吉林市軌道交通建設投資有限公司

Jilin Rail Transit Construction Investment Co., Ltd

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快速有軌電車在市域軌道交通中適應性研究

時間: 2021-04-02
信息來源:現代城市軌道交通
提供部門:辦公室
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市域鐵路是伴隨我國城鎮化和區域一體化發展而產生的新型交通系統,相對于近10年來國家高速鐵路和城際鐵路的蓬勃發展,市域鐵路在我國起步較晚,進展較緩,適應于市域軌道的車輛制式也處在探索階段。文章研究快速有軌電車在市域軌道交通中的應用可行性,為市域軌道交通發展提供多樣化車輛制式選型,從車輛牽引供電方式、車輛與站臺關系、車輛強度與碰撞等方面對快速有軌電車在市域軌道中的應用進行研究,提出建議的解決方案。

市域軌道交通主要服務于中心城區與市郊、城鎮及衛星城的通勤客流,是一種快速、大容量、公交化的軌道交通系統。其自成體系,獨立運營,市域軌道交通各線之間以及與城市軌道交通之間應互聯互通或接駁換乘方便,是國家干線鐵路與城市軌道交通之間的重要組成部分,有效解決中心城區與衛星城的通勤客流,同時可以帶動沿線土地綜合開發。

 

1.1 市域軌道交通國外發展現狀

市域軌道交通在國外大中城市已存在較長時間,為城市軌道交通系統重要組成部分,與地鐵、城市輕軌、有軌電車一起構筑成城市交通的主骨架,共同引導城市發展,促使城市布局更加合理化。市域軌道交通主要從2 個方面引領城市空間格局布局:①沿城市發展軸線布局市域鐵路主通道,支撐城市空間延伸;②都市圈內城市軌道交通全覆蓋,滿足主要交通客流需求。例如,東京以市域軌道引領城市空間格局構成,東京都市圈擁有全球最大的市域鐵路網絡。而巴黎區域快鐵(RER)線則是市域軌道系統最為成功的案例之一,RER 線在中心城區為地下線,而在郊區則利用既有鐵路線路,連接巴黎主要衛星城,最大限度地滿足乘客出行需求。

 

1.2 市域軌道交通國內發展趨勢及車輛定義

截至 2020 年底,中國已開通市域軌道交通線路805.70 km,占城市軌道交通運營里程的 10.1%,北京、上 海、廣州、南京等均在積極籌建大規模的市域軌道交通網絡,市域軌道交通發展前景十分廣闊。根據 GB/T 37532-2019《城市軌道交通市域快線 120 km/h ~160 km/h 車輛通用技術條件》規定,市域軌道車輛分為市域 A 型、市域 B 型、市域 D 型 3 種類型,車輛主要技術參數如表 1 所示,其中市域 A 型、市域 B 型車輛基本外形尺寸分別與既有 A 型、B 型地鐵車輛參數類似。

 
 

有軌電車為城市軌道交通車輛的一種,其最高運行速度為 70 km/h,一般采用司機目視駕駛,在通過路口時具備一定程度的信號優先權。而歐洲運營商為解決城郊居民通勤需求而衍生出來的一種新型軌道車輛——快速有軌電車(Tram-train),多采用 70% 或者低地板率更低的多模塊鉸接式車輛,車輛最高運行速度可達100 km/h,部分甚至可達到 120 km/h,車輛運行于城市中心與市郊衛星城鎮之間,具備有軌電車靈活性和市域快線快速性的雙重特征。

 

2.1 歐洲快速有軌電車概況

上世紀 50 年代由于汽車工業發展,歐洲許多城市開始從城市中心街道上拆除有軌電車線路及改造車站,并把郊區線路并入到地區鐵路網中,使城市公交極不便捷,而在德國的卡爾斯魯厄(Karlsruhe)則把市內有軌電車和地區間軌道交通相結合,從而開啟一種新型軌道交通模式——“卡爾斯魯厄模式(Karlsruhe Model)”,運行在線路上的有軌電車則稱為快速有軌電車。自從 1992 年卡爾斯魯厄模式取得成功以來,快速有軌電車在歐洲各國迅速發展,已在德國卡塞爾、薩爾布呂肯、科隆等城市,法國南特、里昂等城市,以及英國、荷蘭、葡萄牙等國家 50 余條線路開通運營,盡管在歐洲取得巨大成功,但世界上并未對這種模式進行統一定義。例如,德國運輸公司協會(VDV)對快速有軌電車定義為可以運行在城市有軌電車線路和德國國鐵線路的有軌電車,通常采用雙流制式供電,必須《遵循德國有軌電車建設和運行條例》(BOStrab)及《德國鐵路技術管理規程》(EBO)2 種法規,而在法國則定義為最高運行速度大于 70 km/h 的輕軌列車(通常為100 km/h)。

 

2.2 國內發展現狀

現代有軌電車在國內發展迅速,截至 2020 年底,已有 18 個城市 33 條線路開通運營,有近 100 個城市提出建設現代有軌電車線網規劃。由于城市發展和城市功能定位多樣性,最高運行速度為 70 km/h 的有軌電車因其平均旅行速度一般不到 30 km/h,無法滿足不能修建地鐵的中小城市、衛星城快速通勤需求。在山東日照、天津濱海新城、上海崇明區等城市有軌電車線網規劃時則提出用速度更高的有軌電車來解決城鎮居民快速出行的問題。同時中車旗下多個公司都在積極研發快速有軌電車,以便滿足市場需求,但目前尚未有工程化樣車推向市場。

 

2.3 快速有軌電車技術特點

文章分析的快速有軌電車指在德國模式定義下的雙流制有軌電車。歐洲主流車輛制造商擁有成熟的快速有軌電車平臺,例如龐巴迪 Flexity Swift、阿爾斯通Citadis Dualis 及西門子 Avanto(S70)等。歐洲典型快速有軌電車主要參數如表 2 所示。從表 2 中可以看出同常規有軌電車相比,快速有軌電車具有運行速度快、動力配置強、座椅占比高、車輛鉸接模塊少、轉向架數量多等共同特點。

 
 

2.4 快速有軌電車技術發展趨勢

隨著技術進步和用戶需求不斷提高,快速有軌電車需求也在不斷提升。近年來 VDV 委員會召集中國中車、龐巴迪、阿爾斯通等主要車輛供應商對將來采購的車輛進行多輪次技術研討分析,涉及到設備布置、重量管理、運營安全等多方面,主要技術特征如下。

 

(1)綠色環保:車輛空調壓縮機采用二氧化碳、空氣等環保制冷劑;車窗采用光調節玻璃,以減少太陽熱輻射;車載儲能裝置替代內燃機,用于能量回收及無網區間運行。

 

(2)安全可靠:加裝歐洲列車控制系統(ETCS);提高車輛強度及碰撞性能。

 

(3)舒適便捷:根據《歐洲無障礙法案》(EAA)規 定,考慮滿足不方便人士使用,配置行動能力受限人員(PRM)標準衛生間,以及降低高地板區域的地板面高度;最高運營速度提高至 120 km/h。

 

(4)輕量化及新技術:復合材料、主輔一體牽引輔助系統、干式變壓器等新技術運用。

 

同時 VDV 委員會也認為某些技術存在技術壟斷、未經充分驗證等問題,批量裝車還存在一定風險。此外,一些技術的實現存在相互制約,例如車輛碰撞性能和輕量化設計,速度與乘坐舒適性、運營安全等,有些技術又是相輔相成,例如干式變壓器、主輔一體牽引輔助系統運用和地板面高度的降低等。

 

由于國內尚無成熟的快速有軌電車車型,文章以龐巴迪為薩爾布呂肯提供的 Flexity Link 為基本車型進行分析。Flexity Link 和中車株機提供的廣州地鐵 18 號線車輛及線路的關鍵參數對比如表 3 所示。

 

 

快速有軌電車同市域車輛相比,在車輛參數和線路上存在較大差別,如要確??焖儆熊夒娷囋谑杏蚓€路上安全運營,需要解決車輛牽引供電系統、車載信號系統、車輛與站臺關系、輪軌關系、限界等相關專業問題。市域軌道交通與快速有軌電車牽引供電系統不同,快速有軌電車車輛在市域軌道交通線路中無法正常受電不能啟動;信號系統不一致則無法控制車輛運行、到站、過道岔等;站臺高度和寬度不一致,則影響乘客的上下車安全;輪軌關系和限界等問題都將影響車輛運行安全。以下從 4 方面分別提出建議的解決方案。

 

3.1 車輛牽引供電系統

有軌電車運行在市域干線鐵路上,必須配置雙流制牽引供電系統。目前列車實現雙流制可以采用完全獨立的受電和牽引系統、相對獨立受電系統和共用受電系統3 種技術方案。 

 

(1)完全獨立的受電和牽引系統:即在列車上同時安裝 2 套完全獨立的受電系統和牽引系統,分別適應 2 種線路的交、直流供電系統。此方案車載系統設備利用率低,受安裝空間、質量及成本限制,是歐洲早期雙流制電力機車采用的方案,屬于已淘汰方案。

 

(2)相對獨立受電系統:即共用牽引系統直 - 交部分,以交流受電弓和交 - 直 - 交牽引系統為基礎,在車頂增加直流受電弓,將直流接觸網電流引到中間直流環節,此方案需要在車頂安裝 2套受電弓,多用于歐洲新型的雙流制電力機車上,相對獨立受電系統的雙流制牽引系統如圖 1 所示。 

 

 

(3)共用受電系統:即采用適用于交 / 直雙流制電流受電弓,同時增加交 / 直流檢測、切換裝置等,將直流接觸網電流引到中間直流環節。此方案配置 1 套雙流制受電弓,比較適合在交流系統下運行速度不快、設備布置空間緊湊的地鐵車輛或動力分散型城際車輛,共用受電系統的雙流制供電牽引系統如圖 2 所示。

 

 

快速有軌電車車輛底架無足夠安裝空間懸掛大型箱體設備,推薦采用共用受電系統的雙流制供電牽引系統方案。國外某車型單流制與雙流制有軌電車車頂設備布置如圖 3 所示,雙流制有軌電車車頂設備基本上布滿了整個車頂,無多余設備布置空間。

 

 

交 / 直雙流制受電弓以交流受電弓為基礎進行適應性修改,仍使用既有交流絕緣子,以滿足交流系統高絕緣;弓頭上安裝多根滑板,同時增加各組件之間跳線線徑,以滿足直流供電時相對較大的電流。交流供電制式的電壓遠比直流制式高,在相同牽引功率情況下,直流制式牽引電流更大,弓網之間蘊含的燃弧能量也更大,為此需要增加受電弓靜態接觸壓力用以提高受流質量。根據國內外多個項目經驗,建議交流供電時靜態壓力標準為 80±10 N,直流供電時適當增加靜態壓力標準為 120±10 N。

 

3.2 站臺高度與站臺間隙

GB/T 37532-2019 《城市軌道交通市域快線 120 km/h~160 km/h 車輛通用技術條件》建議車站站臺高度市域 B 型車為 1 050 mm、市域 A 型車為 1 080 mm、 市 域 D 型車為 1 210 mm 或1 250 mm,而低地板有軌電車站臺高度一般不會高于300 mm,若存在高地板區域處車門,站臺高度一般也不會大于 600 mm。為解決站臺高度和間隙不匹配問題,盡量避免有軌電車與市域列車共用同一站臺,或者在同一站臺設置高低站臺區域,以適應不同車輛,而對于規模較大的車站可設置不同高度站臺滿足不同車輛上下乘客,如圖 4 所示。

 

 

如不共用站臺,車輛可加裝踏板用以彌補站臺間隙滿足乘客上下車。踏板的運動由列車門控器(DCU)控 制,司機可以根據車輛運行線路情況切除 / 保留踏板的控制功能。踏板與客室側門的打開 / 關閉順序相配合,踏板完全打開后,客室側門才允許打開,一旦車門完全打開,移動踏板將不能運動。圖 5 為常用的 2 種踏板,左圖為折疊式,右圖為伸縮式。

 

 

如存在共用站臺,則配置具有伸縮和升降功能的踏板。由于地板面和站臺高度差較大,建議踏板配置在高地板區域的車門處。這種踏板相對復雜,需要在 2 個維度上進行運動,用以彌補站臺間隙和高度差,以保證乘客正常上下車。

 

3.3 車輛強度與碰撞

車輛強度是保證乘客被動安全最基本屏障,根據歐洲標準 EN 12663《鐵道應用——軌道車身的結構要求》顯示,快速有軌電車車體強度需滿足 P- Ⅳ,縱向抗壓強度應滿足 400 kN ;而市域列車需要滿足 P- Ⅱ,縱向抗壓強度應滿足 1 500 kN。為保證乘客安全性,歐洲運營商把與干線鐵路共線運營的有軌電車強度逐漸提高,例如德國卡爾斯魯厄運營商將 Tram-train 車輛碰撞強度由最初 400 kN 提升至 600 kN,而最新的要求則提升至1 000 kN。

 

有軌電車多采用人工駕駛模式,需要考慮司機前方和側部視野,車輛強度無法做到同市域列車一致,此外車輛強度增加,導致車輛加重,運營能耗加大。為此保證有軌電車在共營線路安全,主要依靠有軌電車緊急制動減速度較大的特點。

 

3.4 其他

除去車輛底部之外,有軌電車斷面均包含在市域列車限界之內,需要著重分析車輛底部侵限風險,同樣為適應線路信號系統,需要安裝 2 套信號設備,且考慮信號兼容性,由于車載設備增加以及電網等級升高,還需要考慮車頂絕緣等級和設備布置等問題。

 

綜合上述分析,快速有軌電車如若在市域軌道交通線路中運營,則需要車輛自身適應市域軌道交通供電制式及在車輛電氣系統、設備布置等方面進行適應性設計,同時車輛需加裝踏板保證站臺間隙和適應不同站臺高度,加大車輛設計強度保證碰撞安全,車輛車載信號設備需安裝2 套適應切換的不同信號系統進行控車。國外快速有軌電車正是通過這些適應性設計更改,真正實現了快速有軌電車在市域軌道交通線路中的成功運營,這些方案也為國內快速有軌電車的發展及與市域軌道交通融合提供經驗借鑒。

 

市域軌道交通作為安全便捷型大容量公共交通方式,在大城市中心城與新城、衛星城間城市客運交通中發揮著越來越重要的作用,而由于國家政策導向,未來中小城市主流的軌道交通形式將為中小運量有軌電車系統??焖儆熊夒娷噷⒂熊夒娷囋诔鞘羞\營的靈活性、便捷性與市域列車在郊區運營的快速性相結合,減少乘客換乘率,實現中心城區和衛星城、郊區真正的互聯互通;還可以通過對已廢棄普速干線鐵路線路和車站進行升級改造,以少量的工程投資,盤活廢棄鐵路,促進城鄉一體化進程。

 

 


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