国外新一代100%低地板有轨电车技术特征及发展趋势

牛悦丞,李 芾,杨 阳,李金城

(西南交通大学机械工程学院,成都 610031)

1 100%低地板有轨电车介绍

新世纪以来，世界各国进入了城市化的高速发展期，与之同时发生的是人们对城市各项功能要求更加严苛。在日常出行方面，汽车是人们的主要选择，但由于汽车具有污染大、运量小且易造成交通拥堵等缺点，故大力发展城市轨道交通势在必行[1]。

有轨电车是城市轨道交通的主要组成部分之一。有轨电车既可以与一般汽车共用路权，也可以建立专用道路供其行驶。有轨电车运量介于公共汽车与地铁之间，但相比于公共汽车更为环保，整体造价比地铁便宜。100%低地板有轨电车是一种新型的有轨电车，主要特点是整车地板面距轨面高度400 mm以下，具有造价低、污染低、能耗低和便于旅客上下车等优点。世界上第一辆100%低地板有轨电车在德国布莱梅于1990年2月投入使用[2]。随后至今100%低地板有轨电车的发展十分迅速，由国内外不同的生产厂家发展出了各种各样的型式。100%低地板有轨电车按其各方面特点可分为表1所示的以下型式[3-4]。

表1 100%低地板有轨电车特征区分

2 国外100%低地板有轨电车概览

国外生产100%低地板有轨电车的公司众多，各制造商出产的有轨电车具有不同的特点，以下将按制造商为分类分别介绍不同具有代表性新一代100%低地板有轨电车应用及相关技术。

2.1 Bombardier公司

Bombardier公司生产的FLEXITY系列有轨电车里包括70%低地板有轨电车和100%低地板有轨电车。其中已投入运营的新一代列车是FLEXITY 2系列有轨电车，全部采用100%低地板设计，于2012年4月在英国布莱克浦最先投入使用。FLEXITY 2系列有轨电车相比于FLEXTIY系列更为节能且更加舒适，目前应用于比利时根特及安特卫普、瑞士巴塞尔和澳大利亚黄金海岸等城市。另外中车浦镇厂通过吸收引进FLEXITY 2技术生产的Cinius有轨电车已在苏州一号线、南京河西线与南京麒麟线得到应用。FLEXITY 2一般编组型式为5模块编组，其第一节和第五节为动车，最中间节为拖车，第二节和第四节为浮车。见图1。

FLEXITY 2系列有轨电车使用FLEXX Urban 3000型转向架，牵引电机布置于侧梁外侧，运行时驱动对角的两个车轮。此转向架采用常规式设计，为确保低地板方案的实施，采取了下述几点措施：使用小轮径橡胶弹性车轮、电机采用纵向布置、制动盘外置。纵向牵引装置为横梁处单牵引拉杆。该转向架最大轴重为12 t[5]。见图2。

图1 布莱克浦FLEXITY 2低地板有轨电车

图2 FLEXX Urban 3000型转向架

此外，FLEXITY 2可选择装备Bombardier公司Primove感应式电力传输技术。Primove无线充电基于埋在地下的部件和安装在车辆下面的接收设备之间的高功率感应能量传输[6-7]。当车辆完全覆盖充电区域时，路边部件与车辆“通信”，自动开始非接触充电过程。系统以非常高的效率传输能量而不用直接接触。有轨电车可在运动或静止下快速充电。Primove的原理是在初级线圈中通入电流产生磁场，在次级线圈中产生感应电流。如果初级线圈在环路中延伸，则次级线圈可以沿着该环路的任意位置接收电能[8]。通过Primove技术可以代替弓网接触得电方式，从而达到节省空间和不影响城市景观之目的。Primove技术原理示意见图3，FLEXITY2布莱克浦有轨电车技术参数见表2。

图3 Primove技术原理示意

项目参数列车编组Mc-F-Tp-F-Mc最高运行速度/(km·h-1)70车辆长度/mm32230车辆宽度/mm2650车辆高度/mm3420地板面高度/mm320最大轴重/t12最大载客量/人350供电方式弓网接触

ForCity系列有轨电车采用永磁电机驱动的方式[10-11]，将电机横向布置于轮对外部，每个车轮由单独的电机驱动，驱动时省去了传动的齿轮结构，传动效率更高，可充分利用车轮性能。并采用弹性车轮加轮盘制动的特殊结构。见图5。ForCity Alfa布拉格有轨电车技术参数见表3。

图4 运行于布拉格的ForCity Alfa有轨电车

图5 koda ForCity永磁电机[12]

项目参数轴列式BoBoBoBo最高运行速度/(km·h-1)60车辆长度/mm31400车辆宽度/mm2460车辆高度/mm3600地板面高度/mm320最大轴重/t12最大载客量/人180供电方式弓网接触

2.3 Alstom公司

Citadis系列是Alstom公司自20世纪90年代末生产的一系列低地板有轨电车，包括多种70%低地板有轨电车及100%低地板有轨电车[13]。到2017年已有超过1800辆的电车投入使用。其中最新一代的是应用于北美渥太华等城市的Citadis Spirit系列和应用于澳大利亚悉尼等城市的Citadis X05系列。两种系列的有轨电动车全部采用100%低地板设计，并采用了Alstom的无接触网供电APS技术[14]。APS技术的原理是在两运行轨道加设一条中央供电轨道段。第三轨道传输的电能通过位于有轨电车中央转向架两侧的两个接触靴传入蓄电池或超级电容。只有当车辆完全覆盖供电轨道段时供电装置才会打开以确保行人的安全。见图6。

图6 运行于澳大利亚悉尼的Citadis X05有轨电车

Citadis X05系列有轨电车采用Ixège转向架(图7)；Citadis Spirit系列有轨电车采用Iponam转向架(图8)。与FLEXX Urban 3000型转向架类似，两种转向架将永磁电机布置于侧梁外侧，运行时通过齿轮传动分别驱动对角位置的车轮。采用轴盘制动，制动盘外置呈对角布置[15]。Citadis X05有轨电车技术参数见表4。

图7 Ixège转向架

图8 Iponam转向架

项目参数列车编组Mc-F-T-F-Mc最高运行速度/(km·h-1)80车辆长度/mm32000车辆宽度/mm2400地板面高度/mm342最大轴重/t13最大载客量/人238最小通过曲线半径/m20供电方式APS无接触网技术

2.4 Siemens公司

Avenio是德国Siemens公司在2009年在维也纳公共交通国际联会(UITP)贸易展会上推出的新一代100%低地板有轨电车品牌。是在其前一代低地板有轨电车Combino Plus的基础上制造的。Avenio系列有轨电车拥有从两模块到八模块的多种编组方式，八模块车车长可达到72 m，是目前最长的100%低地板有轨电车[16-18]。Avenio系列包括Avenio原版和Avenio M两种形式，两者的主要区别是Avenio原版是单铰接型，车辆编组中不含浮车；Avenio M是多铰接型，即包含浮车的混合编组。目前Avenio系列有轨电车已在荷兰海牙和德国慕尼黑等地投入使用。见图9。

Avenio系列有轨电车同样可以采用无受电弓供电的方案。电能通过建造在车站或隧道顶部的传电轨道传入由双层电容器和蓄电池组合而成的车内储能装置。另外储能装置还可以储存来自制动时的电能。

图9 运行于海牙的Avenio有轨电车

Avenio系列有轨电车转向架采用小轮径独立旋转车轮，电机纵向布置于侧梁外侧，同侧车轮由同一个电机驱动，即前后车轮纵向耦合。见图10。Avenio海牙有轨电车技术参数见表5。

图10 Avenio动力转向架

项目参数轴列式Bo’2’BoBo最高运行速度/(km·h-1)80车辆长度/mm35000车辆宽度/mm2550地板面高度/mm350最大轴重/t8.8最大载客量/人232最小通过曲线半径/m25供电方式弓网接触

2.5 Stadler公司

Stadler公司生产的低地板有轨电车包括Variobahn和Tramlink以及最新一代的Metelitsa。其中Tramlink全部为100%低地板有轨电车，采用多铰接型编组，运用于德国罗斯托克、巴西桑托斯等城市[19]。Metelitsa有轨电车是一款专门运行于宽轨的有轨电车，包括2014年投入俄罗斯莫斯科的部分低地板有轨电车和2017年8月投入俄罗斯圣彼得堡的100%低地板有轨电车(图11)。Metelitsa有轨电车可选择二到七辆编组，并适用于-40 ℃～40 ℃的所有环境。Metelitsa圣彼得堡有轨电车技术参数见表6。

图11 圣彼得堡Metelitsa有轨电车

2.6 CAF公司

Urbos 100系列有轨电车属于西班牙CAF公司生产的第三代Urbos系列轻轨车辆(图12)。自2011年起运用于法国贝桑松、匈牙利布达佩斯等城市，其中“100”代表100%低地板。Urbos 100系列具有许多种配置方案，其编组可以选择3列、5列、7列以及9列，对应的长度从23 m到56 m；车宽可以选择2 300、2 400 mm以及2 650 mm。

表6 Metelitsa圣彼得堡有轨电车技术参数

图12 贝桑松有轨电车

Urbos 100可选搭载CAF公司开发的Greentech无接触网供电技术，与Alston的APS技术类似，在车上搭载超级电容或者锂基电池，当车辆停在站台充电区域时可通过受电弓或第三轨获得电能，站间无需设立接触网[20-21]。贝桑松有轨电车技术参数见表7。

表7 贝桑松有轨电车技术参数

2.7 PESA公司

Twist系列低地板有轨电车是波兰Pesa公司自2012年起投入使用的新一代有轨电车，包括70%与100%低地板的不同版本，应用于波兰的弗罗茨瓦夫和克拉科夫等地[22]。见图13。弗罗茨瓦夫有轨电车技术参数见表8。

图13 弗罗茨瓦夫有轨电车

项目参数轴列式Bo’2’2’Bo最高运行速度/(km·h-1)70车辆长度/mm32000车辆宽度/mm2400地板面高度/mm350最大载客量/人220供电方式弓网接触

3 结论与展望

经历了近30年的发展，目前100%低地板有轨电车已逐步替代了原有的各类有轨电车，成为有轨电车的主流。相比于前几代有轨电车，各制造商生产的新一代100%有轨电车的各项性能取得了较大提升，车辆的组成及设计方案也发生了很大变化。主要体现在以下几个方面。

(1)无接触网设计。考虑到为传统的有轨电车架设的接触网会影响城市美观，在极端天气下还会具有一定的安全隐患，许多制造厂商都推出了无需弓网接触得电的有轨电车方案。这些方案通常是通过在车辆上搭载的超级电容或者蓄电池供应车辆运行时的电能，并在车辆运行路线上部分站点或区域设置充能装置。充能装置包括使用中部供电轨道段以及充电感应设备等。无接触网设计对于古城区尤为适用，可以防止有轨电车线路建设对古城风景的破坏。

(2)编组型式。最早的100%低地板有轨电车GTN采用的是单车型式[23]，即每节车底各有一个转向架。随后100%低地板有轨电车发展出了多种多样的编组型式，目前最新一代的100%低地板有轨电车往往采用浮车型(多铰接型)，即部分车体下方无转向架支承，利用铰接装置与两侧车体连接的型式。这种型式虽然对铰接装置的承载能力有较高的要求，但是可以减少转向架的使用，节省大量生产资金；由于车底无转向架，所以不需要专门为转向架上方区域设置座椅等设施以保证100%低地板设计，这使得车内实现低地板更为方便，车内空间的安排也更为自由。随着各项技术的成熟，浮车型式将成为100%低地板有轨电车的主要编组方式。

(3)电机选用。永磁电机具有效率高、发热小、体积小、无传动齿轮等特点，非常适合低地板车辆应用。通常永磁电机安装于转向架构架侧梁外侧，为低地板设计提供了条件。但永磁电机本身结构复杂，应用成本相对较高。随着永磁电机的生产及应用经验的增加，永磁电机因其优点会逐步取代一般电机在100%低地板有轨电车上的使用。

100%低地板有轨电车不仅在国外多个城市得到充分应用，在我国也引起了极大兴趣，多家国内制造商在充分吸收引进国外技术后也生产了一批应用于国内外的100%低地板有轨电车，例如中车大连为珠海1号线设计的五模块有轨电车、中车株机为江苏淮安设计的超级电容四模块有轨电车和中车青岛四方为青岛城阳区设计的三模块氢能源有轨电车等。截至2016年12月，在我国共有29座城市具有城市轨道交通运营线路，共计129条[24-25]。而在2013年，只有12座城市具有城市轨道交通运营线路。可见当前正是我国城市轨道交通的快速发展阶段，100%低地板有轨电车也必将得到更多应用。