现代有轨电车车辆关键技术.docx
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都市快轨交通·第卷第期200年月5
现代有轨电车车辆关键技术
杨珂李猛郭泽阔肖瑞金
（1.北京城建设计研究总院有限责任公司北京100037）
摘要：
欧美发达国家已拥有成熟的现代有轨电车车辆的关键技术，我国目前正处于技术的引进和消化吸收阶段。
本文对现代有轨电车车辆的关键技术，包括无网供电、转向架、铰接式模块化技术等进行了详细的介绍和探讨，并对我国新建现代有轨电车线路采用这些技术时提出了看法和建议。
最后对技术的国产化提出了建议。
关键词：
现代有轨电车无网供电独立轮对模块化
KeyVehicleTechnologiesofModernTrams
（1．BeijingUrbanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.LTD,Beijing100037；）
Abstract:
Europeancountrieshadmaturelypredominatedkeytechnologiesofmoderntrams,whileChinaisstillunderintroduction,digestionandabsorption.Thekeytechnologiesofmoderntrams,includingwirelesspowersupply,bogieandarticulatedmodularvehicle,areintroducedandinvestigatedindetailinthispaper.Suggestionsaboutkeytechnologiesadoptedduringnewtramlinesisproposed,andsomeadvicearesuggestedtothetechnologieslocalizationinChina.
KeyWords:
moderntrams;wirelesspowersupply;independentwheel;modularvehicle.
1.绪论
有轨电车诞生于1881年的德国，距今已有130多年的历史，其发展经历了诞生、发展、衰退再到复兴的四个阶段。
现代有轨电车的复兴始于上世纪80年代的欧美发达国家，目前欧美多个城市已有多条线路开通运营，部分城市有轨电车线网长度如表1所示。
我国目前已有天津滨海、上海张江开通了两条胶轮自导向式现代有轨电车线路，沈阳浑南新区有轨电车一期工程已进入最后的调试阶段，其有望在2013年8月通车运营。
苏州、北京、深圳、南京等多个城市也都开展了有轨电车项目。
现代有轨电车的复兴，得益于其本身技术的革新。
与传统有轨电车相比，它具有高运量、快速、美观、节能、人性化等多个优点。
[1]作者简介：
郭泽阔，男，硕士，工程师，从事轨道交通车辆与车辆段工艺的研究，11098926@
基金项目：
北京现代有轨电车系统研究,项目编号：
2090506006309017
表1.部分城市有轨电车线网长度[注]
城市
线路数
线网长度
墨尔本
30
250km
圣彼得堡
35
242km
柏林
22
191.6km
巴黎
5
64.5km
注：
表中数据包含传统有轨电车和现代有轨电车
国内已对现代有轨电车进行了多方面的研究，这些研究主要从系统入手，包括从运能、速度、编组、路权等几个方面分析了现代有轨电车系统的主要特征[1]，结合欧洲现代有轨电车的应用实例探讨了其对我国的指导意义[2]，以及结合国内部分线路设计实例对现代有轨电车的系统特点进行阐述等[3]。
本文主要介绍了现代有轨电车车辆的关键技术，包括无网供电技术、现代有轨电车转向架技术、模块化技术等，阐述了其与传统有轨电车的不同之处，对这些技术的采用提出了建议。
最后为车辆关键技术的国产化提出了建议。
2.无网供电技术
过去100多年以来，接触网供电一直是列车供电方式的首选，但随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始反对在城市中设置接触网。
尤其是在一些著名的文物保护区、繁华的商业区，接触网遭到了抵制和反对。
由于接触网供电存在的视觉污染，无网供电技术一直是人类所追求的目标。
欧洲对此进行了长久的研究和探索，也曾发明过很多新颖的方法[4]，但都没有得到实用。
2003年，法国波尔多有轨电车采用的APS系统得到商业化运营，将无网供电技术的发展推向一个高度。
目前，各大轨道交通集团都竞相开发出自己特色的无网供电技术，但无论何种技术皆可将其归为两类：
一是采用分段地面供电，二是采用储能装置供电。
下面对这两类技术进行介绍。
2.1分段地面供电
目前采用分段地面供电技术的有阿尔斯通的分段第三轨供电APS系统，安塞尔多的电磁吸附式Tramwave技术以及庞巴迪采用的无线感应供电Primove系统。
分段地面供电的技术特点表现为需要铺设特殊的轨道和车载受流装置，供电系统可持续供电，无需考虑储能装置那样的续航问题。
2.1.1APS系统
APS系统是无网供电技术在商业化运营中首次得到应用的技术，其系统组成及轨道外观图如图1所示。
（a）系统组成
（b）带有绝缘装置的轨道
图1.APS系统组成
APS系统由深埋于地下的多个电源箱，车载集电靴、天线及开关柜等组成。
其工作原理可看做将普通地铁第三轨供电分成若干相互绝缘的导电轨。
采用地面电源供电，整条接触轨分为若干绝缘段和导体段；当导体段天线检测环线感应到车载天线信号时，相应嵌入式电源箱对相应的导
体段供电；嵌入式电源箱仅对集电靴所在的导体段供电，当集电靴驶离该导体段，电源箱立刻切断该导体段的电源。
现代有轨电车属于路面交通，且部分地段与行人共享路权，分段第三轨供电保证了供电的安全性。
这种供电方式在开通初期曾受到雨水的影响，此外，集电靴与导电轨之间的磨耗问题也较为严重，阿尔斯通后来采用了一系列措施来改善这两个问题，从目前的运营来看，除造价和运营成本较高之外，技术已较为成熟。
2.1.2电磁吸附式Tramwave技术
意大利安塞尔多公司的Tramwave技术是从其运用于公交车的Stream系统转化而来。
意大利人从1994年开始研发Stream系统，1998年在意大利的里雅斯特（Trieste）一条3.3km的公交车上得到了商业运营。
其轨道及车载受流器如图2~3所示。
图2.Tramwave系统轨道组成
系统由车载受流器与埋于轨道中的供电装置构成，二者通过磁力相互作用，使得车辆通过某段轨道时，该轨道与电源正极导通，车驶离该处轨道时，轨道与安全负极导通，保证无车时的供电安全。
该系统在公交车中得到了应用，但在有轨电车的运用成熟度仍有待实际情况进一步的检验。
图3.Tramwave系统车载受流器
2.1.3无线感应供电Primove技术
庞巴迪公司推出的Primove技术采用无线感应供电方式，在轨道中分段铺设逆变器，将轨道供电电缆750V的直流电逆变为400V/20Hz的交流电；轨道中铺设的初级感应线圈通过不超过70mm的气隙在次级感应出约400V的交流，再将交流电转换为600V的直流电，供给牵引系统。
其能量流动如图4所示。
尽管无线传输的效率能做到90%以上，但由于能量经过了DC/AC、交流感应、AC/DC等多个环节，因此其系统效率较一般牵引系统低，整个系统的效率约为50%~60%左右[5]。
其最大的优点在于一次侧与二次侧实现了物理分离，不会有APS和Tramwave存在的磨耗问题。
图4.无线感应供电能量流向图
2.2储能装置供电系统
车载储能装置多应用于小汽车和公交车中，例如丰田Prius和本田Insight中采用的锂离子电池供电，上海11路公交采用的超级电容供电等。
在最早的轨道交通去接触网研究中，曾使用过多种储能装置，例如飞轮、超导、超级电容、蓄电池等[6]。
目前，在现代有轨电车中使用最广泛的储能装置是超级电容和蓄电池。
2.2.1采用超级电容供电
超级电容具有充放电时间快、功率密度大、使用寿命长等优点，比较适合于现代有轨电车的运行需求。
西门子的Sitras系统、西班牙卡夫的ACR技术等都利用了超级电容的这些优点。
2.2.2采用蓄电池供电
蓄电池具有能量密度大、续航里程长、充放电平稳等优点，但充电时间较长、寿命较短；其直接应用于现代有轨电车系统不太适合，一般与超级电容配合使用。
超级电容和蓄电池的比功率、比能量对比如图5所示。
图5.超级电容和蓄电池的比功率、比能量
2.2.3超级电容和蓄电池混合供电
由于超级电容和蓄电池的缺点正好可以相互弥补，两者结合起来可以保证在相同的体积和重量情况下，提供更大的能量和峰值功率。
一方面发挥蓄电池续航能力强的特点，一方面利用超级电容的平峰能力。
采用这种系统最大的难点在于能量管理策略的设置。
能量管理策略存在两层意思，一是如何确定初始的蓄电池和超级电容的容量，即储能装置的初始容量配置；二是如何根据实际列车和线路参数，决定蓄电池和超级电容的充放电策略，以使系统牵引能力、能耗等性能达到最优[7]。
能量管理策略及其控制的实现，代表了储能装置供电技术的较高水平。
2.3无网供电技术小结
无网供电技术可分为分段电面供电和储能装置供电两大类。
其各自的技术特点及优缺点如表2所示。
目前无网供电技术技术成熟度较高，无论是分段地面供电还是储能装置供电，多个轨道交通装备制造公司都可提供。
但前者存在的问题是制造、运营维护成本的提升，后者有一个共同的问题，即考虑实际线路特点，如坡道、过红绿灯启停时续航里程的问题。
表2.无网供电技术对比
技术特点
共同问题
分段地面供电
APS系统
优点：
技术成熟、供电可靠
缺点：
磨耗和积水预防
采用分段地面供电，需铺设特殊轨道，一方面增加制造成本，另一方面增加运营维护成本
Tramwave技术
优点：
技术新颖，安全可靠
缺点：
磨耗、运营维护工作量大
Primove技术
优点：
无接触供电、无磨耗
缺点：
多级能量传输、效率较低
储能装置供电
超级电容
功率密度大、寿命长、充放电时间短
能量管理策略的最优实现；考虑实际线路，如坡道、启停次数等的续航能力问题
蓄电池
续航能力强、充放电时间长、寿命较短
超级电容+蓄电池
结合两者的优点
3.现代有轨电车转向架技术
现代有轨电车经历了高地板、70%低地板、100%低地板等几个发展阶段。
一般地板面的高度小于350mm称为低地板。
其中70%和100%低地板的区别在于车内低地板面积占总面积的比例，两者的车内地板示意如图6所示。
（a）70%低地板示意图
（b）100%低地板示意图
图6.70%和100%低地板示意图
两者的主要区别在于动车转向架的设置。
理论上来说，要实现100%低地板，保证前后低地板的全面贯通，必须采用独立轮对转向架。
然后，从目前开通运营的现代有轨电车来看，部分仍采用了有轴转向架。
现将两者的特点简要阐述如下。
3.1有轴转向架
传统有轴转向架主要的特点是技术成熟，曲线运动时具有自导向功能，直线运动时能够实现自动对中，大大降低脱轨的危险。
结构简单，性能良好，磨耗较小。
最大的缺点是对地板高度的影响，为实现地板高度小于350mm，一般采用轮径小于600mm的小型车轮。
目前庞巴迪的Flexity2型车和长客生产的沈阳浑南线100%低地板车都采用了这种方式。
3.2独立轮对转向架
独立轮对转向架取消了轮对之间的轴，从而实现全车低地板的贯通。
但是，取消了轴的轮对在过曲线时完全依靠轮缘导向，因此轮缘磨耗严重。
另外直线运动时一旦由于轨道不平顺等原因偏离轨道中心，其没有自动对中的能力，增加了脱轨的危险。
目前比较成熟的是西门子采用的轴桥式纵向耦合动力轮转向架，如图7所示。
图7.轴桥式纵向耦合转向架
其将牵引电机-齿轮装置纵向布置，使同一侧的前、后两个独立车轮纵向耦合在一起，同时采用低横轴连接左右车轮，利用这种结构实现自对中和减少横向摆动。
4.铰接式车体-模块化技术
现代有轨电车的另一个鲜明的特点是采用铰接式车体，实现车辆的模块化生产。
铰接式车体既可以保证小转弯半径，同时可以根据客流改变模块编组。
以沈阳浑南线有轨电车的模块为例，其分为司机室模块、转向架模块和F车模块。
其中F车模块即悬浮车体模块，庞巴迪的Flexity2、阿尔斯通的Citadis、安塞尔多Siri和西班牙卡夫等也都采用了这种形式。
与之不同的是西门子采用的模块化技术，其在每一个模块都安装了转向架。
还有比较特别的厂家如斯柯达采用的是转向架铰接模式。
三者的对比如图8所示。
悬浮车体模块都采用了多铰接结构，而西门子这种型式即可以只采用单铰接结构。
（a）采用悬浮模块的车辆铰接模式
（b）西门子采用的每个模块都有转向架
（c）斯柯达采用的转向架铰接模式
图8.现代有轨电车铰接模式分类
5.车辆关键技术的国产化建议
现代有轨电车在欧洲已得到非常成熟的发展和应用，在我国正处于快速发展阶段。
传统牵引传动、列车网络控制技术等车辆关键技术，国内部分厂家已基本完成了消化吸收的工作。
但是现代有轨电车的无网供电技术、独立轮对转向架技术等，目前还远落后于国外先进技术。
对此本文有两个建议：
（1）加强自主研发，尽管知道自己已经落后很多的情况下，仍不能放弃自主研发；以无网供电技术为例，国外各厂家都拥有属于各自不同的方式，但各自的技术也都存在一些缺点和问题。
国内是否能提出一种与之不同的方式？
或是否能在国外某种技术的基础上寻求改进以弥补其不足？
（2）在选择这些关键技术时应慎重。
例如选择无网供电技术时，是必须全线皆采用无网供电，还是只在部分必须注意景观和文物保护的区域采用？
不应为了使用新技术而采用新技术，而应结合实际情况考虑。
6.结论
本文对现代有轨电车车辆的关键技术进行了阐述和探讨，得到了以下几个结论：
（1）无网供电技术正在向成熟、多样化的方向发展，主要分为地面分段供电和储能装置供电两种形式。
对于地面分段供电，需要注意受流安全、磨耗和运营成本的问题；而储能装置供电必须和现代有轨电车实际线路紧密联合，考虑启停次数、大坡度下的续航里程，及储能装置容量配置、充放电策略等问题。
（2）100%低地板车辆转向架包括独立轮转向架和有轴转向架。
目前国内沈阳浑南线及苏州高新区有轨电车皆采用的有轴转向架，独立轮转向架的应用成熟度有待国内市场的进一步检验。
参考文献
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