70%低地板與100%低地板有軌電車的比較

陳偉果

70%低地板與100%低地板有軌電車的比較

陳偉果

簡要介紹低地板有軌電車的發展，并對70%低地板與100%低地板有軌電車進行了闡述，指出各自的優缺點，為城市對低地板車選型做出參考。對低地板有軌電車的新技術進行了描述，最后給出了一些低地板有軌電車發展的建議。

有軌電車；低地板車輛；獨立車輪；懸掛裝置；對比；發展

低地板有軌電車運量大，造價低，工期短，綠色環保，運行平穩、舒適，噪聲低，轉彎半徑小，準時高效，運營成本低，地板面離軌面低，均在380 mm以下，十分方便乘客上下車，尤其是殘疾人、老人與小孩，并具備城市觀光效果等諸多優點，深受廣大乘客的青睞。

1 低地板有軌電車的發展

隨著城市交通擁堵日益嚴重，汽車尾氣污染日益加劇，社會人口老齡化不斷加大，低地板有軌電車的出現順應了社會的需求。

低地板有軌電車誕生于歐洲，由部分低地板（僅上下車出入口附近為低地板，其余以臺階過渡）過渡至70%低地板，并最終發展到100%低地板。

21世紀前，低地板有軌電車技術為國外的阿爾斯通、龐巴迪、西門子等公司所壟斷。我國首列低地板有軌電車誕生于2000年，由大連機車研究所與大連現代軌道交通有限公司合作研制，是DL6WA型70%低地板有軌電車。2005年，唐客公司為長春輕軌成功研發了70%低地板車。但此后低地板有軌電車技術一直停滯不前，直至國家將100%低地板有軌電車列為“十一五”國家科技支撐計劃重點項目。2012年后，南車株洲電力機車有限公司、北車長春軌道客車股份有限公司、北車唐山客車軌道有限公司及南車浦鎮車輛有限公司100%低地板有軌電車相繼下線，標志著我國進入低地板有軌電車的全面發展時期。

2 70 %低地板有軌電車

100%完全低地板有軌電車一直是低地板有軌電車的追求目標，但70%低地板車輛與100%低地板車輛相比，具有一系列不可替代的優點，得以繼續在線路上運營，并有與100%低地板車共同發展的趨勢。70%低地板車所具有的優點如下。

（1）動力轉向架采用傳統輪對，結構簡單、可靠。

（2）傳統輪對轉向架技術基于高速動車組、地鐵及大鐵路列車等制造技術平臺，技術十分成熟。

（3）中間非動力轉向架可采用獨立車輪（加大車廂低地板面積的比例），也可采用小半徑傳統輪對，結構簡單，技術成熟。

（4）車門開在低地板部位，乘客上下車同樣非常方便，車廂內用2～3個臺階，由低地板向高地板過渡，給乘客帶來的麻煩不大[1]。

（5）傳統剛性輪對動力轉向架可裝較大功率的牽引電動機，每軸功率可達120～200 kW，甚至更大；而獨立車輪動力轉向架，由于安裝空間有限，所安裝的牽引電動機功率不超過70～90 kW。

（6）傳統剛性輪對車輛起動加速性能及制動減速性能均優于獨立車輪車輛。

（7）傳統輪對轉向架對中性好，過曲線時有自導向功能，輪緣偏磨小，輪軌磨耗少，維修維護成本低。

國內大連、長春及沈陽等城市均有70%低地板有軌電車在運營，尤以大連市為代表，70%低地板有軌電車由2001年開通至今運營情況良好，一直是廣大市民出行的優先選擇。由大連機車研究所和大連現代軌道交通有限公司聯合研制的DL6W改進型6軸鉸接車輛為70%低地板車輛[2]，列車3輛編組，兩端的頭車下安裝傳統剛性輪對動力轉向架，中間車則是安裝獨立車輪的非動力轉向架，如圖1所示。

圖1 大連DL6W有軌電車

70%低地板有軌電車在國外應用亦非常廣泛，德國、法國、英國、日本及美國等國家均有70%低地板車在運營。其中美國由于地域廣闊，車輛通常要運行至市郊，需較大的運行速度及起動加速度，并需較大的牽引功率，另一方面需照顧老人、兒童及殘疾人方便上下車，故目前美國所運行的輕軌車輛均為70%低地板有軌電車[3]。

3 100%低地板有軌電車

100%低地板是低地板是有軌電車發展的終極目標，實現有軌電車低地板化的核心是：制造低地板化的轉向架。轉向架低地板化可通過采用小輪徑傳統輪對或獨立車輪或此兩者的結合實現。

3.1 小輪徑傳統剛性輪對車輛

傳統剛性輪對轉向架技術成熟，可靠性高。通過減小車輪半徑，即可實現車輛低地板化，故小輪徑傳統剛性輪對轉向架得到了各大車輛廠優先研發。現已有多種品牌的小輪徑傳統剛性輪對低地板有軌電車在線路上運行。輪徑減小后，受制于安裝空間有限，動力轉向架的2臺牽引電動機只能分別縱向安裝于構架的兩側梁上，每臺電機驅動1個輪對。

由于采用了傳統輪對，轉向架上部客室地板面要比其他低地板區域高出90 mm左右，故車內并不是嚴格的100%低地板，但由于高地板區域與其他區域高度差很小，不需要設置臺階，而是可以采用小斜坡實現連接過渡，車內地板面看起來仍然像是100%低地板[4]。

龐巴迪公司制造生產的Flexity 2低地板有軌電車是這一類型的典型代表。其轉向架FLEXX Urban 3000如圖2所示，車內地板面如圖3所示。

圖2 FLEXX Urban 3000轉向架

圖3 Flexity 2車廂地板面

小輪徑傳統輪對車輛結構簡單、技術成熟，又可實現100%低地板，得到了各大車輛廠的喜愛，表1中列出了制造小輪徑傳統輪對低地板車輛的車輛廠及其對應車型。

表1 小輪徑傳統輪對低地板車

3.2 獨立車輪車輛

獨立車輪轉向架是將傳統剛性輪對的車軸取消或采用下凹的形狀，分別如圖4及圖5所示。轉向架輪對內側空出的空間設置為車廂客室的通道，以實現100%低地板，兩側車輪及構架側梁相對較高，則作為車廂兩側的客室座椅。

圖4 無車軸獨立車輪轉向架

圖5 車軸下凹式獨立車輪

采用獨立車輪轉向架的車輛能嚴格實現乘客區的100%低地板，大大方便乘客的上下車，并給乘客提供了一個開闊的視野。但車輛采用獨立車輪轉向架后，也帶來了一系列棘手的問題，其中尤為突出的是：驅動裝置的懸掛問題、車輛導向問題。

3.2.1 驅動裝置的懸掛問題

動車組、地鐵或輕軌車輛由于采用大輪徑傳統輪對，動力轉向架中間有足夠的空間用于驅動裝置的安裝，驅動裝置可采用軸懸式、架懸式、體懸式等懸掛方式。但獨立車輪轉向架車輛要實現乘客區的100%低地板化，則轉向架輪對中間需設置為車廂的乘客通道，原用于驅動裝置安裝的空間將被占用。

獨立車輪轉向架低地板有軌電車誕生至今，各大車輛廠研發出了多種驅動裝置的安裝方式。

（1）牽引電動機體懸。牽引電動機懸掛于車體底部兩側，并通過萬向軸驅動獨立車輪。如ABB公司和SIG公司聯合制造的Cobra型有軌電車。

（2）輪轂電機。電機安裝在車輪輪轂上，轉子與輪轂直接連接帶動車輪轉動。如龐巴迪公司的Tram2000型輕軌車BAS2000型轉向架的牽引電動機采用了輪轂電機。

（3）橫向電機。牽引電動機橫向布置于轉向架構架的對角上，兩電機分別驅動與其相近的車輪，并通過軸橋耦合左右車輪，使左右獨立車輪具有傳統剛性輪對的導向特性，并具有一定的對中能力。如法國阿爾斯通公司的Citadis系列輕軌車Arpège型動力轉向架采用了橫向電機。

（4）縱向電機。牽引電動機懸掛于構架側梁上。牽引電動機縱向懸掛于構架側梁上，不僅使左右車輪之間騰出了低地板空間，還使得驅動裝置顯露得更明顯，更方便驅動裝置的檢修和維護，目前低地板輕軌車轉向架多數采用縱向牽引電動機。如意大利Ansaldo Breda公司的Sirio轉向架、阿爾斯通公司的Citadis系列輕軌車Solfège和Corrège轉向架、西班牙CAF公司的Urbos輕軌車轉向架及日本的Jtram轉向架等均為牽引電動機縱向布置。

（5）垂向電機。牽引電動機、齒輪箱及盤形制動裝置垂直布置在轉向架兩側。目前采用此種形式的是西門子公司生產的單軸超低地板輕軌車ULF，地板面在車門處高度不超過200 mm[5]。

3.2.2 獨立車輪轉向架車輛的導向問題

獨立車輪車輛追求低地板化時，已將左右車輪解耦，消除了蛇行運動的產生基礎，不再具備自動對中，自行導向的功能。只能依靠重力的橫向復原力和輪緣與鋼軌接觸擠壓導向，車輪的輪緣磨耗嚴重。需通過別的途徑控制車輛的導向。目前比較常用的是重新形成輪對的耦合作用自行導向或添加導向機構迫導向。

輪對耦合包括橫向耦合及縱向耦合，此2種耦合作用均可以實現車輛的自行導向。獨立車輪轉向架的橫向耦合作用可通過添加軸橋機構實現，如Citadis車輛的Arpège轉向架；縱向耦合則是指將獨立車輪轉向架一側前、后兩車輪通過某種方式耦合起來使其具有相同的旋轉角速度，如牽引電動機縱向懸掛，驅動前后兩車輪的轉向架，如西門子公司的Combino動力轉向架。縱向耦合輪對可實現自導向功能，但直線上車輪偏磨嚴重。

添加導向機構，使車輛具備迫導向功能，從而實現車輛的導向。如Cobra車的迫導向轉向架，通過導向機構使車輛通過曲線時，車體與車體之間產生相對轉動，從而帶動導向機構實現車輛的導向[6]。

3.3 獨立車輪與小輪徑傳統輪對組合車輛

采用小輪徑傳統剛性輪對的車輛無法真正實現嚴格的100%低地板，轉向架上方的車廂地板面與其他地板面需用斜坡過渡。而采用獨立車輪與小輪徑傳統輪對的組合車輛則可實現乘客區的100%低地板。從動轉向架上不需安裝驅動裝置，故結構相對簡單，可以采用獨立車輪的形式，并將此種轉向架安裝于列車的中間車下。兩頭車轉向架均設置為帶動力的傳統輪對轉向架，并安裝于司機室正下方。司機室區域和乘客區域通過臺階過渡，這樣則實現了乘客區的100%低地板。

日本的SWIMO-X車輛是典型的獨立車輪與小輪徑傳統剛性輪對的組合，其更是將此技術加以升華，同一動力轉向架采用2種尺寸的輪對，前軸輪對的車輪直徑為610 mm，后軸輪對的車輪直徑則只有250 mm，從而使低地板面積更大，SWIMO-X車輛如圖6所示[7]，其轉向架如圖7所示[8]。

4 低地板有軌電車中的新技術

隨著國內外低地板有軌電車的快速發展，一系列應用于有軌電車的新技術也應運而生，如超級電容、永磁同步電機、磁軌制動、浮車型結構、彈性車輪等。

圖6 SWIMO-X車輛 （單位：mm）

圖7 SWIMO-X車輛轉向架

4.1 超級電容

有軌電車的線路大部分在市區中心，為了市區的景觀效果，不宜架設接觸網，故有軌電車上安裝超級電容是一個不錯的選擇。超級電容充放電僅是物理作用，無化學反應，從而無爆炸、起火等危險，其充放電次數可達100萬次，使用壽命可達10年，制動時可將85%以上的動能轉化為電能并存儲到電容中，具有良好的節能效果。超級電容車輛運行速度可高于60 km/h，且行駛4 km所需電量可在停靠站的30 s內補充完成。

4.2 永磁同步電機

永磁同步電機具有效率高、功率高及過載能力強等特點，非常適合牽引電動機安裝空間有限的低地板有軌電車。永磁同步電機轉子采用永磁體結構，無電刷裝置，可使電機結構更簡單，性能更可靠，并且電機可直接安裝于輪轂上，省去齒輪傳動裝置。

4.3 磁軌制動

低地板有軌電車運行于市區中，路口多，有些路段需與公路車輛共享路權，故有軌電車需要提高制動性能。傳統的制動方式包括踏面制動、盤形制動、電阻制動和再生制動等，均屬于粘著制動，制動力取決于輪軌間的粘著系數。而磁軌制動不通過輪軌間的粘著起作用，為非粘著制動。在傳統制動方式基礎上加上磁軌制動，有助于增大制動減速度，縮短制動距離，實現準確停車。

4.4 浮車型結構

浮車型結構車廂下方沒有轉向架，車輛通過鉸接裝置“掛”在與其相鄰的車體上。車廂內地板面不再受轉向架限制，可設置為全低地板，并可如地鐵車輛一樣安排縱向座椅，以使車廂內空間更加寬敞[6]，如圖8所示。浮車型結構減少了轉向架數量，大大節約了生產成本及維修成本。故浮車型結構是目前大多數新研發的100%低地板車輛所采用的型式。

4.5 彈性車輪

彈性車輪的輪心和輪箍之間裝有一個彈性單元，輪箍彈性地支撐在車輪上，從而能有效地降低曲線噪聲，減小軌道沖擊，降低輪軌磨耗和提高線路及車輛使用壽命[9]。

5 結論

我國低地板輕軌車輛發展前景廣闊，國內各車輛廠也相繼研發了具有自主知識產權的100%低地板車輛，以滿足國內市場需求，并加入國際市場的競爭。

100%低地板現代有軌電車發展勢頭強勁，深受大眾的青睞，大有完全取代70%低地板的趨勢，但100%低地板有軌電車技術相對復雜，對系統可靠性要求高，關鍵技術尤其是動力轉向架的獨立車輪牽引控制系統設計難度大，造價高。70%低地板車則以其技術成熟、高可靠性、高安全性等優勢得以繼續使用，隨著高速動車組技術的快速發展以及車輛廠、用戶對車輛認識的提高，新一代70%低地板車輛的開發和運用需求勢必會逐年增長。

圖8 浮車型結構車廂地板面

100%低地板雖然有多種形式，但技術仍未成熟，均存在缺陷，尤其是驅動裝置的懸掛及列車導向問題。

獨立車輪低地板車輛的導向問題依然嚴峻，仍存在輪緣偏磨，過曲線時車輪及鋼軌擠壓磨耗嚴重，需研究新型踏面以增大過曲線時橫向導向力，減少運行中輪緣偏磨，并研發新型導向機構，減少輪軌磨耗，提高車輛運行安全性。

低地板列車編組不少于5輛時，應采用浮車型結構，以降低制造及維修成本，給乘客提供一個寬敞、舒適的車廂空間。

低地板有軌電車大多數運行于市區中心，車輛采用超級電容與接觸網相結合的方式，可以在某些區段去除接觸網，從而去除接觸網對城市景觀的影響。

采用彈性車輪，可以改善輪軌作用力，延長車輪使用壽命，并達到減振、降噪效果。

6 建議

70%低地板車輛具有一系列不可替代的優點，各大車輛廠不應僅為追求車輛的100%低地板化而忽略了70%低地板車輛的發展。

我國各大車輛廠雖已研發出了具有自主知識產權的100%低地板車輛，但車輛的配件國產化很低，需提高配件的國產化率，并最終達到100%國產化，以打破國外技術壁壘，降低車輛制造成本。國產化后車輛廠與運營公司可以更便利地得到維修配件，更好地就車輛的維修保養與配件供應商進行溝通，并最終提高車輛維修保養的便利性。

低地板車輛實行模塊化設計，在滿足性能前提下，盡可能使其簡單可靠、互換性高，以提高制造效率和檢修維護效率，降低人工成本和備件成本。

低地板車輛要實現輕量化設計，車體采用鋁合金中空型材，齒輪箱、軸箱等在滿足性能的前提下，盡可能采用新型輕量化合金。

低地板車輛在某些運營路段實行路權共享，故車輛制動需反應速度快、性能可靠。車輛制動應采用再生制動、油壓盤形制動及磁軌制動等多種制動方式結合。

低地板車輛，尤其是獨立車輪低地板車輛輪緣偏磨嚴重，可以采用輪緣潤滑，改善輪軌之間的潤滑性能，延長輪緣修磨的時間間隔，大幅提高軌道的使用壽命，減少列車脫軌的危險。

[1] 趙大斌，任利惠. 70%低地板輕軌車輛的型式比較[J]. 城市軌道交通研究，2007（4）：29-33.

[2] 葉芹祿. 有軌電車的現狀與未來[J]. 都市快軌交通，2013，26（5）：1-5.

[3] 鮑維千. 獨立車輪在低地板輕軌車輛上的應用[J]. 內燃機車，2001（1）：12-17.

[4] 沈訓梁，陸云，李俊，等. 100%低地板有軌電車及其轉向架發展現狀[J]. 都市快軌交通，2013，26（5）：21-24.

[5] 許文超，李芾，李剛. 獨立旋轉車輪轉向架的應用發展及現狀[J]. 電力機車與城軌車輛，2013，36（4）：10-15.

[6] 王歡，戴煥云. 低地板輕軌車輛的技術分析與自主研發選型[J].中國鐵路，2009（10）：56-59.

[7] 奧保政. 日本新一代輕軌車輛“SWIMO”的開發[J]. 國外鐵道車輛，2014，51（1）：20-24，46.

[8] 橘勝. 日本環保型低地板電池驅動輕軌車輛轉向架[J]. 國外鐵道車輛，2012，49（1）：34-37，44.

[9] 范蓉平，孟光，崔銀會. 彈性車輪的發展與研究現狀[J]. 機車電傳動，2005（1）：8-11，45.

責任編輯 冒一平

Comparison between 70% Low Floor and 100% Low Floor Tram

Chen Weiguo

The paper makes a brief introduction of low floor tram development, and elaboration on the 70% low floor and 100% low floor tram, points out their advantages and disadvantages, providing reference for city to make low floor tram selection. It describes new technology of low fl oor tram, and some suggestions for development of low fl oor tram are given.

tram, low floor vehicle, independent wheel, suspension system, comparison, development

U482.1

2014-08-28

陳偉果：廣東南車軌道交通車輛有限公司技術部，助理工程師，廣東江門 529100