現(xiàn)代有軌電車交通系統(tǒng)及其車輛的技術(shù)定位

內(nèi)容提要：本文通過介紹大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程，引發(fā)了對我國城市軌道交通系統(tǒng)分類的思考，并對現(xiàn)階段研制70%低地板輕軌電車的技術(shù)定位問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
一、大連市軌道交通試驗(yàn)線路的工程概況
大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程，是《大連市城市軌道交通總體規(guī)劃》的1號線南段工程，于 1999年10月15日開工建設(shè)。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(chǔ)上，進(jìn)行現(xiàn)代化改（擴(kuò)）建而成。
大連市軌道交通試驗(yàn)線路由興工街至河口，全長12.5公里。沿線經(jīng)過西安路商業(yè)街、星海會展中心、中山路西段海濱旅游區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。
線路形態(tài)：興工街至解放廣場為機(jī)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(shè)槽型鋼軌，專用路段鋪設(shè)50kg/m普通鋼軌。其中新建3.1公里延伸線路全部鋪設(shè)網(wǎng)格狀草坪，以利吸收車輛運(yùn)行的噪聲。
通信信號：設(shè)專用無線電通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車—地通信；平交道口設(shè)遠(yuǎn)紅外線控制裝置，城市道路交通信號給予電車優(yōu)先通行權(quán)；道岔的開通由車載無線遙控裝置控制。
牽引供電：近期DC600V，遠(yuǎn)期DC750V，接觸網(wǎng)采用彈性簡單懸掛，接觸網(wǎng)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(shè)，混行線路的接觸線采用街道兩側(cè)立桿架設(shè)，接觸線桿上方設(shè)城市道路照明系統(tǒng)。
車站工程：全線設(shè)15個地面車站，均為側(cè)式站臺，平均站距833m。
客運(yùn)組織：高峰小時單向斷面客流量，近期為10000人次/小時，遠(yuǎn)期為15000人次/小時，行車間隔為2.5分鐘，平均運(yùn)營速度25km/h。
車輛及車輛段：全線計(jì)劃配備70%低地板輕軌電車30輛。在線路終點(diǎn)（河口）建設(shè)盡頭式車輛段1處，出入線1條。主要擔(dān)負(fù)車輛的停放、整備、檢修等任務(wù)。
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(fèi)）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(fèi)、車輛段建設(shè)費(fèi)用等）為2806萬元/公里。大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程是我國第一個利用既有有軌電車改擴(kuò)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(nèi)城市軌道交通建設(shè)方面具有示范性。
二、輕軌交通系統(tǒng)與現(xiàn)代有軌電車交通系統(tǒng)
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(yán)重的空氣污染的問題。二十世紀(jì)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(shù)發(fā)展起到積極作用，不斷地解決了老式有軌電車存在的技術(shù)問題，并對早期建設(shè)的有軌電車系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)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(diào)速等新技術(shù)，明顯改善了乘坐舒適性，大大提高了車輛的載客量。經(jīng)過工程技術(shù)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(tǒng)，其客運(yùn)量、安全性、旅行速度等已得到大大提高，逐步發(fā)展成為中等運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)。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(jì)劃修建地鐵系統(tǒng)。由于工程規(guī)模大、實(shí)施時間長、資金遲遲不能到位，因此提出把有軌電車線路進(jìn)行技術(shù)改造與部分新建地鐵線路結(jié)合起來的建設(shè)方案，并研制出U2型輕軌車輛。德國開創(chuàng)的這種交通方式，首先得到比利時的響應(yīng)，布魯塞爾、安特衛(wèi)普、沙勒羅瓦等城市利用有軌電車系統(tǒng)改造，建成新的軌道交通系統(tǒng)。1978年，國際公共交通聯(lián)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(chǔ)上發(fā)展而成的中等運(yùn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究方面的領(lǐng)先水平，先后頒布了《德國聯(lián)邦輕軌運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。德國輕軌交通系統(tǒng)的等級及其主要特征如表1所示。

德國輕軌交通系統(tǒng)的等級及其主要特征（表1）

我國城市軌道交通系統(tǒng)分類的主要依據(jù)是《城市快速軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》。由于該標(biāo)準(zhǔn)對于采用“雙司機(jī)室型鉸接式70%低地板車輛”的交通系統(tǒng)沒有界定其適用范圍，因此，大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程很難進(jìn)行系統(tǒng)分類。借鑒表1的分類方法大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程與德國Ⅱ級輕軌交通系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)十分接近，應(yīng)將其列為“輕軌交通系統(tǒng)”范疇。

城市軌道交通系統(tǒng)技術(shù)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(yùn)行方式的交通方式。
車輛定員是按照站席6人/m2計(jì)算。
目前，城市軌道交通系統(tǒng)已經(jīng)呈多樣性發(fā)展態(tài)勢，國內(nèi)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(xiàn)代有軌電車等數(shù)種。為了準(zhǔn)確描述城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)特征，現(xiàn)將我國已有的軌道交通方式進(jìn)行如下的劃分，如表2所示，并將“現(xiàn)代有軌電車交通”劃入“低運(yùn)量輕軌交通”的范疇。
三、DL6W型70%低地板輕軌電車的技術(shù)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(kuò)建的城市軌道交通項(xiàng)目，線路為典型的歐洲城市“輕軌交通”的模式。經(jīng)過技術(shù)分析，在目前我國車輛工業(yè)發(fā)展水平下，只有雙司機(jī)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(jié)構(gòu)是指車輛低地板區(qū)域的長度占車輛全長的70%。這種結(jié)構(gòu)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(dú)立車輪式全動力轉(zhuǎn)向架、輪轂式牽引電動機(jī)和VVVF交流傳動控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。由于受到我國電力電子、電機(jī)制造、精密加工、金屬冶金等行業(yè)的技術(shù)水平限制，輪轂式牽引電動機(jī)和VVVF交流傳動控制等先進(jìn)技術(shù)在我國仍是空白。為此，輕軌電車采用70%低地板的設(shè)計(jì)，兩端使用傳統(tǒng)的輪對式動力轉(zhuǎn)向架，中央采用無車軸結(jié)構(gòu)的獨(dú)立車輪式從動轉(zhuǎn)向架的做法。這樣降低了轉(zhuǎn)向架和牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)難度。
根據(jù)高峰小時單向斷面客流量的測算，該車的車輛長度應(yīng)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(jī)構(gòu)由彈性鉸接、固定鉸接、自由鉸接、液壓減震器以及折疊式風(fēng)檔等組成，以確保通過道的寬度和滿足車輛運(yùn)行要求。
該車采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把全車分為司機(jī)室玻璃鋼結(jié)構(gòu)模塊、動車鋼結(jié)構(gòu)模塊、從動車鋼結(jié)構(gòu)模塊、動力轉(zhuǎn)向架模塊、從動轉(zhuǎn)向架模塊、車頂電器模塊、空調(diào)機(jī)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(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)，并可以根據(jù)使用要求構(gòu)成多鉸接的大型車體，以滿足不同用戶的客運(yùn)要求。
2、轉(zhuǎn)向架
DL6W型輕軌電車使用了兩種轉(zhuǎn)向架，即2臺動力轉(zhuǎn)向架和1臺非動力轉(zhuǎn)向架，構(gòu)成B0—2—B0軸式。
動力轉(zhuǎn)向架采用中心承載方式、二系彈性懸掛裝置、電機(jī)驅(qū)動、齒輪傳動、焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)架，車軸安裝盤式制動器，側(cè)梁安裝磁軌制動器。
非動力轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、軸橋輪組、二系彈性懸掛裝置、基礎(chǔ)制動裝置、橫向液壓減震器等組成。非動力轉(zhuǎn)向架除不設(shè)置牽引電動機(jī)和驅(qū)動裝置外，兩輪之間必須設(shè)計(jì)成下凹形，以便使車廂地板面下沉，實(shí)現(xiàn)車輛的70%低地板結(jié)構(gòu)。此外，非動力轉(zhuǎn)向架的輪軸結(jié)構(gòu)采用了中間下凹的軸橋結(jié)構(gòu)，車輪相對于車軸旋轉(zhuǎn)而車軸不轉(zhuǎn)動，這種結(jié)構(gòu)稱之為獨(dú)立車輪。
3、車門
DL6W型輕軌電車每側(cè)設(shè)4個雙頁電動塞拉門，具有結(jié)構(gòu)緊湊，輕便靈活，開啟平穩(wěn)，低噪音，安全性能可靠，控制系統(tǒng)設(shè)有5公里安全保護(hù)，密封性能良好，免于維護(hù)，門頁關(guān)閉后與車體協(xié)調(diào)一致等特點(diǎn)，并克服了壓縮空氣驅(qū)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(jī)構(gòu)動作有死點(diǎn)、啟閉噪音大、密封性能差等缺點(diǎn)。
4、空調(diào)系統(tǒng)
由于，輕軌電車的最高運(yùn)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(jié)構(gòu)，以防止乘客發(fā)生意外。為了解決車內(nèi)的通風(fēng)、換氣和保持適宜的溫、濕度的環(huán)境，輕軌電車使用2臺制冷量35KW的車頂單元式環(huán)保型空調(diào)機(jī)組作為舒適性空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。該系統(tǒng)由空調(diào)機(jī)組、電氣控制柜、風(fēng)道、回風(fēng)道、靜壓風(fēng)道、排風(fēng)機(jī)等組成。
兩臺空調(diào)機(jī)組安裝在Ⅰ、Ⅱ端車頂端部，空調(diào)機(jī)組采用全封閉制冷壓縮機(jī)和環(huán)保型冷媒。具有制冷、通風(fēng)及制熱功能。通過風(fēng)道、回風(fēng)道供風(fēng)，空調(diào)機(jī)組可通過靜壓風(fēng)道向車廂內(nèi)提供新鮮、適宜的空氣。安裝在從動車頂上的排風(fēng)機(jī)，作為輔助排風(fēng)裝置，可使整車空氣達(dá)到均衡。該方案達(dá)到了夏季車廂內(nèi)溫度保持在22℃～28℃之間、總風(fēng)量4500m3/h、新風(fēng)量1200m3/h的設(shè)計(jì)要求。
5、車內(nèi)裝飾
車內(nèi)裝飾廣泛采用了新材料、新工藝、新技術(shù)。客室內(nèi)裝飾板采用ABS/PC皮紋合金板，司機(jī)室內(nèi)裝飾板采用GRP聚脂玻璃鋼制成。客室內(nèi)飾板采用真空負(fù)壓吸塑工藝成型的各種形狀的內(nèi)裝飾件，結(jié)構(gòu)件結(jié)合處采用寬自然縫，無明釘結(jié)構(gòu)。車內(nèi)頂棚設(shè)有空調(diào)風(fēng)道出口、日光燈燈帶、車內(nèi)喇叭等設(shè)施。客室座椅采用橫、縱向排布，座椅結(jié)構(gòu)、尺寸采用滿足人體工程的設(shè)計(jì)要求，面料采用高檔裝飾布包裝。車內(nèi)地面鋪設(shè)高檔耐磨地板布，便于清潔，不易磨損。整車的內(nèi)裝效果已經(jīng)達(dá)到豪華客車的標(biāo)準(zhǔn)。
6、電力牽引裝置
交流電動機(jī)與直流電動機(jī)相比，具有電機(jī)故障少、維修簡便等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今電力牽引領(lǐng)域內(nèi)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(yè)化應(yīng)用的條件；微機(jī)自動化控制技術(shù)的普及應(yīng)用；交流傳動控制理論的發(fā)展等，使VVVF交流傳動技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。
DL6W型輕軌電車采用了先進(jìn)的 VVVF交流傳動技術(shù)，全車的4臺三相異步牽引電機(jī)分別由2組牽引逆變器驅(qū)動，由微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可對車輛的牽引、制動等運(yùn)行工況進(jìn)行控制。牽引逆變器把從接觸網(wǎng)提供的750V直流電，轉(zhuǎn)換成電壓、頻率可調(diào)的交流電，滿足交流電動機(jī)的運(yùn)行要求。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測與顯示；車輛牽引、制動特性控制；系統(tǒng)故障診斷與報警保護(hù)；數(shù)據(jù)通訊與顯示等功能。
7、制動系統(tǒng)
DL6W型輕軌電車的運(yùn)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(tǒng)。
再生—電阻制動由牽引逆變器的控制。利用電機(jī)的工作可逆特性，電機(jī)把車輛的動能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生的電能將向電網(wǎng)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(chǎn)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(jìn)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(tǒng)主要由模擬式制動機(jī)和轉(zhuǎn)向架上的基礎(chǔ)制動裝置組成。模擬制動系統(tǒng)的工作原理是司機(jī)控制器發(fā)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(zhuǎn)換為與輸入指令相對應(yīng)的脈寬調(diào)制信號（PWM），該脈寬調(diào)制信號通過列車導(dǎo)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(qiáng)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(jìn)行計(jì)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(tǒng)優(yōu)先使用電制動。當(dāng)電制動不足要求補(bǔ)償空氣制動時，制動指令被傳送到EP轉(zhuǎn)換閥，EP轉(zhuǎn)換閥將電制動指令轉(zhuǎn)換成空氣制動信號，經(jīng)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(wěn)的制動停車。由于，模擬制動系統(tǒng)和數(shù)字制動系統(tǒng)比較，具有換算精確、制動無沖擊、系統(tǒng)可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而越來越多的被應(yīng)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(tǒng)將以集中供電、體積小型化、智能運(yùn)行、高可靠性為目標(biāo)。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(shè)備功率從5KW到16KW。為此，輔助電源采用了斬波調(diào)壓電路、全橋式功率轉(zhuǎn)換電路、強(qiáng)迫風(fēng)冷、微機(jī)控制和保護(hù)等新技術(shù)。
IGBT在大功率電力設(shè)備的應(yīng)用十分普遍和優(yōu)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(hù)，也是快速熔斷器一旦產(chǎn)生保護(hù)作用，IGBT也會燒毀。IGBT的保護(hù)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，微機(jī)控制和保護(hù)技術(shù)因能夠在短時間內(nèi)完成電流、電壓的取樣、放大、運(yùn)算等復(fù)雜的信號處理過程，而徹底解決了因保護(hù)動作不及時而造成的IGBT損壞。
四、結(jié)束語
大連市軌道交通試驗(yàn)線路工程開創(chuàng)了我國利用既有有軌電車線路改擴(kuò)建成現(xiàn)代化輕軌交通的“先河”，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)有軌電車交通系統(tǒng)資源的再生和可持續(xù)發(fā)展，并以其適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和適度的建設(shè)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”與“技術(shù)先進(jìn)”的統(tǒng)一。同時， DL6W型70%低地板輕軌電車的問世，填補(bǔ)了我國在低地板輕軌電車設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)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(shè)，也是近年來我國城市軌道交通車輛制造行業(yè)取得的重大科技進(jìn)步。
原文作者：于禹夫 方力（大連現(xiàn)代軌道交通有限公司）
轉(zhuǎn)貼自：《地鐵與輕軌》雜志第6期