首都機場線采用LIM軌道交通方式的探討【摘要】介紹了常見的軌道交通方式,以首都機場線為例,根據其線路定位和特點,就其采用LIM軌道交通方式進行了探討,并與采用其他軌道交通方式進行了比較,論證了選用LIM軌道交通模式的可行性。【關鍵詞】首都機場線;LIM軌道交通;可行性 發展軌道交通是解決大城市交通問題的一項根本措施。世界各國大都市都建立了先進、通暢的城市軌道交通系統。縱觀世界軌道交通發展歷史,多元化發展是共同規律。我國目前有10余個城市正在建設20余條軌道交通線,上海修建了世界上第一條磁懸浮運營線,北京市宣布在2008年奧運會舉辦前將建成包括地鐵、輕軌在內的近300km軌道交通線。我國軌道交通正在進入快速發展的新階段。1 首都機場線概況 首都機場線起于東直門綜合交通樞紐,為地上線,沿二環路經東壩河向北、經過三元橋、四元橋,再沿機場高速路直達首都機場新航站樓,到達機場南側轉入地下,線路全長約27km。全線共設東直門、三元橋、首都國際機場2號航站樓和3號航站樓4座車站和一座車輛基地。地鐵機場線的最高運行速度可達每小時100km,計劃2008年建成通車。軌道交通機場線的建設將縮短首都機場與中心城區的通行時間,對于改善首都機場的交通狀況、加強其國際航空港的地位有著重要意義。首都機場線具體位置見圖1。
2 軌道交通方式 軌道交通依據交通容量范圍可劃分為特大、大、中、小容量四種系統,按敷設方式可分為隧道(包括地下、水下)、高架和地面三種。按支撐形式或牽引方式可分為輪軌接觸系統和磁軌接觸系統,前者包括市郊鐵路、地鐵、輕軌、有軌電車,單軌、膠輪軌等,后者包括直線電機LIM,磁懸浮等。2.1 市郊鐵路 市郊鐵路相當于在市區和郊區間的鐵路,其編組靈活,能實現高效運輸,最大可按10~12輛編組,單向每小時最大運送能力可達68萬人,與地鐵、輕軌等軌道交通形式相比,市郊鐵路具有速度高,站間距大,運送能力強等特點。2.2 地鐵 地鐵多建于超大城市或特大城市市區內部,軸重普遍大于13t,可達到單向高峰小時斷面流量4萬人次以上,屬于大容量快速軌道交通系統。運營速度一般為35~40k/h,最大車速可達80k/h。可吸引大量客流,還可建為綜合換乘中心和商業服務中心,充分利用地下空間,緩解城市用地緊張狀況。但地鐵造價昂貴,建設周期長。2.3 輕軌 輕軌一般用于中等城市或交通狀況較好的大城市或特大城市市區外圍衛星城、旅游景區、經濟開發區等與市區聯系的交通干線,軸重普遍小于13t,單向小時客運能力1~4萬人。24 磁懸浮 目前比較成熟的磁懸浮鐵路技術主要有日本的超導超高速磁懸浮ML(Maglev)、德國的常導超高速磁懸浮“運捷”TR、日本航空的常導中低速磁懸浮HSST三種。2.5 直線電機LIM 直線電機LIM也稱為輪軌直線電機鐵路,簡稱直線電機客運系統、直線電機系統、直線電機鐵路、直線電機地鐵。它是介于磁懸浮與傳統輪軌鐵路之間的交通方式,在支承方面與輪軌系統相同,即利用車輪起支承作用;但在驅動方面卻采用了磁懸浮鐵路的方式,即采用直線電機牽引。3 LIM軌道交通特色3.1 造價更低 由于LIM利用感應原理來推動車輛前進,不需要將旋轉運動轉換成直線運動,從而省去了齒輪箱等一系列傳動機構。這樣,車廂底板面可以大大降低,從而減少車體斷面的尺寸。安裝直線電機的車輛斷面比傳統車輛小,寬度為89%、高度為77%。3.2 良好的選線特性 直線電機車輛不受輪軌之間粘著限制,因此具有較好的爬坡能力。常規鐵路的坡道一般不超過3%~4%,采用直線電機后坡度可以增加一倍,可達6%~8%。因此非常適合城市軌道小曲線、大坡度性能的需要。有利于城市軌道交通選線,達到較好的工程、經濟性能。3.3 良好的牽引和制動性能 將直線感應電動機的定子部分安裝在車上,轉子部分變成一條感應軌,鋪設在兩個走行軌之間。當通過電流時,定子和轉子兩部分產生的磁場相互作用,直接拖動車輛運行和實現車輛制動。由于牽引力和制動力均來自磁場間的相互作用,這種非粘著性驅動不受車輪與軌道間摩擦系數的影響,與普通標準地鐵相比,可產生較高的啟動加速度和制動減速度。3.4 安全性好 列車可以采用全自動化運行控制方式,安全程度高。站內裝置了安全監測系統,接收到異常信息會立即自動命令列車緊急停車。3.5 運送能力適中 運送能力可以達到每小時3萬人次,在具有一定規模的地鐵網絡中能發揮其應有作用,非常適合中小運量。3.6 噪音低 由于驅動系統沒有任何旋轉部分,其運行噪音可以維持在很低的水平。直線電機列車可使噪音水平降至70dB以下(測量處距軌道中心10m,車速為60km/h),比普通地鐵降低10dB左右。3.7 養護維修及其他 直線電機的應用大大減少了側滑及空轉現象,可以節省養護維修費用。4 首都機場線采用LIM軌道交通方式的可行性 首都機場線主要輸送民航客流和接送客流,表1是首都機場高峰小時旅客吞吐量預測。 2008年高峰小時人數達到了18000,正好在LIM軌道交通的優勢運距內,由于中間設站較少,對啟動、制動加速度要求較高,相對HSST和TR而言,由于后者不易保持懸浮狀態穩定性,對磁浮系統提出了嚴格要求,而LIM軌道交通技術較為成熟,目前已在至少6個國家10余條線路上得到應用。從這個意義上看來,首都機場線采用LIM軌道交通方式更為合理。 鑒于上海已采用德國TR技術建成世界第一條運營線,滬杭磁浮線也已正式立項,首都機場線作為北京面向世界的一扇窗口,采用目前國內還沒有運營線的LIM軌道交通,無疑是北京的一道靚麗風景線,有助于提升其作為世界性大城市的形象。 首都機場線途經區域拆遷費用高,而且已有建筑物使得選線的余地變得非常小,LIM的小曲線半徑、大坡度特色能減少地下及管線改動工程量,同時便于施工。此外,造價低,安全性高,噪聲低,養護維修量少,在城市中采用直線電機軌道交通較常規的輕軌地鐵更具優越性。 綜合考慮各種軌道交通方式,并對三種技術選型即LIM軌道交通、HSST和TR的運行速度和票價差異等因素進行對比,并考慮安全、事故、環境等社會經濟效果的評價,根據北京市政院所作的客流量預測,對首都機場線而言,從優到劣方案排序為:LIM軌道交通優于HSST,HSST又優于TR。參考文獻:[1]董焰,單連龍.中國城市軌道交通未來十年發展趨勢及政策導向[J].城市軌道交通研究,2004,(3):6~9.[2]郝海龍.直線電機車輛動力學仿真研究[D].北京交通大學[碩士論文],2005.3.[3]俞展猷.直線電機在城市軌道交通系統中的應用[J].中國鐵路,2003,(4):46~48.[4]時瑾,魏慶朝,萬傳風.直線電機地鐵線路設計關鍵技術[J].中國鐵道科學,2004,(2):130~133.[5]顧保南,姜曉明,程曜彥,等.論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇[J].同濟大學學報,2003,(4):428~431.
2 軌道交通方式 軌道交通依據交通容量范圍可劃分為特大、大、中、小容量四種系統,按敷設方式可分為隧道(包括地下、水下)、高架和地面三種。按支撐形式或牽引方式可分為輪軌接觸系統和磁軌接觸系統,前者包括市郊鐵路、地鐵、輕軌、有軌電車,單軌、膠輪軌等,后者包括直線電機LIM,磁懸浮等。2.1 市郊鐵路 市郊鐵路相當于在市區和郊區間的鐵路,其編組靈活,能實現高效運輸,最大可按10~12輛編組,單向每小時最大運送能力可達68萬人,與地鐵、輕軌等軌道交通形式相比,市郊鐵路具有速度高,站間距大,運送能力強等特點。2.2 地鐵 地鐵多建于超大城市或特大城市市區內部,軸重普遍大于13t,可達到單向高峰小時斷面流量4萬人次以上,屬于大容量快速軌道交通系統。運營速度一般為35~40k/h,最大車速可達80k/h。可吸引大量客流,還可建為綜合換乘中心和商業服務中心,充分利用地下空間,緩解城市用地緊張狀況。但地鐵造價昂貴,建設周期長。2.3 輕軌 輕軌一般用于中等城市或交通狀況較好的大城市或特大城市市區外圍衛星城、旅游景區、經濟開發區等與市區聯系的交通干線,軸重普遍小于13t,單向小時客運能力1~4萬人。24 磁懸浮 目前比較成熟的磁懸浮鐵路技術主要有日本的超導超高速磁懸浮ML(Maglev)、德國的常導超高速磁懸浮“運捷”TR、日本航空的常導中低速磁懸浮HSST三種。2.5 直線電機LIM 直線電機LIM也稱為輪軌直線電機鐵路,簡稱直線電機客運系統、直線電機系統、直線電機鐵路、直線電機地鐵。它是介于磁懸浮與傳統輪軌鐵路之間的交通方式,在支承方面與輪軌系統相同,即利用車輪起支承作用;但在驅動方面卻采用了磁懸浮鐵路的方式,即采用直線電機牽引。3 LIM軌道交通特色3.1 造價更低 由于LIM利用感應原理來推動車輛前進,不需要將旋轉運動轉換成直線運動,從而省去了齒輪箱等一系列傳動機構。這樣,車廂底板面可以大大降低,從而減少車體斷面的尺寸。安裝直線電機的車輛斷面比傳統車輛小,寬度為89%、高度為77%。3.2 良好的選線特性 直線電機車輛不受輪軌之間粘著限制,因此具有較好的爬坡能力。常規鐵路的坡道一般不超過3%~4%,采用直線電機后坡度可以增加一倍,可達6%~8%。因此非常適合城市軌道小曲線、大坡度性能的需要。有利于城市軌道交通選線,達到較好的工程、經濟性能。3.3 良好的牽引和制動性能 將直線感應電動機的定子部分安裝在車上,轉子部分變成一條感應軌,鋪設在兩個走行軌之間。當通過電流時,定子和轉子兩部分產生的磁場相互作用,直接拖動車輛運行和實現車輛制動。由于牽引力和制動力均來自磁場間的相互作用,這種非粘著性驅動不受車輪與軌道間摩擦系數的影響,與普通標準地鐵相比,可產生較高的啟動加速度和制動減速度。3.4 安全性好 列車可以采用全自動化運行控制方式,安全程度高。站內裝置了安全監測系統,接收到異常信息會立即自動命令列車緊急停車。3.5 運送能力適中 運送能力可以達到每小時3萬人次,在具有一定規模的地鐵網絡中能發揮其應有作用,非常適合中小運量。3.6 噪音低 由于驅動系統沒有任何旋轉部分,其運行噪音可以維持在很低的水平。直線電機列車可使噪音水平降至70dB以下(測量處距軌道中心10m,車速為60km/h),比普通地鐵降低10dB左右。3.7 養護維修及其他 直線電機的應用大大減少了側滑及空轉現象,可以節省養護維修費用。4 首都機場線采用LIM軌道交通方式的可行性 首都機場線主要輸送民航客流和接送客流,表1是首都機場高峰小時旅客吞吐量預測。 2008年高峰小時人數達到了18000,正好在LIM軌道交通的優勢運距內,由于中間設站較少,對啟動、制動加速度要求較高,相對HSST和TR而言,由于后者不易保持懸浮狀態穩定性,對磁浮系統提出了嚴格要求,而LIM軌道交通技術較為成熟,目前已在至少6個國家10余條線路上得到應用。從這個意義上看來,首都機場線采用LIM軌道交通方式更為合理。 鑒于上海已采用德國TR技術建成世界第一條運營線,滬杭磁浮線也已正式立項,首都機場線作為北京面向世界的一扇窗口,采用目前國內還沒有運營線的LIM軌道交通,無疑是北京的一道靚麗風景線,有助于提升其作為世界性大城市的形象。 首都機場線途經區域拆遷費用高,而且已有建筑物使得選線的余地變得非常小,LIM的小曲線半徑、大坡度特色能減少地下及管線改動工程量,同時便于施工。此外,造價低,安全性高,噪聲低,養護維修量少,在城市中采用直線電機軌道交通較常規的輕軌地鐵更具優越性。 綜合考慮各種軌道交通方式,并對三種技術選型即LIM軌道交通、HSST和TR的運行速度和票價差異等因素進行對比,并考慮安全、事故、環境等社會經濟效果的評價,根據北京市政院所作的客流量預測,對首都機場線而言,從優到劣方案排序為:LIM軌道交通優于HSST,HSST又優于TR。參考文獻:[1]董焰,單連龍.中國城市軌道交通未來十年發展趨勢及政策導向[J].城市軌道交通研究,2004,(3):6~9.[2]郝海龍.直線電機車輛動力學仿真研究[D].北京交通大學[碩士論文],2005.3.[3]俞展猷.直線電機在城市軌道交通系統中的應用[J].中國鐵路,2003,(4):46~48.[4]時瑾,魏慶朝,萬傳風.直線電機地鐵線路設計關鍵技術[J].中國鐵道科學,2004,(2):130~133.[5]顧保南,姜曉明,程曜彥,等.論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇[J].同濟大學學報,2003,(4):428~431.