，不斷地解決了老式有軌電車存在的技術問題，并對早期建設的有軌電車系統進行技術改造，采用了信號控制、線路封閉/半封閉、車地通信等措施。這一時期制造的有軌電車開始采用了鉸接式車體、斬波調速等新技術，明顯改善了乘坐舒適性，大大提高了車輛的載客量。經過工程技術改造、管理形式的變革和采用新型車輛的有軌電車交通系統，其客運量、安全性、旅行速度等已得到大大提高，逐步發展成為中等運量的軌道交通系統。1968年德國的法蘭克富和漢諾威兩個城市為了解決城市交通問題，計劃修建地鐵系統。由于工程規模大、實施時間長、資金遲遲不能到位，因此提出把有軌電車線路進行技術改造與部分新建地鐵線路結合起來的建設方案，并研制出U2型輕軌車輛。德國開創的這種交通方式，首先得到比利時的響應，布魯塞爾、安特衛普、沙勒羅瓦等城市利用有軌電車系統改造，建成新的軌道交通系統。1978年，國際公共交通聯會UITP在比利時布魯塞爾召開的會議上，把在有軌電車的基礎上發展而成的中等運量的城市軌道交通方式，定名為“輕軌交通”。
德國一直保持在輕軌交通的技術標準研究方面的領先水平，先后頒布了《德國聯邦輕軌運輸系統建設和運行規范》等技術標準。德國輕軌交通系統的等級及其主要特征如表1所示。

德國輕軌交通系統的等級及其主要特征（表1）

我國城市軌道交通系統分類的主要依據是《城市快速軌道交通工程項目建設標準》。由于該標準對于采用“雙司機室型鉸接式70%低地板車輛”的交通系統沒有界定其適用范圍，因此，大連市軌道交通試驗線路工程很難進行系統分類。借鑒表1的分類方法大連市軌道交通試驗線路工程與德國Ⅱ級輕軌交通系統的主要技術指標十分接近，應將其列為“輕軌交通系統”范疇。

城市軌道交通系統技術特征表（表2）

注：表中所稱“城市軌道交通”系指采用鋼輪—鋼軌運行方式的交通方式。
車輛定員是按照站席6人/m2計算。
目前，城市軌道交通系統已經呈多樣性發展態勢，國內各城市對其稱謂也有所不同，主要有城市鐵路、地下鐵道、輕軌交通、快軌交通、現代有軌電車等數種。為了準確描述城市軌道交通系統的技術特征，現將我國已有的軌道交通方式進行如下的劃分，如表2所示，并將“現代有軌電車交通”劃入“低運量輕軌交通”的范疇。
三、DL6W型70%低地板輕軌電車的技術定位
1、車輛型式
由于，該工程為我國首例利用有軌電車改擴建的城市軌道交通項目，線路為典型的歐洲城市“輕軌交通”的模式。經過技術分析，在目前我國車輛工業發展水平下，只有雙司機室型鉸接式70%低地板輕軌電車，才能滿足該工程的使用條件。
70%低地板結構是指車輛低地板區域的長度占車輛全長的70%。這種結構可以大大方便兒童、老人和殘疾人等行動不便者的上下車，也有利于減少車輛的站停時間，提高車輛的旅行速度。
目前，國外采用100%低地板的車輛，無一例外的都采用了鋁合金輕量化車體、獨立車輪式全動力轉向架、輪轂式牽引電動機和VVVF交流傳動控制技術等先進技術。由于受到我國電力電子、電機制造、精密加工、金屬冶金等行業的技術水平限制，輪轂式牽引電動機和VVVF交流傳動控制等先進技術在我國仍是空白。為此，輕軌電車采用70%低地板的設計，兩端使用傳統的輪對式動力轉向架，中央采用無車軸結構的獨立車輪式從動轉向架的做法。這樣降低了轉向架和牽引電動機的設計難度。
根據高峰小時單向斷面客流量的測算，該車的車輛長度應在25m左右。但是，受到線間距和最小曲線半徑的限制，該車采用了雙鉸接形式。該機構由彈性鉸接、固定鉸接、自由鉸接、液壓減震器以及折疊式風檔等組成，以確保通過道的寬度和滿足車輛運行要求。
該車采用了模塊化結構設計，把全車分為司機室玻璃鋼結構模塊、動車鋼結構模塊、從動車鋼結構模塊、動力轉向架模塊、從動轉向架模塊、車頂電器模塊、空調機組模塊等。在保證接口尺寸和要求的條件下，各模塊可以在不同地點進行生產，并可以根據使用要求構成多鉸接的大型車體，以滿足不同用戶的客運要求。
2、轉向架
DL6W型輕軌電車使用了兩種轉向架，即2臺動力轉向架和1臺非動力轉向架，構成B0—2—B0軸式。
動力轉向架采用中心承載方式、二系彈性懸掛裝置、電機驅動、齒輪傳動、焊接結構構架，車軸安裝盤式制動器，側梁安裝磁軌制動器。
非動力轉向架主要由構架、軸橋輪組、二系彈性懸掛裝置、基礎制動裝置、橫向液壓減震器等組成。非動力轉向架除不設置牽引電動機和驅動裝置外，兩輪之間必須設計成下凹形，以便使車廂地板面下沉，實現車輛的70%低地板結構。此外，非動力轉向架的輪軸結構采用了中間下凹的軸橋結構，車輪相對于車軸旋轉而車軸不轉動，這種結構稱之為獨立車輪。
3、車門
DL6W型輕軌電車每側設4個雙頁電動塞拉門，具有結構緊湊，輕便靈活，開啟平穩，低噪音，安全性能可靠，控制系統設有5公里安全保護，密封性能良好，免于維護，門頁關閉后與車體協調一致等特點，并克服了壓縮空氣驅動的車門裝置存在著冬季凍氣而動作呆滯、夏季管件接頭漏油漏水、連桿機構動作有死點、啟閉噪音大、密封性能差等缺點。
4、空調系統
由于，輕軌電車的最高運行速度為60km/h，部分線路的線間距小等原因，所有車窗均采用了整體玻璃窗結構，以防止乘客發生意外。為了解決車內的通風、換氣和保持適宜的溫、濕度的環境，輕軌電車使用2臺制冷量35KW的車頂單元式環保型空調機組作為舒適性空氣調節設備。該系統由空調機組、電氣控制柜、風道、回風道、靜壓風道、排風機等組成。
兩臺空調機組安裝在Ⅰ、Ⅱ端車頂端部，空調機組采用全封閉制冷壓縮機和環保型冷媒。具有制冷、通風及制熱功能。通過風道、回風道供風，空調機組可通過靜壓風道向車廂內提供新鮮、適宜的空氣。安裝在從動車頂上的排風機，作為輔助排風裝置，可使整車空氣達到均衡。該方案達到了夏季車廂內溫度保持在22℃～28℃之間、總風量4500m3/h、新風量1200m3/h的設計要求。
5、車內裝飾
車內裝飾廣泛采用了新材料、新工藝、新技術。客室內裝飾板采用ABS/PC皮紋合金板，司機室內裝飾板采用GRP聚脂玻璃鋼制成。客室內飾板采用真空負壓吸塑工藝成型的各種形狀的內裝飾件，結構件結合處采用寬自然縫，無明釘結構。車內頂棚設有空調風道出口、日光燈燈帶、車內喇叭等設施。客室座椅采用橫、縱向排布，座椅結構、尺寸采用滿足人體工程的設計要求，面料采用高檔裝飾布包裝。車內地面鋪設高檔耐磨地板布，便于清潔，不易磨損。整車的內裝效果已經達到豪華客車的標準。
6、電力牽引裝置
交流電動機與直流電動機相比，具有電機故障少、維修簡便等特點，已成為當今電力牽引領域內的主要動力；以智能化、小型化、大功率的IGBT （絕緣柵型雙極晶體管）和IPM（智能化功率模塊）為代表的新型電力電子器件在性能、價格等方面越來越完美，使其已具備商業化應用的條件；微機自動化控制技術的普及應用；交流傳動控制理論的發展等，使VVVF交流傳動技術具有廣泛的應用前景。
DL6W型輕軌電車采用了先進的 VVVF交流傳動技術，全車的4臺三相異步牽引電機分別由2組牽引逆變器驅動，由微機監控系統可對車輛的牽引、制動等運行工況進行控制。牽引逆變器把從接觸網提供的750V直流電，轉換成電壓、頻率可調的交流電，滿足交流電動機的運行要求。微機監控系統具有車輛運行狀態參數的監測與顯示；車輛牽引、制動特性控制；系統故障診斷與報警保護；數據通訊與顯示等功能。
7、制動系統
DL6W型輕軌電車的運行線路不專用，有平交路口和混行路面，要求車輛具有較高的制動減速度（2.5m/s2以上）。為此，該車的制動方式主要有常用制動（再生—電阻制動、空氣制動）和緊急制動（磁軌制動）組成的綜合制動系統。
再生—電阻制動由牽引逆變器的控制。利用電機的工作可逆特性，電機把車輛的動能轉換成電能，產生的電能將向電網反饋供線路上其它車輛使用或由本車制動電阻吸收，因而只有在動軸上才能夠產生電制動力。磁軌制動為非粘者制動，不依賴車輪和鋼軌之間的粘著進行制動，因而可以獲得較高的制動減速度，同時可以避免因緊急制動的車輪擦傷。
空氣制動系統主要由模擬式制動機和轉向架上的基礎制動裝置組成。模擬制動系統的工作原理是司機控制器發出人工信號（或ATO自動信號）該信號被傳送到編碼器，編碼器將其轉換為與輸入指令相對應的脈寬調制信號（PWM），該脈寬調制信號通過列車導線被傳送到每輛車的EP制動單元中的解碼器。解碼器出接受來自編碼器的制動指令外，還接受來處在空氣彈簧的車載信號（空氣壓力信號），強迫緩解信號和電制動反饋信號（電流信號）。解碼器對所有指令和信號進行計算，輸出一個與車輛載荷成比例的電制動指令和牽引電流增加值。該模擬制動系統優先使用電制動。當電制動不足要求補償空氣制動時，制動指令被傳送到EP轉換閥，EP轉換閥將電制動指令轉換成空氣制動信號，經過中繼閥等的作用最終輸出所需的空氣制動力值，并由各車軸（車輪）上的盤式制動器完成安全、平穩的制動停車。由于，模擬制動系統和數字制動系統比較，具有換算精確、制動無沖擊、系統可靠穩定等優點，而越來越多的被應用于城市軌道車輛上。
8、輔助電源裝置
輕軌電車輔助電源系統將以集中供電、體積小型化、智能運行、高可靠性為目標。該車的低壓電器采用了直流24V、交流380V、交流220V等多種制式的電壓，設備功率從5KW到16KW。為此，輔助電源采用了斬波調壓電路、全橋式功率轉換電路、強迫風冷、微機控制和保護等新技術。
IGBT在大功率電力設備的應用十分普遍和優越，但是其過流、過壓性能很差，以過流能力為例，即使采用快速熔斷器加以保護，也是快速熔斷器一旦產生保護作用，IGBT也會燒毀。IGBT的保護機理相當復雜，微機控制和保護技術因能夠在短時間內完成電流、電壓的取樣、放大、運算等復雜的信號處理過程，而徹底解決了因保護動作不及時而造成的IGBT損壞。
四、結束語
大連市軌道交通試驗線路工程開創了我國利用既有有軌電車線路改擴建成現代化輕軌交通的“先河”，實現了傳統有軌電車交通系統資源的再生和可持續發展，并以其適當的設計標準和適度的建設規模，實現“經濟實用”與“技術先進”的統一。同時， DL6W型70%低地板輕軌電車的問世，填補了我國在低地板輕軌電車設計和制造領域的空白，完善了我國城市軌道車輛的型譜，有力地推動我國大中城市的軌道交通建設，也是近年來我國城市軌道交通車輛制造行業取得的重大科技進步。
原文作者：于禹夫 方力（大連現代軌道交通有限公司）
轉貼自：《地鐵與輕軌》雜志第6期