交通运输论文-70%低地板轻轨车辆的型式比较

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1、交通运输论文交通运输论文-70%-70%低地板轻轨车辆的型式比较低地板轻轨车辆的型式比较 摘 要 阐述了低地板轻轨车辆的发展和 70%低地板轻轨车辆的优点。介绍了 70%低地板轻轨车辆的几种典型型式。从转向架和车体结构方面比较其各种型式 的优缺点,指出模块化是低地板轻轨车辆的发展方向。实现低地板的关键技术在 于解决独立车轮转向架中的轮缘磨耗问题。给出了提高独立车轮导向能力的措 施。 关键词 轻轨,低地板车辆,转向架,独立车轮 1 低地板轻轨车辆 低地板轻轨车辆是指地板面距轨面高度一般在 350400mm 以下的轨道交 通车辆。这种车辆的入口高度很低,上下车十分方便,尤其是对老人、儿童以及 残疾

2、人。低地板轻轨车辆不需设置高站台,轨道可直接铺设在路面上,或利用原 来的有轨电车轨道;车辆能够通过半径很小的曲线,适应于城市地面路况,可显著 降低线路的造价。一般低地板轻轨车辆的列车编组 23 节,总长度 2035m,具有 中等运能。 低地板车辆自 20 世纪 80 年代以来在欧美取得了飞速发展。据不完全统 计,世界上 20 多个国家的 140 多个城市已拥有低地板轻轨车辆。我国的大连市 和长春市也选择了低地板轻轨车辆。全世界轻轨车辆的数目,目前超过了 5000 辆1。 按照低地板面占整个车辆地板面的比例,低地板轻轨车辆的发展经过了三 个阶段2-3:第一阶段,只在车门的入口部位设置低地板面,低

3、地板面不相互 贯通;低地板面占整个车辆地板面的比例只有 15%30%,车辆使用的是传统的刚 性轮对转向架。第二阶段,在车辆的中部全部设置低地板面,各节车的低地板 面相互贯通,而列车的端部则为高地板面;低地板面占整个车辆地板面的比例为 60%70%;列车端部采用传统的刚性轮对转向架,并作为动力转向架;而列车的中 部通常使用不带动力的小轮径刚性轮对转向架或独立车轮转向架;为了便于曲线 通过,轻轨车辆通常采用铰接车体结构。第三阶段,整列车辆全部为低地板面, 所有转向架均为独立车轮转向架。 目前国际上基本形成了如下四大品牌的低地板轻轨车辆系列:SIEMENS 公 司的 Combino 系列、AL-ST

4、OM 公司的 Citadis 系列、BOMBARDIER 公司的 In- centro 系列和 ANSALDOBREDA 公司的 Sirio 系列。 100%低地板车辆一直是追求的目标,在欧洲已得到广泛应用;但 100%低地 板车辆技术复杂,价格高,在运用中暴露出了许多问题。70%低地板车辆与 100% 低地板车辆相比,具有如下优点2:采用常规的动力转向架,结构简单,技术成 熟;中间非动力转向架采用独立车轮或小轮径转向架,结构相对简单;车门开 在低地板部位,乘客上下车同样方便,高地板集中在车内两端,对乘客带来的麻烦 不大;常规动力转向架可装较大功率的牵引电机,每轴功率为 100150kW;而作

5、 驱动的独立车轮转向架,因受空间限制,2 个独立车轮的牵引电机功率一般不超 过 7090kW。基于上述优点,美国当前的低地板轻轨车辆都采用 70%低地板。这 是因为美国轻轨车辆的运用条件与欧洲不同,主要表现在:美国轻轨车的容量 较大;通常运营到市郊;运行速度较快;起动加速度较大,因而需要较大的 牵引功率。 对于实现低地板来说,车轮直径不是问题,因为车轮处于车辆的两侧,为了 容纳车轮,可以在该部位设置座椅。重要的是把中间通道做成低地板,以保证通 道前后贯通。因而实现低地板化的关键不在车轮而在车轴。由于低地板轻轨车 辆的地板面高度只有 300400mm 左右,甚至更低,为了保证地板面的贯通,采用整

6、 体刚性轮对几乎是不可能的。解决问题的办法就只有采用小轮径的或常规轮径 的独立车轮。 2 采用小轮径刚性轮对的低地板车辆 图 1、2 给出了国外采用小轮径刚性轮对的低地板轻轨车辆的两种典型型 式。两种型式的转向架结构基本相同,所不同的是车体编组形式。型式 1 采用了 三车体方案:中间车体 B 支承在两个小轮径的拖动转向架上而成为静定结构,端 部两个车体 A、C 则一端支承在动力转向架上,另一端通过铰接结构与中间车体 B 相连。型式 2 采用了两车体方案:车体 A 支承在动力、拖动转向架上而静定, 车体 B 则依靠动力转向架以及车体间的铰接结构而静定。 动力转向架采用刚性轮对两轴转向架。当电机纵

7、向布置时需要设置大心盘 以便通过小半径曲线; 当电机横向布置时则需要采用摇枕结构。 拖动转向架采用小轮径刚性轮对转向架。车轮的直径在 375410mm 之间。 小轮径满足了低地板的要求;刚性轮对的优点是具有自导向能力,抗脱轨能力也 较好。小轮径转向架的结构尺寸和悬挂元件都比常规的转向架小,通常只设置中 央悬挂系统(见图 3)。 小轮径车轮转向架的缺点是:由于轮径小,对线路的不平顺较敏感,而且转向 架通常只有中央悬挂系统,这造成车辆的平稳性较差;小轮径的车轮踏面容易擦 伤,踏面擦伤后也不容易复圆;轮轨接触应力较高,踏面的磨耗快,车轮更换的周 期较短。根据小轮径车轮供货商 Vevey 公司的报告,

8、每个小轮径车轮大概可以走 行 12 万 km。 3 采用独立车轮的低地板车辆 由于小轮径车轮使车辆的平稳性降低,车轮踏面磨耗快,故目前国内外均 倾向使用大轮径的独立车轮低地板轻轨车辆。 独立车轮是“独立旋转车轮”的简称。最简单的独立旋转车轮就是将刚 性轮对的左右车轮解耦,使它们各自独立地绕车轴旋转。由于车轴不再需要旋转,因 而独立车轮轮对的车轴可以做成曲轴形状,甚至取消车轴,以满足低地板车辆的 需要。使用独立车轮的好处在于:其转向架结构与刚性转向架类似,可以使用相 同的零部件,简化了结构;车轮的轮径与刚性轮对相近,因而可以将其制成弹性车 轮,减少了车辆运行噪声和冲击。但由于独立车轮没有纵向蠕滑

9、力矩,只能依靠 重力复原力进行导向,所以独立车轮的踏面需要特殊设计。为了增强独立车轮的 导向能力,出现了多种形式的转向架。根据独立车轮的导向原理,独立车轮转向 架可分为常规转向架、自调节走行部和迫调节(导向)转向架。与每种独立车轮 转向架相适应,低地板车辆的车体编组有其特定形式。 3.1 独立车轮常规转向架方案 3.1.1 双铰三车体型式 图 4 给出了使用独立车轮常规转向架的 70%低地板轻轨车辆的双铰三车 体型式。它由端部的两个长车体 A、C 和中间的一个短车体 B 组成,在中间的短 车体下面放置独立车轮拖车转向架。设置中间短车体的目的:一方面是为了减小 通过小半径曲线时车体端部的偏移量以

10、适应限界;更重要的是减小相邻车体对独 立车轮转向架的转动影响,从而减小轮对的冲角。 这种双铰三车体型式,每个单独车体都不是静定的,两个车体模块之间需要 上、下铰连接才能形成静定结构。连接铰具有以下几种型式:固定铰,限制三 个方向的平动,但能绕三个方向旋转,能承受垂向力,传递大部分的纵向力和横向 力,一般用于下铰;自由铰,仅限制相邻车体间的侧滚运动,一般用于上铰;转 动铰,限制纵向和横向的平动,不限制垂向的平动和三向转动,也不承受垂向力, 一般也用于上铰。图 5 给出了德国 HUBNER 公司生产的几种铰接机构。 对于双铰三车体型式,在车体 A、B 之间需要设置一个固定铰和一个转动铰, 这使得车

11、体 A、B 在垂向上是刚性的,不能绕 x、y 轴转动,仅能绕 z 轴转动。在 车体 B、C 之间则设置一个固定铰和一个自由铰,车体 B、C 绕 y 轴可以转动,以 适应竖曲线。为了抑制车体间的晃动,需要在铰接处提供一定的纵向和横向阻尼。 双铰三车体的主要缺点是:由于编组的车体长度不均匀,因而在通过小半 径曲线时端部车体的横向偏移量较大,为了满足限界要求,A、C 车体的端部必须 适度削尖;通过小半径曲线时,由于端部转向架相对车体的转角较大,使得高地板 处的动力转向架必须设计成有摇枕型式。 我国的大连市以及湘潭电机厂和唐山机车车辆厂先后试制成功了这种双 铰三车体型式的 70%低地板车辆。 3.1.

12、2 模块化车体型式 克服双铰三车体缺点的方法是采用五车体型,如图 6 所示。将三车体型式 中的长车体改为两个短车体;两端部的短车体 A、F 下面设置动力转向架,中间的 浮动车体 B、D 通过连接铰与端部车体和中间车体 C 连接。显然,五车体型式通 过曲线时车体的横移量大大减小,车体端部基本上不用削尖。五车体型式的另一 个好处是:高地板处的动力转向架可以采用无摇枕型式,这简化了动力转向架的 设计。 五车体型式符合轻轨车辆模块化的发展趋势。模块化是指:将车辆的各部件 如动力转向架、拖动转向架、前端车体、浮动车体、中间车体、铰接部等进行 标准化设计;然后根据需要灵活地调整车辆编组形式,以适应客户对客

13、流量的需 求,从而最大限度地降低造价。图 7 给出了模块化的七车体结构型式。 3.2 独立车轮自调节走行部方案 图 8 为由德国 Frederich 教授开发的独立车轮单轴(自调节)走行部4。 它的左、右独立车轮能够绕构架外侧各自的回转中心旋转,因而可以由重力复原 力产生一个绕垂直轴的复原力矩。这一力矩能够驱使独立车轮自动地进行调节 复位,使车轮自动地处于径向位置。通常把这种只依靠轮轨间作用力而使车轮回 复到径向位置的独立车轮单轴走行部称为独立车轮自调节走行部(简称 EEF)。 图 9 给出了使用自调节走行部的低地板车辆的型式。 独立车轮自调节走行部的主要缺点是运动部件多、结构复杂、制造要求高

14、。 由于回转轴存在一定的摩擦力,只有当轮副偏转一定角度后才能克服该摩擦力的 影响,这造成了轮缘磨耗。与所有的独立车轮转向架一样,它需要配置高性能的 防滑器,以避免制动时左、右车轮纵向蠕滑力不相等而引起轮缘贴靠钢轨。 3.3 独立车轮迫调节转向架方案 3.3.1 耦合转向架 独立车轮耦合转向架是一种具有径向性能的新型转向架,其结构原理如图 10 所示:将前后车体相邻的两个独立车轮单轴转向架用耦合弹性元件连接起来, 通过合理选择耦合弹簧的摇头刚度,单轴转向架就能在二系悬挂弹簧和耦合弹簧 的作用下自动调节轮对趋于径向位置,实现了轮对的径向导向5。 由于受悬挂元件弹性径向变形的制约,耦合转向架通过小半

15、径曲线时其径向 导向能力将受到一定限制。一般地,它在 50m 半径以上的曲线能较好地发挥径向 功能。 3.3.2 迫导向转向架 图 11 是 Bombardier 为维也纳提供的 T 型低地板轻轨车辆所使用的迫导 向转向架示意图。其径向原理与西班牙的 Talgo 列车基本相同,系借助一套杠杆 机构,利用相邻车体转角迫使单轴转向架在通过曲线时趋向径向位置。 3.4 独立车轮转向架的关键技术 独立车轮转向架是实现低地板面轻轨车辆的关键。但是,独立车轮的轮缘 磨耗要比传统刚性轮对大得多。这是因为独立车轮没有纵向蠕滑力矩,只能依靠 重力复原力进行导向。这造成独立车轮在曲线上的冲角较大,轮轨横向作用力大

16、,在 直道上运行时轮缘容易贴靠钢轨。因此,独立车轮的轮缘磨耗较大,并且容易脱 轨。 解决独立车轮轮缘磨耗问题的主要措施有以下几种:设计合理的踏面, 避免轮缘在直线上与钢轨接触。独立车轮依靠重力复原力进行导向,而重力复原 力取决于左、右车轮的接触角差,因此独立车轮的踏面设计中需要尽量地增加左、 右车轮的接触角差。采用接触角踏面反推法6设计独立车轮踏面是一种有效的 方法。进行轮缘润滑,并在小半径区段敷设护轨,利用轮背来导向。采用具 有径向功能的转向架,以减小轮对在曲线上的冲角。另外,独立车轮转向架的左、 右侧轴距差也需要重点控制,一般来讲,对两轴转向架其左、右侧轴距差需控制 在 1mm 之内。 4 结语 目前低地板轻轨车辆主要集中在西欧和北美。西欧国家发展低地板轻轨 车辆的原因主要有两个:一是替代陈旧的有轨电车,二是为了环保,节约能源。美 国采用低地板轻轨车辆的另一个原因是 ADA 法案的实施,它要求公交系统必须方 便残疾人乘降。 低地板轻轨交通能被越来越多的城市所接受,主要是因为轻轨交通在城市 轨道交通系统中填补