李 芾, 楊 陽

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

城市自導(dǎo)向膠輪電車技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

李 芾, 楊 陽

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

為了研究具有自導(dǎo)向功能的膠輪有軌電車在國內(nèi)外的應(yīng)用和發(fā)展情況，以具有代表性的法國Translohr膠輪導(dǎo)軌電車、重慶跨座式單軌、日本千葉市SAFEGE型懸掛式單軌車輛、法國膠輪地鐵MP等為例,分析了車輛技術(shù)特點(diǎn)、走行部及相關(guān)研究現(xiàn)狀.目前對自導(dǎo)向膠輪電車的研究主要集中在導(dǎo)向機(jī)理、動(dòng)力學(xué)性能及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上.與傳統(tǒng)電車相比，自導(dǎo)向膠輪電車使用膠輪可大幅降低噪聲，爬坡能力提高約50%，縮小曲線半徑且占地空間小，可以節(jié)約城市用地和適應(yīng)不同的城市地形，屬于中等運(yùn)量的交通工具.其研究和應(yīng)用在我國尚處于起步階段，進(jìn)一步研究應(yīng)集中在輪胎減輕磨耗、可靠高效的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)制定上.重慶跨座式單軌及上海張江Transport電車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化是我國膠輪自導(dǎo)向電車能夠得到持續(xù)發(fā)展的前提條件.

自導(dǎo)向膠輪電車;技術(shù)特點(diǎn);走行部;國產(chǎn)化

1825年英國建成了世界上第一條商業(yè)化運(yùn)行鐵路,在隨后的近兩個(gè)世紀(jì)里軌道交通得到迅速的發(fā)展,從最初時(shí)速10 km發(fā)展到現(xiàn)在最高運(yùn)行時(shí)速350 km,線路總長目前已超過130 萬km.作為軌道交通運(yùn)輸重要組成部分的有軌電車在城市公共交通中也占有越來越重要的地位,但是現(xiàn)在幾乎所有的有軌電車均采用鋼輪鋼軌走形模式,車輛在鋼軌上行駛時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,對周圍環(huán)境的影響已成為限制城市軌道交通發(fā)展的突出問題之一[1-2].

為緩解輪軌噪音與振動(dòng),自導(dǎo)向膠輪電車應(yīng)運(yùn)而生.這種輕軌電車主要采用膠輪承載,通過特殊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使車輛沿直線運(yùn)行與曲線轉(zhuǎn)彎.由于自導(dǎo)向膠輪電車適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng),且成本低、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了迅速的發(fā)展[3].目前具有代表性的有法國Translohr生產(chǎn)的膠輪導(dǎo)軌電車、重慶正在使用的跨座式單軌、日本千葉市SAFEGE型懸掛式單軌車輛及法國膠輪地鐵.本文對上述車輛結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)向原理及適應(yīng)性進(jìn)行分析,為車輛選型提供理論依據(jù).

1 膠輪導(dǎo)軌電車

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

最具有代表性的膠輪導(dǎo)軌電車由法國Translohr生產(chǎn),簡稱Translohr電車. Translohr電車由多節(jié)車體通過鉸接組成,圖1為三車體編組形式,由終端模塊、乘客模塊和中間模塊組成.終端模塊為駕駛室,下部為車輛的動(dòng)力走行部;兩乘客模塊通過中間模塊相連接,非動(dòng)力走行部裝于中間模塊的下方.可以通過增加中間模塊和乘客模塊來增加客運(yùn)量,這種模塊組合模式克服了車輛長度受限不能滿足載客量的限制,使得在擁擠的道路上增加載客量成為可能.

世界上第一條Translohr電車線路于2001年在法國克萊蒙費(fèi)朗市開通運(yùn)行,隨后2007年中國天津?yàn)I海新區(qū)和意大利Padova修建完成并開通運(yùn)行Translohr電車,同年中國上海浦東張江高科新區(qū)開工建造Translohr有軌電車線路, 2009年12月31日建成通車.近年來法國巴黎、巴黎南部Chatillon-Viroflay、哥倫比亞Medellin均修建完成Translohr電車線路,其中部分車輛列于表1.

Translohr有軌電車十分容易實(shí)現(xiàn)100%低地板,車內(nèi)地板面距離地面僅為260 mm.車輛兩端均設(shè)有司機(jī)室,便于車輛雙向行駛,運(yùn)行速度70 km/h.由于輪胎設(shè)置在中間模塊處,可以最大限度的縮小車輛轉(zhuǎn)彎半徑,傳統(tǒng)鋼輪鋼軌車輛轉(zhuǎn)彎半徑約25 m,而膠輪導(dǎo)軌電車轉(zhuǎn)彎半徑僅10.5 m,可極大的減小線路用地,增加其適用性.膠輪能夠增加車輛與地面之間的黏著力,提高車輛的牽引與制動(dòng)能力,爬坡能力增加,最大坡度可達(dá)到130‰,其爬坡能力比傳統(tǒng)有軌電車提高了50%.為防止車輛在運(yùn)行過程中車輪破損產(chǎn)生安全事故,在輪胎內(nèi)部裝有限滑移裝置,其可以保證輪胎在完全失氣的情況下車輛以25 km/h安全行駛.

圖1 Translohr膠輪導(dǎo)軌電車Fig.1 Translohr urban rubber-tyred self-steering tram

法國克萊蒙費(fèi)朗中國上海中國天津

輪胎行走部分及軌道安裝部分采用預(yù)制混凝土運(yùn)行面如圖2所示,用模具預(yù)制6 m長、0.3 m厚的混凝土直線或曲線段,采用機(jī)械方式連接起來,以避免各個(gè)模塊之間的相對移動(dòng).對于預(yù)制路面安裝可采用多種形式,例如純混凝土路面、草坪裝飾路面、合成草坪裝飾路面、瀝青路面等,均能夠滿足城市現(xiàn)代化建設(shè)及景觀的要求.

圖2 預(yù)制混凝土運(yùn)行面Fig.2 Running surface of precast concrete

1.2 走行部

走行部作為車輛的重要組成部分,具有承載、牽引、制動(dòng)、導(dǎo)向的作用.圖3為Translohr電車的動(dòng)力走行部,主要由動(dòng)力軸橋、輪胎、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成,導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過中心銷與動(dòng)力軸橋相連接,輪胎安裝在軸橋端部的轉(zhuǎn)向臂上,轉(zhuǎn)向臂一端與轉(zhuǎn)向桿鉸接,轉(zhuǎn)向桿另一端與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)鉸接.轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向桿、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、軸橋構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu),當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)繞軸橋轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí),輪胎也會(huì)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向通過曲線.

圖3 動(dòng)力走行部Fig.3 Powered running gear

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖4所示,導(dǎo)向輪呈V型布置并與倒V型導(dǎo)向軌配合.圖4中導(dǎo)向連桿1、2、3與中間盤組成四連桿機(jī)構(gòu),通過橫向位移限制器控制四連桿機(jī)構(gòu)的橫向鎖定與釋放,在正常運(yùn)行情況下,沿運(yùn)行方向的四連桿機(jī)構(gòu)處于鎖定狀態(tài),而相反方向的四連桿機(jī)構(gòu)處于釋放狀態(tài),處于釋放狀態(tài)的連桿機(jī)構(gòu)不參與導(dǎo)向,僅起保護(hù)作用.

圖4 動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)Fig.4 Guide mechanism of the dynamic running gear

非動(dòng)力走行部結(jié)構(gòu)較簡單,如圖5所示,輪胎直接鉸接于軸橋上,僅能繞橫向轉(zhuǎn)動(dòng);導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連桿直接與軸橋相連接.動(dòng)力與非動(dòng)力走行部上的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同確保車輛曲線通過及直線運(yùn)行的穩(wěn)定性.

1.3 研究現(xiàn)狀

雖然Translohr電車已實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間,但對其研究還不夠深入.文獻(xiàn)[4]對Translohr電車的導(dǎo)向特性進(jìn)行了研究,以單車為研究對象得到單車線性二自由度簡化模型,研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)長度及輪胎側(cè)偏剛度對車輛橫移、搖頭運(yùn)動(dòng)頻率、導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)頻率和阻尼比的關(guān)系.結(jié)果表明，輪胎的側(cè)偏剛度越大,導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)頻率和阻尼比越高;導(dǎo)桿越長,導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的頻率越低,但阻尼比越高.

圖5 非動(dòng)力走行部Fig.5 Non-powered running gear

文獻(xiàn)[5]利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立整車動(dòng)力學(xué)模型研究整車動(dòng)力學(xué),并分析其動(dòng)力學(xué)性能影響因素，詳細(xì)研究了導(dǎo)向輪與軌道之間間隙對導(dǎo)向力的影響,計(jì)算結(jié)果表明導(dǎo)向力隨輪軌間隙的增加而減小,當(dāng)輪軌間隙增加到一定程度時(shí)導(dǎo)向力不再變化,主要是由于車輛使用橡膠輪胎,輪胎具有一定的側(cè)偏特性：當(dāng)車輛通過曲線時(shí)由于離心力的作用車輛有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢,到輪軌間隙較小時(shí)則輪軌將會(huì)抑制車輛的側(cè)偏,故導(dǎo)向力變大,而所有側(cè)偏都作用在輪胎上時(shí)再增大輪軌間隙則對導(dǎo)向力不再有影響.目前,膠輪導(dǎo)軌電車正在迅速發(fā)展,中國中車股份有限公司正在自主研發(fā)一種膠輪導(dǎo)軌電車,導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是該車與Translohr電車的最大區(qū)別.新設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖6所示,采用雙側(cè)輪緣導(dǎo)向輪方式,采用多連桿和滑塊來保證導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處于鎖定和自由狀態(tài).

圖6 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圖Fig.6 Guide mechanism

2 跨座式單軌

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

跨座式單軌是一種中等運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng),如圖7所示.車輛編組一般為4、6或8,最高運(yùn)行速度可達(dá)到80 km/h.每輛車坐落在兩臺轉(zhuǎn)向架上,轉(zhuǎn)向架跨坐在軌道梁上,采用走行輪傳動(dòng)并在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)設(shè)置水平輪胎導(dǎo)向和穩(wěn)定車體[6].

圖7 跨座式單軌Fig.7 Straddle monorail vehicle

跨座式單軌車輛結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌形式有所不同,其具有如下特點(diǎn):

(1) 軌道梁采用高架形式,且梁寬很小,支柱結(jié)構(gòu)細(xì)長,占地面積小能有效利用城市空間,且乘客視野較好;

(2) 走行輪使用橡膠輪胎,與地面之間的黏著系數(shù)較大,故列車爬坡能力強(qiáng);

(3) 由于轉(zhuǎn)向架軸距較小,能夠通過小曲線半徑,增加在城市中的適應(yīng)性;

(4) 轉(zhuǎn)向架采用空氣彈簧和橡膠輪胎,因而車輛振動(dòng)較小,具有良好的乘坐舒適性;

(5) 車輛使用橡膠輪胎造成車輛行駛阻力較大,因此跨座式單軌列車要比普通城軌車輛耗能大;

(6) 由于車輛在高架軌道上行駛,故在車輛故障及特殊情況下旅客疏散難度較大.

2.2 軌道

跨座式單軌的軌道梁有鋼制軌道梁和預(yù)制混凝土軌道梁兩種,大多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制混凝土軌道梁,如圖8所示,跨度一般為20～22 m,斷面為工字型,由專用模具板制成.與傳統(tǒng)的鋼軌不同,跨座式單軌的軌道梁不僅具有承載和導(dǎo)向作用,同時(shí)也是牽引電網(wǎng)、信號系統(tǒng)等的載體.將各種結(jié)構(gòu)件、信號設(shè)施、供電系統(tǒng)集成到軌道梁上,具有體積小、系統(tǒng)緊湊、工廠化生產(chǎn)、線路透明性好等優(yōu)點(diǎn).但是對設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試也提出了更高的要求[7].

圖8 預(yù)制軌道梁Fig.8 Prefabricated track beam

道岔是跨座式單軌交通系統(tǒng)的主要組成部分,常用的道岔有關(guān)節(jié)型道岔、關(guān)節(jié)可撓型道岔和平移式道岔.平移式道岔如圖9所示是由我國自主研發(fā),它具有構(gòu)造簡單、轉(zhuǎn)轍迅速、列車運(yùn)行流暢、制造維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn).平移式道岔有直線和曲線兩個(gè)道岔梁,道岔梁坐落在臺車上,導(dǎo)向軌和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)控制臺車的運(yùn)動(dòng)方向,臺車在走形軌上運(yùn)動(dòng),當(dāng)列車需要變換軌道時(shí),臺車帶動(dòng)相應(yīng)道岔通過定位機(jī)構(gòu)定位后接入車輛正在行駛的軌道,完成車輛的變軌.

圖9 跨座式單軌道岔Fig.9 Straddle monorail turnout

2.3 走行部

為保證車輛走行部在軌道梁上沿正確的方向安全行駛,走行部上裝有4種輪胎:走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪、安全輪,如圖10所示.

圖10 跨座式單軌轉(zhuǎn)向架Fig.10 Bogie of straddle monorail vehicle

跨座式單軌的走行導(dǎo)向機(jī)理與鋼輪鋼軌完全不同,每個(gè)走行部上有4個(gè)走行輪負(fù)責(zé)承擔(dān)車體重量并沿軌道行走;依靠軌道兩側(cè)水平布置的4個(gè)導(dǎo)向輪導(dǎo)向;車輛在空中運(yùn)行會(huì)受到橫向風(fēng)力等因素的影響,為使車輛運(yùn)行更穩(wěn)定,在走行部的下端設(shè)置穩(wěn)定輪;為防止輪胎爆破后出現(xiàn)安全事故,在前后端梁處設(shè)置實(shí)心安全輪.

2.4 研究現(xiàn)狀

跨座式單軌已有近百年的歷史,針對其在使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了大量的研究:文獻(xiàn)[8]運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法,對平移式道岔在列車運(yùn)行過程中的結(jié)構(gòu)安全性和力學(xué)行為進(jìn)行分析,認(rèn)為在列車運(yùn)行過程中平移式道岔結(jié)構(gòu)在長臺車處產(chǎn)生最大應(yīng)力,在長臺車上部連接板的邊緣處存在較大的集中應(yīng)力;文獻(xiàn)[9]通過多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立了整車動(dòng)力學(xué)模型,研究懸掛參數(shù)對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響,并依據(jù)浮心理論及動(dòng)力學(xué)仿真分析,研究導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的預(yù)壓力對車輛運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的影響.通過對車輛在使用過程中進(jìn)行跟蹤研究發(fā)現(xiàn),車輛輪胎出現(xiàn)非正常磨耗且輪胎邊緣磨耗較為嚴(yán)重,車輛使用維護(hù)成本增加.接下來對輪胎磨耗問題進(jìn)行研究,提出相應(yīng)的減磨措施.

我國跨座式單軌技術(shù)引進(jìn)至今已有10多年,在項(xiàng)目國產(chǎn)化的實(shí)施過程中,掌握了部分核心技術(shù),取得了部分創(chuàng)新性科技成果,對關(guān)鍵部件實(shí)施國產(chǎn)化,已經(jīng)成為發(fā)展單軌交通的必由之路.

3 懸掛式單軌

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

懸掛式單軌道由于其在空中運(yùn)行又稱為空中列車, 懸掛式單軌交通系統(tǒng)[10]的研究始于1893年,后在伍珀塔爾市(Wuppertal)應(yīng)用,如圖11所示,該車輛使用鋼輪鋼軌非對稱式懸掛,通過懸掛點(diǎn)兩側(cè)重力力矩平衡原理使車輛能夠安全地在單軌上行駛.

圖11 伍珀塔爾(Wuppertal)懸掛式單軌Fig.11 Suspended monorail vehicle in Wuppertal, Germany

在懸掛式單軌交通的發(fā)展過程中,橡膠輪胎具有舒適性好、適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,表2為目前正在使用具有代表性的膠輪懸掛式單軌交通系統(tǒng).與跨座式單軌車輛系統(tǒng)相似,膠輪懸掛式單軌交通系統(tǒng)均使用高架形式,但懸掛式單軌距離地面較高,建筑的體量感較大,軌道梁的墩柱對乘客造成一定的影響;造價(jià)低廉,僅需要0.5～1.5億元/km,而地鐵造價(jià)為7～8億元/km,當(dāng)客流量上升需要建造地鐵時(shí)可將其拆下改建地鐵,拆下來的部件可移到其它地方重復(fù)使用,具有良好的經(jīng)濟(jì)性;橡膠輪胎具有較大的黏著系數(shù),故有很強(qiáng)的爬坡能力,并能適應(yīng)于較小的曲線半徑,高架適合在任何地形上建造,具有良好的地形適應(yīng)性;橡膠輪胎具有良好的緩沖減振性能,噪聲污染對建筑和周圍環(huán)境影響小;走行部在箱型梁中行駛時(shí)對冰雪天氣具有良好的適應(yīng)性.

表2 懸掛式單軌交通系統(tǒng)Tab.2 Suspended monorail transit system

由于車輛在空中行駛,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)旅客救援難度較大,為此懸掛式空中列車系統(tǒng)提出了完善的救援措施:縱向救援、橫向救援和落地逃生.縱向救援是派遣救援車輛前往故障地點(diǎn),故障車與救援車前后相連接,乘客進(jìn)入救援車,由救援車將乘客運(yùn)至車站;橫向救援是將救援車與故障車車門對齊平行停放,乘客通過踏板轉(zhuǎn)移至救援車后載離;落地逃生是指通過繩索、帆布、救火車云梯等將乘客轉(zhuǎn)移至地面的方式.

3.2 走行部

圖12為日本千葉市懸掛式單軌車轉(zhuǎn)向架,是最具有代表性的懸掛式單軌交通系統(tǒng)之一.該轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、空氣彈簧、搖枕、橡膠輪胎、牽引及制動(dòng)裝置組成.在構(gòu)架4角安裝有4個(gè)導(dǎo)向輪,走行輪安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè).車體懸掛裝置通過構(gòu)架中心孔后與搖枕相連接,懸掛裝置由懸掛桿、吊管及安全鋼索組成,當(dāng)懸掛桿發(fā)生破壞后安全鋼索起到安全保護(hù)作用.

圖12 千葉市單軌車轉(zhuǎn)向架Fig.12 Bogie of suspended monorail vehicle in Chiba, Japan

千葉市單軌交通系統(tǒng)的走行原理如圖13所示.走行輪與箱型軌道梁的內(nèi)側(cè)底面相接觸,具有牽引制動(dòng)的作用;導(dǎo)向輪與軌道梁的側(cè)面接觸,在運(yùn)行的過程中起到導(dǎo)向和穩(wěn)定走行部的作用;車體懸掛在搖枕上,在車體和搖枕之間裝有液壓減振器和橡膠止擋,以增加車輛的乘坐舒適性.

圖13 千葉市單軌原理圖Fig.13 Principle diagram of the suspended monorail vehicle in Chiba, Japan

3.3 研究現(xiàn)狀

雖然懸掛式單軌在國內(nèi)尚無使用案例,但國內(nèi)已對其做了大量的研究,為懸掛式單軌交通系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和參考.文獻(xiàn)[11]根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論,建立了千葉市SAFEGE型懸掛式單軌車動(dòng)力學(xué)模型,研究導(dǎo)向輪預(yù)壓力對車輛臨界速度和曲線通過的影響,并對車輛的平穩(wěn)性進(jìn)行優(yōu)化.文獻(xiàn)[12]利用有限元方法對懸掛式單軌系統(tǒng)軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),分析直線和半徑為100 m的曲線軌道梁走行面的翻轉(zhuǎn)、垂向撓、軌道梁扭轉(zhuǎn)等變形情況.并討論了軌道梁在外界載荷作用情況下,不同跨度、加強(qiáng)筋間距和鋼板厚度對軌道梁變形及1 km梁架橋用鋼量的影響.

2009年,荷蘭一公司和德國H-Bahn公司針對中國市場合作創(chuàng)建國際空列集團(tuán),并和國內(nèi)軌道交通行業(yè)的一流企業(yè)組成聯(lián)合體,在中國及整個(gè)亞太地區(qū)推廣懸掛式單軌空中列車.目前佛山市、溫州市已有懸掛式單軌交通系統(tǒng)規(guī)劃,上海、濟(jì)南、天津、武漢、蘇州、青島、貴陽、溫州等城市也有建設(shè)懸掛式空中列車的明確意向,相信在不久的將來懸掛式單軌將在國內(nèi)建成并投入使用.

4 膠輪地鐵車輛

4.1 技術(shù)特點(diǎn)

地鐵車輛在地下行駛,輪軌噪聲與振動(dòng)對周圍建筑和居民產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響,鋼彈簧浮置板、梯形減振軌枕道床技術(shù)等減振技術(shù)并不是十分理想,而膠輪地鐵采用橡膠輪胎,能夠較大程度地緩解噪聲與振動(dòng).

膠輪地鐵是一種使用相匹配的軌道和專門導(dǎo)向裝置的地鐵系統(tǒng),目前具有代表性的有兩種膠輪地鐵:法國膠輪地鐵和日本膠輪地鐵.法國膠輪地鐵是在傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌基礎(chǔ)上增設(shè)走行系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成,如圖14所示.這種膠輪地鐵需要兩套走行裝置即鋼輪鋼軌系統(tǒng)和膠輪走行系統(tǒng),轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,自重大,同時(shí)與傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌相比由于使用橡膠輪胎負(fù)荷受限,承載能力低,運(yùn)行過程中消耗能量較多.因此這種膠輪地鐵在世界上使用并不多,僅在法國、墨西哥等國家的一些城市采用.

圖14 法國膠輪地鐵Fig.14 French rubber-tyred metro

日本札幌市使用的是另外一種類型的膠輪地鐵,車輛行駛采用純膠輪走行模式,行駛在混凝土等材質(zhì)的帶形軌道上，如圖15所示.在軌道中央設(shè)置T形鋼質(zhì)導(dǎo)向軌,列車水平導(dǎo)向輪夾行于導(dǎo)向軌,引導(dǎo)車輛沿直線和曲線行駛.這種膠輪地鐵完全摒棄了鋼輪鋼軌系統(tǒng),車輛及軌道系統(tǒng)大大簡化.

4.2 走行部

法國膠輪地鐵走行部如圖16所示,在正常運(yùn)行工況下使用膠輪走行系統(tǒng),車輪行駛在一對平行寬翼工型鋼或者混凝土筑成的平板軌道上,兩條平板軌道分別設(shè)置在鋼軌的外側(cè);在輪胎發(fā)生漏氣或者爆裂故障時(shí)鋼輪鋼軌起到安全保護(hù)作用,此外當(dāng)車輛經(jīng)過道岔區(qū)段時(shí),側(cè)面導(dǎo)向軌中斷,在此區(qū)段由鋼輪鋼軌代替,作為導(dǎo)向和膠輪承載走行系統(tǒng).

圖15 日本膠輪地鐵Fig.15 Japanese rubber-tyred metro

圖16 法國膠輪地鐵走行部Fig.16 Running gear of French rubber-tyred metro

日本膠輪地鐵與法國膠輪地鐵的最大區(qū)別是沒有采用鋼輪鋼軌系統(tǒng),而是在橡膠輪胎內(nèi)部裝有安全輔助輪,如圖17所示,當(dāng)輪胎發(fā)生漏氣或爆裂故障時(shí)起到保護(hù)作用.

圖17 帶有安全輔助輪的輪胎Fig.17 Tyre with safety wheel

5 其他車輛

20世紀(jì)80年代,在德國曼海姆曾使用一種路邊擋導(dǎo)向巴士,如圖18所示.在傳統(tǒng)巴士的車輪處安裝水平的導(dǎo)輪及拐臂,通過垂直的街道路邊擋進(jìn)行導(dǎo)向.由于這種導(dǎo)向巴士需要專門的路邊擋,且是在傳統(tǒng)巴士基礎(chǔ)上改造的,故承載能力受限,現(xiàn)存的使用案例不多,澳大利亞的阿德萊德使用得較為成功.

圖18 路邊擋導(dǎo)向巴士Fig.18 Kerb-guided bus

隨著科技的發(fā)展,智能交通系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展,圖19為一種采用光學(xué)導(dǎo)向的有軌電車.在車輛底部裝有光學(xué)檢測裝置,檢測地面跡線方向,通過內(nèi)部傳動(dòng)裝置使車輪轉(zhuǎn)向,保證車輛沿跡線方向行駛.車輛在城市中運(yùn)行時(shí),由于人員、路況復(fù)雜,尤其是在雨雪天氣和導(dǎo)向跡線發(fā)生破壞時(shí),這種導(dǎo)向方式的安全性難以保證,故光學(xué)導(dǎo)向有軌電車并沒有大量投入使用.

圖19 光學(xué)導(dǎo)向電車Fig.19 E-bus rapid transit

6 結(jié)束語

為了緩解日益惡化的城市交通問題,國內(nèi)數(shù)十座城市已經(jīng)建成或正在興建城市軌道交通系統(tǒng),但這些軌道交通系統(tǒng)基本都是使用的鋼輪鋼軌系統(tǒng),雖然傳統(tǒng)的軌道系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn),但是建設(shè)成本高、工期長,建成后由于輪軌振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲等對周圍生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重.新型城市自導(dǎo)向膠輪電車則具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):建設(shè)成本低、工期短、具有更高的加速及減速率,因?yàn)檩喬ケ旧砼c路面具有較強(qiáng)黏著能力,列車可輕易爬行陡峭的斜坡且轉(zhuǎn)彎半徑小,對城市地表起伏大、道路崎嶇的情況有很好的適應(yīng)性,自導(dǎo)向膠輪電車使城市軌道的使用范圍更廣.

由于橡膠輪胎負(fù)荷受限、承載能力低,故自導(dǎo)向膠輪電車屬于輕軌運(yùn)輸或中型運(yùn)輸系統(tǒng),不適合在交通運(yùn)輸極其繁忙的地方使用.所以各地在選擇自導(dǎo)向膠輪電車時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行合理選型,不應(yīng)該盲目追新求異.

膠輪自導(dǎo)向電車在我國尚處于起步階段,從目前上海張江Translohr電車及重慶跨座式單軌的運(yùn)行情況來看,由于車輛系統(tǒng)的國產(chǎn)化率不足,導(dǎo)致車輛在建設(shè)、日常運(yùn)營及維護(hù)方面存在諸多困難,特別是其運(yùn)營成本高已嚴(yán)重影響膠輪自導(dǎo)向電車的發(fā)展.為使膠輪自導(dǎo)向電車在我國能夠得到長遠(yuǎn)發(fā)展,高校、科研單位及相關(guān)企業(yè)需要聯(lián)合起來,實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)的國產(chǎn)化.

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李芾(1956—),教授,博士, 博士生導(dǎo)師,1999年起至今任職于西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,現(xiàn)任機(jī)械工程學(xué)院機(jī)車車輛工程系主任.研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)車車輛設(shè)計(jì)理論、城市軌道交通裝備技術(shù).承擔(dān)國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國家863計(jì)劃項(xiàng)目和企業(yè)橫向課題50余項(xiàng).國家長江學(xué)者，擔(dān)任中國鐵道學(xué)會(huì)牽引動(dòng)力委員會(huì)、車輛委員會(huì)委員.

E-mail: lifu@home.swjtu.edu.cn

楊陽(1991—),博士研究生, 2014年起至今在西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院攻讀博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)闄C(jī)車車輛設(shè)計(jì)理論、軌道交通車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、輪軌接觸理論.

E-mail: yyxnjd@163.com

(中文編輯:秦萍玲 英文編輯:蘭俊思)

Characteristics and Application of Urban Rubber-Tyred Self-Steering Trams

LIFu,YANGYang

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The application and development of urban rubber-tyred self-steering trams across the world are reviewed. Taking as examples the typical rubber-tired Translohr tram in France, the straddle monorail vehicle in Chongqing, China, the suspended monorail vehicle SAFEGE in Chiba, Japan and the rubber-tired metro MP in France, the technical characteristics, running gear and related research status of rubber-tyred vehicles are analyzed. Currently, researches on urban rubber-tyred trams are focused on the guide mechanism, dynamic performance and guide structure innovations. Compared with the traditional electric vehicles, urban rubber-tyred self-steering vehicles have the advantages of less noise, higher gradeability (nearly a 50% increase), smaller curving radius and smaller footprint; and hence can save urban land use and increase the adaptability to different urban terrains, with a medium transport capacity. However, the research and application of urban rubber-tyred self-steering vehicles in China are still in the initial stage. Further research should be focused on mitigation of tyre wear, design of reliable and efficient guide structures, and formulation of relevant standards. Experiences of operating Translohr tram in Zhangjiang (Shanghai) and Straddle type monorail in Chongqing indicate that realization of domestic manufacturing of the vehicles’ key components is the prerequisite for the sustainable development of rubber-tyred self-steering trams in China.

rubber-tyred self-steering trams; technical characteristics; running gear; localization

2015-08-28

李芾,楊陽. 城市自導(dǎo)向膠輪電車技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 291-299.

0258-2724(2016)02-0291-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.009

U273.1

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