常见有轨电车车型及其改型研究分析
《电力机车与城轨车辆》 第44卷 第4期01
01
概述
100%低地板有轨电车凭借其节能、环保、高效、美观等优点,被世界越来越多的城市所认可。随着中国城市化水平的提高和城市交通压力的增大,国内也有越来越多的城市已建设或正在规划有轨电车。现阶段国内外有轨电车以100%低地板有轨电车为主,国外主要轨道交通装备制造商都拥有了成熟的100%低地板有轨电车技术,国内有轨电车技术发展主要通过技术引进合作、消化吸收、自主化创新途径实现技术自主化。
有轨电车采用模块化设计且型式多样,主要结构型式有单车型、浮车型、铰接型、三模块四转向架型(HKL型)。单车型有轨电车以西门子Combino Plus系列和Avenio系列为代表,如图1所示;浮车型有轨电车以庞巴迪Flexity2、阿尔斯通Citadis 302、安萨尔多Sirio 5C3为代表,如图2所示;铰接型有轨电车以斯柯达15T为代表,如图3所示;HKL型有轨电车以捷克INEKON Superio Plus为代表,如图4所示。
本文中转向架符号意义如下:☆—铰接式转向架;△—单车型转向架(带防折弯系统);√—转向架与车体需设计有摇头角度;×—转向架与车体需设计无摇头角度。基于主要有轨电车车型,通过模块组合和演变进行扩展研究,可以衍生出其他有轨电车结构型式。
02
车辆结构改型分析
2.1 浮车型
浮车型是四种主流车型中最普遍的的车辆结构形式,国内的浮车型有轨电车既有技术引进也有自主开发,例如苏州1/2/3号线有轨电车、南京河西和麒麟线有轨电车、成都都江堰旅游线有轨电车、天水一期有轨电车、武汉东湖T1线有轨电车、珠海示范线有轨电车、沈阳浑南线有轨电车、北京西郊线有轨电车、上海松江线有轨电车等。浮车型有轨电车具有以下特点。
1)相对于其他几种车型,转向架数量少,能有效降低车辆的制造成本。
2)F1 , F2 模块下方没有转向架,其客室内部空间和地板面更加宽敞和平整,多双开门设计便于乘客上下车和预留残疾人区域,座椅布置更加方便可行。
3)模块数量较多,模块长度相对较短,曲线通过能力好。
4)转向架与车体之间没有摇头角,实际设计弹性止挡缓和过曲线冲击。
5)车体间铰接装置复杂,车辆端墙受力复杂。
6)转向架少,轴重相对较大,一般按照≤12.5t设计。
7)如图2所示,五模块浮车型有轨电车考虑轴重等问题,中间转向架一般设计为非动力转向架,若应用线路存在较大坡度,AW0空车对AW3故障车进行救援存在黏着力不足的问题。
浮车型有轨电车主要以五模块编组为主,对其进行车型改型设计,一般为三、五、七等奇数模块编组,浮车型有轨电车需要适当配置自由铰接,便于车辆通过竖曲线。
图5~图7所示的是五模块浮车型有轨电车拓展为三模块有轨电车和七模块有轨电车,其他以此类推。图中"︵"表示模块间的自由铰接。
图6所示的三模块有轨电车,其3个模块下部通过固定铰接连接,上部为弹性铰接,3个模块是一个整体稳定结构,若定距太大,则不适用于竖曲线坡度较大线路。
2.2 单车型
单车型有轨电车以西门子公司研发的Combino Plus系列、Avenio系列为代表,国内中车株机公司引进了Combino Plus系列的100%低地板有轨电车技术。国内的淮安有轨电车、武汉大汉阳有轨电车、深圳龙华有轨电车、广州黄埔有轨电车等都是单车型有轨电车,中车唐山公司出口土耳其的有轨电车,采用的也是单车型结构型式。单车型有轨电车具有以下特点。
1)以四模块编组为主,每个模块中间有一个转向架。
2)车体受力较均匀,铰接装置受到的作用力小,车体端部不需要做特别加固,车体疲劳寿命长,结构载荷低。
3)车体模块少,扩编简单,客户可以根据客运量在二模块及以上任意模块编组。
4)动力转向架可以灵活配置;曲线通过时车辆偏移大;曲线通过能力一般,需要增加液压防折弯装置。
5)同长度和载客量情况下,转向架数量多,在车辆长度28~35m范围内需要针对各模块长度进行改型。
对该车型进行拓展设计,一般为二、三、四、六、八等模块编组,由于考虑曲线通过和限界,一般也是两个模块扩编增加,但也可以改型为三模块。每两个模块为一个基本单元,中间二与三模块采用双铰接结构,下部是固定铰,上部采用纵向弹性拉杆,传递车体间的纵向力,从而使两个单元间具备点头、摇头、侧滚三个方向的运动能力,使车辆能顺利通过竖曲线。
图8~图10是单车型有轨电车拓展为二模块、三模块和六模块有轨电车,其他以此类推。其中,图8所示的三模块有轨电车就是四模块单车型有轨电车的一个基本单元;图9所示是改型的三模块有轨电车,3个转向架间设有液压抗折弯装置。
2.3 铰接型
铰接型有轨电车以斯柯达研发的15T系列为代表,中车四方股份公司引进该系列的100%低地板有轨电车技术,在国内的应用主要有青岛城阳有轨电车、青海德令哈有轨电车、佛山高明有轨电车等。铰接型有轨电车具有以下特点。
1)车体之间无铰接装置,每个车体都采用转向架两端支撑,受力均衡,避免了浮车型有轨电车的铰接装置和端墙受力复杂问题。
2)永磁同步电机直接驱动,无齿轮箱结构,传动效率高,转向架结构相对较小。
3)车体模块少,曲线通过能力强,动力转向架配置灵活。
4)客室区域车体下方没有转向架,客室区域地板面平整、宽敞,座椅布置更加灵活。
5)转向架铰接结构复杂,且铰接式转向架位置处于车体之间,给维修保养带来了很大困难。
6)车辆定距较大,通过曲线时内外偏移相对较大。
7)司机室门受到转向架位置影响,入门高度相对较高。
8)同长度和载客量情况下,相对于浮车型有轨电车,其转向架数量更多。
铰接型有轨电车主要以三模块编组为主,对该车型进行拓展设计,一般为二、三、四、五等模块编组。
图11和图12是铰接型有轨电车拓展为二模块、四模块有轨电车,其他以此类推。
2.4 HKL型
HKL型有轨电车以捷克INEKON Superio Plus为代表,目前国内尚无应用,通号轨道车辆有限公司拥有其100%低地板有轨电车技术,其后双方联合设计对,转向架进行了技术升级。HKL型有轨电车具有以下特点。
1)结构稳定,受力相对简单,动力配置灵活。
2)车辆定距较大,通过曲线时内外偏移相对较大。
3)过曲线时转向架与车体转角大。
4)同长度和载客量情况下,相对于浮车型有轨电车,其转向架数量较多。
HKL型有轨电车主要以三模块编组为主,对该车型进行拓展设计,可以为一、二、三、四、五等模块。
图13~图15是HKL型有轨电车拓展为一模块、二模块、四模块有轨电车,其他以此类推。
2.5 综合改进型
有轨电车还可以结合浮车型、单车型、铰接型、HKL型进行综合拓展改型。
如图16所示,采用HKL型中间模块和浮车型浮车模块组合设计的车型,可以在浮车模块两端上部设计自由铰接,便于竖曲线通过。
如图17所示,采用HKL型端部模块或单车型模块+浮车型浮车模块组合设计的车型,可以在浮车模块两端上部设计自由铰接,便于竖曲线通过。
如图18所示,采用HKL型端部模块或单车型模块+浮车型中间模块组合设计的车型,可以在浮车型中间模块一端上部设计自由铰接,便于竖曲线通过。
如图19所示,采用HKL型端部模块或单车型模块+铰接型中间模块和铰接式转向架组合设计的车型,可以在浮车型中间模块靠近铰接式转向架一端上部设计自由铰接,便于竖曲线通过。
03
改型设计需要考虑的相关问题
车辆改型设计不仅仅是车辆模块的自由组合,还需要考虑结构稳定、限界、曲线通过、转向架与车体运动、车顶设备布置、救援能力等相关问题。
1)转向架与车体结构摇头运动。
转向架与车体结构是否需要摇头运动根据车辆在通过平面曲线时的自由度需要和位置需要来确定,具体角度需要根据特定线路和最小平面曲线半径确定。
2)转向架与车体结构点头运动。
转向架与车体结构点头运动角度根据车辆通过竖曲线的线路条件来确定,有轨电车一般按照最大坡度为60‰设计。点头过大对一二系簧和车体底部空间的要求更高,设计难度加大,同时也不利于有轨电车低地板设计。
3)结构稳定性。
有轨电车不同于地铁车辆,地铁车辆的模块之间通过半永久牵引杆或半自动车钩连接,而有轨电车车辆模块是通过铰接或铰接式转向架连接,需划分单元,存在稳定结构单元和非稳定结构单元,各单元组合连接后形成稳定结构。例如五模块浮车型有轨电车,如图20所示,在自由铰接处使得列车一端的二模块(非稳定单元)和另一端的三模块(稳定单元)划分为两个单元,单元之内没有相对点头和侧滚,单元之间可以相对点头。这样,非稳定单元受到稳定单元约束,使得整车是一个稳定结构并能顺利通过竖曲线。
4)曲线通过和限界。
有轨电车改型设计需考虑线路实际曲线通过要求和限界要求,不同车型转向架不同,转向架轴距和结构特点决定了最小通过曲线半径,转向架定距决定了转向架通过平面曲线时内外偏移量大小,以及通过竖曲线时转向架相对于车体点头角度的大小。
5)车辆长度。
有轨电车车辆长度要求与载客量息息相关,影响站台长度设计。车辆长度需综合考虑载客量、转向架数量配置、轴重、成本、限界等因素。
6)车顶设备布置。
有轨电车车顶设备包括牵引逆变器、冷却箱、受电弓、空调装置、储能装置(可选)、高低压箱体、避雷器等,且一般牵引设备、空调装置、储能装置都是成对配置,以提高车辆可靠性。车辆越短,车顶设备布置越困难;同长度车辆,模块数越多,车顶利用空间就越少,综合考虑轴重等因素,车顶设备综合布置难度就更大。
7)连挂救援或重联模式。
车辆选型和改型总体设计需考虑连挂救援或重联模式影响。连挂救援既要考虑车钩设计,也要考虑动力配置和最大黏着力。车辆重联模式总体设计除包括车辆救援连挂考虑的设计要素外,还需考虑重联、车辆控制(TCMS)等设计要素。
04
结束语
本文通过对目前主流有轨电车车型进行研究分析,综合各车型特点,提出了有轨电车各种可能的车型结构设计,同时归纳总结了车辆改型设计中需要综合考虑的相关设计影响因素,达到举一反三的目的,不局限于既有的有轨电车技术平台,可为有轨电车总体设计提供思路。