轻轨车辆技术特征及其发展

杨 珂 于松伟 冯爱军 魏 运

(北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100037)

1 轻轨车辆概述

轻轨车辆是从传统的有轨电车脱胎发展而成的一种能在地面、高架或隧道中运行的现代化交通工具。世界上第一条有轨电车线是1888年在美国开通的，而后许多城市相继建成了有轨电车系统。自20世纪以来，汽车运输发展很快，特别是私人小汽车逐渐多起来，马路上开始拥挤。由于有轨电车同其他车辆共享路面、噪声大、速度低和乘坐舒适性差，逐渐失去了往日的地位，被公共汽车和私人小汽车所替代，因而在全球范围内有不少有轨电车线路被停运和拆除。但在东欧、西欧、前苏联等的某些城市仍保留着有轨电车，并逐步对有轨电车系统进行全面提升:使用现代化、大容量的铰接车辆，修建灵活路权的有轨电车线路，使用特殊的信号控制，修建与地铁、公共汽车换乘的枢纽等［1］。

这种提升后的系统在速度、可靠性、舒适度和安全性等方面更加类似于快速轨道交通，而不是传统的有轨电车，它被赋予了一个新名字——轻轨［2］。与传统有轨电车不同的是，轻轨车辆不仅在外观上有许多变化，而且在技术装备上融入了诸多现代高科技的元素，具有更高的运行速度、更舒适的乘车空间以及快捷的换乘方式，其技术性能和舒适度是老式有轨电车无法望其项背的。

轻轨车辆作为城市现代化的交通运输工具，与其他轨道交通相比，非常适合填补大中城市地面公交和地铁之间的中等运量空白［3］。下面将对轻轨车辆的分类进行介绍，对车辆的主要技术特征和将来的发展趋势进行归纳分析。

2 轻轨车辆分类

1)轻轨车辆有4轴车、6轴车、8轴车，见图1～图2。

图1 6轴轻轨车辆

图2 8轴轻轨车辆

2)轻轨车辆有高地板车、低地板车［4］，见图3～图4。低地板轻轨车辆一般是指地板面距轨面高度在400 mm以下的车辆，主要有3个发展阶段:早期的30%低地板车、70%低地板车和当前发展主流的100%低地板车。

3)轻轨车辆按组成模块数量划分，有2～7模块的车辆，见图5～图6。

图3 高地板轻轨车辆

图4 低地板轻轨车辆

图5 3模块轻轨车辆

图6 7模块轻轨车辆

3 主要技术特征

轻轨车辆是在有轨电车的基础上发展而来的，是利用了现代高科技技术开发的新一代噪声低、速度快、运行平稳、换乘方便的新型有轨电车。随着科学技术的不断发展，轻轨车辆无论从车辆性能、舒适程度、环保要求和车体外观等方面都发生了根本性的改进。

3.1 车辆性能

3.1.1 质量和速度

轻轨车质量轻、速度快。车辆每米质量在1.1～1.5 t之间，额定负载下的轴重一般在13 t以下，在特定的条件下轴重也不超过16 t，故由此得名为“轻轨车”。轻轨车辆的最高设计时速可达70～100 km/h，在城市中心地区的半独立路权和共享路权区段的旅行速度一般都在20 km/h左右，在城市郊区的旅行速度可达30 km/h以上。

3.1.2 加减速性能

轻轨车的加减速性能优异。为方便乘客，吸引客流，提供高质量服务，轻轨站间距离短，介于500～1 500 m，因此需要车辆具备良好的加减速能力。共享路权轻轨线路区间或与城市其他交通方式共用，半独立路权轻轨线路区间或与地面交通存在平交，均需要轻轨车辆具备良好的加减速能力。车辆常用制动平均减速度应在1.0 ～1.5 m/s2，紧急制动减速度应在2.0 ～3.5 m/s2［5］。

3.2 主要构成

3.2.1 车体与转向架

轻轨车辆通常在都市拥挤、狭窄的街道中运行，街道转弯半径小。轻轨车辆车体由多个短模块铰接连接而成，可大幅提升轻轨车辆在街道有限空间内运营的灵活度。车体中每个模块都不长，否则在通过小半径曲线时，车体两端外伸及车体中间模块向内侵入线路的部分容易与限界碰触，也容易与邻线车辆发生碰触。轻轨车辆的转向架轴距短，通常为1800～2 100 mm。轴距短有利于车辆通过小半径曲线，轮缘及侧磨耗较少，适应于城市地面路况，可显著降低线路的造价。轴距短，转向架就轻，但对牵引电动机的布置会造成困难。

3.2.2 供电系统

轻轨采取架空接触网、地面接触轨、蓄电池等多种供电方式。除了通常采用传统的架空接触网供电外，在部分景观、空间限制的区段，还可以采用蓄电池供电(仅限局部困难路段)或地面嵌入式第三轨供电(目前仅限于钢轮钢轨)，供电电压可以在500～900 V范围内波动。

1)地面嵌入式第三轨供电(APS)系统［5］。该系统可实现无架空接触网线路的受流，从而保护了城市景观和自然景观，见图7。

2)架空线供电系统。该供电系统具有造价低、维修养护方便等特性，见图8。

图7 地面嵌入式第三轨供电系统

图8 架空线供电系统

3.2.3 制动系统

轻轨车辆的结构具有复杂性和交通适用性，使其制动系统具有鲜明的特点，制动方式多样。以Alstom公司的Citadis系列轻轨车辆为例，其按照欧标EN 13452-1划分为常用制动、紧急制动、安全制动、固定制动、停车制动5种制动模式［6］。车辆设有电动制动、摩擦制动、电磁制动等制动方式，分别在不同制动模式下单独或联合作用。常规制动模式:在低速情况下，常用制动由电动制动和摩擦制动共同确保。紧急制动模式:由电动制动和摩擦制动共同确保，另外还使用电磁制动器。安全制动模式:由摩擦制动和电磁制动器共同确保，电磁制动器在该阶段受到了系统性的抑制。固定制动模式:在规定的坡道和负载条件下车辆静止，固定制动可确保车辆能够完全固定不动(“预先准备”状态)，主控制器从牵引“范围”内去除。固定制动由所有转向架的摩擦制动确保，在车辆速度接近0时可以由预先设置的负载水平自动施加。停车制动模式:确保在规定的坡道和负载下车辆完全固定静止不动，由动车转向架(弹簧制动器)的摩擦制动确保，在车辆停止时以最大负载自动施加。

3.3 列车运能

轻轨系统使用现代化的铰接车辆，一辆单车由不同数量的车体模块铰接而成，列车的编组具有很大的灵活性:客流量少时可以一辆运行，客流高峰时一趟列车可以挂接不同数量的车辆编组运行，再配以灵活的发车频率，使得轻轨系统拥有十分宽泛的运能范围，其单向运能可以适应从0.5万～2.5万人次/h的客流需求。轻轨车辆的主流产品是具有从20～60 m不同长度的系列产品，其车体比常规有轨电车的车体宽，通常为2.20～2.65 m。宽车体易实现大的载客量，并能最大程度地提高乘客舒适度。以Alstom公司的Citadis系列轻轨车辆为例，每车按4人/m2计算，列车乘客的额定载客量为50～450人，单向设计运能一般可达到0.5万～1.2万人次/h。如果将列车2～4辆重联起来，轻轨车辆单向运能可在1.2万～2.5万人次/h。若按照6人/m2计算，由2辆32 m车重联的一列车实际单向运能达1.8万人次/h左右，2辆42 m车重联的一列车实际单向运能可达2.4万人次/h左右。

3.4 车辆优点

1)噪声低。轻轨车辆开行时的噪声不超过75 dB，低于汽车交通，一般运营中的噪声比城市交通中的背景噪声还低。轻轨车辆在降噪方面已有了根本性的改善，主要体现在以下几方面:转向架结构采用橡胶减震元件、弹性车轮、独立车轮、空气弹簧、空心车轴等新技术，可有效地降低曲线噪声和轮轨磨耗，减小轨道冲击，提高车辆使用寿命;采用径向转向架技术，由于车体使用迫导向转向架，在列车通过曲线时轮轴处于曲线径向位置，噪声和轮轨磨耗等指标也大大降低;轻轨车辆采用电制动、摩擦制动、磁轨制动等多种先进的制动方式，可使引起的噪声非常小。

2)车内环境舒适。驾驶室和客室各有独立的通风或空调装置，可以自行调整。

3)采用大开度的侧门，增加侧门数量，方便乘客就近乘降，减少车辆站停时间。

4)采用交流传动和微机控制制动技术，使车辆在运行时加速和制动产生的加速度受到了严格的控制，其平稳性和舒适性与地铁车辆相当。

5)车辆总体造型流畅，前部造型和车身造型圆滑、平顺。车辆大窗台、对开门，外观明快，车身颜色搭配适当，视觉效果比较好。

4 未来发展趋势

4.1 低地板车辆

低地板轻轨车辆与高地板车辆相比具有以下优点:可在地面(不设站台)或接近地面处上车，更适合城市内地面交通的环境;与城市一体化相吻合，能更好地融入整体化的城市环境中;上下车十分方便，缩短站停时间;方便老人、儿童和乘轮椅的残疾乘客。

4.2 模块化结构

由于各个城市的具体差异，用户会对车辆提出特殊的要求，给车辆厂带来一定的困难，造成结构相同的部分被多次重复设计。而采用模块化结构车体，有利于车辆标准化设计和组织生产，有利于缩短产品开发周期，便于组织小批量生产和降低车辆造价，便于运用部门调整车辆编组。模块化在轻轨车辆上的应用，主要是以车辆的一部分作为模块，车辆长短、载客人数都可根据需要灵活调整。在运营初期，由于客流量较小，可采用基本模块编组;随着客流量的增加，可在原车的基础上增加相应的模块，延长列车长度，使运能具有较大的弹性空间。例如，Alstom的Citadis系列可以订制长度20～45 m(3～7个车厢模块)、宽度2.3～2.65 m的任何大小的车辆(见图9)［7］。

图9 Citadis系列模块化结构扩充

4.3 维保简便化

轻轨车辆上通常装有故障自诊断与显示系统，以便及时发现隐患，保证列车的安全运行。特别是车辆电子化、自动化程度的不断提高，在极大地优化车辆技术性能的同时，也使得车辆的控制系统变得越来越复杂，一旦出现故障，就会带来很大的麻烦。为了迅速诊断故障部位，提高维修效率，世界轻轨车辆厂家纷纷开发故障自诊断与显示系统，以便提高维保工作效率，使维保作业简便化。

5 结语

综上所述，轻轨车辆作为现代化城市轨道交通的多种高新技术集成的载运工具，在客运能力、车辆功率、运行速度、自动化程度以及材料和制造工艺等各方面都有了重大发展。轻轨车辆具有更高的运行速度、更舒适的乘车空间、更方便的换乘系统，是传统有轨电车无法比拟的，是目前较为理想的城市轨道交通运输方式。轻轨车辆发展到现阶段，技术上已经达到较先进的水平，其中复合材料车体、低地板车体、独立车轮径向转向架等的采用，使得轻轨车辆的质量大为减轻，不但减少了能耗，而且达到了与城市和自然的和谐，所以轻轨交通是真正的“绿色交通”。预计在21世纪内，城市轻轨将在国内的城市交通中快速发展，占据重要的位置。

［1］Ford R.Light rail vehicle technology［J］.Modern Railway，1993(8):494-496.

［2］Luke S，MacDonald M.Public transport mode selection:a review of international practice［C］//European Transport Conference，2006.

［3］毛励良，杨珂.北京城市轨道交通西郊线系统制式选型研究［J］.都市快轨交通，2010，23(5):8-11.

［4］Booz Allen＆ Hamilton Inc.Applicability of low floor light rail vehicles in North America［R］.Washington，D.C.:Transportation Research Board，National Research Council，1995.

［5］法国Systra公司.北京现代有轨电车西郊线可行性研究报告技术审查咨询［R］.北京，2009:89.

［6］Alstom.Citadis 302 for the Beijing Fragrant Hills tramway project［R］.北京，2009.

［7］北京城建设计研究总院有限责任公司.北京现代有轨电车西郊线工程可行性研究报告［R］.北京，2009.