國外新一代100%低地板有軌電車技術特征及發展趨勢

牛悅丞,李 芾,楊 陽,李金城

(西南交通大學機械工程學院,成都 610031)

1 100%低地板有軌電車介紹

新世紀以來，世界各國進入了城市化的高速發展期，與之同時發生的是人們對城市各項功能要求更加嚴苛。在日常出行方面，汽車是人們的主要選擇，但由于汽車具有污染大、運量小且易造成交通擁堵等缺點，故大力發展城市軌道交通勢在必行[1]。

有軌電車是城市軌道交通的主要組成部分之一。有軌電車既可以與一般汽車共用路權，也可以建立專用道路供其行駛。有軌電車運量介于公共汽車與地鐵之間，但相比于公共汽車更為環保，整體造價比地鐵便宜。100%低地板有軌電車是一種新型的有軌電車，主要特點是整車地板面距軌面高度400 mm以下，具有造價低、污染低、能耗低和便于旅客上下車等優點。世界上第一輛100%低地板有軌電車在德國布萊梅于1990年2月投入使用[2]。隨后至今100%低地板有軌電車的發展十分迅速，由國內外不同的生產廠家發展出了各種各樣的型式。100%低地板有軌電車按其各方面特點可分為表1所示的以下型式[3-4]。

表1 100%低地板有軌電車特征區分

2 國外100%低地板有軌電車概覽

國外生產100%低地板有軌電車的公司眾多，各制造商出產的有軌電車具有不同的特點，以下將按制造商為分類分別介紹不同具有代表性新一代100%低地板有軌電車應用及相關技術。

2.1 Bombardier公司

Bombardier公司生產的FLEXITY系列有軌電車里包括70%低地板有軌電車和100%低地板有軌電車。其中已投入運營的新一代列車是FLEXITY 2系列有軌電車，全部采用100%低地板設計，于2012年4月在英國布萊克浦最先投入使用。FLEXITY 2系列有軌電車相比于FLEXTIY系列更為節能且更加舒適，目前應用于比利時根特及安特衛普、瑞士巴塞爾和澳大利亞黃金海岸等城市。另外中車浦鎮廠通過吸收引進FLEXITY 2技術生產的Cinius有軌電車已在蘇州一號線、南京河西線與南京麒麟線得到應用。FLEXITY 2一般編組型式為5模塊編組，其第一節和第五節為動車，最中間節為拖車，第二節和第四節為浮車。見圖1。

FLEXITY 2系列有軌電車使用FLEXX Urban 3000型轉向架，牽引電機布置于側梁外側，運行時驅動對角的兩個車輪。此轉向架采用常規式設計，為確保低地板方案的實施，采取了下述幾點措施：使用小輪徑橡膠彈性車輪、電機采用縱向布置、制動盤外置。縱向牽引裝置為橫梁處單牽引拉桿。該轉向架最大軸重為12 t[5]。見圖2。

圖1 布萊克浦FLEXITY 2低地板有軌電車

圖2 FLEXX Urban 3000型轉向架

此外，FLEXITY 2可選擇裝備Bombardier公司Primove感應式電力傳輸技術。Primove無線充電基于埋在地下的部件和安裝在車輛下面的接收設備之間的高功率感應能量傳輸[6-7]。當車輛完全覆蓋充電區域時，路邊部件與車輛“通信”，自動開始非接觸充電過程。系統以非常高的效率傳輸能量而不用直接接觸。有軌電車可在運動或靜止下快速充電。Primove的原理是在初級線圈中通入電流產生磁場，在次級線圈中產生感應電流。如果初級線圈在環路中延伸，則次級線圈可以沿著該環路的任意位置接收電能[8]。通過Primove技術可以代替弓網接觸得電方式，從而達到節省空間和不影響城市景觀之目的。Primove技術原理示意見圖3，FLEXITY2布萊克浦有軌電車技術參數見表2。

圖3 Primove技術原理示意

項目參數列車編組Mc-F-Tp-F-Mc最高運行速度/(km·h-1)70車輛長度/mm32230車輛寬度/mm2650車輛高度/mm3420地板面高度/mm320最大軸重/t12最大載客量/人350供電方式弓網接觸

ForCity系列有軌電車采用永磁電機驅動的方式[10-11]，將電機橫向布置于輪對外部，每個車輪由單獨的電機驅動，驅動時省去了傳動的齒輪結構，傳動效率更高，可充分利用車輪性能。并采用彈性車輪加輪盤制動的特殊結構。見圖5。ForCity Alfa布拉格有軌電車技術參數見表3。

圖4 運行于布拉格的ForCity Alfa有軌電車

圖5 koda ForCity永磁電機[12]

項目參數軸列式BoBoBoBo最高運行速度/(km·h-1)60車輛長度/mm31400車輛寬度/mm2460車輛高度/mm3600地板面高度/mm320最大軸重/t12最大載客量/人180供電方式弓網接觸

2.3 Alstom公司

Citadis系列是Alstom公司自20世紀90年代末生產的一系列低地板有軌電車，包括多種70%低地板有軌電車及100%低地板有軌電車[13]。到2017年已有超過1800輛的電車投入使用。其中最新一代的是應用于北美渥太華等城市的Citadis Spirit系列和應用于澳大利亞悉尼等城市的Citadis X05系列。兩種系列的有軌電動車全部采用100%低地板設計，并采用了Alstom的無接觸網供電APS技術[14]。APS技術的原理是在兩運行軌道加設一條中央供電軌道段。第三軌道傳輸的電能通過位于有軌電車中央轉向架兩側的兩個接觸靴傳入蓄電池或超級電容。只有當車輛完全覆蓋供電軌道段時供電裝置才會打開以確保行人的安全。見圖6。

圖6 運行于澳大利亞悉尼的Citadis X05有軌電車

Citadis X05系列有軌電車采用Ixège轉向架(圖7)；Citadis Spirit系列有軌電車采用Iponam轉向架(圖8)。與FLEXX Urban 3000型轉向架類似，兩種轉向架將永磁電機布置于側梁外側，運行時通過齒輪傳動分別驅動對角位置的車輪。采用軸盤制動，制動盤外置呈對角布置[15]。Citadis X05有軌電車技術參數見表4。

圖7 Ixège轉向架

圖8 Iponam轉向架

項目參數列車編組Mc-F-T-F-Mc最高運行速度/(km·h-1)80車輛長度/mm32000車輛寬度/mm2400地板面高度/mm342最大軸重/t13最大載客量/人238最小通過曲線半徑/m20供電方式APS無接觸網技術

2.4 Siemens公司

Avenio是德國Siemens公司在2009年在維也納公共交通國際聯會(UITP)貿易展會上推出的新一代100%低地板有軌電車品牌。是在其前一代低地板有軌電車Combino Plus的基礎上制造的。Avenio系列有軌電車擁有從兩模塊到八模塊的多種編組方式，八模塊車車長可達到72 m，是目前最長的100%低地板有軌電車[16-18]。Avenio系列包括Avenio原版和Avenio M兩種形式，兩者的主要區別是Avenio原版是單鉸接型，車輛編組中不含浮車；Avenio M是多鉸接型，即包含浮車的混合編組。目前Avenio系列有軌電車已在荷蘭海牙和德國慕尼黑等地投入使用。見圖9。

Avenio系列有軌電車同樣可以采用無受電弓供電的方案。電能通過建造在車站或隧道頂部的傳電軌道傳入由雙層電容器和蓄電池組合而成的車內儲能裝置。另外儲能裝置還可以儲存來自制動時的電能。

圖9 運行于海牙的Avenio有軌電車

Avenio系列有軌電車轉向架采用小輪徑獨立旋轉車輪，電機縱向布置于側梁外側，同側車輪由同一個電機驅動，即前后車輪縱向耦合。見圖10。Avenio海牙有軌電車技術參數見表5。

圖10 Avenio動力轉向架

項目參數軸列式Bo’2’BoBo最高運行速度/(km·h-1)80車輛長度/mm35000車輛寬度/mm2550地板面高度/mm350最大軸重/t8.8最大載客量/人232最小通過曲線半徑/m25供電方式弓網接觸

2.5 Stadler公司

Stadler公司生產的低地板有軌電車包括Variobahn和Tramlink以及最新一代的Metelitsa。其中Tramlink全部為100%低地板有軌電車，采用多鉸接型編組，運用于德國羅斯托克、巴西桑托斯等城市[19]。Metelitsa有軌電車是一款專門運行于寬軌的有軌電車，包括2014年投入俄羅斯莫斯科的部分低地板有軌電車和2017年8月投入俄羅斯圣彼得堡的100%低地板有軌電車(圖11)。Metelitsa有軌電車可選擇二到七輛編組，并適用于-40 ℃～40 ℃的所有環境。Metelitsa圣彼得堡有軌電車技術參數見表6。

圖11 圣彼得堡Metelitsa有軌電車

2.6 CAF公司

Urbos 100系列有軌電車屬于西班牙CAF公司生產的第三代Urbos系列輕軌車輛(圖12)。自2011年起運用于法國貝桑松、匈牙利布達佩斯等城市，其中“100”代表100%低地板。Urbos 100系列具有許多種配置方案，其編組可以選擇3列、5列、7列以及9列，對應的長度從23 m到56 m；車寬可以選擇2 300、2 400 mm以及2 650 mm。

表6 Metelitsa圣彼得堡有軌電車技術參數

圖12 貝桑松有軌電車

Urbos 100可選搭載CAF公司開發的Greentech無接觸網供電技術，與Alston的APS技術類似，在車上搭載超級電容或者鋰基電池，當車輛停在站臺充電區域時可通過受電弓或第三軌獲得電能，站間無需設立接觸網[20-21]。貝桑松有軌電車技術參數見表7。

表7 貝桑松有軌電車技術參數

2.7 PESA公司

Twist系列低地板有軌電車是波蘭Pesa公司自2012年起投入使用的新一代有軌電車，包括70%與100%低地板的不同版本，應用于波蘭的弗羅茨瓦夫和克拉科夫等地[22]。見圖13。弗羅茨瓦夫有軌電車技術參數見表8。

圖13 弗羅茨瓦夫有軌電車

項目參數軸列式Bo’2’2’Bo最高運行速度/(km·h-1)70車輛長度/mm32000車輛寬度/mm2400地板面高度/mm350最大載客量/人220供電方式弓網接觸

3 結論與展望

經歷了近30年的發展，目前100%低地板有軌電車已逐步替代了原有的各類有軌電車，成為有軌電車的主流。相比于前幾代有軌電車，各制造商生產的新一代100%有軌電車的各項性能取得了較大提升，車輛的組成及設計方案也發生了很大變化。主要體現在以下幾個方面。

(1)無接觸網設計。考慮到為傳統的有軌電車架設的接觸網會影響城市美觀，在極端天氣下還會具有一定的安全隱患，許多制造廠商都推出了無需弓網接觸得電的有軌電車方案。這些方案通常是通過在車輛上搭載的超級電容或者蓄電池供應車輛運行時的電能，并在車輛運行路線上部分站點或區域設置充能裝置。充能裝置包括使用中部供電軌道段以及充電感應設備等。無接觸網設計對于古城區尤為適用，可以防止有軌電車線路建設對古城風景的破壞。

(2)編組型式。最早的100%低地板有軌電車GTN采用的是單車型式[23]，即每節車底各有一個轉向架。隨后100%低地板有軌電車發展出了多種多樣的編組型式，目前最新一代的100%低地板有軌電車往往采用浮車型(多鉸接型)，即部分車體下方無轉向架支承，利用鉸接裝置與兩側車體連接的型式。這種型式雖然對鉸接裝置的承載能力有較高的要求，但是可以減少轉向架的使用，節省大量生產資金；由于車底無轉向架，所以不需要專門為轉向架上方區域設置座椅等設施以保證100%低地板設計，這使得車內實現低地板更為方便，車內空間的安排也更為自由。隨著各項技術的成熟，浮車型式將成為100%低地板有軌電車的主要編組方式。

(3)電機選用。永磁電機具有效率高、發熱小、體積小、無傳動齒輪等特點，非常適合低地板車輛應用。通常永磁電機安裝于轉向架構架側梁外側，為低地板設計提供了條件。但永磁電機本身結構復雜，應用成本相對較高。隨著永磁電機的生產及應用經驗的增加，永磁電機因其優點會逐步取代一般電機在100%低地板有軌電車上的使用。

100%低地板有軌電車不僅在國外多個城市得到充分應用，在我國也引起了極大興趣，多家國內制造商在充分吸收引進國外技術后也生產了一批應用于國內外的100%低地板有軌電車，例如中車大連為珠海1號線設計的五模塊有軌電車、中車株機為江蘇淮安設計的超級電容四模塊有軌電車和中車青島四方為青島城陽區設計的三模塊氫能源有軌電車等。截至2016年12月，在我國共有29座城市具有城市軌道交通運營線路，共計129條[24-25]。而在2013年，只有12座城市具有城市軌道交通運營線路。可見當前正是我國城市軌道交通的快速發展階段，100%低地板有軌電車也必將得到更多應用。