1.2　城軌交通車(chē)輛狀況及發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1　城軌交通車(chē)輛類(lèi)型

城軌交通車(chē)輛的類(lèi)型主要有地鐵車(chē)輛、輕軌車(chē)輛（即現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)）、直線電機(jī)車(chē)輛、單軌車(chē)輛和自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛。

1.地鐵車(chē)輛

地鐵車(chē)輛是一種由電力牽引、輪軌支持與導(dǎo)向、運(yùn)行在地下隧道、地面或高架線路上的大運(yùn)量軌道交通工具。地鐵車(chē)輛由車(chē)體與內(nèi)裝、車(chē)門(mén)與照明、轉(zhuǎn)向架、車(chē)鉤緩沖裝置、牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、空調(diào)與采暖、乘客信息系統(tǒng)等組成。車(chē)輛類(lèi)型有A型車(chē)和B型車(chē)，如圖1.4、圖1.5所示。車(chē)輛主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1.10。

圖1.4　上海地鐵1號(hào)線A型車(chē)

圖1.5　北京地鐵4號(hào)線B型車(chē)

表1.10　各類(lèi)車(chē)型車(chē)輛主要計(jì)算參數(shù)

注：摘自《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》（GB/T 7928—2003）。

2.輕軌車(chē)輛

輕軌車(chē)輛是在傳統(tǒng)有軌電車(chē)基礎(chǔ)上改造發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)，使用電力牽引，是用于城市客運(yùn)的中運(yùn)量軌道交通工具。現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)由車(chē)體與內(nèi)裝、車(chē)門(mén)與照明、獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架或傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架、鉸接連接裝置、牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空氣與液壓制動(dòng)系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、空調(diào)與采暖、乘客信息系統(tǒng)等組成。根據(jù)《城市輕軌交通鉸接車(chē)輛通用技術(shù)條件》（GB/T 23431—2009）的規(guī)定，現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)分為4軸車(chē)輛、6軸鉸接車(chē)輛和8軸鉸接車(chē)輛三種，如圖1.6～圖1.8所示。現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.11。

圖1.6　大連6軸鉸接低地板有軌電車(chē)

圖1.7　長(zhǎng)春6軸鉸接低地板有軌電車(chē)

圖1.8　國(guó)外8軸鉸接低地板有軌電車(chē)

表1.11　現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

注：摘自《城市輕軌交通鉸接車(chē)輛通用技術(shù)條件》（GB/T 23431—2009）。

3.直線電機(jī)車(chē)輛

直線電機(jī)車(chē)輛是采用直線感應(yīng)電機(jī)來(lái)獲得牽引力和電制動(dòng)力，其定子線圈安裝在車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上，而轉(zhuǎn)子部分則安裝在線路導(dǎo)軌上。直線電機(jī)車(chē)輛依然是一種通過(guò)轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)輪軌支持與導(dǎo)向，運(yùn)行在地面、高架線路或地下隧道的中運(yùn)量軌道交通工具，如圖1.9所示。直線電機(jī)車(chē)輛的構(gòu)造與地鐵車(chē)輛基本相同，唯一不同的是采用懸掛直線電機(jī)定子的徑向轉(zhuǎn)向架。由于采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了非黏著牽引，爬坡能力強(qiáng)；由于沒(méi)有齒輪箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪徑可以減小，車(chē)輛可以輕量化，能有效減小車(chē)輛的斷面限界，降低工程投資；但直線電機(jī)氣隙大、效率低、能耗比一般地鐵車(chē)輛高30％左右。因此，直線電機(jī)車(chē)輛適用于坡道大、曲線半徑小、斷面限界小的特殊線路。直線電機(jī)車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.12。

圖1.9　廣州地鐵4號(hào)線直線電機(jī)車(chē)輛

表1.12　直線電機(jī)車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)

4.單軌車(chē)輛

單軌車(chē)輛是采用橡膠輪胎轉(zhuǎn)向架，通過(guò)在軌道梁運(yùn)行的橡膠輪胎轉(zhuǎn)向架走行輪支持車(chē)廂，并借助轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪起引導(dǎo)和穩(wěn)定作用，在高架線路上行駛的中運(yùn)量軌道交通工具。單軌車(chē)輛由車(chē)體與內(nèi)裝、車(chē)門(mén)與照明、橡膠輪胎轉(zhuǎn)向架、鉤緩連接裝置、牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空氣與液壓制動(dòng)系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、空調(diào)與采暖、乘客信息系統(tǒng)等組成。車(chē)輛類(lèi)型有跨座式單軌車(chē)輛及懸掛式單軌車(chē)輛，如圖1.10～圖1.12所示。由于必須采用高架形式，限制了跨座代單軌車(chē)輛的發(fā)展。跨座式單軌車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.13。

圖1.10　重慶跨座式單軌列車(chē)

圖1.11　日本大阪跨座式單軌列車(chē)

圖1.12　日本千葉縣懸掛式單軌列車(chē)

表1.13　跨座式單軌車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)

注：摘自《跨座式單軌交通車(chē)輛通用技術(shù)條件》（CJ/T 287—2008）。

5.自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛

自導(dǎo)向輪胎車(chē)輛是運(yùn)行在專用混凝土軌道上，具有特殊導(dǎo)向和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的，由單軸橡膠輪轉(zhuǎn)向架支承的小運(yùn)量電動(dòng)客車(chē)。自導(dǎo)向輪胎車(chē)輛由車(chē)體與內(nèi)裝、車(chē)門(mén)與照明、橡膠輪胎單軸轉(zhuǎn)向架、鉤緩連接裝置、牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、電制動(dòng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、空調(diào)與采暖、乘客信息系統(tǒng)等組成。其中單軸轉(zhuǎn)向架的走行輪采用帶內(nèi)置式輔助輪的充氮?dú)庀鹉z輪胎，并設(shè)有軌輪胎壓力監(jiān)測(cè)裝置；其導(dǎo)向輪采用充填聚氨酯的橡膠輪或?qū)嵭南鹉z輪。單軸轉(zhuǎn)向架還設(shè)有車(chē)輛自導(dǎo)向和轉(zhuǎn)向裝置。自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛如圖1.13和圖1.14所示。自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.14。

圖1.13　東京臨海線新交通7000系輪胎車(chē)輛

圖1.14　日本埼玉縣新交通2000系輪胎車(chē)輛

表1.14　自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)上表

注：摘自《自導(dǎo)向輪胎式車(chē)輛通用技術(shù)條件》（CJ/T 366—2011）。

1.2.2　城軌交通車(chē)輛技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的發(fā)展情況和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，今后城市軌道車(chē)輛技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下。

1.提高最高運(yùn)行速度

提高城軌車(chē)輛最高運(yùn)行速度不但能提高城軌交通運(yùn)營(yíng)效率與效益，還可以提高乘客旅行速度、節(jié)約出行時(shí)間、提升工作效率、增加社會(huì)效益。

（1）提高車(chē)輛最高運(yùn)行速度狀況

巴黎地鐵車(chē)輛初期最高運(yùn)行速度為80km/h，旅行速度為23.7km/h，近年來(lái)已將地鐵車(chē)輛的最高速度提高到100km/h，旅行速度達(dá)到50km/h。莫斯科地鐵車(chē)輛運(yùn)行速度由90km/h提高到100km/h，平均旅行速度達(dá)到41km/h。紐約地鐵車(chē)輛最高運(yùn)行速度由70km/h逐步提高到130km/h，1974年R-44型地鐵車(chē)輛的最高速度達(dá)到133km/h。日本地鐵車(chē)輛在地下最高速度為70～80km/h，地面行駛的最高速度已達(dá)到120km/h，如東京地鐵車(chē)輛3000系、5000系車(chē)輛最高速度都是120km/h。

我國(guó)北京、上海、廣州、南京、深圳等大城市已運(yùn)營(yíng)的地鐵車(chē)輛最高運(yùn)行速度大多數(shù)都在80km/h以下。近年來(lái)，地鐵車(chē)輛最高運(yùn)行速度也在逐步提高，廣州地鐵4號(hào)線和5號(hào)線直線電機(jī)車(chē)輛最高運(yùn)行速度到90km/h，大連3號(hào)線快軌車(chē)輛和天津?yàn)I海線快軌車(chē)輛最高運(yùn)行速度達(dá)到100km/h，北京地鐵機(jī)場(chǎng)線直流電機(jī)車(chē)輛最高設(shè)計(jì)速度達(dá)到110km/h，廣州地鐵3號(hào)線車(chē)輛最高運(yùn)行速度為120km/h。

（2）城軌車(chē)輛最高速度目標(biāo)值選擇

城軌車(chē)輛最高速度目標(biāo)值選擇與旅行時(shí)間密切相關(guān)。城市軌道交通主要為城市中心城區(qū)、中心城與新城以及衛(wèi)星城之間提供快速、舒適、大容量的公共交通服務(wù)，為縮短旅行時(shí)間，希望車(chē)輛有較高的運(yùn)行速度。國(guó)外城軌交通建設(shè)遵循市民出行一次到達(dá)目的地以不超過(guò)1h為原則，倫敦、巴黎、莫斯科、東京、紐約等大都市基本在主城區(qū)50～80km半徑范圍內(nèi)，市中心至郊區(qū)一般出行時(shí)間控制在1h以內(nèi)。我國(guó)大城市市域范圍基本在中心城70km半徑范圍內(nèi)，大多數(shù)新城至中心城中心的直線距離小于50km，總出行時(shí)間可控制在1h以內(nèi)，旅行時(shí)間不宜超過(guò)35～40min。以此選擇列車(chē)形式，確定旅行速度和最高運(yùn)營(yíng)速度。

城軌車(chē)輛最高速度目標(biāo)值選擇與站間距相關(guān)。站間距短，速度目標(biāo)值低；站間距長(zhǎng)，速度目標(biāo)值就可以高，在不組織越行的運(yùn)輸組織模式下，列車(chē)最高運(yùn)行速度主要取決于平均站間距離。根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛有關(guān)主要參數(shù)分析，列車(chē)最高運(yùn)行速度與站間距合理的匹配關(guān)系見(jiàn)表1.15。

表1.15　列車(chē)最高運(yùn)行速度與站間距的匹配表

從表1.15看出，當(dāng)平均站間距為2km左右時(shí)，城軌列車(chē)最高運(yùn)行速度可提高到100km/h；平均站間距為3～4km時(shí)，城軌列車(chē)最高運(yùn)行速度可提高到120km/h；平均站間距為5～6km時(shí)，城軌列車(chē)最高運(yùn)行速度可提高到140～160km/h。由于近郊、城市車(chē)輛在地面和高架線可設(shè)若干越行股道，能實(shí)現(xiàn)快慢速運(yùn)行。

2.發(fā)展交流傳動(dòng)車(chē)輛

（1）國(guó)外交流傳動(dòng)車(chē)輛發(fā)展?fàn)顩r

早期地鐵車(chē)輛采用蒸汽牽引。1890年改為電力牽引后，一直采用凸輪變阻調(diào)速控制、直流電動(dòng)機(jī)牽引系統(tǒng)，后來(lái)發(fā)展為斬波器調(diào)速控制系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，由于電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率自關(guān)斷元器件（GTO、IGBT、IPM）走向產(chǎn)品化和實(shí)用化，變頻變壓調(diào)速控制（VVVF）技術(shù)迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)車(chē)輛廣泛應(yīng)用于城軌交通。日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、韓國(guó)、墨西哥、西班牙等國(guó)家新造地鐵車(chē)全部采用VVVF交流傳動(dòng)裝置。

（2）國(guó)內(nèi)交流傳動(dòng)車(chē)輛發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，所有地鐵新造車(chē)牽引系統(tǒng)都采用交流傳動(dòng)技術(shù)，交流傳動(dòng)已成為各類(lèi)車(chē)輛傳動(dòng)的唯一和最優(yōu)模式。但依靠西門(mén)子、龐巴迪、阿爾斯通、東芝、東洋等公司提供牽引逆變器系統(tǒng)。近年來(lái)在國(guó)家發(fā)改委領(lǐng)導(dǎo)和支持下，地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快。株洲電力機(jī)車(chē)研究所開(kāi)發(fā)的牽引系統(tǒng)已在上海1號(hào)線、沈陽(yáng)2號(hào)線、北京房山線等地鐵車(chē)輛上得到應(yīng)用，車(chē)輛牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，已取得市場(chǎng)60％的份額，應(yīng)用在各城市很多線路上。

3.發(fā)展不銹鋼和鋁合金車(chē)體

（1）國(guó)內(nèi)外不銹鋼車(chē)體和鋁合金車(chē)體發(fā)展?fàn)顩r

自1863年英國(guó)倫敦建成世界上第一條地鐵線、1888年美國(guó)弗吉尼亞州里士滿市建成世界上第一條有軌電車(chē)線以來(lái)，地鐵車(chē)輛、有軌電車(chē)和市郊車(chē)輛長(zhǎng)期采用普通鋼車(chē)體。但是，因?yàn)槠胀ㄤ撥?chē)體強(qiáng)度低、重量大、能耗高、腐蝕重、維修量大、使用壽命短，人們開(kāi)始用鋁合金和不銹鋼車(chē)體取代普通鋼車(chē)體。

鋁合金是一種輕金屬材料。法國(guó)最早于1896年將鋁合金用于鐵道客車(chē)車(chē)窗上，1905年英國(guó)鐵路電動(dòng)車(chē)的外墻板采用了鋁合金，美國(guó)在1923～1932年間有700輛電動(dòng)車(chē)和客車(chē)的側(cè)墻和車(chē)頂采用鋁合金。20世紀(jì)60年代以來(lái)，聯(lián)邦德國(guó)科隆、波恩鐵路的市郊電動(dòng)車(chē)組相繼實(shí)現(xiàn)了車(chē)體鋁合金化。日本1962年引進(jìn)鋁合金技術(shù)，首先在山陽(yáng)電動(dòng)車(chē)上采用鋁合金車(chē)體，到2000年生產(chǎn)了近萬(wàn)輛鋁合金車(chē)。之后，法國(guó)、德國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)在高速鐵路車(chē)輛上都采用了鋁合金車(chē)體。

不銹鋼是一種含鎳鉻的高強(qiáng)度合金鋼。美國(guó)最早于20世紀(jì)50年代由巴德公司生產(chǎn)了不銹鋼車(chē)。日本于20世紀(jì)60年代初從美國(guó)引進(jìn)不銹鋼車(chē)體技術(shù)，在1962年11月生產(chǎn)了日本最早的南海地鐵6000系不銹鋼車(chē)，到2000年累計(jì)生產(chǎn)不銹鋼車(chē)約10000輛，占城軌車(chē)輛的50％以上。加拿大龐巴迪拉柏卡爾夫工廠1982～1992年累計(jì)生產(chǎn)的1546輛客車(chē)中不銹鋼車(chē)占89％。韓國(guó)韓進(jìn)重工業(yè)公司1995年生產(chǎn)了250輛客車(chē)，不銹鋼車(chē)占80％。

國(guó)內(nèi)城市新線地鐵車(chē)都是選用鋁合金和輕量化不銹鋼兩種材料。截至2009年底統(tǒng)計(jì)，選用鋁合金材料的有廣州3號(hào)線、廣佛線、天津1號(hào)線、武漢1號(hào)線、武漢1號(hào)延長(zhǎng)線、重慶跨座2號(hào)線、杭州1號(hào)線等，總計(jì)832輛；選用輕量化不銹鋼的有北京1號(hào)和2號(hào)線改造、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、10號(hào)線，天津?yàn)I海線、天津2號(hào)線、天津3號(hào)線，沈陽(yáng)1號(hào)線和2號(hào)線，深圳3號(hào)線，成都1號(hào)線，西安2號(hào)線等，總計(jì)1894輛。

（2）不銹鋼車(chē)體和鋁合金車(chē)體的比較

①輕量化效果

鋁合金的密度為2.71g/cm3，僅是不銹鋼密度（7.85g/cm3）的三分之一。但是，鋁合金的抗拉強(qiáng)度不如不銹鋼，鋁合金的抗拉強(qiáng)度為274～352N/mm2，而一般不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為520～685N/mm2，采用超低碳[w（C）<0.03％]的輕量化不銹鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到960～1200N/mm2，是鋁合金的2～5倍。而且，鋁合金剛度低，其彈性模量為0.71×105N/mm2，是不銹鋼彈性模量（2.06×105N/mm2）的三分之一，見(jiàn)表1.16。因此，為保證城市軌道車(chē)輛有足夠的承載強(qiáng)度和剛度，鋁合金車(chē)輛必須采用大型中空型材及其組合件。對(duì)于B型車(chē)，日本鋁合金車(chē)體質(zhì)量已達(dá)到4～5t，比普通鋼車(chē)體質(zhì)量減輕50％。我國(guó)目前鋁合金車(chē)體質(zhì)量達(dá)到6～7t，比普通鋼車(chē)體質(zhì)量減輕約30％～50％，比不銹鋼車(chē)體質(zhì)量減輕約12％～30％。

輕量化不銹鋼的密度與全鋼相當(dāng)，不銹鋼的強(qiáng)度是鋼的2～3倍，見(jiàn)表1.17。由于不銹鋼的強(qiáng)度和剛度高于鋁合金，不銹鋼車(chē)體可采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，車(chē)體的梁柱板厚為0.8～3mm，車(chē)體外板厚為0.4～1.2mm。在相同的強(qiáng)度下，不銹鋼車(chē)體的斷面可以做得小，使用板材更薄，能有效地減輕車(chē)體自重，達(dá)到實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化的目的。但是，不銹鋼彈性模量只有鋼的85％，剛度較小，須采用大量薄板軋成加強(qiáng)型板與外板點(diǎn)焊形成空腔，以提高其剛度和強(qiáng)度。日本輕量化不銹鋼車(chē)體質(zhì)量約6～7t，我國(guó)輕量化不銹鋼車(chē)體質(zhì)量約8～9t，比普通鋼車(chē)體質(zhì)量減輕約10％～20％。

表1.16　鋁合金車(chē)體材料的機(jī)械性能

續(xù)上表

注：P—板材，S—型材。

表1.17　日本不銹鋼車(chē)體材料的機(jī)械性能

②耐腐蝕性

鋁合金車(chē)體耐腐蝕性較好。鋁合金車(chē)體的耐腐蝕性是由于鋁合金表面在空氣中形成一層致密的三氧化二鋁保護(hù)膜，從而具有很好的防腐蝕能力。但由于在長(zhǎng)期運(yùn)用中，特別是在潮濕的環(huán)境下，遇到空氣介質(zhì)中的陰離子（如Cl-1），鋁合金車(chē)體就會(huì)產(chǎn)生局部原電池，發(fā)生點(diǎn)蝕、面蝕和變色，影響了車(chē)體強(qiáng)度和美觀，因此大部分鋁合金車(chē)體都要涂裝，以保證30年的使用壽命。

輕量化不銹鋼車(chē)體具有優(yōu)越的耐腐蝕性。不銹鋼中含有鉻大于12％，使鋼的電極電位由-0.56V升至+0.2V，原電池腐蝕不易發(fā)生，顯著地提高了鋼的抗蝕性。因此，不銹鋼車(chē)體外表面不需涂裝，并能長(zhǎng)期保持新造時(shí)外板的光澤，無(wú)需檢修與再涂裝。

③安全性

鋁合金車(chē)體的防火性能較差。鋁合金熔點(diǎn)為660℃，在著火的特殊情況下，鋁合金車(chē)體會(huì)在較短間內(nèi)熔化掉，不利于乘客逃生。不銹鋼車(chē)體防火性能好，不銹鋼熔點(diǎn)為1500℃，是鋁合金的兩倍多，在大火情況下，車(chē)體不會(huì)很快垮掉，有利于乘客逃生。

④氣密性

鋁合金車(chē)體采用整體全焊接結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的氣密性能，不怕風(fēng)沙、雨水和雪水的侵入，有利于提高車(chē)輛的最高運(yùn)行速度。不銹鋼車(chē)體氣密性較差，不銹鋼熱膨脹系數(shù)是鋼的1.5倍，熱傳導(dǎo)率僅為鋼的三分之一，電阻率大，這決定了不銹鋼車(chē)體必須采用點(diǎn)焊，而不能采用連續(xù)焊，造成板材和型材間的連接會(huì)有一定空隙，密封性較差。

⑤工藝性

鋁合金車(chē)體具有良好的工藝性。目前普遍采用的結(jié)構(gòu)是大型中空型材組焊結(jié)構(gòu)。由于車(chē)體零件數(shù)量少，焊接工作量少，簡(jiǎn)化了車(chē)體制造工藝，且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，顯著降低了車(chē)體制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。不銹鋼車(chē)體的制造工藝較復(fù)雜，零部件采用搭接方式，不能采用連續(xù)焊，只能點(diǎn)焊，工藝要求高；特別是不銹鋼成形困難，有些部位如枕梁、牽引梁和前端梁造型等，不得不采用鋼材或玻璃鋼制造；車(chē)體外表面不能用火調(diào)平，冷彎件和冷壓件的制造精度較高。

⑥外觀性

鋁合金車(chē)體具有較好的外觀形象。鋁合金車(chē)體外表平整，可根據(jù)外部環(huán)境和城市特點(diǎn)進(jìn)行涂裝和美化，達(dá)到與人文環(huán)境相互協(xié)調(diào)的效果。不銹鋼車(chē)體外觀形象不如鋁合金車(chē)體。由于不銹鋼車(chē)體不涂裝，外表面總有點(diǎn)焊痕跡。門(mén)框與整體側(cè)墻外表面結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，不舒適。車(chē)體外表不涂裝，不易進(jìn)行美化，難以達(dá)到與外部環(huán)境相和諧的效果。

⑦經(jīng)濟(jì)性

采用鋁合金車(chē)體和輕量化不銹鋼材料會(huì)使車(chē)體制造費(fèi)用增加多少，我國(guó)還沒(méi)有這方面的統(tǒng)計(jì)資料。日本是發(fā)展鋁合金車(chē)體和輕量化不銹鋼車(chē)體最多的國(guó)家，據(jù)2000年統(tǒng)計(jì)，日本生產(chǎn)了鋁合金車(chē)體10000輛，不銹鋼車(chē)輛11000輛，使用經(jīng)驗(yàn)豐富。表1.18是日本對(duì)鋁合金車(chē)體和不銹鋼車(chē)體制造價(jià)格的比較。

表1.18　日本兩種車(chē)體制造價(jià)格（美元）

該表數(shù)據(jù)表明：日本鋁合金車(chē)體的制造價(jià)格是不銹鋼車(chē)體的1.55倍。根據(jù)我國(guó)地鐵B型車(chē)采購(gòu)價(jià)格統(tǒng)計(jì)，每輛鋁合金車(chē)輛平均購(gòu)價(jià)約為630萬(wàn)元，每輛不銹鋼車(chē)輛平均購(gòu)價(jià)約為550萬(wàn)元。每輛鋁合金車(chē)輛平均購(gòu)價(jià)是每輛不銹鋼車(chē)輛的1.145倍。

通過(guò)對(duì)上述兩種車(chē)體材料的綜合比較和分析，鋁合金車(chē)體和不銹鋼車(chē)體各有優(yōu)缺點(diǎn)。在南方城市潮濕多雨條件下，為滿足密封性和便用壽命要求，建議采用整體焊接鋁合金車(chē)體；而在北方城市干燥少雨條件下，宜采用不銹鋼車(chē)體。

4.車(chē)輛的模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)

車(chē)輛的模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)是將車(chē)體分為車(chē)頂、車(chē)底、側(cè)墻、端墻等6大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。對(duì)于鋁合金車(chē)體，各大部件間的連接采用整體焊接或鉚焊組合方式；對(duì)于不銹鋼車(chē)體，不論大部件還是各大部件間的連接全部采用點(diǎn)焊連接。車(chē)輛的模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)是可以促進(jìn)車(chē)輛設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；方便檢修部件更換，優(yōu)化檢修工藝；便于大部件運(yùn)輸，節(jié)約生產(chǎn)成本。

西門(mén)子公司、阿爾斯通公司、龐巴迪公司以及日本的東芝等生產(chǎn)地鐵車(chē)輛和輕軌車(chē)輛的主要制造商，它們從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就進(jìn)行車(chē)輛模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。龐巴迪公司為香港地鐵生產(chǎn)了模塊化車(chē)輛，阿爾斯通公司和西門(mén)子公司生產(chǎn)了模塊化的低地板輕軌車(chē)輛。我國(guó)定點(diǎn)生產(chǎn)地鐵車(chē)輛的廠家有長(zhǎng)春客車(chē)股份公司、四方車(chē)輛股份公司、株洲電力機(jī)車(chē)股份公司、南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛廠和大連機(jī)車(chē)車(chē)輛廠，通過(guò)引進(jìn)、消化國(guó)外模塊化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地鐵車(chē)輛模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛廠與法國(guó)阿爾斯通公司合作贏得了上海地鐵1號(hào)線延伸線地鐵車(chē)輛續(xù)購(gòu)的16列128輛地鐵車(chē)輛訂單以及上海地鐵2號(hào)線西延線續(xù)購(gòu)的21列168輛地鐵車(chē)輛訂單，車(chē)輛為模塊化鉚焊鋁合金車(chē)體。

5.發(fā)展直通模擬式空電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)

由于城軌列車(chē)旅行速度低、時(shí)間短，平均站距短、停站點(diǎn)多，列車(chē)啟動(dòng)頻繁、制動(dòng)沖擊要求小，緊急制動(dòng)距離短、要求安全平穩(wěn)，列車(chē)停車(chē)精度高、自動(dòng)化控制程度要求高等原因，國(guó)內(nèi)外城軌列車(chē)普遍采用直通模擬式空電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)。直通模擬式空電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）響應(yīng)快、沖動(dòng)小、平穩(wěn)舒適

直通制動(dòng)控制系統(tǒng)是以電信號(hào)來(lái)傳遞制動(dòng)指令。司機(jī)通過(guò)電信號(hào)對(duì)各車(chē)輛制動(dòng)信號(hào)的壓力空氣進(jìn)行控制，用該管的壓力使中繼閥工作，最終獲得制動(dòng)缸壓力。電制動(dòng)信號(hào)傳遞速度比空氣波速快得多，前后車(chē)輛制動(dòng)和緩解響應(yīng)快、一致性好，縱向沖動(dòng)小，平穩(wěn)性和舒適性高；并因制動(dòng)信號(hào)傳遞快，列車(chē)空走時(shí)間短，制動(dòng)距離小。同時(shí)，由于電信號(hào)與空氣壓力信號(hào)之間能很好實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換和匹配，更有利于做到電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的協(xié)調(diào)配合。直通模擬式制動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1.15所示。

圖1.15　直通模擬式制動(dòng)控制系統(tǒng)

（2）可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)制動(dòng)，司機(jī)操縱方便

模擬制動(dòng)控制系統(tǒng)是從司機(jī)室送往各車(chē)輛的常用制動(dòng)電氣指令采用電壓、電流、頻率或脈寬等模擬電信號(hào)來(lái)傳遞制動(dòng)指令，模擬量大小表示制動(dòng)力的大小。模擬指令式制動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)制動(dòng)，使司機(jī)操縱方便，比較適用于采用ATC系統(tǒng)控制的列車(chē)；其缺點(diǎn)是抗干擾能力不足，對(duì)傳遞的設(shè)備性能要求較高。

（3）有利于城市環(huán)保

因?yàn)槌擒夒妱?dòng)車(chē)組大多數(shù)在隧道內(nèi)運(yùn)行，即使在地面也是在城市中運(yùn)行，靠近樓群，周?chē)藛T集中，列車(chē)的制動(dòng)噪聲和閘瓦粉塵都會(huì)對(duì)城市環(huán)境造成污染。為減少列車(chē)對(duì)城市環(huán)境的污染和降低運(yùn)行成本，一般要充分使用電制動(dòng)，優(yōu)先使用再生制動(dòng)；當(dāng)電制動(dòng)不足時(shí)，由空氣制動(dòng)補(bǔ)充，空氣制動(dòng)只用于進(jìn)站停車(chē)、區(qū)間調(diào)速和緊急制動(dòng)工況。采用空氣制動(dòng)和電制動(dòng)聯(lián)合制動(dòng)的方式顯著減少了制動(dòng)噪聲和閘瓦的粉塵，降低了對(duì)環(huán)境的污染。

6.廣泛采用列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1）國(guó)外列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，在世界各國(guó)城軌車(chē)輛牽引和制動(dòng)控制中廣泛采用了列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是城軌車(chē)輛的關(guān)鍵技術(shù)，列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用保證了列車(chē)行車(chē)安全，提高了運(yùn)營(yíng)效率和水平，方便了維修，增加了運(yùn)行可靠性，提升了乘客服務(wù)質(zhì)量。由于城軌交通在世界不同地區(qū)和國(guó)家的特點(diǎn)與競(jìng)爭(zhēng)程度各異，不同國(guó)家或地區(qū)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用了不同的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模式。

①歐洲TCN列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制

1999年9月通過(guò)了IEC 61375-1《列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)》（簡(jiǎn)稱TCN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛牽引供應(yīng)商如Siemens和ADtranz等大公司都采用了IECTCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有兩層總線結(jié)構(gòu)：絞線式列車(chē)總線WTB和多功能總線。近年來(lái)，TCN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在高速機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組、重載、地鐵列車(chē)等關(guān)鍵軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

②日本環(huán)形或梯形網(wǎng)絡(luò)控制

日本采用了一種實(shí)用的技術(shù)路線，列車(chē)總線采用實(shí)時(shí)的環(huán)形或梯形網(wǎng)絡(luò)，而車(chē)輛總線則采用基于HDLC的RS-485總線。該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在新干線高速動(dòng)車(chē)組和地鐵列車(chē)等項(xiàng)目上應(yīng)用。

③法國(guó)WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制

法國(guó)開(kāi)發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)即FIP，1999年被采納為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158-2即WorldFIP。WorldFIP采用三層結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。在軌道交通領(lǐng)域車(chē)輛供應(yīng)商Alstom公司主導(dǎo)WorldFIP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，已在高速機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組、地鐵列車(chē)等項(xiàng)目上獲得廣泛應(yīng)用。

④美國(guó)LonWorks局部操作網(wǎng)絡(luò)控制

美國(guó)Echelon公司開(kāi)發(fā)了局部操作網(wǎng)絡(luò)（Local Operating Net Works簡(jiǎn)稱LonWorks）。LonWorks技術(shù)基于LonTalk協(xié)議，采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（ORI）模型。在國(guó)外，該網(wǎng)絡(luò)已成功應(yīng)用在車(chē)門(mén)、輔助電源、照明、供暖及空調(diào)等系統(tǒng)的控制與監(jiān)視，以及機(jī)車(chē)重聯(lián)控制、地鐵列車(chē)等系統(tǒng)應(yīng)用。

⑤德國(guó)CAN與CANopen控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制

德國(guó)Bosch于20世紀(jì)80年末開(kāi)發(fā)了控制器局域網(wǎng)（簡(jiǎn)稱CAN），1993年CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898（高速用）和ISO 11519（低速用）。CAN是一種基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)機(jī)制的多主串行通信總線。通信協(xié)議主要描述設(shè)備間的信息傳遞方式，其定義與開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型（ORI）一致。CAN模型最下面兩層是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層可以由用戶定義成適合需要的任何方案。近年來(lái)，CAN與CANopen協(xié)議在輕軌、地鐵、貨車(chē)等軌道車(chē)輛，以及車(chē)門(mén)、空調(diào)、制動(dòng)、牽引、旅客信息等子系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

（2）國(guó)內(nèi)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)城軌列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大部分依賴于國(guó)外西門(mén)子、龐巴迪、阿爾斯通、三菱電機(jī)、三洋電機(jī)、日立等車(chē)輛牽引供貨商。近年來(lái)，南車(chē)時(shí)代電氣公司開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已在上海1號(hào)線改造車(chē)、沈陽(yáng)2號(hào)線車(chē)、北京房山線車(chē)等車(chē)上批量裝車(chē)運(yùn)用。

南車(chē)時(shí)代電氣公司的列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是分布式電子列車(chē)控制系統(tǒng)（DTECS），是專為軌道車(chē)輛的控制和通信而設(shè)計(jì)的一套車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖1.16所示。分布式控制系統(tǒng)將分布于整個(gè)列車(chē)的各個(gè)智能單元連接成一個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)，這些單元可分別安裝于車(chē)下設(shè)備箱中、司機(jī)臺(tái)或車(chē)廂內(nèi)的電氣柜中。各個(gè)不同的分布式單元使用符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的多功能車(chē)輛總線連接。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：顯著減少各箱柜之間的連線，并方便將來(lái)對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。總線的擴(kuò)展比較簡(jiǎn)單，只需增加一根連接到該單元的電纜線，并更新應(yīng)用軟件就能和新的單元進(jìn)行通信。由于該系統(tǒng)設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，其系列產(chǎn)品不僅適用于各種牽引系統(tǒng)的控制，而且適用于列車(chē)/車(chē)輛的控制，還可以用于列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的系統(tǒng)接口能力，為適應(yīng)不同的應(yīng)用，分別提供了WTB接口、MVB接口（ESD+、EMD）、CAN接口、RS-485接口等。

圖1.16　南車(chē)時(shí)代公司列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

BCM—總線耦合模塊；VTCU—車(chē)輛控制單元；ERM—事件記錄儀；DXM—數(shù)字量輸入/輸出模塊；AXM—模擬量輸入/輸出模塊；RCM—RS-485接口模塊；HMI—人機(jī)接口

7.廣泛應(yīng)用列車(chē)乘客信息技術(shù)

（1）國(guó)外列車(chē)乘客信息技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

列車(chē)乘客信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不但方便乘客出行，提高了服務(wù)效率與質(zhì)量，而且提升了城軌交通運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代化水平，增加了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，20世紀(jì)以來(lái)，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)、新加坡、馬來(lái)西亞等國(guó)家的地鐵列車(chē)廣泛應(yīng)用乘客信息技術(shù)。其中音頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從司機(jī)及從OCC經(jīng)由無(wú)線電進(jìn)行廣播、數(shù)字播放、乘客緊急內(nèi)部通信、司機(jī)對(duì)講及播放關(guān)門(mén)信息等的功能。可視技術(shù)（LED）能顯示終點(diǎn)站名和列車(chē)編號(hào)、車(chē)站電子地圖和客室信息。車(chē)載多媒體信息播放技術(shù)（LCD系統(tǒng)）為乘客提供電視新聞、廣告、動(dòng)畫(huà)、圖片、文字等多媒體信息服務(wù)。車(chē)載視頻監(jiān)視技術(shù)（CCTV）為司機(jī)及運(yùn)營(yíng)控制中心（OCC）提供了在司機(jī)室及OCC監(jiān)控客室乘客狀況及兩端司機(jī)室狀況的能力。

（2）國(guó)內(nèi)列車(chē)乘客信息技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)各城市所有地鐵新造車(chē)也都廣泛采用乘客信息技術(shù)，如北京地鐵1號(hào)線和2號(hào)線車(chē)輛的改造、上海地鐵車(chē)輛6改8，都安裝了現(xiàn)代化乘客信息系統(tǒng)。

我國(guó)車(chē)載通信和乘客信息系統(tǒng)主要提供語(yǔ)音通信與語(yǔ)音廣播，為乘客提供高質(zhì)量的視、音頻和文本信息，以及為運(yùn)營(yíng)控制中心（OCC）提供視、音頻信息的監(jiān)控和記錄功能。系統(tǒng)采用分布式控制，網(wǎng)絡(luò)化管理，數(shù)字化處理，模塊化結(jié)構(gòu)；并具有高效性，接口操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和全自動(dòng)工作。整套系統(tǒng)的控制信號(hào)、音頻信號(hào)（廣播/對(duì)講）、視頻多媒體信號(hào)等都采用總線式進(jìn)行信號(hào)傳輸。車(chē)載通信和乘客信息系統(tǒng)構(gòu)成和控制如圖1.17所示。

圖1.17　車(chē)載通信和乘客信息系統(tǒng)構(gòu)成和控制圖

8.發(fā)展空調(diào)車(chē)輛，提高乘客舒適性

發(fā)展空調(diào)車(chē)輛，有效改善乘坐環(huán)境，不斷提升軌道交通服務(wù)水平，是今后城軌車(chē)輛的發(fā)展方向。

（1）國(guó)外空調(diào)車(chē)輛發(fā)展?fàn)顩r

紐約地鐵自1976年第一列裝有空調(diào)的R-38型地鐵車(chē)投入使用以來(lái)，到1992年95％的地鐵列車(chē)都安裝了空調(diào)。到1997年，日本東京地鐵車(chē)輛空調(diào)車(chē)占全部車(chē)輛總數(shù)的50％左右。韓國(guó)、新加坡、中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)北地鐵車(chē)都裝有空調(diào)。

（2）國(guó)內(nèi)空調(diào)車(chē)輛發(fā)展?fàn)顩r

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)所有地鐵新造車(chē)都安裝了空調(diào)。特別是氣候變暖后，北方如北京、天津、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、大連等城市為改善乘客乘車(chē)環(huán)境，解決在炎熱夏季里客室內(nèi)溫度過(guò)高、通風(fēng)差的狀態(tài)，城軌車(chē)輛也都裝了空調(diào)。北京地鐵B型車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)有兩種規(guī)格。第一種是地鐵1、2號(hào)線車(chē)輛因受地鐵限界尺寸的限制，采用超薄型空調(diào)機(jī)組，單節(jié)空調(diào)機(jī)組制冷能力為23.26kW，通風(fēng)量3650m3/h。第二種是已建成和在建的線路車(chē)輛，是按GB 50157—2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車(chē)輛設(shè)計(jì)，車(chē)體總高3800mm，安裝空調(diào)機(jī)組的空間增大，空調(diào)機(jī)組的制冷能力提高到29kW，通風(fēng)量4000m3/h。上海、廣州、深圳、南京地鐵采用A型車(chē)，車(chē)體空間大，采用較大的空調(diào)機(jī)組，車(chē)頂每個(gè)單元式空調(diào)機(jī)組制冷能力達(dá)到42kW以上，通風(fēng)量5000m3/h以上。

9.降低車(chē)輛運(yùn)行輪軌噪聲

（1）輪軌噪聲的產(chǎn)生

在提速、節(jié)能之外，降噪、減振是軌道交通車(chē)輛技術(shù)進(jìn)步的主攻方向。輪軌噪聲是城軌車(chē)輛運(yùn)行中噪聲的主要來(lái)源。輪軌噪聲主要有三種類(lèi)型：摩擦噪聲、滾動(dòng)噪聲和撞擊噪聲。

①摩擦噪聲

摩擦噪聲是車(chē)輛經(jīng)過(guò)小半徑曲線運(yùn)行時(shí)，輪緣與鋼軌接觸發(fā)出的一種高音調(diào)噪聲。影響這種噪聲的主要因素有曲線半徑、轉(zhuǎn)向架軸距、車(chē)輪振動(dòng)阻尼特性以及輪軌表面黏著系數(shù)等。加大曲線半徑和減小轉(zhuǎn)向架軸距是降低摩擦噪聲的有效方法。

②滾動(dòng)噪聲

滾動(dòng)噪聲是因車(chē)輪與鋼軌接觸表面局部小面積粗糙造成的。研究試驗(yàn)證明，輪軌接觸面積越大，滾動(dòng)噪聲越大。因此，提高輪軌接觸面光潔度，打磨鋼軌，磨削車(chē)輪踏面是降低滾動(dòng)噪聲最行之有效的方法。

③撞擊噪聲

撞擊噪聲是由于車(chē)輪表面或鋼軌表面的局部不連續(xù)性產(chǎn)生的，如鋼軌間的縫隙、不平坦的鋼軌接頭、車(chē)輪踏面擦傷或局部磨損等。研究表明，兩鋼軌末端接頭處于同高度時(shí)，撞擊噪聲很小；如果第一條鋼軌末端低于第二條鋼軌連接端頭所處的位置時(shí)，撞擊噪聲隨車(chē)速的提高而迅速增長(zhǎng)，成為嚴(yán)重的噪聲源。因此，減少鋼軌接頭，采用無(wú)縫鋼軌，減少車(chē)輪踏面損傷都是減少撞擊的重要措施。

（2）降低輪軌噪聲的措施

為降低輪軌噪聲，除在消除產(chǎn)生噪聲源上采取措施外，還應(yīng)在減少噪聲對(duì)外的輻射上采取降噪措施。目前，國(guó)內(nèi)外在車(chē)輪上采取的降噪措施主要有兩種：車(chē)輪上安裝諧振消聲器和采用橡膠彈性車(chē)輪。

①諧振消聲器

諧振消聲器是具有減振阻尼作用的扇形板或環(huán)形板，安裝在輪輞或幅板上，使諧振消聲器與車(chē)輪的主頻率一致，當(dāng)車(chē)輪受到激擾發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲時(shí)，扇形板或環(huán)形板發(fā)生共振，板上的阻尼材料將振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽_(dá)到衰減車(chē)輪輻射噪聲的目的。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的諧振消聲器主要有兩種，即扇形盤(pán)式消聲器（圖1.18）和環(huán)形疊板式消聲器（圖1.19）。試驗(yàn)表明，在不同的運(yùn)行速度下，消聲效果為3～10dB（A）。目前，國(guó)內(nèi)北京、沈陽(yáng)、天津、成都等城市地鐵新造車(chē)輛車(chē)輪都采用環(huán)形疊板式消聲器來(lái)降低車(chē)輪噪聲，效果良好。北京地鐵13號(hào)線試驗(yàn)結(jié)果表明：列車(chē)運(yùn)行時(shí)輪軌噪聲降低3～10dB（A）以上，可以完全吸收車(chē)輪中的高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了控制輪軌噪聲的目的。

圖1.18　扇形盤(pán)式消聲器

1—消聲器；2—基體；3—阻尼材料

圖1.19　環(huán)形疊板式消聲器

1—安裝座；2—消聲器基體；3—阻尼體

②橡膠彈性車(chē)輪

橡膠彈性車(chē)輪是在車(chē)輪的輻板與輪輞間安裝彈性橡膠件，利用橡膠元件把輻板與輪輞的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)為熱能，吸引和衰減一部分噪聲。橡膠彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)形式有剪切型、壓縮型和壓剪型等。研究結(jié)果表明，橡膠彈性車(chē)輪降噪效果顯著，與全鋼整體車(chē)輪相比，可降低噪聲10～20dB（A）。但是，因橡膠彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大、價(jià)格高和使用壽命低等原因，只在小運(yùn)量和低速度的城市傳統(tǒng)有軌電車(chē)和現(xiàn)代低地板有軌電車(chē)上使用，地鐵車(chē)輛很少采用橡膠彈性車(chē)輪。

10.發(fā)展獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架技術(shù)

（1）國(guó)外獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀

低地板有軌電車(chē)輛大多采用了70％低地板和100％低地板結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)輛低地板化，不用傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架、而采用小直徑獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架，可以最大限度地降低車(chē)輛地板面的高度，滿足殘疾車(chē)輛及旅客快速上下車(chē)要求。

獨(dú)立輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向架是低地板軌有軌電車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)傳統(tǒng)兩軸轉(zhuǎn)向架的4個(gè)車(chē)輪橫向布置，兩個(gè)牽引電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)輪對(duì)；而低地板有軌電車(chē)轉(zhuǎn)向架采用4個(gè)獨(dú)立車(chē)輪縱向布置，兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右側(cè)兩組車(chē)輪，但要確保同步運(yùn)行。國(guó)外低地板有軌電車(chē)的獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架有如下形式。

①Combino系列動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

Combino系統(tǒng)是西門(mén)子開(kāi)發(fā)的第二代100％低地板輕軌車(chē)輛。采用獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架（圖1.20）由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、彈性聯(lián)軸節(jié)等組成的“兩車(chē)輪縱向驅(qū)動(dòng)單元”（圖1.21），沿縱向布置在構(gòu)架兩側(cè)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)前、后兩個(gè)車(chē)輪。

②Cityrunner系列動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

Cityrunner型低地板有軌電車(chē)是龐巴迪公司開(kāi)發(fā)的100％低地板有軌電車(chē)產(chǎn)品的一種。Cityrunner型低地板有軌電車(chē)采用S 1000型轉(zhuǎn)向架（圖1.22），是傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，輪徑560mm，2臺(tái)交流電機(jī)和齒輪箱總成分別沿縱向懸掛在構(gòu)架兩側(cè)，每個(gè)輪對(duì)各有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

圖1.20　Combino型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

圖1.21　兩車(chē)輪縱向驅(qū)動(dòng)單元

圖1.22　S1000型轉(zhuǎn)向架

③Citadis系列動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

Citadis系列100％低地板有軌電車(chē)由阿爾斯通公司生產(chǎn)。在Citadis 302和Citadis 402車(chē)輛上使用Arpege型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架（圖1.23），該轉(zhuǎn)向架沒(méi)有一系懸掛，采用彈性車(chē)輪，兩牽引電機(jī)沿橫向?qū)遣贾茫捎脤?duì)角布置的軸端盤(pán)式制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架兩端的橫軸將左、右車(chē)輪機(jī)械地耦合在一起（圖1.24）。

圖1.23　Arpege型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

圖1.24　橫軸耦合機(jī)構(gòu)

④Sirio系列動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

Sirio系列是意大利AnsaldoBreda公司生產(chǎn)的100％低地板有軌電車(chē)輛。該低地板有軌電車(chē)采用Sirio型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架（圖1.25），2臺(tái)牽引電機(jī)沿構(gòu)架的縱向布置在中部，左右車(chē)輪的橫軸耦合機(jī)構(gòu)也轉(zhuǎn)向架的中部。

目前西門(mén)子公司、龐巴迪公司和阿爾斯通公司等公司都掌握了低地板有軌電車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，在歐洲、俄羅斯、美國(guó)、澳大利亞和日本等國(guó)家廣泛運(yùn)用。

（2）國(guó)內(nèi)獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀

圖1.25　Sirio型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

我國(guó)長(zhǎng)春市輕軌3號(hào)線和4號(hào)線運(yùn)營(yíng)的70％低地板有軌電車(chē)，以及大連運(yùn)營(yíng)的DL6W型70％低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)，其動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架都采用傳統(tǒng)輪軸轉(zhuǎn)向架，中間拖車(chē)轉(zhuǎn)向架采用了非動(dòng)力獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架。非動(dòng)力獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架取消了車(chē)軸，采用“軸橋”將左右兩側(cè)獨(dú)立輪連接起來(lái)，使獨(dú)立輪相對(duì)軸橋僅有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，保證轉(zhuǎn)向架在線路上安全運(yùn)行。為約束轉(zhuǎn)向架繞車(chē)體的轉(zhuǎn)動(dòng)，用縱向拉桿連接構(gòu)架與車(chē)體，并傳遞縱向力，如圖1.26所示。

圖1.26　非動(dòng)力獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架

我國(guó)100％低地板有軌電車(chē)正在開(kāi)發(fā)中，還沒(méi)有投入運(yùn)營(yíng)。長(zhǎng)客公司在取得沈陽(yáng)渾南開(kāi)發(fā)區(qū)低地板有軌電車(chē)訂單后，己開(kāi)發(fā)了新一代五模塊長(zhǎng)34.8m的100％低地板有軌電車(chē)。該100％低地板有軌電車(chē)最大特點(diǎn)是動(dòng)車(chē)與拖車(chē)都采用小輪徑傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，來(lái)實(shí)現(xiàn)全列車(chē)100％低地板。與獨(dú)立輪對(duì)相比，傳統(tǒng)輪對(duì)的優(yōu)點(diǎn)是有蛇行運(yùn)動(dòng)，具有自動(dòng)復(fù)位能力，不會(huì)脫軌，安全性高；直線運(yùn)行輪緣幾乎無(wú)磨耗，具有曲線自導(dǎo)向功能，磨耗少；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維護(hù)。

11.加強(qiáng)永磁電機(jī)在城軌車(chē)輛牽引領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，由牽引變流器控制三相感應(yīng)異步電機(jī)的交流傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為軌道車(chē)輛牽引的主流，但要實(shí)現(xiàn)高效率和輕量化比較困難。近年來(lái)，隨著稀土永磁材料特別是釹鐵硼（Ns-Fe-B）等性能的不斷提高與完善，以及材料價(jià)格逐步降低，永磁電機(jī)研發(fā)逐漸成熟，發(fā)展較快。永磁同步電機(jī)有兩種：所有永久磁鐵都安裝在轉(zhuǎn)子上、所有繞組都安裝在定子上的電機(jī)叫有源轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)；所有永久磁鐵和所有繞組都安裝在定子上的電機(jī)，叫無(wú)源轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。

（1）永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

①功率因數(shù)和效率高

與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁電機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以減小風(fēng)機(jī)功率或去掉風(fēng)機(jī)，使永磁電機(jī)的效率比同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)提高2％～8％，功率因數(shù)可以達(dá)到0.90以上。由于功率因數(shù)和效率的提高，也可以減少系統(tǒng)和線路的容量，降低系統(tǒng)成本。

②啟動(dòng)力矩大

由于永磁電機(jī)啟動(dòng)力矩大，在需要大啟動(dòng)力矩的設(shè)備中，可以用較小容量的永磁電機(jī)代替大容量的感應(yīng)電機(jī)，較好地解決“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，降低設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，節(jié)省資金，又提高系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

③溫度低、體積小、重量輕

由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無(wú)功電流，因此永磁電機(jī)溫升低、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高。永磁電機(jī)的功率可以比同體積或重量的感應(yīng)電機(jī)提高30％左右；同功率、容量的永磁電機(jī)所用材料比感應(yīng)電機(jī)減少30％左右，可以降低永磁電機(jī)的成本。

④可以做成全封閉牽引電機(jī)

由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱很小、效率高，比較容易采用全封閉的自冷方式，可做成全封閉牽引電機(jī)。全封閉牽引電機(jī)還可以避免磁污染，因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)產(chǎn)生的金屬粉末就不會(huì)被吸入并沉淀在電機(jī)內(nèi)部，提高了永磁電機(jī)的有效磁通。同時(shí)，全封閉的自冷方式可以顯著降低永磁電機(jī)的噪聲，據(jù)日本東芝公司試驗(yàn)結(jié)果，列車(chē)在時(shí)速100km運(yùn)行時(shí)噪聲降低了20dB（A）。同時(shí)由于取消了內(nèi)部通風(fēng)和更換潤(rùn)滑油，方便了維修。

⑤易于實(shí)現(xiàn)多極電機(jī)的無(wú)齒輪直接傳動(dòng)

長(zhǎng)期以來(lái)，城軌車(chē)輛牽引電機(jī)都是通過(guò)聯(lián)軸節(jié)和一級(jí)甚至兩級(jí)齒輪箱與輪對(duì)耦合的，采用永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)齒輪直接傳動(dòng)。永磁電機(jī)與異步感應(yīng)電機(jī)相比，功率密度可大幅度增加，更容易實(shí)現(xiàn)多極低速大扭矩傳動(dòng)，從而可以在現(xiàn)有尺寸和重量的條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)齒輪箱的直接傳動(dòng)。去掉齒輪傳動(dòng)裝置帶來(lái)的好處是將顯著增大轉(zhuǎn)向架空間，降低簧下重量，減少噪聲和能耗，節(jié)省采購(gòu)成本，減少維修費(fèi)用。

（2）永磁電機(jī)的缺點(diǎn)

①牽引電機(jī)與逆變器必須獨(dú)立供電

每個(gè)永磁電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)必須嚴(yán)格同步，所以每個(gè)永磁電機(jī)都需要一個(gè)高分辨率的位置傳感器，并采用一臺(tái)逆變器向一臺(tái)永磁電機(jī)供電的獨(dú)立控制方式。這樣，逆變器數(shù)量增多，控制難度加大，逆變器造價(jià)較高，可靠性降低。

②保證永磁電機(jī)不失磁問(wèn)題

如果永磁電機(jī)設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，過(guò)高溫度時(shí)在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下或在劇烈機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁問(wèn)題，也叫失磁，使永磁電機(jī)性能下降，甚至無(wú)法使用。這就要求提高永磁材料的穩(wěn)定性，并增加使用可靠性，保證永磁電機(jī)不失磁。

③空載電壓控制問(wèn)題

由于永磁電機(jī)的永久磁鐵在外部不供電時(shí)能使定子線圈產(chǎn)生交鏈磁通，當(dāng)電機(jī)斷電空轉(zhuǎn)（惰行）時(shí)也能使定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種空載電壓會(huì)帶來(lái)的如下問(wèn)題：一是若逆變器出現(xiàn)相間短路等故障時(shí)，電機(jī)向故障點(diǎn)供電產(chǎn)生短路電流，可能會(huì)擴(kuò)大故障影響；二是如果空載感應(yīng)電壓峰值超過(guò)逆變器元件耐壓值就會(huì)損壞元件。這就要求通過(guò)設(shè)置負(fù)載接觸瓷器和提高元件耐壓值等措施加以解決，從而增加系統(tǒng)的成本。

④制造工藝復(fù)雜

相對(duì)異步電機(jī)而言，永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝比較復(fù)雜，現(xiàn)有制造技術(shù)也不夠成熟，這也是阻礙永磁同步電機(jī)在軌道牽引領(lǐng)域應(yīng)用的因素之一。

（3）永磁同步電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

①德國(guó)

西門(mén)子公司以ICE3高速列車(chē)的要求和技術(shù)規(guī)格開(kāi)發(fā)了全封閉、水冷式直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，電機(jī)持續(xù)功率500kW，最高運(yùn)行速度330km/h。試驗(yàn)表明：與同功率的異步電機(jī)相比，損耗降低了50％，重量減輕了30％，噪聲降低了15dB（A）。此外，德國(guó)Starnbeng磁性電機(jī)公司開(kāi)發(fā)了有源轉(zhuǎn)子式永磁同步電機(jī)；布倫瑞克科技大學(xué)開(kāi)發(fā)了無(wú)源轉(zhuǎn)子式永磁橫向磁電機(jī)。

②法國(guó)

阿爾斯通公司研制了兩種永磁同步電機(jī)，一種用于輕軌車(chē)輛，另一種用于AGV高速動(dòng)車(chē)組。具體參數(shù)見(jiàn)表1.19。

表1.19　軌道車(chē)輛永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

③日本

東芝公司研發(fā)了多種永磁同步電機(jī)，其中用于城市通勤車(chē)輛的為全封閉、自冷式永磁同步電機(jī)，牽引持續(xù)功率235kW，小時(shí)功率270kW，轉(zhuǎn)速2960r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明：電機(jī)效率達(dá)到97.5％，功率因數(shù)為0.95。將其用于新干線高速動(dòng)車(chē)組，研發(fā)了以最高運(yùn)行速度360km/h為目標(biāo)的954型新干線高速試驗(yàn)車(chē)。試驗(yàn)結(jié)果表明：與原有2/3系列感應(yīng)電機(jī)同等外形條件下，冷卻方式由原來(lái)強(qiáng)迫通風(fēng)改為自通風(fēng)方式，效率從93％提高到97％，額定功率提高了20％，重量減輕了5％。

④?chē)?guó)內(nèi)永磁同步電機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

株洲電力機(jī)車(chē)研究所研發(fā)的永磁同步電機(jī)己在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線一輛車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)家“十二五”規(guī)劃，已將永磁同步電機(jī)列入鐵路牽引創(chuàng)新技術(shù)計(jì)劃，不久將開(kāi)發(fā)出一列裝有永磁同步電機(jī)的高速動(dòng)車(chē)組。

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