吉林市轨道交通建设投资有限公司

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快速有轨电车在市域轨道交通中适应性研究

时间: 2021-04-02
信息来源:现代城市轨道交通
提供部门:办公室
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市域铁路是伴随我国城镇化和区域一体化发展而产生的新型交通系统,相对于近10年来国家高速铁路和城际铁路的蓬勃发展,市域铁路在我国起步较晚,进展较缓,适应于市域轨道的车辆制式也处在探索阶段。文章研究快速有轨电车在市域轨道交通中的应用可行性,为市域轨道交通发展提供多样化车辆制式选型,从车辆牵引供电方式、车辆与站台关系、车辆强度与碰撞等方面对快速有轨电车在市域轨道中的应用进行研究,提出建议的解决方案。

市域轨道交通主要服务于中心城区与市郊、城镇及卫星城的通勤客流,是一种快速、大容量、公交化的轨道交通系统。其自成体系,独立运营,市域轨道交通各线之间以及与城市轨道交通之间应互联互通或接驳换乘方便,是国家干线铁路与城市轨道交通之间的重要组成部分,有效解决中心城区与卫星城的通勤客流,同时可以带动沿线土地综合开发。

 

1.1 市域轨道交通国外发展现状

市域轨道交通在国外大中城市已存在较长时间,为城市轨道交通系统重要组成部分,与地铁、城市轻轨、有轨电车一起构筑成城市交通的主骨架,共同引导城市发展,促使城市布局更加合理化。市域轨道交通主要从2 个方面引领城市空间格局布局:①沿城市发展轴线布局市域铁路主通道,支撑城市空间延伸;②都市圈内城市轨道交通全覆盖,满足主要交通客流需求。例如,东京以市域轨道引领城市空间格局构成,东京都市圈拥有全球最大的市域铁路网络。而巴黎区域快铁(RER)线则是市域轨道系统最为成功的案例之一,RER 线在中心城区为地下线,而在郊区则利用既有铁路线路,连接巴黎主要卫星城,最大限度地满足乘客出行需求。

 

1.2 市域轨道交通国内发展趋势及车辆定义

截至 2020 年底,中国已开通市域轨道交通线路805.70 km,占城市轨道交通运营里程的 10.1%,北京、上 海、广州、南京等均在积极筹建大规模的市域轨道交通网络,市域轨道交通发展前景十分广阔。根据 GB/T 37532-2019《城市轨道交通市域快线 120 km/h ~160 km/h 车辆通用技术条件》规定,市域轨道车辆分为市域 A 型、市域 B 型、市域 D 型 3 种类型,车辆主要技术参数如表 1 所示,其中市域 A 型、市域 B 型车辆基本外形尺寸分别与既有 A 型、B 型地铁车辆参数类似。

 
 

有轨电车为城市轨道交通车辆的一种,其最高运行速度为 70 km/h,一般采用司机目视驾驶,在通过路口时具备一定程度的信号优先权。而欧洲运营商为解决城郊居民通勤需求而衍生出来的一种新型轨道车辆——快速有轨电车(Tram-train),多采用 70% 或者低地板率更低的多模块铰接式车辆,车辆最高运行速度可达100 km/h,部分甚至可达到 120 km/h,车辆运行于城市中心与市郊卫星城镇之间,具备有轨电车灵活性和市域快线快速性的双重特征。

 

2.1 欧洲快速有轨电车概况

上世纪 50 年代由于汽车工业发展,欧洲许多城市开始从城市中心街道上拆除有轨电车线路及改造车站,并把郊区线路并入到地区铁路网中,使城市公交极不便捷,而在德国的卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)则把市内有轨电车和地区间轨道交通相结合,从而开启一种新型轨道交通模式——“卡尔斯鲁厄模式(Karlsruhe Model)”,运行在线路上的有轨电车则称为快速有轨电车。自从 1992 年卡尔斯鲁厄模式取得成功以来,快速有轨电车在欧洲各国迅速发展,已在德国卡塞尔、萨尔布吕肯、科隆等城市,法国南特、里昂等城市,以及英国、荷兰、葡萄牙等国家 50 余条线路开通运营,尽管在欧洲取得巨大成功,但世界上并未对这种模式进行统一定义。例如,德国运输公司协会(VDV)对快速有轨电车定义为可以运行在城市有轨电车线路和德国国铁线路的有轨电车,通常采用双流制式供电,必须《遵循德国有轨电车建设和运行条例》(BOStrab)及《德国铁路技术管理规程》(EBO)2 种法规,而在法国则定义为最高运行速度大于 70 km/h 的轻轨列车(通常为100 km/h)。

 

2.2 国内发展现状

现代有轨电车在国内发展迅速,截至 2020 年底,已有 18 个城市 33 条线路开通运营,有近 100 个城市提出建设现代有轨电车线网规划。由于城市发展和城市功能定位多样性,最高运行速度为 70 km/h 的有轨电车因其平均旅行速度一般不到 30 km/h,无法满足不能修建地铁的中小城市、卫星城快速通勤需求。在山东日照、天津滨海新城、上海崇明区等城市有轨电车线网规划时则提出用速度更高的有轨电车来解决城镇居民快速出行的问题。同时中车旗下多个公司都在积极研发快速有轨电车,以便满足市场需求,但目前尚未有工程化样车推向市场。

 

2.3 快速有轨电车技术特点

文章分析的快速有轨电车指在德国模式定义下的双流制有轨电车。欧洲主流车辆制造商拥有成熟的快速有轨电车平台,例如庞巴迪 Flexity Swift、阿尔斯通Citadis Dualis 及西门子 Avanto(S70)等。欧洲典型快速有轨电车主要参数如表 2 所示。从表 2 中可以看出同常规有轨电车相比,快速有轨电车具有运行速度快、动力配置强、座椅占比高、车辆铰接模块少、转向架数量多等共同特点。

 
 

2.4 快速有轨电车技术发展趋势

随着技术进步和用户需求不断提高,快速有轨电车需求也在不断提升。近年来 VDV 委员会召集中国中车、庞巴迪、阿尔斯通等主要车辆供应商对将来采购的车辆进行多轮次技术研讨分析,涉及到设备布置、重量管理、运营安全等多方面,主要技术特征如下。

 

(1)绿色环保:车辆空调压缩机采用二氧化碳、空气等环保制冷剂;车窗采用光调节玻璃,以减少太阳热辐射;车载储能装置替代内燃机,用于能量回收及无网区间运行。

 

(2)安全可靠:加装欧洲列车控制系统(ETCS);提高车辆强度及碰撞性能。

 

(3)舒适便捷:根据《欧洲无障碍法案》(EAA)规 定,考虑满足不方便人士使用,配置行动能力受限人员(PRM)标准卫生间,以及降低高地板区域的地板面高度;最高运营速度提高至 120 km/h。

 

(4)轻量化及新技术:复合材料、主辅一体牵引辅助系统、干式变压器等新技术运用。

 

同时 VDV 委员会也认为某些技术存在技术垄断、未经充分验证等问题,批量装车还存在一定风险。此外,一些技术的实现存在相互制约,例如车辆碰撞性能和轻量化设计,速度与乘坐舒适性、运营安全等,有些技术又是相辅相成,例如干式变压器、主辅一体牵引辅助系统运用和地板面高度的降低等。

 

由于国内尚无成熟的快速有轨电车车型,文章以庞巴迪为萨尔布吕肯提供的 Flexity Link 为基本车型进行分析。Flexity Link 和中车株机提供的广州地铁 18 号线车辆及线路的关键参数对比如表 3 所示。

 

 

快速有轨电车同市域车辆相比,在车辆参数和线路上存在较大差别,如要确保快速有轨电车在市域线路上安全运营,需要解决车辆牵引供电系统、车载信号系统、车辆与站台关系、轮轨关系、限界等相关专业问题。市域轨道交通与快速有轨电车牵引供电系统不同,快速有轨电车车辆在市域轨道交通线路中无法正常受电不能启动;信号系统不一致则无法控制车辆运行、到站、过道岔等;站台高度和宽度不一致,则影响乘客的上下车安全;轮轨关系和限界等问题都将影响车辆运行安全。以下从 4 方面分别提出建议的解决方案。

 

3.1 车辆牵引供电系统

有轨电车运行在市域干线铁路上,必须配置双流制牵引供电系统。目前列车实现双流制可以采用完全独立的受电和牵引系统、相对独立受电系统和共用受电系统3 种技术方案。 

 

(1)完全独立的受电和牵引系统:即在列车上同时安装 2 套完全独立的受电系统和牵引系统,分别适应 2 种线路的交、直流供电系统。此方案车载系统设备利用率低,受安装空间、质量及成本限制,是欧洲早期双流制电力机车采用的方案,属于已淘汰方案。

 

(2)相对独立受电系统:即共用牵引系统直 - 交部分,以交流受电弓和交 - 直 - 交牵引系统为基础,在车顶增加直流受电弓,将直流接触网电流引到中间直流环节,此方案需要在车顶安装 2套受电弓,多用于欧洲新型的双流制电力机车上,相对独立受电系统的双流制牵引系统如图 1 所示。 

 

 

(3)共用受电系统:即采用适用于交 / 直双流制电流受电弓,同时增加交 / 直流检测、切换装置等,将直流接触网电流引到中间直流环节。此方案配置 1 套双流制受电弓,比较适合在交流系统下运行速度不快、设备布置空间紧凑的地铁车辆或动力分散型城际车辆,共用受电系统的双流制供电牵引系统如图 2 所示。

 

 

快速有轨电车车辆底架无足够安装空间悬挂大型箱体设备,推荐采用共用受电系统的双流制供电牵引系统方案。国外某车型单流制与双流制有轨电车车顶设备布置如图 3 所示,双流制有轨电车车顶设备基本上布满了整个车顶,无多余设备布置空间。

 

 

交 / 直双流制受电弓以交流受电弓为基础进行适应性修改,仍使用既有交流绝缘子,以满足交流系统高绝缘;弓头上安装多根滑板,同时增加各组件之间跳线线径,以满足直流供电时相对较大的电流。交流供电制式的电压远比直流制式高,在相同牵引功率情况下,直流制式牵引电流更大,弓网之间蕴含的燃弧能量也更大,为此需要增加受电弓静态接触压力用以提高受流质量。根据国内外多个项目经验,建议交流供电时静态压力标准为 80±10 N,直流供电时适当增加静态压力标准为 120±10 N。

 

3.2 站台高度与站台间隙

GB/T 37532-2019 《城市轨道交通市域快线 120 km/h~160 km/h 车辆通用技术条件》建议车站站台高度市域 B 型车为 1 050 mm、市域 A 型车为 1 080 mm、 市 域 D 型车为 1 210 mm 或1 250 mm,而低地板有轨电车站台高度一般不会高于300 mm,若存在高地板区域处车门,站台高度一般也不会大于 600 mm。为解决站台高度和间隙不匹配问题,尽量避免有轨电车与市域列车共用同一站台,或者在同一站台设置高低站台区域,以适应不同车辆,而对于规模较大的车站可设置不同高度站台满足不同车辆上下乘客,如图 4 所示。

 

 

如不共用站台,车辆可加装踏板用以弥补站台间隙满足乘客上下车。踏板的运动由列车门控器(DCU)控 制,司机可以根据车辆运行线路情况切除 / 保留踏板的控制功能。踏板与客室侧门的打开 / 关闭顺序相配合,踏板完全打开后,客室侧门才允许打开,一旦车门完全打开,移动踏板将不能运动。图 5 为常用的 2 种踏板,左图为折叠式,右图为伸缩式。

 

 

如存在共用站台,则配置具有伸缩和升降功能的踏板。由于地板面和站台高度差较大,建议踏板配置在高地板区域的车门处。这种踏板相对复杂,需要在 2 个维度上进行运动,用以弥补站台间隙和高度差,以保证乘客正常上下车。

 

3.3 车辆强度与碰撞

车辆强度是保证乘客被动安全最基本屏障,根据欧洲标准 EN 12663《铁道应用——轨道车身的结构要求》显示,快速有轨电车车体强度需满足 P- Ⅳ,纵向抗压强度应满足 400 kN ;而市域列车需要满足 P- Ⅱ,纵向抗压强度应满足 1 500 kN。为保证乘客安全性,欧洲运营商把与干线铁路共线运营的有轨电车强度逐渐提高,例如德国卡尔斯鲁厄运营商将 Tram-train 车辆碰撞强度由最初 400 kN 提升至 600 kN,而最新的要求则提升至1 000 kN。

 

有轨电车多采用人工驾驶模式,需要考虑司机前方和侧部视野,车辆强度无法做到同市域列车一致,此外车辆强度增加,导致车辆加重,运营能耗加大。为此保证有轨电车在共营线路安全,主要依靠有轨电车紧急制动减速度较大的特点。

 

3.4 其他

除去车辆底部之外,有轨电车断面均包含在市域列车限界之内,需要着重分析车辆底部侵限风险,同样为适应线路信号系统,需要安装 2 套信号设备,且考虑信号兼容性,由于车载设备增加以及电网等级升高,还需要考虑车顶绝缘等级和设备布置等问题。

 

综合上述分析,快速有轨电车如若在市域轨道交通线路中运营,则需要车辆自身适应市域轨道交通供电制式及在车辆电气系统、设备布置等方面进行适应性设计,同时车辆需加装踏板保证站台间隙和适应不同站台高度,加大车辆设计强度保证碰撞安全,车辆车载信号设备需安装2 套适应切换的不同信号系统进行控车。国外快速有轨电车正是通过这些适应性设计更改,真正实现了快速有轨电车在市域轨道交通线路中的成功运营,这些方案也为国内快速有轨电车的发展及与市域轨道交通融合提供经验借鉴。

 

市域轨道交通作为安全便捷型大容量公共交通方式,在大城市中心城与新城、卫星城间城市客运交通中发挥着越来越重要的作用,而由于国家政策导向,未来中小城市主流的轨道交通形式将为中小运量有轨电车系统。快速有轨电车将有轨电车在城市运营的灵活性、便捷性与市域列车在郊区运营的快速性相结合,减少乘客换乘率,实现中心城区和卫星城、郊区真正的互联互通;还可以通过对已废弃普速干线铁路线路和车站进行升级改造,以少量的工程投资,盘活废弃铁路,促进城乡一体化进程。