“六軸五車體”100%低地板輕軌車輛技術(shù)方案

王忠杰， 尹力明

（1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海200235；2.上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海200233）

輕軌交通作為解決大城市的支線交通和中小城市的干線交通問題的途徑之一已被廣泛接受[1]，并得到系統(tǒng)性的研究[2]。輕軌車輛具有容量較大、易過小曲線、噪聲低、乘坐舒適、無環(huán)境污染、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。社會(huì)需求的多樣性和輕軌車輛的復(fù)雜性使各國(guó)研究了種類繁多的輕軌列車，目前我國(guó)非常有必要在借鑒國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究適合我國(guó)國(guó)情的輕軌車輛[3－4]。低地板輕軌車輛以其方便旅客乘降，編組多樣，運(yùn)行靈活，投資少，建設(shè)速度快，與現(xiàn)有公交站臺(tái)、路面資源共享等特點(diǎn)非常適應(yīng)大城市的支線交通、干線的末端收集系統(tǒng)和中小城市的干線交通的需求，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

1 低地板輕軌車輛技術(shù)發(fā)展概況

低地板輕軌車輛是指車體的地板面距離軌面高度在350～400 mm的軌道交通車輛。一般低地板輕軌車輛的列車模塊為2～7節(jié)，總長(zhǎng)度約為19～43 m，具有中等運(yùn)能，其在城市軌道交通中填補(bǔ)了公共汽車與地鐵運(yùn)量間的空白。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上30多個(gè)國(guó)家的140多個(gè)城市已擁有超過5 000多輛低地板輕軌車輛。在我國(guó)城鎮(zhèn)化和城市遠(yuǎn)郊化的社會(huì)背景下，低地板輕軌車輛必將獲得廣泛運(yùn)用，具有很大的市場(chǎng)前景[5]。

按低地板面占整個(gè)車輛貫通道地板面的比例區(qū)分，低地板輕軌車輛的發(fā)展經(jīng)歷了分段式低地板（低地板面比例約為15%～20%）、中間貫通式低地板（低地板面比例約為70%）、全低地板（低地板面比例為100%）3個(gè)階段[6]。而100%低地板車輛由于車廂內(nèi)流動(dòng)通道無臺(tái)階或斜坡，最方便旅客流動(dòng)、乘降；因此，它是國(guó)內(nèi)外低地板輕軌車輛發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是運(yùn)營(yíng)商追求的目標(biāo)，在歐洲已得到廣泛應(yīng)用。

世界上第一輛100%低地板輕軌車輛是由AEG MAN和Kiepe公司聯(lián)合生產(chǎn)，于1990年2月在德國(guó)的不來梅市投入使用。此后，歐洲的法國(guó)、意大利等國(guó)，北美的美國(guó)、加拿大，亞洲的日本，也都相繼出現(xiàn)了100%低地板輕軌列車。從20世紀(jì)90年代開始，總共有十幾個(gè)廠家生產(chǎn)出二十幾種型號(hào)的100%低地板輕軌車輛。隨著技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)勝劣汰，目前國(guó)際上的100%低地板輕軌車輛的生產(chǎn)技術(shù)基本由西門子、阿爾斯通、龐巴迪和Ansaldo Breda等公司所壟斷，并且各公司形成了各自的品牌，如Combino（西門子公司），Citadis（阿爾斯通公司），F(xiàn)lexity Outlook（龐巴迪公司），Sirio（Ansaldo Breda公司）等。

低地板輕軌車輛在我國(guó)還處在初期發(fā)展階段：大連市輕軌公司在原有軌電車線路上改造、研制了70%的低地板輕軌車輛；長(zhǎng)春市快軌交通已運(yùn)用了低地板輕軌車輛，基本還都屬于第二代低地板輕軌車輛。

70%低地板輕軌列車與100%低地板輕軌列車相區(qū)別的關(guān)鍵的技術(shù)主要是在動(dòng)力轉(zhuǎn)向架及其驅(qū)動(dòng)上。70%低地板輕軌列車端部采用傳統(tǒng)的剛性輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，并作為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，而列車的中部通常使用不帶動(dòng)力的小輪徑剛性輪對(duì)轉(zhuǎn)向架或獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架；而100%低地板輕軌列車轉(zhuǎn)向架一般通過如下方式實(shí)現(xiàn)100%低地板：

（1）全部采用小直徑傳統(tǒng)輪對(duì)；

（2）動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用小直徑傳統(tǒng)輪對(duì)，拖車轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪對(duì)；

（3）拖車轉(zhuǎn)向架采用小直徑傳統(tǒng)輪對(duì)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪對(duì)；

（4）全部采用獨(dú)立輪對(duì)。

由于傳統(tǒng)輪對(duì)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架技術(shù)及其驅(qū)動(dòng)相對(duì)成熟可靠，而獨(dú)立輪對(duì)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架及其驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高，關(guān)鍵技術(shù)尤其是獨(dú)立輪對(duì)的牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)研制難度大、造價(jià)高；因此，本文的100%低地板輕軌列車采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向架使用小直徑傳統(tǒng)輪對(duì)，拖車轉(zhuǎn)向架使用獨(dú)立輪對(duì)的成熟的技術(shù)方案。

2 100%低地板輕軌車輛總體技術(shù)方案

2.1 輕軌車輛的技術(shù)特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外輕軌車輛具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）站間距離短，啟停頻繁，對(duì)牽引和制動(dòng)性能要求很高；啟動(dòng)加速度達(dá)到1 m／s2；制動(dòng)減速度達(dá)到1.2 m／s2；緊急制動(dòng)減速度達(dá)到2 m／s2。

（2）最小曲線半徑可達(dá)25 m，要求走行部曲線通過性能好。

（3）運(yùn)營(yíng)線路的坡度大，可達(dá)30‰～60‰，要求車輛能順利通過小半徑豎曲線。

（4）對(duì)噪聲指標(biāo)控制嚴(yán)格，要求有減噪措施，比地鐵噪聲至少降低3～5 dB；通過小曲線時(shí)，可降低8～10 dB。

（5）軸重一般為10～12 t，車輛斷面較地鐵小，長(zhǎng)度也較短，車體連接多采用鉸接形式。

（6）軸距較小，為1.8～1.9 m，采用較小的軸距有利于通過小半徑平曲線。

（7）走行部結(jié)構(gòu)布置緊湊，尤其對(duì)于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架而言，由于軸距較小，車體地板低，要在有限的空間布置電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱及制動(dòng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)潔緊湊。

2.2 100%低地板輕軌車輛技術(shù)方案

2.2.1 車輛概況

借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的低地板車輛編組總體技術(shù)方案，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)各城市輕軌交通的要求（如客流量等）、機(jī)車車輛行業(yè)制造水平、軌道裝備供應(yīng)商配套能力等，本文所提出100%低地板輕軌車輛的總體技術(shù)方案如圖1所示，整列車為“六軸五車體模塊”的編組形式。

圖1 100%低地板車輛三維模型

2.2.2 車輛總體技術(shù)參數(shù)

低地板比率為100%；

地板面高度為350 mm（司機(jī)室480 mm）；

過道寬度為800 mm／1 300 mm；

車輛高度為3 600 mm；

車輛寬度為2 650 mm；

車輛長(zhǎng)度為28 200 mm；

軌距為1 435 mm；

通過最小平曲線半徑為20 m；

最小豎曲線半徑為1 000 m；

最大坡度為35‰；

座位定員為44人，額定為197人，超員為248人；

空車質(zhì)量44 t，額定質(zhì)量55.8 t，超員列車重量為58.9 t；

網(wǎng)供電壓為DC 750 V；

最高運(yùn)行速度為80 km／h；

啟動(dòng)加速度為1.0 m／s2（0～30 km／h）；

制動(dòng)減速度，常用為1.2 m／s2，緊急時(shí)為2.2 m／s2；

制動(dòng)方式為電制動(dòng)＋軸盤式空氣制動(dòng)＋磁軌制動(dòng)；

轉(zhuǎn)向架軸式為Bo－2－Bo；

軸重為11 t；

輪對(duì)組成：動(dòng)車為傳統(tǒng)輪對(duì)，拖車為獨(dú)立輪對(duì)；

輪徑為660 mm（新輪）；電機(jī)功率為4×120 k W。

2.2.3 車輛總體技術(shù)方案

（1）編組形式

圖2為“六軸五車體模塊”的編組形式，具體方案如下：整列車分別由兩端的司機(jī)室車體、中間的短車體及2個(gè)較長(zhǎng)的浮動(dòng)車體等五車體組成，在司機(jī)室和短車體下方都各布置一個(gè)轉(zhuǎn)向架，車體間采用車鉸聯(lián)接。

圖2 列車編組形式

（2）地板面高度方案

100%低地板輕軌車輛中間拖車轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪對(duì)，轉(zhuǎn)向架上方車廂內(nèi)貫通道地板高度為350 mm。兩端動(dòng)車轉(zhuǎn)向架仍采用傳統(tǒng)輪對(duì)，放到獨(dú)立的司機(jī)室下面。司機(jī)室的地板面可以高一些（通過一個(gè)臺(tái)階進(jìn)入司機(jī)室），但不會(huì)影響乘客區(qū)的地板面高度，從而實(shí)現(xiàn)350 mm高度的乘客區(qū)100%低地板。

（3）轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)概況

100%低地板輕軌車輛轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架兩大類。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架主要部件組成包括：① 內(nèi)置式構(gòu)架裝置；② 橡膠彈簧減震的輪對(duì)軸箱定位裝置，采用傳統(tǒng)小直徑并優(yōu)化了踏面形狀的彈性車輪；③ 帶附加氣室的空氣彈簧中央懸掛裝置；④ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙牽引拉桿裝置；⑤ 一軸一盤的軸盤制動(dòng)裝置和2套磁軌制動(dòng)裝置；⑥ 外側(cè)懸掛縱向布置的電機(jī)齒輪箱傳動(dòng)裝置[7]。

拖車轉(zhuǎn)向架與動(dòng)車轉(zhuǎn)向架比較，沒有電動(dòng)機(jī)齒輪箱傳動(dòng)裝置，構(gòu)架的側(cè)粱為U形，采用獨(dú)立輪軸橋結(jié)構(gòu)，一輪一盤的制動(dòng)裝置，其余結(jié)構(gòu)與動(dòng)車轉(zhuǎn)向架基本相同。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架的總體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型如圖3、4所示。

圖3 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架實(shí)體模型

（4）車體斷面方案

圖4 拖車轉(zhuǎn)向架實(shí)體模型

100%低地板輕軌車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架車軸處、中心處剖視斷面，拖車轉(zhuǎn)向架車軸處、中心處剖視斷面及浮動(dòng)車體的剖視斷面如圖5所示。車輛寬度2 650 mm，動(dòng)、拖轉(zhuǎn)向架的車輪內(nèi)側(cè)距均為1 360 mm，中間過道寬度除浮動(dòng)車體外都是800 mm，浮動(dòng)車體考慮座椅為縱向布置，中間過道寬度為1 300 mm。

圖5 車輛斷面圖

（5）車端聯(lián)結(jié)方案

100%低地板輕軌車輛的車體間，除采用橡膠風(fēng)擋和緩和縱向沖擊的車端減振器外，還采用了普通軌道車輛不常用的車鉸結(jié)構(gòu)[8]，具體鉸接布置方案如圖6所示，它能使列車順利通過平面曲線和豎曲線，且列車各功能件間不發(fā)生相互干涉。

圖6 車端聯(lián)結(jié)

（6）門窗座椅布置方案

“六軸五模塊”車輛在浮動(dòng)車體上設(shè)置4對(duì)雙開塞拉門。車窗在每種車體上都布置，并盡量采用通透的超大車窗；全車座椅定員44個(gè)，司機(jī)室不設(shè)置乘客座椅，短車體由于下面有轉(zhuǎn)向架宜布置成雙排靠背座椅，中間過道也可站人，較長(zhǎng)的浮動(dòng)車體則布置縱向長(zhǎng)椅，以便讓出更多的過道空間，增加載客量，如圖7所示。車輛額定載客量為197人，超員載客量為248人，完全滿足城市輕軌載客量要求。

圖7 門窗座椅布置

（7）制動(dòng)方案

低地板車輛大都運(yùn)行在城市的普通街道上，有時(shí)甚至與行人、機(jī)動(dòng)車輛共享道路資源，需要較大的制動(dòng)減速度。100%低地板輕軌車輛確定了電制動(dòng)＋機(jī)械制動(dòng)＋磁軌制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)方案。常用制動(dòng)時(shí)，先用電制動(dòng)將車速降至5 km／h，再用空氣杠桿制動(dòng)直至停車。緊急制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)器、機(jī)械制動(dòng)器及磁軌制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作，制動(dòng)減速度達(dá)到2.2 m／s2要求。上述制動(dòng)裝置的聯(lián)合作用過程具體情況如圖8所示[9]。

圖8 制動(dòng)系統(tǒng)的工作特性

（8）車輛其他系統(tǒng)

100%低地板輕軌車輛其他系統(tǒng)參照國(guó)內(nèi)現(xiàn)有軌道交通車輛采用的系統(tǒng)，如功率輸入電壓的額定值為DC750 V；受電方式為架空柔性接觸網(wǎng)及使用受電弓受電；交流牽引系統(tǒng)采用IGBT－VVVF的交流調(diào)速方案；牽引與制動(dòng)采用32位以上微機(jī)處理器控制；額定輸出功率為2×（120 k W×2）；主電機(jī)設(shè)短路、過壓、過流、過熱與欠壓保護(hù)裝置；風(fēng)源系統(tǒng)采用空氣壓縮機(jī)組；車廂內(nèi)的環(huán)境控制采用空調(diào)器、電熱取暖器等。

接觸網(wǎng)受電弓布置于中間的短車體上端，空調(diào)機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組布置于浮動(dòng)車體上端盡量靠近司機(jī)室車體處，逆變器、蓄電池布置于兩端司機(jī)室車體上端，以平衡動(dòng)、拖車間的軸重。

2.3 100%低地板輕軌車輛動(dòng)力學(xué)性能分析

2.3.1 100%低地板輕軌車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型

利用SIMPACK軟件建立的100%低地板輕軌車輛系統(tǒng)仿真模型如圖9所示。

2.3.2 100%低地板輕軌車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化

圖9 100%低地板輕軌車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

用SIMPACK軟件通過對(duì)輕軌車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)曲線通過性能的計(jì)算比較，優(yōu)化選擇了轉(zhuǎn)向架一、二系懸掛及車體間減振器的參數(shù)，如表1所示。

表1 一、二系懸掛等參數(shù)及車體間減振器參數(shù)

2.3.3 100%低地板輕軌車輛動(dòng)力學(xué)性能分析

（1）運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

空車狀態(tài)下的臨界速度為195 km／h，超載狀態(tài)下的臨界速度為202 km／h，完全能夠滿足80 km／h速度安全運(yùn)行的需要，并有足夠的裕量。

（2）運(yùn)行平穩(wěn)性分析

空車和超載狀態(tài)下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在80 km／h的速度范圍內(nèi)都沒有超過2.5，達(dá)到了GB5599－85規(guī)定的優(yōu)等標(biāo)準(zhǔn)。

（3）運(yùn)行安全性分析

空車和超載狀態(tài)下，各以v＝5 km／h通過20 m平曲線半徑、v＝10 km／h通過50 m平曲線半徑、v＝20 km／h通過100 m平曲線半徑、v＝40 km／h通過250 m平曲線半徑、v＝60 km／h通過300 m平曲線半徑和v＝80 km／h通過600 m平曲線半徑的線路，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均未超過GB5599－85規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

100%低地板輕軌車輛采用“六軸五車體模塊”列車編組形式，在兩端司機(jī)室布置帶傳統(tǒng)輪對(duì)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，在中間短車體下方布置帶獨(dú)立車輪的非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，車體間采用車鉸連接，該技術(shù)方案是較成熟的。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)車車輛行業(yè)制造水平的基礎(chǔ)上，整車各部位結(jié)構(gòu)及功能均能實(shí)現(xiàn)，動(dòng)力學(xué)性能也均滿足了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。該技術(shù)方案已于2011年4月完成了全部技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并于2011年6月通過了軌道交通領(lǐng)域?qū)＜业脑u(píng)審，主要結(jié)論如下：①技術(shù)方案結(jié)合了實(shí)際工程需要，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值；② 技術(shù)方案的特色是使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)了客室的100%低地板，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，車輛總體設(shè)計(jì)方案新穎、可行、合理、詳細(xì)；③ 技術(shù)方案的動(dòng)力學(xué)性能均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，證實(shí)了方案設(shè)計(jì)的正確性。

但100%低地板輕軌車輛的試制，特別是今后的工程化有待進(jìn)一步深入研究，包括：① 需具體針對(duì)某一城市具體線路的100%低地板車輛項(xiàng)目，有針對(duì)性地進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)論證工作；②需對(duì)車體、構(gòu)架、軸箱等關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析對(duì)輕軌車輛進(jìn)行牽引制動(dòng)仿真計(jì)算并需進(jìn)行一系列的強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)和多種性能的型式試驗(yàn)等；③ 關(guān)鍵零部件如制動(dòng)裝置、牽引裝置、彈性車輪等需深入地與科研院所、專業(yè)配套商一起研制。

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