臧 宇 許廣鵬 關和寧 姚 震 俞俊杰

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國內現(xiàn)代有軌電車車輛發(fā)展狀況綜述

臧 宇 許廣鵬 關和寧 姚 震 俞俊杰

摘 要：近年來，國內各車輛生產廠商紛紛通過自主研發(fā)、技術引進和聯(lián)合開發(fā)等多種形式進行有軌電車車輛的研發(fā)、設計、生產和改進。文章首先概述國內幾大有軌電車生產廠商的車輛交付、使用業(yè)績和基本制式，隨后詳細闡述并比較各生產廠商車輛在供電、轉向架、牽引和制動等方面的特點及各自的優(yōu)缺點，最后進行概括、總結。希望能為有軌電車建設決策者在今后的車輛選型時提供參考。

關鍵詞：有軌電車；車輛制式；技術特點；選型

臧宇：蘇州高新有軌電車有限公司，助理工程師，江蘇蘇州215000

0　引言

20世紀末期，西門子、龐巴迪、阿爾斯通和斯柯達等世界幾大著名有軌電車生產商在老式有軌電車的基礎上改進、研發(fā)出新型100% 低地板有軌電車。由于具有節(jié)能環(huán)保、運量大、乘坐舒適、安全性高等優(yōu)點，有軌電車產業(yè)再次迎來高速發(fā)展。

在我國，自2013年8月沈陽渾南有軌電車成網(wǎng)運營以來，蘇州、南京、廣州、青島、淮安等城市也已建成現(xiàn)代有軌電車并投入商業(yè)運營。預計到2020年，將規(guī)劃、建設有軌電車超過150條線路，里程超過2500 km，工程總投資超過3000億元［1］。

目前，國內有能力生產有軌電車并具備交付業(yè)績的廠商有南京浦鎮(zhèn)、大連機車、青島四方、長春客車、株洲機車和唐山客車等。下文將對以上有軌電車生產商的車輛交付、使用情況、基本制式及車輛主要子系統(tǒng)特點進行詳細介紹和比較。

1　車輛交付、使用情況與基本制式

1.1南京浦鎮(zhèn)

2012年7月，南京浦鎮(zhèn)城軌有限責任公司與龐巴迪簽訂技術引進協(xié)議，引進龐巴迪最新的 Flexity100%有軌電車生產平臺，生產車輛已交付蘇州有軌電車1號線、南京河西線和南京麒麟線3個項目，其中蘇州有軌電車1號線和南京河西線均已進入商業(yè)運營階段。2013年下半年，南京浦鎮(zhèn)城軌車輛有限公司與蘇州軌道交通有限公司等合資成立蘇州南車造修基地，并計劃于2016年4月投產，車輛如圖1所示。

圖1　Flexity 系列有軌電車

圖1所示 Flexity Ⅱ 100%+低地板有軌電車為5節(jié)編組形式，可根據(jù)實際客運量需求調整為3節(jié)或7節(jié)編組。車輛端部配置2個動力轉向架模塊，中間配置1個拖車轉向架模塊、2個懸浮模塊。整車長約32.6 m、寬2.65 m、額定載客量（ AW2工況，下同）300人、門區(qū)出入口距軌面高度330 mm。

車輛使用 FLEXX Urban3000有軸轉向架。該轉向架采用傳統(tǒng)小輪徑彈性輪對，最大軸重12.5 t，軸距1850 mm。電機縱向懸掛于動力轉向架的構架兩側，電機與輪對之間通過齒輪箱傳動。一系彈簧為橡膠金屬疊簧，二系彈簧為變剛度沙漏型橡膠簧。沙漏型橡膠簧空車工況下剛度較小，重車工況下剛度變大，有利于保證整車在空重車時均具有良好動力學性能。每個轉向架設有4個垂向減振器和1個橫向減振器，同時在左右側各設置1對旋轉止擋，用以傳遞牽引力和制動力，并提高車輛抗蛇形穩(wěn)定性。車輛最高設計速度80 km/h，最高運營速度70 km/h，留有超過10% 的安全裕量。

1.2大連機車

2012年10月，大連機車車輛有限公司引進安薩爾多百瑞達 SIRIO 系列100% 低地板車輛生產平臺技術，并于次年中標珠海有軌電車1號線項目。隨后大連機車在珠海投資建立現(xiàn)代有軌電車和 Tram Wave 地面供電系統(tǒng)生產基地。目前，珠海1號線已邀請市民試乘，即將投入試運營。2014年，北京西郊線有軌電車項目確定由大連機車在珠海的有軌電車生產基地提供31列車，預計2016年建成通車，車輛如圖2所示。

圖2　地面供電的 SIRIO 系列有軌電車

圖2所示 SIRIO 系列與 Flexity 系列的車輛編組形式一樣，可實現(xiàn)3、5、7節(jié)編組，設有懸浮模塊。5節(jié)編組時，列車長約32 m、寬2.65 m、額定載客量279人、最高運營速度70 km/h。

TramWave 地面牽引供電系統(tǒng)是 SIRIO 系列有軌電車的一大技術亮點，國內率先應用于海珠區(qū)試驗線。SIRIO 系列轉向架采用彈性獨立車輪，左右車輪間通過軸橋裝置實現(xiàn)橫向耦合和定位，牽引電機縱向布置于轉向架兩側。一系懸掛為橡膠簧，二系懸掛為鋼簧。制動裝置安裝于非驅動車輪的外側，軸距1700 mm［2］。

1.3青島四方

青島四方機車車輛股份有限公司2013年通過完全技術轉讓形式引進捷克斯柯達有軌電車，具有二次改進和深度開發(fā)的主導權，車型命名為15TForCity。青島城陽有軌電車項目已于2016年3月正式投入商業(yè)試運營。2013年佛山高明區(qū)規(guī)劃建設8 km 長的有軌電車示范線，擬采用四方氫能源供電有軌電車，預計2016年年底通車。2014年佛山南車有軌電車修造基地開工建設，主要面向華南有軌電車市場，車輛如圖3所示。

圖3　15TForCity系列有軌電車及其內飾

圖3所示15TForCity 系列轉向架是斯柯達公司設計的獨立車輪鉸接式動力轉向架。軸距1900 mm，每個彈性獨立車輪由1個安裝在車輪外側30 kW 的44極盤式永磁水冷同步電機直接驅動，不在中間設置齒輪箱。該系列有軌電車可實現(xiàn)2～5模塊自由編組，最高運行速度70 km/h。3模塊編組車長約31 m、門區(qū)出入口高度320 mm、額定載客量305人［1］。

1.4長春客車

長春軌道客車股份有限公司2005年開始自主研發(fā)70% 和100% 低地板有軌電車。其中，70% 低地板有軌電車已開發(fā)出3代產品，最新一代取名“海象”。100% 低地板有軌電車目前開發(fā)出2代產品，最新一代取名“海豚”。2013年5月，長客在合肥建立有軌電車造修基地；2013年7月，“海象”系列有軌電車在沈陽渾南成功投入運營；2015年2月，“海象”系列有軌電車在埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴完成試運行，進入正式運營階段，車輛如圖4所示。

圖4所示“海象”系列有軌電車車體為不銹鋼框架結構，車身外側墻板采用鋁復合板，進一步輕量化車體［3］。

“海豚”系列有軌電車為標準的5模塊編組，車長34.8 m、寬2.65 m、門區(qū)地板高度350 mm。牽引系統(tǒng)采用“受電弓 + 超級電容”的供電方式。與 Flexity系列一樣采用傳統(tǒng)有軸轉向架。車體框架主要材質為不銹鋼［3］。

圖4　亞的斯亞貝巴“海象”系列有軌電車

1.5株洲電機

2012年6月西門子向株洲電力機車有限公司轉讓了Combino Plus 有軌電車全套技術。隨后中標廣州海珠區(qū)試驗線、寧波鄞州區(qū)示范線、淮安市有軌電車一期等項目，并在寧波建立有軌電車生產基地，車輛如圖5所示。

圖5　海珠區(qū)試驗線有軌電車

圖5所示的廣州海珠區(qū)環(huán)島試驗線有軌電車為國內首例采用超級電容作為牽引供電電源的有軌電車。Combino Plus 有軌電車每個模塊均配置轉向架，可實現(xiàn)2～6節(jié)自由編組。4模塊車長約36 m、寬2.65 m、門區(qū)地板出入口高度320 mm、額定載客量311人。

1.6唐山客車

唐山軌道客車有限責任公司與德國 LogoMotive 公司聯(lián)合設計出祥龍?zhí)?00% 低地板現(xiàn)代有軌電車，對轉向架和列車控制網(wǎng)絡等核心技術擁有完全自主知識產權。土耳其薩姆松有軌電車線、泉州有軌電車示范線、南平市武夷新區(qū)旅游專線等均采用該型號有軌電車，車輛如圖6所示。

圖6所示祥龍?zhí)?00% 有軌電車每個模塊同樣配置1個轉向架，為單車體型結構，可實現(xiàn)2～6節(jié)自由編組。4模塊車長37.5 m、寬2.65 m、高3.5 m、額定載荷315人。車體材料為鋁合金，最高運營速度70 km/h。供電采用“受電弓 + 超級電容 + 蓄電池”的方式［1］。

圖6　裝運中的祥龍?zhí)栍熊夒娷?/p>

1.7國內其他有軌電車生產廠商

除了上述幾家已經(jīng)有交付、使用業(yè)績的有軌電車生產制造商外，新筑路橋機械股份有限公司、中國城軌交通設備有限公司和中輛新能源軌道交通裝備有限公司也已投身到新型有軌電車的研制和生產中。

（1）2012年新筑路橋機械股份有限公司從長春軌道客車股份有限公司引進有軌電車技術，并成立控股子公司長客新筑，車輛各系統(tǒng)制式基本和長客有軌電車一致。2013年5月，長客新筑以 PPP 模式參與新津有軌電車示范線項目，該項目已于2015年底建成通車。

（2）2011年，湘電集團有限公司與捷克 INEKON公司合資成立中國城軌交通設備有限公司，共同研制開發(fā)100% 低地板現(xiàn)代有軌電車。

（3）中輛新能源軌道交通裝備有限公司生產的現(xiàn)代有軌電車樣車已于2014年3月在宿遷新能源現(xiàn)代有軌電車先導試驗線通過專家組技術評審。全車為3模塊編組，額定載客量269人，最大運營速度70 km/h，采用“受電弓+鎳氫電池或超級電容”作為主要牽引供電方式，電能來自于獨立光伏供電系統(tǒng)和城市電網(wǎng)。

1.8技術參數(shù)對比

表1列出了國內幾家主要廠商生產的有軌電車基本制式及其技術參數(shù)。不難看出，由于市場定位、研發(fā)實力和引進技術的不同，車輛在編組、車體材料、載客量、地板高度范圍及軸重等方面存在一定差異，能夠滿足國內不同城市的差異化需求。

2　車輛主要子系統(tǒng)特點與比較

2.1轉向架

2.1.1轉向架配置形式

根據(jù)轉向架安裝形式及與車體模塊的匹配關系，有軌電車分為單車型、浮車型和鉸接型。

表1　國內廠商有軌電車基本制式及其技術參數(shù)

單車型為每個模塊底部配置1個轉向架。浮車型有軌電車每間隔1個模塊配置1個轉向架。鉸接型有軌電車轉向架設置在2個模塊之間，不僅起到支承和走行導向的作用，還能代替車鉤或車底鉸接裝置，具有連接相鄰兩模塊的功能。

法國 TGV 的拖車轉向架最早采用圖7中的鉸接式，后來經(jīng)過改進和優(yōu)化，AGV 列車動拖車轉向架均采用鉸接式。隨后，德國、日本、俄羅斯等國也研發(fā)出鉸接式客貨車轉向架。相比于單車型及浮車型采用的傳統(tǒng)的轉向架，鉸接式轉向架應用于有軌電車有如下2個主要優(yōu)點［6］：①小半徑曲線工況下，相鄰兩模塊相對于轉向架垂向中心線轉動，不容易侵界；②配合獨立車輪的使用，更易于實現(xiàn)100% 低地板。

圖7　鉸接式轉向架位置示意圖

2.1.2構架及一二系懸掛

現(xiàn)代有軌電車轉向架構架通常為“H”型或“日”字型，由高耐候性的空腔型或工字型鋼板焊接而成，具有重量輕、結構強度高和使用壽命長等特點。

一系簧多為橡膠金屬疊簧，傾斜布置，提供三向剛度和阻尼，如圖8所示。受制于車底設備尺寸和安裝空間大小，二系簧舍棄隔離高頻振動性能優(yōu)良的空氣彈簧，轉而采用鋼簧或沙漏型橡膠簧代替。沙漏型橡膠簧在空車工況下剛度較小，重車工況下剛度變大，能同時保證整車在空、重車時地板面高度差較小，并且空車時整車也具有良好的動力學性能。

圖8　FLEXX Urban3000轉向架

2.1.3彈性車輪

采用傳統(tǒng)剛性車輪的列車在街道線路或者高架線路上行駛時，輪軌間磨耗產生的噪聲成為越來越突出的問題。為降低輪軌間的動作用力，從而降低輪軌間的磨耗和噪聲，各國有軌電車及其他輕軌車輛廣泛采用圖9所示的彈性車輪。彈性車輪包含輪心、輪箍、橡膠件夾層和短接線等部件，彈性橡膠件處于輪心與輪箍之間。由于橡膠為絕緣體，為實現(xiàn)牽引電流的回流，輪箍和輪心通過數(shù)根短接線連接。

彈性輪對的使用，使得簧下質量由整個輪對的質量降低到只有輪箍質量。輪軌之間的動作用力明顯減小，磨耗和噪聲均顯著降低。研究表明，輕軌車輛采用彈性車輪有如下優(yōu)點［7、8］：①直線段上，車外噪聲降低3.5～4 dB，車內噪聲可降低約3 dB；②通過曲線時，平均車外噪聲降低8～10 dB；③輪軌平均橫向動載荷減少25%，平均垂向動載荷減少37%；④車輪踏面和輪緣磨耗量降低，平均鏇輪里程提高25%～40%。

圖9　彈性車輪

值得注意的是，采用彈性車輪的列車不能采用踏面制動，避免因為制動時接觸面的高溫傳遞到輪箍與輪心間的橡膠件而導致橡膠件加速老化，引起橡膠件性能的突變。因此，彈性車輪轉向架只能用盤式摩擦制動，制動盤單獨安裝于軸端［8］。

2.1.4獨立車輪

為實現(xiàn)100% 低地板，方便乘客上下車，提高有軌電車額定載客量，圖10所示的獨立車輪被廣泛采用。然而獨立車輪的采用帶來了2個新的問題：①牽引電機如何安裝并實現(xiàn)傳動；②車軸的取消使左右輪的耦合關系被解除，自導向能力和對中能力大大降低。

圖10　獨立車輪輪組

針對第一個問題，部分轉向架在構架左右兩側縱向布置牽引電機，1個牽引電機驅動前后一側的2個車輪。此外，轉向架每個獨立車輪由1個單獨的電機驅動，驅動電機多數(shù)沿軸向布置。

針對第二個問題，獨立輪組左右輪間一般會通過特殊的軸橋裝置耦合，實現(xiàn)車輪間縱向、橫向和垂向平移的約束，只留有繞軸向相對轉動的自由度。對于這種形式，獨立輪組由于左右輪之間不存在繞車軸的轉動約束，動力學特點與輪對存在很大差別。首先，消除了輪對的蛇行現(xiàn)象，對提高穩(wěn)定性有好處，但其沿軌道運行時自動對中能力減弱，必須靠大錐度踏面形成的較大橫向分力實現(xiàn)對中［9］。一般輕軌車輛獨立車輪踏面等效錐度大于0.15［9］。

2.2牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)包括軟件和硬件，軟件部分含車輛控制單元（VCU）軟件和牽引控制單元（DCU）軟件，牽引軟件具有很強的自監(jiān)控能力和自診斷能力。硬件包含牽引逆變器、牽引電機、聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱等。通常采用1個逆變器控制1個牽引電機（1C1M）或者1個逆變器控制2個牽引電機（1C2M）的方式，以保證逆變器故障時整車牽引能力的冗余性。一般控制1個動力轉向架電機的數(shù)個逆變器集成在同一牽引逆變箱內。

電機安裝和傳動的形式也多種多樣：有單個電機通過機械橫軸驅動左右車輪；也有牽引電機縱向通過螺旋圓錐齒輪驅動同側前后車輪，左右車輪用機械結構實現(xiàn)車輪間的耦合關系，從而改善車輛導向性。

15TForCity 系列轉向架每個彈性車輪由1個安裝于車輪外側的盤式水冷永磁同步電機直接驅動，電機與車輪直接傳動，不在中間設置齒輪箱。與傳統(tǒng)異步鼠籠式電機相比，永磁同步電動機具有結構簡單、效率高、功率因數(shù)高、響應快和調速范圍寬等優(yōu)點。缺點是增加了轉向架的橫向尺寸，安裝空間較小。

2.3制動系統(tǒng)

目前，國內各車輛廠商的有軌電車制動方式基本一致，包括電制動、液壓摩擦制動、磁軌制動。

2.3.1電制動

電制動時，牽引電機作發(fā)電機用，產生的電能優(yōu)先反饋給電網(wǎng)或車載儲能裝置（再生制動），當車載設備檢測到電網(wǎng)或儲能裝置電壓過高或電流過大時，多余電能反饋給車載制動電阻（電阻制動）轉換為熱能，并由冷卻通風單元為制動電阻散熱降溫。

2.3.2液壓制動

由于有軌電車低地板的特性，空氣壓縮機、風缸等大尺寸空氣制動設備并不適用于有軌電車，取而代之的是設備尺寸小、安裝方便的液壓制動系統(tǒng)。液壓制動系統(tǒng)由制動控制單元、電液控制單元、制動執(zhí)行機構及油壓管路等組成。制動時，彈簧壓緊閘片和制動盤提供制動力；緩解時，控制單元控制油泵工作，閘片和制動盤分離。兩端閘片與制動盤的間隙可調整，并且閘片上設置磨耗指示槽，便于檢查和更換。電制動和液壓制動往往配置撒沙系統(tǒng)，在軌道濕滑時改善輪軌間的粘著條件。

2.3.3磁軌制動

與地鐵不同，有軌電車線路采用專用路權和共用路權的混合路權形式，在車輛運行過程中遇到的社會人員和車輛較多，需要更好的整車制動性能以避免意外事故的發(fā)生。磁軌制動裝置通常安裝在每個轉向架的構架左右側縱梁上。工作時，摩擦靴吸附在軌道上產生摩擦制動力。摩擦靴與軌面間的間隙可以調節(jié)，并具有很好的強度和耐磨性，能夠承受制動時產生的振動和熱量。磁軌制動最大的好處是可以不受輪軌間粘著條件的限制，保證各種天氣條件下列車的制動性能。

2.3.4制動模式

有軌電車按制動模式劃分，通常包括停放制動、常用制動、安全制動和緊急制動，相關性能要求如表2所示。

表2　制動模式和相應的性能要求　m/s2

3　結束語

為抓住國內有軌電車產業(yè)高速發(fā)展的機遇，各家車輛制造商推陳出新，在車輛編組、牽引、制動、轉向架等方面均有鮮明特點。

國內有軌電車生產廠商的車輛及其子系統(tǒng)形式多樣，各有利弊，建設單位需結合所建有軌電車項目在本地區(qū)的定位和運營特點選擇最適合自身的車型及子系統(tǒng)方案。

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責任編輯 凌晨

Introduction of Development of Modern Tram in China

Zang Yu, Xu Guangpeng, Guan Hening, et al.

Abstract:In recent years, through the independent research and development, technology introduction, joint development and various forms of research and development, the domestic vehicle manufacturers have made design, production and improvement on tram vehicles. The first part of the paper summarizes the vehicle delivery, the performance and the basic system of major domestic tram car manufacturers. In the second part it makes detailed description and comparison of the manufacturers of the vehicles in the aspects of power supply, bogie, traction and braking etc., their characteristics and the advantages and disadvantages. In the fi nal part, the paper makes a summary and conclusion and provides references for the decision makers in the future of vehicle type selection.

Keywords:tram, vehicle system, technical characteristics, type selection

中圖分類號：U264

收稿日期2015-09-14