中运量轨道交通系统车辆的分类及特点

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(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

地铁由于其大运量、准时的特点，是目前国内特大、大城市采用的最主要的轨道交通形式，对解决主城区交通问题起到了重要作用。同时，也由于其建设成本高(地铁造价达6亿～8亿元/km，轻轨造价为3亿～5亿元/km)[1]，建成后30年内的运营补亏及还本付息费用与建设投资相当，给地方政府带来一定财政压力[2-3]。为此，国家相继出台了相关政策，对建设地铁及轻轨、有轨电车等，设置了基本的“准入”条件和审批程序，这对合理控制地方政府财政风险、统筹配置城市各类交通资源发挥了重要作用。随着社会经济的发展，目前许多二、三线城市也基本具备了建设轻轨的“准入”条件，这些城市对于建设城市轨道交通具有较强的需求，通过建设轻轨，可以缓解城市交通压力，减少大气污染，促进地方经济的可持续发展。但同时，这类城市在建设城市轨道交通中，更需要解决好建设资金筹集和运营亏损的政府财政资金补贴问题[4]。

而中运量系统，在具备准时、运量较大特点基础上，投资相对于地铁却较低，是适合中小城市采用的轨道交通形式。中运量系统的车辆种类繁多，随着其技术成熟度不断提高[7]、应用范围不断扩大，许多新型轨道交通型式(如中低速磁悬浮、自动导向新交通系统)的加入，需要系统地归纳研究其车辆的分类及特点，以利于根据城市特点进行车辆选型。

建标104-2008《城市轨道交通工程项目建设标准》规定，中运量系统通常指运量等级为高峰小时1万～3万人次的轨道交通系统，在此运量等级范围内，可供选择的轨道交通系统制式有地铁B型车系统、轻轨系统的跨座式单轨、悬挂式单轨、中低速磁悬浮及C、D型铰接车系统等。由于轻轨的定义国内尚无一致的认识和明确的界定[5-6]，存在诸多模糊不清的地方，给轨道交通项目的申报和审批造成了许多困惑，为此对相关政策及标准的执行提出了建议。

2 中运量系统车辆的分类及应用实例

中运量系统通常指单向运能达1万～3万人次/h的轨道交通系统，在这个运能范围内，可选择的车辆类型繁多[8]，有跨座式单轨车、中低速磁悬浮车、钢轮钢轨B型车、直线电机车、C/D型铰接车、悬挂式单轨车、自动导向新交通系统等[9-10]，根据轨道结构形式、牵引方式的不同，对常用及有发展前景的6种中运量系统车辆分类见图1 。

图1 中运量系统车辆的分类

2.1 钢轮钢轨B型车辆

钢轮钢轨B型车在国内应用十分广泛(图2)，中国第一条地铁线采用的就是B型车系统。目前在整个轨道交通系统里占30%以上，B型车具有市场占有率高、载客量大、技术成熟、资源共享条件好的特点，但轮轨噪声值较高，爬坡能力较低，转弯半径较大(最小转弯半径为150 m左右)。上海地铁C型车(图3)基本同B型车，其各方面参数基本相同，只是车宽为2.6 m。

图2 西安地铁B型车辆

图3 上海地铁C型车辆

这类车辆主要由车体、转向架及车钩、牵引系统及制动系统、辅助电源系统、通风与空调、车辆网络控制及故障诊断系统等组成，车辆轴重为14 t。

(1)车体、转向架及车钩：车体结构通常为整体承载轻量化焊接结构，由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等组成，车体材料有不锈钢、铝合金等。构架采用焊接结构，焊接完成后采用整体退火热处理工艺，消除焊接应力。车轮采用钢制车轮，车轮的设计确保车轮有80 mm的磨耗量(按直径减小量考虑)。车钩分为全自动车钩、半自动车钩、牵引杆等3种，前两种设置在车辆的两端，为头车密接式车钩，只在车辆发生救援的情况使用；后一种设置在两个车辆单元中间，作为中间棒式车钩起到缓和、连接两个车辆单元的作用。

(2)牵引系统及制动系统：主要包括VVVF逆变器、三相异步牵引电动机、齿轮装置、速度传感器、受电弓、高速断路器、滤波器等。采用1台逆变器拖动4台电机(车控)或2台电机(架控)的控制方式。系统具有功能齐全的自检、自诊断、监控和故障记录系统。牵引系统能够按列车载重量调整牵引力和制动力的功能，并具有防空转功能。制动系统采用微机控制的模拟式电空联合制动：常用制动采用电制动，其中优先采用再生制动，线路上再生能量吸收不足时，余下部分由电阻制动补充；在电制动力不足时，由空气制动补足。

(3)辅助电源系统：车辆辅助供电系统的输出能力满足车辆各种负载工况的用电要求。辅助供电系统通常由两套独立的系统组成，当其中一套系统出现故障时，采取相关措施满足车辆的基本用电要求并保证车辆可以行驶回车辆段内。采用免维护蓄电池，标称电压DC24V，容量满足至少30 min对车辆应急负载供电的需要。

北京、天津、成都、青岛、杭州、沈阳、西安、宁波、佛山、厦门等城市基本采用的是B型车辆。

2.2 Lb型直线电机车辆

直线电机轨道交通系统是指采用直线电机驱动的轻轨交通系统[11]。为了应对城市主城区建筑密度大，道路狭小，轨道交通需要大坡度、小半径曲线绕避建筑物的特点，减小了车厢的断面以及隧道断面，降低工程成本；在不采用胶轮的前提下，列车可以有较高的爬坡能力，可以通过弯度较大的曲线，并减少噪声。在这样的要求下，使用车辆比传统轨道交通使用车辆车厢更小的直线电机轨道系统应运而生。直线电机轨道系统由于舍弃了挂轴电机，车下的空间可以缩得更小，车轮轮径也可以相应缩小，若直线电机应用于地铁中，就可以降低车辆高度，减小车厢断面，从而减小隧道断面。除了缩小空间，没有挂轴电机，转向架也不需要担负驱动牵引的质量，只需要承载车体即可，这种可活动的转向架可以适应半径很小的曲线，克服了一般传统地铁不能通过的小半径曲线的局限性，这样线路设计的自由度就大大增加。采用直线电机牵引，列车前进将不再依靠轮轨间的摩擦力，而是利用轨面超距力“吸引”前进，这样就不再存在雨天打滑的问题，最大设计坡度可达50‰。但这种车辆的缺点也很明显，就是耗电量较传统旋转电机高出30%，由于直线电机气隙要求为10 mm左右，对于线路及车辆的维修标准要求很高，从而加大了日常维修工作量。目前，世界许多国家都在采用这种形式的轨道交通，例如美国纽约AirTrain JFK line、日本东京都营地铁大江户线、北京机场线、广州地铁4、5 号线(图4)，广州地铁4、5号线的直线电机车辆由于加大了车辆尺寸，直线电机车辆的优势并未充分体现出来。

图4 广州地铁4号线直线电机车辆

2.3 C、D型铰接车辆

C、D型铰接车辆即现代有轨电车，通常采用3模块或多模块组成，车辆轴重为10～12 t，最小转弯半径为30 m左右，编组运行在以全封闭或半封闭的地面线、高架线为主(必要时可为地下线)的专用线路上的中低运量城市轨道交通系统，主要联系市区内主要交通走廊或市区与近郊区之间的中长距离交通。

这类车辆的路权形态极具弹性。无论是舒适性、准时性、噪声、空气污染以及营运绩效，均优于一般公交系统；投资成本以及工期，远低于其他轨道交通系统。此外，一般有轨电车的运营成本优于一般公交系统。

目前，有轨电车种类繁多，从地板面高低分有高地板车辆(图5)、70%低地板车辆(图6)、100%低地板车辆(图7)；从供电方式分有接触网供电车辆、超级电容储能式无接触网车辆、意大利安萨尔多创威 “Tramwave”地面供电系统车辆(图8)。

图5 高地板有轨电车

图6 70%低地板有轨电车

图7 100%低地板有轨电车

图8 地面供电有轨电车

世界上第一条电力轨道车1881 年在德国Lichterfelde 运营，到2019年，全球有轨电车路网已经超过400个。国内目前已有上海、广州、珠海、沈阳、大连、苏州、长春、武汉等城市开通了约306 km的有轨电车线路。

2.4 跨座式单轨

跨座式单轨采用胶轮支撑和导向，振动噪声较低；采用I 型轨道梁，梁轨合一，高架敷设景观性相对好(但由于现在要设置中间安全疏散通道，使得景观效果大打折扣)；地下敷设时断面相对较大，不经济；同时救援疏散平台难以安装，在噪声要求较高区域无法安装声屏障等；道岔较为复杂，运行能耗高，胶轮养护维修工作量较大，雨雪天气爬坡能力下降较大；一般为单线运行，很少成网运营[12]。

跨座式单轨车辆由单根轨道梁支承、稳定和导向，车辆跨坐在轨道梁上运行，车辆大部位于轨道梁上方。转向架走行轮由橡胶轮胎取代传统铁道车辆的钢制车轮，且由4 个导向轮及2个稳定轮从侧面抱住轨道梁，起到自动对中和导向作用。跨座式单轨能有效利用城市道路绿化隔离带空间，具有占地少、运能中等、投资适中、工期较短(2～3年) 、转弯半径小、爬坡能力强及噪声低等特点; 适用于客运量中等、地形较为复杂(高差较大) 的城市和地区，也可作为观光旅游线，宜采用高架线。跨坐式单轨在日本应用较多。目前，国内已运营的重庆轨道交通2、3 号线均采用该系统(图9)，同时芜湖、安阳、济宁、桂林、蚌埠、银川、深圳等多个城市也都在建设跨座式单轨系统。

图9 重庆跨座式单轨车辆

2.5 悬挂式单轨

悬挂式单轨车辆悬挂于箱形轨道梁下，转向架位于箱形轨道梁内部，转向架上装有走行轮和导向轮，在车辆行驶中，走行轮和导向轮始终在箱形梁内部，因此充分保障了列车的运营安全，适应天气的能力较强，同时车辆运行于高架线路上，不会对地面交通带来压力。悬挂式单轨采用高架敷设方式，具有运能较小、投资小、速度较低、转弯半径小、爬坡能力强、占地少、噪声低、施工简单、工期短(2～3年) 等特点，适用于客运量较低、地形较为复杂的城市和地区，也可运用于观光旅游线路[13]。悬挂式单轨在国内应用较少，国外则有德国伍珀塔尔和多特蒙德以及日本千叶等城市采用了该系统。目前，在成都市双流区、中车青岛四方机车车辆股份有限公司各建有1条试验线(图10)，陕西渭南、贵州安顺亦拟采用该系统。

图10 成都悬挂式单轨车辆

2.6 中低速磁悬浮

磁悬浮列车是利用磁性原理使车辆上浮，并利用磁力来推动的车辆行走，磁悬浮车辆由于其轨道的磁力作用而悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触轨面，因此只受来自空气的阻力，几乎没有轨道摩擦能量损失，并且具有速度快、爬坡能力强[14]、转弯半径小、噪声低、环保、维修工作量小等特点，是发展前景十分广阔的中运量轨道交通系统。

按悬浮方式划分，磁悬浮列车可以分成电动悬浮和电磁悬浮两大类。电磁悬浮列车是利用异性磁场之间产生的吸引力，作为车辆的支撑与引导，又称为吸引式磁浮。电动悬浮列车是利用同性磁场间产生的排斥力，作为列车的支撑与导引，又称为“互斥式”磁浮。由于在车辆上装有超导体磁铁，能够产生巨大的磁场，车辆先经由外力驱动，超导体磁铁所产生的磁场会跟着移动，而在地上的线圈产生感应电流，电流再生磁场。由于两个磁场的方向是相同的，所以在车辆与轨道之间产生排斥力，因此车辆被反作用力推着悬浮起来。由于车辆的悬浮是靠两个磁场的作用力相平衡而达成的，所以悬浮高度可以固定不变，列车具有一定的稳定性。此外，由于车辆必须快速移动，其所带的磁场才会产生感应电流与磁场，所以车辆必须装有辅助车轮，供启动与停靠之用。

目前国内中低速磁悬浮列车是通过常导磁吸式实现悬浮和导向，采用直线感应电机驱动，车体与轨道之间保持约10 mm的间隙。中低速磁浮列车已经实现技术自主化，株洲电力机车厂和唐山北控磁浮公司都具备自主生产磁浮列车的能力，国产更高速度的中低速磁悬浮列车正在研制中，长沙已有一条长为18.5 km、车速100 km/h的磁悬浮列车线路(图11)，北京磁悬浮列车的S1线也已开通运营。

图11 长沙磁悬浮车辆

3 中运量系统车辆的特点

通过对上述中运量系统车辆的分类及应用实例分析，总结出中运量系统车辆的应用有如下特点[15]。

3.1 以高架敷设为主

以地下隧道为主的地铁系统，其投资通常为6亿～8亿元/km，而以高架为主的轻轨系统，其投资通常为3亿～5亿元/km，相对地下敷设方式，高架敷设可明显减小工程投资总额。根据城市道路宽度条件，在道路中间或一侧设置架空桥梁，轨道交通线路高架走行，因此适于高架敷设的轨道交通车辆更具竞争潜力。

3.2 车辆爬坡能力强

由于沿地面高架敷设，为更好地适应地形条件，减少桥梁及高架车站的工程投资，要求车辆具有较强的爬坡能力。

3.3 环境噪声水平、景观效果要求高

对于在城市中穿行的高架轨道交通系统，其噪声对周边居民、医院、科研院所、学校、政府机关等影响十分明显，因此，低噪声的轨道交通系统是系统选型的关键因素。相对于地铁，以高架为主的系统应有较好的景观效果，这样才能更好地融入城市、融入街区。

3.4 应急救援、逃生条件差

对在高空中运行的车辆来说，车辆下部悬空，在突发情况下(如车辆故障、火灾、线路故障等)的快速逃生疏散相对较为困难，是建设过程中需要重点研究解决的核心问题[16]。

3.5 工程施工周期短

高架桥梁处于地面以上，可以方便地采用多段同时作业，也可以方便地使用各种大型工程机械，因此，其施工周期相对较短，在排除拆迁影响因素外，施工工期可控性强。

3.6 运营费用小

高架系统由于没有了地下系统的通风空调费用、照明费用、预防火灾的各种设施维护费用，相对地下系统容易实现运营管理费用的控制。

4 对相关政策及标准的认识

根据国办发[2018]52 号《关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》(以下简称“52号文”)的要求，现阶段，申报发展地铁的城市应达到下述基本条件：地方财政一般财政预算收入应在300 亿元以上，地区生产总值达到3000 亿元以上，市区常住人口在300 万人以上，规划线路初期客运强度不低于每日每公里0.7 万人次，远期客流规模达到单向高峰小时3 万人以上[17]；申报建设轻轨的城市应达到下述基本条件：地方财政一般预算收入在150 亿元以上，地区生产总值达到1500 亿元以上，城区人口在150 万人以上，规划线路初期客运强度不低于每日每公里0.4 万人次，远期客流规模达到单向高峰小时1 万人以上[18]。中运量系统基本涵盖了上述“轻轨”系统。

根据建标104-2008《城市轨道交通工程项目建设标准》的有关规定，城市轨道交通按线路远期单向客运能力，可以分为高运量、大运量和中运量3种运能等级，同时结合目前国内高、中运量车型，将运能分成4级，相关技术特征见表1。

表1 各级线路相关技术特征

从以上标准可以看出，中运量系统可选择的车型有钢轮钢轨B型车辆、Lb直线电机车辆、C型及D型铰接车辆、跨座式及悬挂式单轨车辆，以及国内近几年新出现的中低速磁悬浮车辆。

“52号文”将“轻轨”作为客流规模单向高峰小时1万～3万人城市的“准入”分类条件[19]，而对于轻轨的定义缺少清晰准确的描述，由于其概念覆盖面较广，具体操作起来很难把握。广义和狭义轻轨概念中的车辆，其运量等级均在中运量系统运量覆盖范围内[20]，而中运量系统的定义相对比较明确固定，概念清晰。建议以高运量、大运量、中运量作为“准入”分类条件，更有利于目前国内建设规划的申报和政府的审批。

5 结论和建议

中运量系统车辆的应用具有以下特点：(1)以高架敷设为主；(2)车辆具有爬坡能力强、转弯半径小、系统维修工作量小、环境噪声水平低的特点；(3)对于高架桥梁，要处理好景观效果、应急救援、逃生条件等问题；(4)工程造价低、施工周期短是其得以推广的基本条件。

钢轮钢轨B型车辆使用范围广，市场占有率高，载客量大，技术成熟，资源共享条件好，但轮轨噪声值较高，爬坡能力较低、转弯半径较大，建议在具有一定线网规模、中运量系统的城市推广。Lb直线电机车辆相对B型车转弯半径小、爬坡能力强、盾构断面小，但耗能高、系统维修量大，比较适合地下敷设，可在建筑物密集，需要较强爬坡能力的城市和地区使用。铰接车辆相对B型车，转弯半径小、载客量小、轴重较轻、整体工程投资额少。跨座式单轨车辆相对钢轮钢轨车辆，环境噪声较小、转弯半径小、爬坡能力强、梁轨合一，比较适合高架敷设，不适合地下敷设；其换轮维修量较大、道岔结构复杂、在城市中设置联络线困难，适合在景区及线网规模较小的城市使用。悬挂式单轨车辆的特点基本同跨座式，不同的是其适应天气的能力较强，逃生条件差。中低速磁悬浮适合高架敷设，其爬坡能力强、转弯半径小、系统维修工作量小、环境噪声水平低，但其使用经验较少，技术成熟度亟待提高，建议加大研发推广力度。

建议以高运量、大运量、中运量作为“准入”分类条件，对于大多数二、三线城市来说，更适合采用中运量系统车辆，中运量系统车辆具有的因地制宜、物尽其用、经济合理的特点，为二、三线城市发展轨道交通展现了美好的前景。