直線電機(jī)車輛與輕軌車輛的應(yīng)用比較

1、直線電機(jī)車輛與輕軌車輛的應(yīng)用比較姬霖王建(廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院,510010,廣州第一作者,工程師摘要直線電機(jī)作為一種新的交通驅(qū)動方式引起國內(nèi)技術(shù)人員的關(guān)注。介紹了直線電機(jī)車輛與輕軌車輛主要裝置的原理及優(yōu)點(diǎn),并對它們進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,提出了直線電機(jī)車輛的應(yīng)用條件。關(guān)鍵詞城市軌道交通,直線電機(jī)車,輕軌車中圖分類號U 270.9A Comp arison of LIM and L RT V ehicles Ji Ling ,Wang JianAbstract As a new transport propulsion m odel ,the linear induction m otor (

2、LI M vehicle has been noticed by internal engineers.Its value is found in the combination of s ome new equipments which composes the vehicle.S ince LI M always mix all these equipments together ,it is w ondered if any of the equipments can w ork independently.This pa 2per discusses the operational c

3、ondition of LI M vehicle and the practi 2cal use of the new equipments ,finally makes a comparis on of LRT (light rail transit and LI M vehicles.K ey w ords urban mass transit ,linear m otor vehicle ,light rail ve 2hicleFirst 2authors address G uangzhou Metro Design &Research In 2stitute ,510010

4、,G uangzhou ,China自從1986年1月溫哥華Skytrain 一期工程向公眾開放后,在城市軌道交通中采用直線電機(jī)車輛的實(shí)施項(xiàng)目逐漸增多1。由于溫哥華Skytrain 工程的示范作用及選用直線電機(jī)車輛在線路選線、環(huán)境保護(hù)、投資控制及運(yùn)營維修上的優(yōu)異表現(xiàn),國內(nèi)從事軌道交通的技術(shù)人員逐漸對其有所了解,并希望使用這種技術(shù)2,3。本文在剖析了直線電機(jī)車輛的各種優(yōu)點(diǎn)及其相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)用,并與輕軌車輛進(jìn)行對比,以便從車輛構(gòu)件選用的層面全面理解直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)。1直線電機(jī)車輛1.1直線電機(jī)車輛構(gòu)件分析1.1.1直線電機(jī)(1直線電機(jī)驅(qū)動原理一般的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生電磁力及轉(zhuǎn)動力矩使電機(jī)

5、能連續(xù)轉(zhuǎn)動。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方式要轉(zhuǎn)化到車輪的直線運(yùn)動時(shí),需要額外的傳動裝置。同時(shí)車輪運(yùn)動受到輪軌間蠕滑作用所控制,因此旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動是典型的粘著驅(qū)動方式。直線電機(jī)可視為將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子展開后,分別裝置在車輛或軌道上。此時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直接變?yōu)橹本€運(yùn)動。反應(yīng)板承受定轉(zhuǎn)子間的電磁力(見圖1,而輪軌間僅起垂直承載及水平導(dǎo)向作用,因此可視為非粘著驅(qū)動方式。由于驅(qū)動方式改變,取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動裝置(見圖2。直線電機(jī)驅(qū)動根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子安裝位置分為兩種:一種為長定子直線電機(jī),定子安裝在軌道中間,轉(zhuǎn)子安裝在車輛上,適合于高速列車運(yùn)行模式;另一種為短定子直線電機(jī),轉(zhuǎn)子安裝在軌道中間,定子繞組安裝在車輛上,適

6、合于中低速列車運(yùn)行模式。 圖1直線電機(jī)驅(qū)動示意圖圖2直線電機(jī)及轉(zhuǎn)向架示意圖(2直線電機(jī)優(yōu)點(diǎn)取消旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動裝置,可采用小輪徑(580610mm ,從而降低了車輛地板到軌面的高度,也可減少隧道斷面尺寸(特別在高度方向;取消傳動裝置,減少此部分維修量及運(yùn)營噪聲;車輛的牽引力(制動力與輪軌粘著條件無關(guān),對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),同時(shí)有很大的爬坡能力(6080;輪軌間不傳遞牽引力(制動力,車輪不需防空轉(zhuǎn)及防滑控制,同時(shí)減少磨損及維修工程量;通過改變電壓與頻率控制磁場變化,對列車加、減速控制可靠(加速度為1.031.25m/s 2,機(jī)械制動維修工作量少、噪聲低。1.1.2徑向轉(zhuǎn)向架(1徑向轉(zhuǎn)向架原理徑向轉(zhuǎn)向架基

7、本設(shè)想是基于19世紀(jì)末德國人K lose 提出的“如果輪對在曲線上沿切線方向作純滾動,則輪軌間的磨耗將為最小”的理論。常規(guī)轉(zhuǎn)向架為了傳遞縱向牽引力,輪對有很大縱向剛度。因此,同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)的車軸總是保持平行,即使進(jìn)入曲線也是如此(見圖3。由于前軸的沖角(車輪與軌道切線的夾角的存在,增大了輪軌間的橫向作用力,使車輪易于爬軌,而且使輪緣和軌側(cè)磨耗增加。常規(guī)轉(zhuǎn)向架受自身構(gòu)造的約束,無法解決“導(dǎo)向與牽引”的矛盾。而徑向轉(zhuǎn)向架由于在機(jī)構(gòu)上進(jìn)行改造(見圖4,能有效地實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。根據(jù)導(dǎo)向原理,徑向?qū)蚣芊譃閮煞N:自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架和迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架。自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架主要是通過解除對輪對的搖頭約束,并通過拉桿使前后輪

8、對同時(shí)趨于曲線徑向位置來達(dá)到減少沖角的目的;而迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架則通過將車體相對構(gòu)架的轉(zhuǎn)角傳遞給前后輪對,以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。 圖4徑向轉(zhuǎn)向架圖3常規(guī)轉(zhuǎn)向架(2徑向轉(zhuǎn)向架優(yōu)點(diǎn)降低曲線段輪軌磨損及噪聲;能通過小曲線半徑(約50m ,對城市建筑物密集條件下選線有較大優(yōu)越性;減少車輛段規(guī)模,降低工程土建造價(jià)。1.1.3直線電機(jī)車輛的應(yīng)用目前已投入商業(yè)運(yùn)營的直線電機(jī)車輛主要由兩家制造商生產(chǎn):Bombardier 公司及日本日立公司。兩家在直線牽引電動機(jī)、反應(yīng)板、轉(zhuǎn)向架、VVVF (交流調(diào)壓變頻逆變器等關(guān)鍵技術(shù)上有很大差別,但在車輛設(shè)計(jì)原則上基本一致:最大限度減少空車質(zhì)量。因?yàn)檫@直接影響到直線電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)

9、用及效率。由于直線電機(jī)車輛取消了傳動裝置,采用了小輪徑,使車輛高度降低,從而使空車質(zhì)量大為減少。直線電機(jī)車輛具有以下優(yōu)點(diǎn):(1減少噪聲和震動根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料,地鐵車廂內(nèi)運(yùn)營噪聲可達(dá)80dB (A ,在臺灣甚至有100dB (A 的報(bào)導(dǎo)。相對旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言,直線電機(jī)車輛取消傳動裝置后改善了輪軌沖擊程度,在運(yùn)營中能較大幅度較少噪聲水平。直線電機(jī)與其他運(yùn)輸形式噪聲對比見表15。表1不同運(yùn)輸方式最大噪聲水平對比表運(yùn)輸方式噪聲水平/dB (A 摩托車75.5大型貨車7178柴油(天然氣汽車7078傳統(tǒng)輕軌車7280有軌電車6973直線電機(jī)車輛6573.5注:傳統(tǒng)輕軌車數(shù)據(jù)取自加拿大埃德蒙頓及美國波特蘭(2

10、便于選線其優(yōu)良的通過曲線能力、爬坡能力特別適合于在構(gòu)筑物密集的城市區(qū)域及丘陵(或地質(zhì)復(fù)雜地段,同時(shí)對車輛段選擇難度降低。(3減少工程造價(jià)首先能降低線路實(shí)施難度,其次可降低沿線構(gòu)筑物拆遷及加固工程量,降低困難地段結(jié)構(gòu)對應(yīng)措施;此外,可較大幅度減少車輛段規(guī)模。(4減少運(yùn)營維修量可減少車輪、軌道維修強(qiáng)度,取消減速箱等傳動裝置維修,但增加反應(yīng)板維修內(nèi)容。2輕軌車輛輕軌是城市軌道交通中的重要組成部分,具有投資少,見效快,易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),輕軌系統(tǒng)脫胎于有軌電車的歷史決定了輕軌車輛技術(shù)的發(fā)展及新裝置的應(yīng)用是以狹窄的城市背景作為其設(shè)計(jì)應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)。它天然地具有小半徑、大坡度、制動快及注重環(huán)保等特點(diǎn)。大量

11、現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用使輕軌車輛使用性能得到較大提升,其中最重要的就是獨(dú)立車輪、軸橋技術(shù)的應(yīng)用。2.1獨(dú)立車輪應(yīng)用當(dāng)同一車軸兩側(cè)車輪固定壓裝在車軸上時(shí),兩側(cè)車輪一直保持同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)。因此,在直線上運(yùn)行時(shí),線路的不平順使其產(chǎn)生蛇行運(yùn)動;而在曲線上運(yùn)行時(shí),輪對在同步轉(zhuǎn)動條件下,內(nèi)外軌上行走的不相等距離不能完全依靠車輪不同半徑的滾動圓來彌補(bǔ),因此在輪軌間產(chǎn)生很大的滑動、磨耗和噪聲。解決上述問題的有效辦法是使兩個(gè)車輪能夠分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn),即獨(dú)立車輪。獨(dú)立輪對在理論上不存在縱向蠕滑力,不會產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(見圖5、6。在非動力轉(zhuǎn)向架上采用獨(dú)立輪對相對比較簡單。對于動力轉(zhuǎn)向架,一般采用3種方案:輪轂電機(jī),萬向軸驅(qū)動,縱向

12、電機(jī) 。圖5 獨(dú)立車輪應(yīng)用原理圖6 獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架獨(dú)立車輪具有以下優(yōu)點(diǎn):消除了蛇行運(yùn)動,使車輛不再有蛇行臨界速度限制;大大減少了輪軌之間的磨耗和噪聲,在小半徑曲線上輪緣磨耗和噪聲大為降低;減少了橫向輪軌力(特別是在小半徑曲線地段;降低了車輛地板高度,從而可減少隧道斷面尺寸(特別在高度方向;采用輪轂電機(jī)驅(qū)動,能省略齒輪傳動系統(tǒng),減少噪音及相應(yīng)維修工程量。2.2輕軌車輛的優(yōu)點(diǎn)輕軌車輛與地鐵車輛相比有以下差別:輕軌車輛軸重較地鐵車輛輕(國外輕軌車輛軸重一般小于11t ,地鐵車輛則為16t ;輕軌車輛采用絞節(jié)車,其寬度、長度較地鐵車輛小,能適應(yīng)較小的轉(zhuǎn)彎半徑;輕軌車轉(zhuǎn)向架布置有很大的靈活性,列車長度可

13、根據(jù)斷面流量靈活配置;75%及100%低地板輕軌車采用獨(dú)立輪對或軸橋裝置(見圖7,車輛地板距軌面高度較小,可方便乘客在人行道上下車 。圖7軸橋及低地板轉(zhuǎn)向架3車輛技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較直線電機(jī)車輛與輕軌車輛、地鐵車輛的技術(shù)參數(shù)見表2。從表2可以看出,直線電機(jī)與輕軌車輛均十分適合于在城市環(huán)境中布設(shè),其車輛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)除緊急制動加速度有較大區(qū)別外,其它差別不大,甚至在某些方面可以說輕軌車輛要優(yōu)于直線電機(jī)車輛。在主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)車輛造價(jià)及運(yùn)營成本上,由于車型、載客量的不同,難以作同等水平的比較,因此表中數(shù)據(jù)只有參考價(jià)值。但由于目前直線電機(jī)車輛的核心技術(shù)只是掌握在少數(shù)國外制造商手中,國內(nèi)必須采取進(jìn)口手段,因此其價(jià)格的競

14、爭并不充分。相比而言,輕軌車輛更具有經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)有相對成熟的技術(shù)積累,如天津、大連輕軌工程已采用國產(chǎn)輕軌車輛。能生產(chǎn)輕軌車輛的制造商數(shù)量也較直線電機(jī)車輛更充足。表2直線電機(jī)車輛、輕軌車輛、地鐵車輛技術(shù)參數(shù)比較直線電機(jī)車輛輕軌車輛地鐵車輛線路條件最小平曲線半徑/m5020(特殊條件35(無專用路權(quán)條件90(地面150(高架300最小豎曲線半徑/m1000250(凸曲線350(凹曲線2000最大坡度/(506040(無限制條件60(有限制條件30車輛性能最高速度/(km/h8090809080緊急制動加速度/(m/s2 1.25>2.7<1.3噪聲/dB(A6573.5697380經(jīng)濟(jì)

15、性車輛造價(jià)/(萬元/人 4.61(廣州4號線3.22(國產(chǎn)低地板車(國外車:3萬歐元/m295.71(廣州1號線A型車3.19(廣州2號線A型車綜上所述,對直線電機(jī)及輕軌車輛可以有以下認(rèn)識:從組成直線電機(jī)車輛的有關(guān)構(gòu)件應(yīng)用歷史分析,直線電機(jī)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了多種新技術(shù)、新裝置。這些新技術(shù)、新裝置是可以獨(dú)立使用的,并非密不可分(如驅(qū)動方式與線路平豎曲線限制。就直線電機(jī)車輛的新裝置應(yīng)用原理而言,他們的應(yīng)用范圍不限于地鐵,可以擴(kuò)展到所有輪軌系統(tǒng)。從直線電機(jī)車輛參數(shù)分析,與輕軌車輛有高度的相似性,這從另一個(gè)側(cè)面說明其與輕軌車輛的關(guān)系。加拿大溫哥華Skytrain線正式名稱為“全自動輕軌運(yùn)輸系統(tǒng)”(Auto

16、mated Light Rail Transit System,并非地鐵系統(tǒng)。直線電機(jī)車輛及輕軌車輛仍處于不斷創(chuàng)新及改良的階段。但由于這些新技術(shù)、新裝置均涉及到知識產(chǎn)權(quán)問題,為車輛國產(chǎn)化提出了很高要求。對于輕軌系統(tǒng)可以采用前期選用部分低地板車輛,遠(yuǎn)期選用完全低地板車輛策略來降低國產(chǎn)化難度。但直線電機(jī)驅(qū)動方式必須一步到位。雖然國內(nèi)技術(shù)人員對直線電機(jī)原理有一定認(rèn)識,但對其運(yùn)營中具體表現(xiàn)尚未有深刻理解。同時(shí)國內(nèi)車輛技術(shù)與國際水平仍有很大差距。為此建議:應(yīng)充分利用國內(nèi)同時(shí)擁有常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛和直線電機(jī)車輛的運(yùn)營機(jī)會,盡量對兩系統(tǒng)進(jìn)行全方位的調(diào)查分析,將運(yùn)營、車輛及軌道維修工程量進(jìn)行數(shù)據(jù)化、可視化,為其他項(xiàng)目進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較積累經(jīng)驗(yàn)。輕軌車輛與直線電機(jī)車輛在軌道選線、減少車輛斷面上有同等級的優(yōu)點(diǎn),因此在車輛選擇上應(yīng)與直線電機(jī)車輛同時(shí)列入,并在綜合經(jīng)濟(jì)比較后再確定車輛選擇方案。輕軌車輛在較好地解決低地板轉(zhuǎn)向架、獨(dú)立輪對轉(zhuǎn)向架等核心部件國產(chǎn)化后,有更大優(yōu)勢擴(kuò)展使用范圍。參考文獻(xiàn)1張振生.直線電機(jī)城市軌道交通車輛綜述.變流技術(shù)與電力牽引, 2003(4:12胡引娥.線性電機(jī)的特點(diǎn)及其在廣州地鐵4號線的應(yīng)用考慮.機(jī)車電傳動,2003(6:403譚復(fù)興,張全福,翁夢熊.上海近期發(fā)展城市軌道交通的策略探討.上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào),1996(4:454葉云岳.國內(nèi)外直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述.h