輕軌車輛技術特征及其發展

楊 珂 于松偉 馮愛軍 魏 運

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

1 輕軌車輛概述

輕軌車輛是從傳統的有軌電車脫胎發展而成的一種能在地面、高架或隧道中運行的現代化交通工具。世界上第一條有軌電車線是1888年在美國開通的，而后許多城市相繼建成了有軌電車系統。自20世紀以來，汽車運輸發展很快，特別是私人小汽車逐漸多起來，馬路上開始擁擠。由于有軌電車同其他車輛共享路面、噪聲大、速度低和乘坐舒適性差，逐漸失去了往日的地位，被公共汽車和私人小汽車所替代，因而在全球范圍內有不少有軌電車線路被停運和拆除。但在東歐、西歐、前蘇聯等的某些城市仍保留著有軌電車，并逐步對有軌電車系統進行全面提升:使用現代化、大容量的鉸接車輛，修建靈活路權的有軌電車線路，使用特殊的信號控制，修建與地鐵、公共汽車換乘的樞紐等［1］。

這種提升后的系統在速度、可靠性、舒適度和安全性等方面更加類似于快速軌道交通，而不是傳統的有軌電車，它被賦予了一個新名字——輕軌［2］。與傳統有軌電車不同的是，輕軌車輛不僅在外觀上有許多變化，而且在技術裝備上融入了諸多現代高科技的元素，具有更高的運行速度、更舒適的乘車空間以及快捷的換乘方式，其技術性能和舒適度是老式有軌電車無法望其項背的。

輕軌車輛作為城市現代化的交通運輸工具，與其他軌道交通相比，非常適合填補大中城市地面公交和地鐵之間的中等運量空白［3］。下面將對輕軌車輛的分類進行介紹，對車輛的主要技術特征和將來的發展趨勢進行歸納分析。

2 輕軌車輛分類

1)輕軌車輛有4軸車、6軸車、8軸車，見圖1～圖2。

圖1 6軸輕軌車輛

圖2 8軸輕軌車輛

2)輕軌車輛有高地板車、低地板車［4］，見圖3～圖4。低地板輕軌車輛一般是指地板面距軌面高度在400 mm以下的車輛，主要有3個發展階段:早期的30%低地板車、70%低地板車和當前發展主流的100%低地板車。

3)輕軌車輛按組成模塊數量劃分，有2～7模塊的車輛，見圖5～圖6。

圖3 高地板輕軌車輛

圖4 低地板輕軌車輛

圖5 3模塊輕軌車輛

圖6 7模塊輕軌車輛

3 主要技術特征

輕軌車輛是在有軌電車的基礎上發展而來的，是利用了現代高科技技術開發的新一代噪聲低、速度快、運行平穩、換乘方便的新型有軌電車。隨著科學技術的不斷發展，輕軌車輛無論從車輛性能、舒適程度、環保要求和車體外觀等方面都發生了根本性的改進。

3.1 車輛性能

3.1.1 質量和速度

輕軌車質量輕、速度快。車輛每米質量在1.1～1.5 t之間，額定負載下的軸重一般在13 t以下，在特定的條件下軸重也不超過16 t，故由此得名為“輕軌車”。輕軌車輛的最高設計時速可達70～100 km/h，在城市中心地區的半獨立路權和共享路權區段的旅行速度一般都在20 km/h左右，在城市郊區的旅行速度可達30 km/h以上。

3.1.2 加減速性能

輕軌車的加減速性能優異。為方便乘客，吸引客流，提供高質量服務，輕軌站間距離短，介于500～1 500 m，因此需要車輛具備良好的加減速能力。共享路權輕軌線路區間或與城市其他交通方式共用，半獨立路權輕軌線路區間或與地面交通存在平交，均需要輕軌車輛具備良好的加減速能力。車輛常用制動平均減速度應在1.0 ～1.5 m/s2，緊急制動減速度應在2.0 ～3.5 m/s2［5］。

3.2 主要構成

3.2.1 車體與轉向架

輕軌車輛通常在都市擁擠、狹窄的街道中運行，街道轉彎半徑小。輕軌車輛車體由多個短模塊鉸接連接而成，可大幅提升輕軌車輛在街道有限空間內運營的靈活度。車體中每個模塊都不長，否則在通過小半徑曲線時，車體兩端外伸及車體中間模塊向內侵入線路的部分容易與限界碰觸，也容易與鄰線車輛發生碰觸。輕軌車輛的轉向架軸距短，通常為1800～2 100 mm。軸距短有利于車輛通過小半徑曲線，輪緣及側磨耗較少，適應于城市地面路況，可顯著降低線路的造價。軸距短，轉向架就輕，但對牽引電動機的布置會造成困難。

3.2.2 供電系統

輕軌采取架空接觸網、地面接觸軌、蓄電池等多種供電方式。除了通常采用傳統的架空接觸網供電外，在部分景觀、空間限制的區段，還可以采用蓄電池供電(僅限局部困難路段)或地面嵌入式第三軌供電(目前僅限于鋼輪鋼軌)，供電電壓可以在500～900 V范圍內波動。

1)地面嵌入式第三軌供電(APS)系統［5］。該系統可實現無架空接觸網線路的受流，從而保護了城市景觀和自然景觀，見圖7。

2)架空線供電系統。該供電系統具有造價低、維修養護方便等特性，見圖8。

圖7 地面嵌入式第三軌供電系統

圖8 架空線供電系統

3.2.3 制動系統

輕軌車輛的結構具有復雜性和交通適用性，使其制動系統具有鮮明的特點，制動方式多樣。以Alstom公司的Citadis系列輕軌車輛為例，其按照歐標EN 13452-1劃分為常用制動、緊急制動、安全制動、固定制動、停車制動5種制動模式［6］。車輛設有電動制動、摩擦制動、電磁制動等制動方式，分別在不同制動模式下單獨或聯合作用。常規制動模式:在低速情況下，常用制動由電動制動和摩擦制動共同確保。緊急制動模式:由電動制動和摩擦制動共同確保，另外還使用電磁制動器。安全制動模式:由摩擦制動和電磁制動器共同確保，電磁制動器在該階段受到了系統性的抑制。固定制動模式:在規定的坡道和負載條件下車輛靜止，固定制動可確保車輛能夠完全固定不動(“預先準備”狀態)，主控制器從牽引“范圍”內去除。固定制動由所有轉向架的摩擦制動確保，在車輛速度接近0時可以由預先設置的負載水平自動施加。停車制動模式:確保在規定的坡道和負載下車輛完全固定靜止不動，由動車轉向架(彈簧制動器)的摩擦制動確保，在車輛停止時以最大負載自動施加。

3.3 列車運能

輕軌系統使用現代化的鉸接車輛，一輛單車由不同數量的車體模塊鉸接而成，列車的編組具有很大的靈活性:客流量少時可以一輛運行，客流高峰時一趟列車可以掛接不同數量的車輛編組運行，再配以靈活的發車頻率，使得輕軌系統擁有十分寬泛的運能范圍，其單向運能可以適應從0.5萬～2.5萬人次/h的客流需求。輕軌車輛的主流產品是具有從20～60 m不同長度的系列產品，其車體比常規有軌電車的車體寬，通常為2.20～2.65 m。寬車體易實現大的載客量，并能最大程度地提高乘客舒適度。以Alstom公司的Citadis系列輕軌車輛為例，每車按4人/m2計算，列車乘客的額定載客量為50～450人，單向設計運能一般可達到0.5萬～1.2萬人次/h。如果將列車2～4輛重聯起來，輕軌車輛單向運能可在1.2萬～2.5萬人次/h。若按照6人/m2計算，由2輛32 m車重聯的一列車實際單向運能達1.8萬人次/h左右，2輛42 m車重聯的一列車實際單向運能可達2.4萬人次/h左右。

3.4 車輛優點

1)噪聲低。輕軌車輛開行時的噪聲不超過75 dB，低于汽車交通，一般運營中的噪聲比城市交通中的背景噪聲還低。輕軌車輛在降噪方面已有了根本性的改善，主要體現在以下幾方面:轉向架結構采用橡膠減震元件、彈性車輪、獨立車輪、空氣彈簧、空心車軸等新技術，可有效地降低曲線噪聲和輪軌磨耗，減小軌道沖擊，提高車輛使用壽命;采用徑向轉向架技術，由于車體使用迫導向轉向架，在列車通過曲線時輪軸處于曲線徑向位置，噪聲和輪軌磨耗等指標也大大降低;輕軌車輛采用電制動、摩擦制動、磁軌制動等多種先進的制動方式，可使引起的噪聲非常小。

2)車內環境舒適。駕駛室和客室各有獨立的通風或空調裝置，可以自行調整。

3)采用大開度的側門，增加側門數量，方便乘客就近乘降，減少車輛站停時間。

4)采用交流傳動和微機控制制動技術，使車輛在運行時加速和制動產生的加速度受到了嚴格的控制，其平穩性和舒適性與地鐵車輛相當。

5)車輛總體造型流暢，前部造型和車身造型圓滑、平順。車輛大窗臺、對開門，外觀明快，車身顏色搭配適當，視覺效果比較好。

4 未來發展趨勢

4.1 低地板車輛

低地板輕軌車輛與高地板車輛相比具有以下優點:可在地面(不設站臺)或接近地面處上車，更適合城市內地面交通的環境;與城市一體化相吻合，能更好地融入整體化的城市環境中;上下車十分方便，縮短站停時間;方便老人、兒童和乘輪椅的殘疾乘客。

4.2 模塊化結構

由于各個城市的具體差異，用戶會對車輛提出特殊的要求，給車輛廠帶來一定的困難，造成結構相同的部分被多次重復設計。而采用模塊化結構車體，有利于車輛標準化設計和組織生產，有利于縮短產品開發周期，便于組織小批量生產和降低車輛造價，便于運用部門調整車輛編組。模塊化在輕軌車輛上的應用，主要是以車輛的一部分作為模塊，車輛長短、載客人數都可根據需要靈活調整。在運營初期，由于客流量較小，可采用基本模塊編組;隨著客流量的增加，可在原車的基礎上增加相應的模塊，延長列車長度，使運能具有較大的彈性空間。例如，Alstom的Citadis系列可以訂制長度20～45 m(3～7個車廂模塊)、寬度2.3～2.65 m的任何大小的車輛(見圖9)［7］。

圖9 Citadis系列模塊化結構擴充

4.3 維保簡便化

輕軌車輛上通常裝有故障自診斷與顯示系統，以便及時發現隱患，保證列車的安全運行。特別是車輛電子化、自動化程度的不斷提高，在極大地優化車輛技術性能的同時，也使得車輛的控制系統變得越來越復雜，一旦出現故障，就會帶來很大的麻煩。為了迅速診斷故障部位，提高維修效率，世界輕軌車輛廠家紛紛開發故障自診斷與顯示系統，以便提高維保工作效率，使維保作業簡便化。

5 結語

綜上所述，輕軌車輛作為現代化城市軌道交通的多種高新技術集成的載運工具，在客運能力、車輛功率、運行速度、自動化程度以及材料和制造工藝等各方面都有了重大發展。輕軌車輛具有更高的運行速度、更舒適的乘車空間、更方便的換乘系統，是傳統有軌電車無法比擬的，是目前較為理想的城市軌道交通運輸方式。輕軌車輛發展到現階段，技術上已經達到較先進的水平，其中復合材料車體、低地板車體、獨立車輪徑向轉向架等的采用，使得輕軌車輛的質量大為減輕，不但減少了能耗，而且達到了與城市和自然的和諧，所以輕軌交通是真正的“綠色交通”。預計在21世紀內，城市輕軌將在國內的城市交通中快速發展，占據重要的位置。

［1］Ford R.Light rail vehicle technology［J］.Modern Railway，1993(8):494-496.

［2］Luke S，MacDonald M.Public transport mode selection:a review of international practice［C］//European Transport Conference，2006.

［3］毛勵良，楊珂.北京城市軌道交通西郊線系統制式選型研究［J］.都市快軌交通，2010，23(5):8-11.

［4］Booz Allen＆ Hamilton Inc.Applicability of low floor light rail vehicles in North America［R］.Washington，D.C.:Transportation Research Board，National Research Council，1995.

［5］法國Systra公司.北京現代有軌電車西郊線可行性研究報告技術審查咨詢［R］.北京，2009:89.

［6］Alstom.Citadis 302 for the Beijing Fragrant Hills tramway project［R］.北京，2009.

［7］北京城建設計研究總院有限責任公司.北京現代有軌電車西郊線工程可行性研究報告［R］.北京，2009.