摘 要 阐述了低地板轻轨车辆的 发展 和70%低地板轻轨车辆的优点。介绍了70%低地板轻轨车辆的几种典型型式。从转向架和车体结构方面比较其各种型式的优缺点,指出模块化是低地板轻轨车辆的发展方向。实现低地板的关键技术在于解决独立车轮转向架中的轮缘磨耗 问题 。给出了提高独立车轮导向能力的措施。
关键词 轻轨,低地板车辆,转向架,独立车轮
1 低地板轻轨车辆
低地板轻轨车辆是指地板面距轨面高度一般在350~400mm以下的轨道 交通 车辆。这种车辆的入口高度很低,上下车十分方便,尤其是对老人、儿童以及残疾人。低地板轻轨车辆不需设置高站台,轨道可直接铺设在路面上,或利用原来的有轨电车轨道;车辆能够通过半径很小的曲线,适应于城市地面路况,可显著降低线路的造价。一般低地板轻轨车辆的列车编组2~3节,总长度20~35m,具有中等运能。
低地板车辆自20世纪80年代以来在欧美取得了飞速发展。据不完全统计,世界上20多个国家的140多个城市已拥有低地板轻轨车辆。我国的大连市和长春市也选择了低地板轻轨车辆。全世界轻轨车辆的数目, 目前 超过了5000辆[1]。
按照低地板面占整个车辆地板面的比例,低地板轻轨车辆的发展经过了三个阶段[2-3]:①第一阶段,只在车门的入口部位设置低地板面,低地板面不相互贯通;低地板面占整个车辆地板面的比例只有15%~30%,车辆使用的是传统的刚性轮对转向架。②第二阶段,在车辆的中部全部设置低地板面,各节车的低地板面相互贯通,而列车的端部则为高地板面;低地板面占整个车辆地板面的比例为60%~70%;列车端部采用传统的刚性轮对转向架,并作为动力转向架;而列车的中部通常使用不带动力的小轮径刚性轮对转向架或独立车轮转向架;为了便于曲线通过,轻轨车辆通常采用铰接车体结构。③第三阶段,整列车辆全部为低地板面,所有转向架均为独立车轮转向架。
目前国际上基本形成了如下四大品牌的低地板轻轨车辆系列:SIEMENS公司的Combino系列、AL-STOM公司的Citadis系列、BOMBARDIER公司的In-centro系列和ANSALDOBREDA公司的Sirio系列。 对于实现低地板来说,车轮直径不是问题,因为车轮处于车辆的两侧,为了容纳车轮,可以在该部位设置座椅。重要的是把中间通道做成低地板,以保证通道前后贯通。因而实现低地板化的关键不在车轮而在车轴。由于低地板轻轨车辆的地板面高度只有300~400mm左右,甚至更低,为了保证地板面的贯通,采用整体刚性轮对几乎是不可能的。解决问题的办法就只有采用小轮径的或常规轮径的独立车轮。
2 采用小轮径刚性轮对的低地板车辆
动力转向架采用刚性轮对两轴转向架。当电机纵向布置时需要设置大心盘以便通过小半径曲线; 当电机横向布置时则需要采用摇枕结构。
拖动转向架采用小轮径刚性轮对转向架。车轮的直径在375~410mm之间。小轮径满足了低地板的要求;刚性轮对的优点是具有自导向能力,抗脱轨能力也较好。小轮径转向架的结构尺寸和悬挂元件都比常规的转向架小,通常只设置中央悬挂系统(见图
3)。
小轮径车轮转向架的缺点是:由于轮径小,对线路的不平顺较敏感,而且转向架通常只有中央悬挂系统,这造成车辆的平稳性较差;小轮径的车轮踏面容易擦伤,踏面擦伤后也不容易复圆;轮轨接触应力较高,踏面的磨耗快,车轮更换的周期较短。根据小轮径车轮供货商Vevey公司的报告,每个小轮径车轮大概可以走行12万km。
3 采用独立车轮的低地板车辆
由于小轮径车轮使车辆的平稳性降低,车轮踏面磨耗快,故目前国内外均倾向使用大轮径的独立车轮低地板轻轨车辆。
独立车轮是“独立旋转车轮”的简称。最简单的独立旋转车轮就是将刚性轮对的左右车轮解耦,使它们各自独立地绕车轴旋转。由于车轴不再需要旋转,因而独立车轮轮对的车轴可以做成曲轴形状,甚至取消车轴,以满足低地板车辆的需要。使用独立车轮的好处在于:其转向架结构与刚性转向架类似,可以使用相同的零部件,简化了结构;车轮的轮径与刚性轮对相近,因而可以将其制成弹性车轮,减少了车辆运行噪声和冲击。但由于独立车轮没有纵向蠕滑力矩,只能依靠重力复原力进行导向,所以独立车轮的踏面需要特殊设计。为了增强独立车轮的导向能力,出现了多种形式的转向架。根据独立车轮的导向原理,独立车轮转向架可分为常规转向架、自调节走行部和迫调节(导向)转向架。与每种独立车轮转向架相适应,低地板车辆的车体编组有其特定形式。
3.1 独立车轮常规转向架方案
3.1.1 双铰三车体型式
图4给出了使用独立车轮常规转向架的70%低地板轻轨车辆的双铰三车体型式。它由端部的两个长车体A、C和中间的一个短车体B组成,在中间的短车体下面放置独立车轮拖车转向架。设置中间短车体的目的:一方面是为了减小通过小半径曲线时车体端部的偏移量以适应限界;更重要的是减小相邻车体对独立车轮转向架的转动 影响 ,从而减小轮对的冲角。
这种双铰三车体型式,每个单独车体都不是静定的,两个车体模块之间需要上、下铰连接才能形成静定结构。连接铰具有以下几种型式:①固定铰,限制三个方向的平动,但能绕三个方向旋转,能承受垂向力,传递大部分的纵向力和横向力,一般用于下铰;②自由铰,仅限制相邻车体间的侧滚运动,一般用于上铰;③转动铰,限制纵向和横向的平动,不限制垂向的平动和三向转动,也不承受垂向力,一般也用于上铰。图5给出了德国HUBNER公司生产的几种铰接机构。
对于双铰三车体型式,在车体A、B之间需要设置一个固定铰和一个转动铰,这使得车体A、B在垂向上是刚性的,不能绕x、y轴转动,仅能绕z轴转动。在车体B、C之间则设置一个固定铰和一个自由铰,车体B、C绕y轴可以转动,以适应竖曲线。为了抑制车体间的晃动,需要在铰接处提供一定的纵向和横向阻尼。
双铰三车体的主要缺点是:由于编组的车体长度不均匀,因而在通过小半径曲线时端部车体的横向偏移量较大,为了满足限界要求,A、C车体的端部必须适度削尖;通过小半径曲线时,由于端部转向架相对车体的转角较大,使得高地板处的动力转向架必须设计成有摇枕型式。
我国的大连市以及湘潭电机厂和唐山机车车辆厂先后试制成功了这种双铰三车体型式的70%低地板车辆。
克服双铰三车体缺点的 方法 是采用五车体型,如图6所示。将三车体型式中的长车体改为两个短车体;两端部的短车体A、F下面设置动力转向架,中间的浮动车体B、D通过连接铰与端部车体和中间车体C连接。显然,五车体型式通过曲线时车体的横移量大大减小,车体端部基本上不用削尖。五车体型式的另一个好处是:高地板处的动力转向架可以采用无摇枕型式,这简化了动力转向架的设计。
五车体型式符合轻轨车辆模块化的 发展 趋势。模块化是指:将车辆的各部件如动力转向架、拖动转向架、前端车体、浮动车体、中间车体、铰接部等进行标准化设计;然后根据需要灵活地调整车辆编组形式,以适应客户对客流量的需求,从而最大限度地降低造价。图7给出了模块化的七车体结构型式。
3.2 独立车轮自调节走行部方案
图8为由德国Frederich教授开发的独立车轮单轴(自调节)走行部[4]。它的左、右独立车轮能够绕构架外侧各自的回转中心旋转,因而可以由重力复原力产生一个绕垂直轴的复原力矩。这一力矩能够驱使独立车轮自动地进行调节复位,使车轮自动地处于径向位置。通常把这种只依靠轮轨间作用力而使车轮回复到径向位置的独立车轮单轴走行部称为独立车轮自调节走行部(简称EEF)。图9给出了使用自调节走行部的低地板车辆的型式。
独立车轮自调节走行部的主要缺点是运动部件多、结构复杂、制造要求高。由于回转轴存在一定的摩擦力,只有当轮副偏转一定角度后才能克服该摩擦力的 影响 ,这造成了轮缘磨耗。与所有的独立车轮转向架一样,它需要配置高性能的防滑器,以避免制动时左、右车轮纵向蠕滑力不相等而引起轮缘贴靠钢轨。
3.3 独立车轮迫调节转向架方案
3.3.1 耦合转向架
独立车轮耦合转向架是一种具有径向性能的新型转向架,其结构原理如图10所示:将前后车体相邻的两个独立车轮单轴转向架用耦合弹性元件连接起来,通过合理选择耦合弹簧的摇头刚度,单轴转向架就能在二系悬挂弹簧和耦合弹簧的作用下自动调节轮对趋于径向位置,实现了轮对的径向导向[5]。
由于受悬挂元件弹性径向变形的制约,耦合转向架通过小半径曲线时其径向导向能力将受到一定限制。一般地,它在50m半径以上的曲线能较好地发挥径向功能。
3.3.2 迫导向转向架
图11是Bombardier为维也纳提供的T型低地板轻轨车辆所使用的迫导向转向架示意图。其径向原理与西班牙的Talgo列车基本相同,系借助一套杠杆机构,利用相邻车体转角迫使单轴转向架在通过曲线时趋向径向位置。
3.4 独立车轮转向架的关键技术
独立车轮转向架是实现低地板面轻轨车辆的关键。但是,独立车轮的轮缘磨耗要比传统刚性轮对大得多。这是因为独立车轮没有纵向蠕滑力矩,只能依靠重力复原力进行导向。这造成独立车轮在曲线上的冲角较大,轮轨横向作用力大,在直道上运行时轮缘容易贴靠钢轨。因此,独立车轮的轮缘磨耗较大,并且容易脱轨。
解决独立车轮轮缘磨耗 问题 的主要措施有以下几种:①设计合理的踏面,避免轮缘在直线上与钢轨接触。独立车轮依靠重力复原力进行导向,而重力复原力取决于左、右车轮的接触角差,因此独立车轮的踏面设计中需要尽量地增加左、右车轮的接触角差。采用接触角踏面反推法[6]设计独立车轮踏面是一种有效的方法。②进行轮缘润滑,并在小半径区段敷设护轨,利用轮背来导向。③采用具有径向功能的转向架,以减小轮对在曲线上的冲角。另外,独立车轮转向架的左、右侧轴距差也需要重点控制,一般来讲,对两轴转向架其左、右侧轴距差需控制在1mm之内。
4 结语
目前 低地板轻轨车辆主要集中在西欧和北美。西欧国家发展低地板轻轨车辆的原因主要有两个:一是替代陈旧的有轨电车,二是为了环保,节约能源。美国采用低地板轻轨车辆的另一个原因是ADA法案的实施,它要求公交系统必须方便残疾人乘降。
低地板轻轨 交通 能被越来越多的城市所接受,主要是因为轻轨交通在城市轨道交通系统中填补了公共汽车与地铁运量间的空白;其适应运量为单向高峰1~3万人次/h,一般可用作中等城市的干线交通和大城市的支线交通。大连市和长春市的实践证明,轻轨交通系统也是我国城市发展轨道交通的模式之一。
70%低地板轻轨车辆的型式多种多样,其型式选择主要取决于走行部。开发具有良好导向能力的独立车轮拖动转向架是实现70%低地板轻轨车辆的关键。模块化车体是低地板车辆的发展方向。
参考 文献
[1] BoozAllen,HamiltonINC.Applicabilityoflow-floorlightrailve-hiclesinnorthamerica[R].Washington,D.C:TransportationResearchBoard,NationalResearchCouncil.1995.[3] 应之丁,张萼辉,姜敏.低地板轻轨车辆制动技术 分析 [J].城市轨道交通 研究 ,2006
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[4] 陈泽深,王成国.铁道车辆动力学与控制[M].北京: 中国 铁道出版社,2004:116.
[5] 池茂儒,张洪,黄其祯,等.新型独立车轮低地板转向架曲线通过性能研究[J].铁道车辆,2005,43
(3):1.
[6] 叶志森,沈钢.独立车轮踏面外形的设计[J].铁道车辆,2003,49
(1):19.
[7] 姬霖,王建.直线电机车辆与轻轨车辆的应用比较[J].城市轨道交通研究,2005
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