1.2　城轨交通车辆状况及发展趋势

1.2.1　城轨交通车辆类型

城轨交通车辆的类型主要有地铁车辆、轻轨车辆（即现代低地板有轨电车）、直线电机车辆、单轨车辆和自导向轮胎式车辆。

1.地铁车辆

地铁车辆是一种由电力牵引、轮轨支持与导向、运行在地下隧道、地面或高架线路上的大运量轨道交通工具。地铁车辆由车体与内装、车门与照明、转向架、车钩缓冲装置、牵引电传动系统、辅助供电系统、制动系统、列车控制系统、空调与采暖、乘客信息系统等组成。车辆类型有A型车和B型车，如图1.4、图1.5所示。车辆主要计算参数见表1.10。

图1.4　上海地铁1号线A型车

图1.5　北京地铁4号线B型车

表1.10　各类车型车辆主要计算参数

注：摘自《地铁车辆通用技术条件》（GB/T 7928—2003）。

2.轻轨车辆

轻轨车辆是在传统有轨电车基础上改造发展起来的现代低地板有轨电车，使用电力牵引，是用于城市客运的中运量轨道交通工具。现代低地板有轨电车由车体与内装、车门与照明、独立轮转向架或传统转向架、铰接连接装置、牵引电传动系统、辅助供电系统、空气与液压制动系统、列车控制系统、空调与采暖、乘客信息系统等组成。根据《城市轻轨交通铰接车辆通用技术条件》（GB/T 23431—2009）的规定，现代低地板有轨电车分为4轴车辆、6轴铰接车辆和8轴铰接车辆三种，如图1.6～图1.8所示。现代低地板有轨电车主要技术参数见表1.11。

图1.6　大连6轴铰接低地板有轨电车

图1.7　长春6轴铰接低地板有轨电车

图1.8　国外8轴铰接低地板有轨电车

表1.11　现代低地板有轨电车主要技术参数

注：摘自《城市轻轨交通铰接车辆通用技术条件》（GB/T 23431—2009）。

3.直线电机车辆

直线电机车辆是采用直线感应电机来获得牵引力和电制动力，其定子线圈安装在车辆转向架上，而转子部分则安装在线路导轨上。直线电机车辆依然是一种通过转向架实现轮轨支持与导向，运行在地面、高架线路或地下隧道的中运量轨道交通工具，如图1.9所示。直线电机车辆的构造与地铁车辆基本相同，唯一不同的是采用悬挂直线电机定子的径向转向架。由于采用直线电机驱动，实现了非黏着牵引，爬坡能力强；由于没有齿轮箱等传动机构，轮径可以减小，车辆可以轻量化，能有效减小车辆的断面限界，降低工程投资；但直线电机气隙大、效率低、能耗比一般地铁车辆高30％左右。因此，直线电机车辆适用于坡道大、曲线半径小、断面限界小的特殊线路。直线电机车辆主要技术参数见表1.12。

图1.9　广州地铁4号线直线电机车辆

表1.12　直线电机车辆主要技术参数

4.单轨车辆

单轨车辆是采用橡胶轮胎转向架，通过在轨道梁运行的橡胶轮胎转向架走行轮支持车厢，并借助转向架的导向轮和稳定轮起引导和稳定作用，在高架线路上行驶的中运量轨道交通工具。单轨车辆由车体与内装、车门与照明、橡胶轮胎转向架、钩缓连接装置、牵引电传动系统、辅助供电系统、空气与液压制动系统、列车控制系统、空调与采暖、乘客信息系统等组成。车辆类型有跨座式单轨车辆及悬挂式单轨车辆，如图1.10～图1.12所示。由于必须采用高架形式，限制了跨座代单轨车辆的发展。跨座式单轨车辆主要技术参数见表1.13。

图1.10　重庆跨座式单轨列车

图1.11　日本大阪跨座式单轨列车

图1.12　日本千叶县悬挂式单轨列车

表1.13　跨座式单轨车辆主要技术参数

注：摘自《跨座式单轨交通车辆通用技术条件》（CJ/T 287—2008）。

5.自导向轮胎式车辆

自导向轮胎车辆是运行在专用混凝土轨道上，具有特殊导向和转向机构的，由单轴橡胶轮转向架支承的小运量电动客车。自导向轮胎车辆由车体与内装、车门与照明、橡胶轮胎单轴转向架、钩缓连接装置、牵引电传动系统、辅助供电系统、电制动与液压制动系统、列车控制系统、空调与采暖、乘客信息系统等组成。其中单轴转向架的走行轮采用带内置式辅助轮的充氮气橡胶轮胎，并设有轨轮胎压力监测装置；其导向轮采用充填聚氨酯的橡胶轮或实心橡胶轮。单轴转向架还设有车辆自导向和转向装置。自导向轮胎式车辆如图1.13和图1.14所示。自导向轮胎式车辆主要技术参数见表1.14。

图1.13　东京临海线新交通7000系轮胎车辆

图1.14　日本埼玉县新交通2000系轮胎车辆

表1.14　自导向轮胎式车辆主要技术参数

续上表

注：摘自《自导向轮胎式车辆通用技术条件》（CJ/T 366—2011）。

1.2.2　城轨交通车辆技术发展趋势

根据国内外城市轨道交通的发展情况和运用经验，今后城市轨道车辆技术发展趋势如下。

1.提高最高运行速度

提高城轨车辆最高运行速度不但能提高城轨交通运营效率与效益，还可以提高乘客旅行速度、节约出行时间、提升工作效率、增加社会效益。

（1）提高车辆最高运行速度状况

巴黎地铁车辆初期最高运行速度为80km/h，旅行速度为23.7km/h，近年来已将地铁车辆的最高速度提高到100km/h，旅行速度达到50km/h。莫斯科地铁车辆运行速度由90km/h提高到100km/h，平均旅行速度达到41km/h。纽约地铁车辆最高运行速度由70km/h逐步提高到130km/h，1974年R-44型地铁车辆的最高速度达到133km/h。日本地铁车辆在地下最高速度为70～80km/h，地面行驶的最高速度已达到120km/h，如东京地铁车辆3000系、5000系车辆最高速度都是120km/h。

我国北京、上海、广州、南京、深圳等大城市已运营的地铁车辆最高运行速度大多数都在80km/h以下。近年来，地铁车辆最高运行速度也在逐步提高，广州地铁4号线和5号线直线电机车辆最高运行速度到90km/h，大连3号线快轨车辆和天津滨海线快轨车辆最高运行速度达到100km/h，北京地铁机场线直流电机车辆最高设计速度达到110km/h，广州地铁3号线车辆最高运行速度为120km/h。

（2）城轨车辆最高速度目标值选择

城轨车辆最高速度目标值选择与旅行时间密切相关。城市轨道交通主要为城市中心城区、中心城与新城以及卫星城之间提供快速、舒适、大容量的公共交通服务，为缩短旅行时间，希望车辆有较高的运行速度。国外城轨交通建设遵循市民出行一次到达目的地以不超过1h为原则，伦敦、巴黎、莫斯科、东京、纽约等大都市基本在主城区50～80km半径范围内，市中心至郊区一般出行时间控制在1h以内。我国大城市市域范围基本在中心城70km半径范围内，大多数新城至中心城中心的直线距离小于50km，总出行时间可控制在1h以内，旅行时间不宜超过35～40min。以此选择列车形式，确定旅行速度和最高运营速度。

城轨车辆最高速度目标值选择与站间距相关。站间距短，速度目标值低；站间距长，速度目标值就可以高，在不组织越行的运输组织模式下，列车最高运行速度主要取决于平均站间距离。根据国内地铁车辆有关主要参数分析，列车最高运行速度与站间距合理的匹配关系见表1.15。

表1.15　列车最高运行速度与站间距的匹配表

从表1.15看出，当平均站间距为2km左右时，城轨列车最高运行速度可提高到100km/h；平均站间距为3～4km时，城轨列车最高运行速度可提高到120km/h；平均站间距为5～6km时，城轨列车最高运行速度可提高到140～160km/h。由于近郊、城市车辆在地面和高架线可设若干越行股道，能实现快慢速运行。

2.发展交流传动车辆

（1）国外交流传动车辆发展状况

早期地铁车辆采用蒸汽牵引。1890年改为电力牵引后，一直采用凸轮变阻调速控制、直流电动机牵引系统，后来发展为斩波器调速控制系统。20世纪90年代，由于电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，大功率自关断元器件（GTO、IGBT、IPM）走向产品化和实用化，变频变压调速控制（VVVF）技术迅速发展，交流传动车辆广泛应用于城轨交通。日本、英国、法国、德国、俄罗斯、美国、韩国、墨西哥、西班牙等国家新造地铁车全部采用VVVF交流传动装置。

（2）国内交流传动车辆发展状况

我国从20世纪90年代开始，所有地铁新造车牵引系统都采用交流传动技术，交流传动已成为各类车辆传动的唯一和最优模式。但依靠西门子、庞巴迪、阿尔斯通、东芝、东洋等公司提供牵引逆变器系统。近年来在国家发改委领导和支持下，地铁车辆牵引系统国产化进程加快。株洲电力机车研究所开发的牵引系统已在上海1号线、沈阳2号线、北京房山线等地铁车辆上得到应用，车辆牵引系统实现了国产化，已取得市场60％的份额，应用在各城市很多线路上。

3.发展不锈钢和铝合金车体

（1）国内外不锈钢车体和铝合金车体发展状况

自1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁线、1888年美国弗吉尼亚州里士满市建成世界上第一条有轨电车线以来，地铁车辆、有轨电车和市郊车辆长期采用普通钢车体。但是，因为普通钢车体强度低、重量大、能耗高、腐蚀重、维修量大、使用寿命短，人们开始用铝合金和不锈钢车体取代普通钢车体。

铝合金是一种轻金属材料。法国最早于1896年将铝合金用于铁道客车车窗上，1905年英国铁路电动车的外墙板采用了铝合金，美国在1923～1932年间有700辆电动车和客车的侧墙和车顶采用铝合金。20世纪60年代以来，联邦德国科隆、波恩铁路的市郊电动车组相继实现了车体铝合金化。日本1962年引进铝合金技术，首先在山阳电动车上采用铝合金车体，到2000年生产了近万辆铝合金车。之后，法国、德国、日本和俄罗斯等国在高速铁路车辆上都采用了铝合金车体。

不锈钢是一种含镍铬的高强度合金钢。美国最早于20世纪50年代由巴德公司生产了不锈钢车。日本于20世纪60年代初从美国引进不锈钢车体技术，在1962年11月生产了日本最早的南海地铁6000系不锈钢车，到2000年累计生产不锈钢车约10000辆，占城轨车辆的50％以上。加拿大庞巴迪拉柏卡尔夫工厂1982～1992年累计生产的1546辆客车中不锈钢车占89％。韩国韩进重工业公司1995年生产了250辆客车，不锈钢车占80％。

国内城市新线地铁车都是选用铝合金和轻量化不锈钢两种材料。截至2009年底统计，选用铝合金材料的有广州3号线、广佛线、天津1号线、武汉1号线、武汉1号延长线、重庆跨座2号线、杭州1号线等，总计832辆；选用轻量化不锈钢的有北京1号和2号线改造、4号、5号、8号、10号线，天津滨海线、天津2号线、天津3号线，沈阳1号线和2号线，深圳3号线，成都1号线，西安2号线等，总计1894辆。

（2）不锈钢车体和铝合金车体的比较

①轻量化效果

铝合金的密度为2.71g/cm3，仅是不锈钢密度（7.85g/cm3）的三分之一。但是，铝合金的抗拉强度不如不锈钢，铝合金的抗拉强度为274～352N/mm2，而一般不锈钢的抗拉强度为520～685N/mm2，采用超低碳[w（C）<0.03％]的轻量化不锈钢的抗拉强度达到960～1200N/mm2，是铝合金的2～5倍。而且，铝合金刚度低，其弹性模量为0.71×105N/mm2，是不锈钢弹性模量（2.06×105N/mm2）的三分之一，见表1.16。因此，为保证城市轨道车辆有足够的承载强度和刚度，铝合金车辆必须采用大型中空型材及其组合件。对于B型车，日本铝合金车体质量已达到4～5t，比普通钢车体质量减轻50％。我国目前铝合金车体质量达到6～7t，比普通钢车体质量减轻约30％～50％，比不锈钢车体质量减轻约12％～30％。

轻量化不锈钢的密度与全钢相当，不锈钢的强度是钢的2～3倍，见表1.17。由于不锈钢的强度和刚度高于铝合金，不锈钢车体可采用板梁组合整体承载全焊结构，车体的梁柱板厚为0.8～3mm，车体外板厚为0.4～1.2mm。在相同的强度下，不锈钢车体的断面可以做得小，使用板材更薄，能有效地减轻车体自重，达到实现车体轻量化的目的。但是，不锈钢弹性模量只有钢的85％，刚度较小，须采用大量薄板轧成加强型板与外板点焊形成空腔，以提高其刚度和强度。日本轻量化不锈钢车体质量约6～7t，我国轻量化不锈钢车体质量约8～9t，比普通钢车体质量减轻约10％～20％。

表1.16　铝合金车体材料的机械性能

续上表

注：P—板材，S—型材。

表1.17　日本不锈钢车体材料的机械性能

②耐腐蚀性

铝合金车体耐腐蚀性较好。铝合金车体的耐腐蚀性是由于铝合金表面在空气中形成一层致密的三氧化二铝保护膜，从而具有很好的防腐蚀能力。但由于在长期运用中，特别是在潮湿的环境下，遇到空气介质中的阴离子（如Cl-1），铝合金车体就会产生局部原电池，发生点蚀、面蚀和变色，影响了车体强度和美观，因此大部分铝合金车体都要涂装，以保证30年的使用寿命。

轻量化不锈钢车体具有优越的耐腐蚀性。不锈钢中含有铬大于12％，使钢的电极电位由-0.56V升至+0.2V，原电池腐蚀不易发生，显著地提高了钢的抗蚀性。因此，不锈钢车体外表面不需涂装，并能长期保持新造时外板的光泽，无需检修与再涂装。

③安全性

铝合金车体的防火性能较差。铝合金熔点为660℃，在着火的特殊情况下，铝合金车体会在较短间内熔化掉，不利于乘客逃生。不锈钢车体防火性能好，不锈钢熔点为1500℃，是铝合金的两倍多，在大火情况下，车体不会很快垮掉，有利于乘客逃生。

④气密性

铝合金车体采用整体全焊接结构，具有优越的气密性能，不怕风沙、雨水和雪水的侵入，有利于提高车辆的最高运行速度。不锈钢车体气密性较差，不锈钢热膨胀系数是钢的1.5倍，热传导率仅为钢的三分之一，电阻率大，这决定了不锈钢车体必须采用点焊，而不能采用连续焊，造成板材和型材间的连接会有一定空隙，密封性较差。

⑤工艺性

铝合金车体具有良好的工艺性。目前普遍采用的结构是大型中空型材组焊结构。由于车体零件数量少，焊接工作量少，简化了车体制造工艺，且易实现自动化，显著降低了车体制造成本，提高了产品质量。不锈钢车体的制造工艺较复杂，零部件采用搭接方式，不能采用连续焊，只能点焊，工艺要求高；特别是不锈钢成形困难，有些部位如枕梁、牵引梁和前端梁造型等，不得不采用钢材或玻璃钢制造；车体外表面不能用火调平，冷弯件和冷压件的制造精度较高。

⑥外观性

铝合金车体具有较好的外观形象。铝合金车体外表平整，可根据外部环境和城市特点进行涂装和美化，达到与人文环境相互协调的效果。不锈钢车体外观形象不如铝合金车体。由于不锈钢车体不涂装，外表面总有点焊痕迹。门框与整体侧墙外表面结构不协调，不舒适。车体外表不涂装，不易进行美化，难以达到与外部环境相和谐的效果。

⑦经济性

采用铝合金车体和轻量化不锈钢材料会使车体制造费用增加多少，我国还没有这方面的统计资料。日本是发展铝合金车体和轻量化不锈钢车体最多的国家，据2000年统计，日本生产了铝合金车体10000辆，不锈钢车辆11000辆，使用经验丰富。表1.18是日本对铝合金车体和不锈钢车体制造价格的比较。

表1.18　日本两种车体制造价格（美元）

该表数据表明：日本铝合金车体的制造价格是不锈钢车体的1.55倍。根据我国地铁B型车采购价格统计，每辆铝合金车辆平均购价约为630万元，每辆不锈钢车辆平均购价约为550万元。每辆铝合金车辆平均购价是每辆不锈钢车辆的1.145倍。

通过对上述两种车体材料的综合比较和分析，铝合金车体和不锈钢车体各有优缺点。在南方城市潮湿多雨条件下，为满足密封性和便用寿命要求，建议采用整体焊接铝合金车体；而在北方城市干燥少雨条件下，宜采用不锈钢车体。

4.车辆的模块化设计和生产

车辆的模块化设计与生产是将车体分为车顶、车底、侧墙、端墙等6大模块进行设计和生产。对于铝合金车体，各大部件间的连接采用整体焊接或铆焊组合方式；对于不锈钢车体，不论大部件还是各大部件间的连接全部采用点焊连接。车辆的模块化设计与生产的优点是可以促进车辆设计的标准化、通用化；方便检修部件更换，优化检修工艺；便于大部件运输，节约生产成本。

西门子公司、阿尔斯通公司、庞巴迪公司以及日本的东芝等生产地铁车辆和轻轨车辆的主要制造商，它们从20世纪90年代开始就进行车辆模块化设计和生产。庞巴迪公司为香港地铁生产了模块化车辆，阿尔斯通公司和西门子公司生产了模块化的低地板轻轨车辆。我国定点生产地铁车辆的厂家有长春客车股份公司、四方车辆股份公司、株洲电力机车股份公司、南京浦镇车辆厂和大连机车车辆厂，通过引进、消化国外模块化技术，实现了地铁车辆模块化设计和生产。南京浦镇车辆厂与法国阿尔斯通公司合作赢得了上海地铁1号线延伸线地铁车辆续购的16列128辆地铁车辆订单以及上海地铁2号线西延线续购的21列168辆地铁车辆订单，车辆为模块化铆焊铝合金车体。

5.发展直通模拟式空电联合制动系统

由于城轨列车旅行速度低、时间短，平均站距短、停站点多，列车启动频繁、制动冲击要求小，紧急制动距离短、要求安全平稳，列车停车精度高、自动化控制程度要求高等原因，国内外城轨列车普遍采用直通模拟式空电联合制动系统。直通模拟式空电联合制动系统的优点如下。

（1）响应快、冲动小、平稳舒适

直通制动控制系统是以电信号来传递制动指令。司机通过电信号对各车辆制动信号的压力空气进行控制，用该管的压力使中继阀工作，最终获得制动缸压力。电制动信号传递速度比空气波速快得多，前后车辆制动和缓解响应快、一致性好，纵向冲动小，平稳性和舒适性高；并因制动信号传递快，列车空走时间短，制动距离小。同时，由于电信号与空气压力信号之间能很好实现转换和匹配，更有利于做到电制动和空气制动的协调配合。直通模拟式制动控制系统如图1.15所示。

图1.15　直通模拟式制动控制系统

（2）可实现无级制动，司机操纵方便

模拟制动控制系统是从司机室送往各车辆的常用制动电气指令采用电压、电流、频率或脉宽等模拟电信号来传递制动指令，模拟量大小表示制动力的大小。模拟指令式制动控制系统可以实现无级制动，使司机操纵方便，比较适用于采用ATC系统控制的列车；其缺点是抗干扰能力不足，对传递的设备性能要求较高。

（3）有利于城市环保

因为城轨电动车组大多数在隧道内运行，即使在地面也是在城市中运行，靠近楼群，周围人员集中，列车的制动噪声和闸瓦粉尘都会对城市环境造成污染。为减少列车对城市环境的污染和降低运行成本，一般要充分使用电制动，优先使用再生制动；当电制动不足时，由空气制动补充，空气制动只用于进站停车、区间调速和紧急制动工况。采用空气制动和电制动联合制动的方式显著减少了制动噪声和闸瓦的粉尘，降低了对环境的污染。

6.广泛采用列车控制网络技术

（1）国外列车控制网络技术的应用现状

自20世纪90年代以来，在世界各国城轨车辆牵引和制动控制中广泛采用了列车控制网络技术。列车控制网络技术是城轨车辆的关键技术，列车控制网络技术应用保证了列车行车安全，提高了运营效率和水平，方便了维修，增加了运行可靠性，提升了乘客服务质量。由于城轨交通在世界不同地区和国家的特点与竞争程度各异，不同国家或地区列车控制网络技术采用了不同的控制网络技术模式。

①欧洲TCN列车网络控制

1999年9月通过了IEC 61375-1《列车通信网络》（简称TCN）国际标准，车辆牵引供应商如Siemens和ADtranz等大公司都采用了IECTCN网络控制技术。该网络系统有两层总线结构：绞线式列车总线WTB和多功能总线。近年来，TCN网络技术已在高速机车、动车组、重载、地铁列车等关键轨道交通领域广泛应用。

②日本环形或梯形网络控制

日本采用了一种实用的技术路线，列车总线采用实时的环形或梯形网络，而车辆总线则采用基于HDLC的RS-485总线。该网络技术已在新干线高速动车组和地铁列车等项目上应用。

③法国WorldFIP现场总线技术网络控制

法国开发了现场总线技术即FIP，1999年被采纳为现场总线国际标准IEC 61158-2即WorldFIP。WorldFIP采用三层结构，即物理层、数据链路层和应用层。在轨道交通领域车辆供应商Alstom公司主导WorldFIP网络的应用，已在高速机车、动车组、地铁列车等项目上获得广泛应用。

④美国LonWorks局部操作网络控制

美国Echelon公司开发了局部操作网络（Local Operating Net Works简称LonWorks）。LonWorks技术基于LonTalk协议，采用自由拓扑结构来构成网络系统，该网络符合国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联（ORI）模型。在国外，该网络已成功应用在车门、辅助电源、照明、供暖及空调等系统的控制与监视，以及机车重联控制、地铁列车等系统应用。

⑤德国CAN与CANopen控制器局域网络控制

德国Bosch于20世纪80年末开发了控制器局域网（简称CAN），1993年CAN已成为国际标准ISO 11898（高速用）和ISO 11519（低速用）。CAN是一种基于载波侦听多路访问/冲突检测机制的多主串行通信总线。通信协议主要描述设备间的信息传递方式，其定义与开放系统互联模型（ORI）一致。CAN模型最下面两层是物理层和数据链路层，应用层可以由用户定义成适合需要的任何方案。近年来，CAN与CANopen协议在轻轨、地铁、货车等轨道车辆，以及车门、空调、制动、牵引、旅客信息等子系统得到广泛应用。

（2）国内列车控制网络技术的应用现状

目前，国内城轨列车控制网络技术大部分依赖于国外西门子、庞巴迪、阿尔斯通、三菱电机、三洋电机、日立等车辆牵引供货商。近年来，南车时代电气公司开发了具有自主知识产权的列车控制网络技术，已在上海1号线改造车、沈阳2号线车、北京房山线车等车上批量装车运用。

南车时代电气公司的列车控制网络系统是分布式电子列车控制系统（DTECS），是专为轨道车辆的控制和通信而设计的一套车载计算机系统，如图1.16所示。分布式控制系统将分布于整个列车的各个智能单元连接成一个列车网络，这些单元可分别安装于车下设备箱中、司机台或车厢内的电气柜中。各个不同的分布式单元使用符合IEC 61375标准的多功能车辆总线连接。这种系统的优点是：显著减少各箱柜之间的连线，并方便将来对系统功能的扩展。总线的扩展比较简单，只需增加一根连接到该单元的电缆线，并更新应用软件就能和新的单元进行通信。由于该系统设备的模块化设计，其系列产品不仅适用于各种牵引系统的控制，而且适用于列车/车辆的控制，还可以用于列车监控系统。分布式控制系统具有强大的系统接口能力，为适应不同的应用，分别提供了WTB接口、MVB接口（ESD+、EMD）、CAN接口、RS-485接口等。

图1.16　南车时代公司列车控制网络系统

BCM—总线耦合模块；VTCU—车辆控制单元；ERM—事件记录仪；DXM—数字量输入/输出模块；AXM—模拟量输入/输出模块；RCM—RS-485接口模块；HMI—人机接口

7.广泛应用列车乘客信息技术

（1）国外列车乘客信息技术发展状况

列车乘客信息技术的广泛应用，不但方便乘客出行，提高了服务效率与质量，而且提升了城轨交通运营现代化水平，增加了经济和社会效益。因此，20世纪以来，英国、法国、德国、俄罗斯、美国、加拿大、日本、韩国、新加坡、马来西亚等国家的地铁列车广泛应用乘客信息技术。其中音频技术实现了从司机及从OCC经由无线电进行广播、数字播放、乘客紧急内部通信、司机对讲及播放关门信息等的功能。可视技术（LED）能显示终点站名和列车编号、车站电子地图和客室信息。车载多媒体信息播放技术（LCD系统）为乘客提供电视新闻、广告、动画、图片、文字等多媒体信息服务。车载视频监视技术（CCTV）为司机及运营控制中心（OCC）提供了在司机室及OCC监控客室乘客状况及两端司机室状况的能力。

（2）国內列车乘客信息技术发展状况

从20世纪90年代以来，我国各城市所有地铁新造车也都广泛采用乘客信息技术，如北京地铁1号线和2号线车辆的改造、上海地铁车辆6改8，都安装了现代化乘客信息系统。

我国车载通信和乘客信息系统主要提供语音通信与语音广播，为乘客提供高质量的视、音频和文本信息，以及为运营控制中心（OCC）提供视、音频信息的监控和记录功能。系统采用分布式控制，网络化管理，数字化处理，模块化结构；并具有高效性，接口操作简便，实现数据交换和全自动工作。整套系统的控制信号、音频信号（广播/对讲）、视频多媒体信号等都采用总线式进行信号传输。车载通信和乘客信息系统构成和控制如图1.17所示。

图1.17　车载通信和乘客信息系统构成和控制图

8.发展空调车辆，提高乘客舒适性

发展空调车辆，有效改善乘坐环境，不断提升轨道交通服务水平，是今后城轨车辆的发展方向。

（1）国外空调车辆发展状况

纽约地铁自1976年第一列装有空调的R-38型地铁车投入使用以来，到1992年95％的地铁列车都安装了空调。到1997年，日本东京地铁车辆空调车占全部车辆总数的50％左右。韩国、新加坡、中国香港和中国台北地铁车都装有空调。

（2）国内空调车辆发展状况

从20世纪90年代以来，我国所有地铁新造车都安装了空调。特别是气候变暖后，北方如北京、天津、沈阳、长春、大连等城市为改善乘客乘车环境，解决在炎热夏季里客室内温度过高、通风差的状态，城轨车辆也都装了空调。北京地铁B型车辆空调系统有两种规格。第一种是地铁1、2号线车辆因受地铁限界尺寸的限制，采用超薄型空调机组，单节空调机组制冷能力为23.26kW，通风量3650m3/h。第二种是已建成和在建的线路车辆，是按GB 50157—2003标准进行车辆设计，车体总高3800mm，安装空调机组的空间增大，空调机组的制冷能力提高到29kW，通风量4000m3/h。上海、广州、深圳、南京地铁采用A型车，车体空间大，采用较大的空调机组，车顶每个单元式空调机组制冷能力达到42kW以上，通风量5000m3/h以上。

9.降低车辆运行轮轨噪声

（1）轮轨噪声的产生

在提速、节能之外，降噪、减振是轨道交通车辆技术进步的主攻方向。轮轨噪声是城轨车辆运行中噪声的主要来源。轮轨噪声主要有三种类型：摩擦噪声、滚动噪声和撞击噪声。

①摩擦噪声

摩擦噪声是车辆经过小半径曲线运行时，轮缘与钢轨接触发出的一种高音调噪声。影响这种噪声的主要因素有曲线半径、转向架轴距、车轮振动阻尼特性以及轮轨表面黏着系数等。加大曲线半径和减小转向架轴距是降低摩擦噪声的有效方法。

②滚动噪声

滚动噪声是因车轮与钢轨接触表面局部小面积粗糙造成的。研究试验证明，轮轨接触面积越大，滚动噪声越大。因此，提高轮轨接触面光洁度，打磨钢轨，磨削车轮踏面是降低滚动噪声最行之有效的方法。

③撞击噪声

撞击噪声是由于车轮表面或钢轨表面的局部不连续性产生的，如钢轨间的缝隙、不平坦的钢轨接头、车轮踏面擦伤或局部磨损等。研究表明，两钢轨末端接头处于同高度时，撞击噪声很小；如果第一条钢轨末端低于第二条钢轨连接端头所处的位置时，撞击噪声随车速的提高而迅速增长，成为严重的噪声源。因此，减少钢轨接头，采用无缝钢轨，减少车轮踏面损伤都是减少撞击的重要措施。

（2）降低轮轨噪声的措施

为降低轮轨噪声，除在消除产生噪声源上采取措施外，还应在减少噪声对外的辐射上采取降噪措施。目前，国内外在车轮上采取的降噪措施主要有两种：车轮上安装谐振消声器和采用橡胶弹性车轮。

①谐振消声器

谐振消声器是具有减振阻尼作用的扇形板或环形板，安装在轮辋或幅板上，使谐振消声器与车轮的主频率一致，当车轮受到激扰发生振动而产生噪声时，扇形板或环形板发生共振，板上的阻尼材料将振动的能量转变为热能，达到衰减车轮辐射噪声的目的。

国内外开发的谐振消声器主要有两种，即扇形盘式消声器（图1.18）和环形叠板式消声器（图1.19）。试验表明，在不同的运行速度下，消声效果为3～10dB（A）。目前，国内北京、沈阳、天津、成都等城市地铁新造车辆车轮都采用环形叠板式消声器来降低车轮噪声，效果良好。北京地铁13号线试验结果表明：列车运行时轮轨噪声降低3～10dB（A）以上，可以完全吸收车轮中的高频振动，实现了控制轮轨噪声的目的。

图1.18　扇形盘式消声器

1—消声器；2—基体；3—阻尼材料

图1.19　环形叠板式消声器

1—安装座；2—消声器基体；3—阻尼体

②橡胶弹性车轮

橡胶弹性车轮是在车轮的辐板与轮辋间安装弹性橡胶件，利用橡胶元件把辐板与轮辋的振动能量转为热能，吸引和衰减一部分噪声。橡胶弹性车轮结构形式有剪切型、压缩型和压剪型等。研究结果表明，橡胶弹性车轮降噪效果显著，与全钢整体车轮相比，可降低噪声10～20dB（A）。但是，因橡胶弹性车轮结构复杂、技术难度高、风险大、价格高和使用寿命低等原因，只在小运量和低速度的城市传统有轨电车和现代低地板有轨电车上使用，地铁车辆很少采用橡胶弹性车轮。

10.发展独立轮转向架技术

（1）国外独立轮转向架发展现状

低地板有轨电车辆大多采用了70％低地板和100％低地板结构。实现有轨电车辆低地板化，不用传统轮对转向架、而采用小直径独立轮转向架，可以最大限度地降低车辆地板面的高度，满足残疾车辆及旅客快速上下车要求。

独立轮动力转向架是低地板轨有轨电车的关键技术。常规传统两轴转向架的4个车轮横向布置，两个牵引电机分别驱动前后两个轮对；而低地板有轨电车转向架采用4个独立车轮纵向布置，两个电机分别驱动左右侧两组车轮，但要确保同步运行。国外低地板有轨电车的独立轮转向架有如下形式。

①Combino系列动力转向架

Combino系统是西门子开发的第二代100％低地板轻轨车辆。采用独立轮转向架（图1.20）由电动机、齿轮箱、弹性联轴节等组成的“两车轮纵向驱动单元”（图1.21），沿纵向布置在构架两侧，同时驱动前、后两个车轮。

②Cityrunner系列动力转向架

Cityrunner型低地板有轨电车是庞巴迪公司开发的100％低地板有轨电车产品的一种。Cityrunner型低地板有轨电车采用S 1000型转向架（图1.22），是传统轮对转向架，轮径560mm，2台交流电机和齿轮箱总成分别沿纵向悬挂在构架两侧，每个轮对各有一台电动机。

图1.20　Combino型动力转向架

图1.21　两车轮纵向驱动单元

图1.22　S1000型转向架

③Citadis系列动力转向架

Citadis系列100％低地板有轨电车由阿尔斯通公司生产。在Citadis 302和Citadis 402车辆上使用Arpege型动力转向架（图1.23），该转向架没有一系悬挂，采用弹性车轮，两牵引电机沿横向对角布置，采用对角布置的轴端盘式制动。转向架两端的横轴将左、右车轮机械地耦合在一起（图1.24）。

图1.23　Arpege型动力转向架

图1.24　横轴耦合机构

④Sirio系列动力转向架

Sirio系列是意大利AnsaldoBreda公司生产的100％低地板有轨电车辆。该低地板有轨电车采用Sirio型动力转向架（图1.25），2台牵引电机沿构架的纵向布置在中部，左右车轮的横轴耦合机构也转向架的中部。

目前西门子公司、庞巴迪公司和阿尔斯通公司等公司都掌握了低地板有轨电车的关键技术，并进行了批量生产，在欧洲、俄罗斯、美国、澳大利亚和日本等国家广泛运用。

（2）国内独立轮转向架发展现状

图1.25　Sirio型动力转向架

我国长春市轻轨3号线和4号线运营的70％低地板有轨电车，以及大连运营的DL6W型70％低地板现代有轨电车，其动车转向架都采用传统轮轴转向架，中间拖车转向架采用了非动力独立轮对转向架。非动力独立轮对转向架取消了车轴，采用“轴桥”将左右两侧独立轮连接起来，使独立轮相对轴桥仅有一定的转动自由度，保证转向架在线路上安全运行。为约束转向架绕车体的转动，用纵向拉杆连接构架与车体，并传递纵向力，如图1.26所示。

图1.26　非动力独立轮对转向架

我国100％低地板有轨电车正在开发中，还没有投入运营。长客公司在取得沈阳浑南开发区低地板有轨电车订单后，己开发了新一代五模块长34.8m的100％低地板有轨电车。该100％低地板有轨电车最大特点是动车与拖车都采用小轮径传统轮对转向架，来实现全列车100％低地板。与独立轮对相比，传统轮对的优点是有蛇行运动，具有自动复位能力，不会脱轨，安全性高；直线运行轮缘几乎无磨耗，具有曲线自导向功能，磨耗少；结构简单，易维护。

11.加强永磁电机在城轨车辆牵引领域的应用

目前，由牵引变流器控制三相感应异步电机的交流传动驱动系统已成为轨道车辆牵引的主流，但要实现高效率和轻量化比较困难。近年来，随着稀土永磁材料特别是钕铁硼（Ns-Fe-B）等性能的不断提高与完善，以及材料价格逐步降低，永磁电机研发逐渐成熟，发展较快。永磁同步电机有两种：所有永久磁铁都安装在转子上、所有绕组都安装在定子上的电机叫有源转子永磁电机；所有永久磁铁和所有绕组都安装在定子上的电机，叫无源转子永磁电机。

（1）永磁电机的优点

①功率因数和效率高

与感应电机相比，永磁电机不需要无功励磁电流，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以减小风机功率或去掉风机，使永磁电机的效率比同规格的感应电机提高2％～8％，功率因数可以达到0.90以上。由于功率因数和效率的提高，也可以减少系统和线路的容量，降低系统成本。

②启动力矩大

由于永磁电机启动力矩大，在需要大启动力矩的设备中，可以用较小容量的永磁电机代替大容量的感应电机，较好地解决“大马拉小车”的现象，降低设备购置费，节省资金，又提高系统的运行效能。

③温度低、体积小、重量轻

由于永磁电机转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因此永磁电机温升低、功率密度和转矩密度高。永磁电机的功率可以比同体积或重量的感应电机提高30％左右；同功率、容量的永磁电机所用材料比感应电机减少30％左右，可以降低永磁电机的成本。

④可以做成全封闭牵引电机

由于永磁电机转子发热很小、效率高，比较容易采用全封闭的自冷方式，可做成全封闭牵引电机。全封闭牵引电机还可以避免磁污染，因为制动时产生的金属粉末就不会被吸入并沉淀在电机内部，提高了永磁电机的有效磁通。同时，全封闭的自冷方式可以显著降低永磁电机的噪声，据日本东芝公司试验结果，列车在时速100km运行时噪声降低了20dB（A）。同时由于取消了内部通风和更换润滑油，方便了维修。

⑤易于实现多极电机的无齿轮直接传动

长期以来，城轨车辆牵引电机都是通过联轴节和一级甚至两级齿轮箱与轮对耦合的，采用永磁电机可以实现无齿轮直接传动。永磁电机与异步感应电机相比，功率密度可大幅度增加，更容易实现多极低速大扭矩传动，从而可以在现有尺寸和重量的条件下实现无齿轮箱的直接传动。去掉齿轮传动装置带来的好处是将显著增大转向架空间，降低簧下重量，减少噪声和能耗，节省采购成本，减少维修费用。

（2）永磁电机的缺点

①牵引电机与逆变器必须独立供电

每个永磁电机定子磁场与转子旋转必须严格同步，所以每个永磁电机都需要一个高分辨率的位置传感器，并采用一台逆变器向一台永磁电机供电的独立控制方式。这样，逆变器数量增多，控制难度加大，逆变器造价较高，可靠性降低。

②保证永磁电机不失磁问题

如果永磁电机设计或使用不当，过高温度时在冲击电流产生的电枢反应作用下或在剧烈机械振动时有可能产生不可逆退磁问题，也叫失磁，使永磁电机性能下降，甚至无法使用。这就要求提高永磁材料的稳定性，并增加使用可靠性，保证永磁电机不失磁。

③空载电压控制问题

由于永磁电机的永久磁铁在外部不供电时能使定子线圈产生交链磁通，当电机断电空转（惰行）时也能使定子线圈产生感应电压。这种空载电压会带来的如下问题：一是若逆变器出现相间短路等故障时，电机向故障点供电产生短路电流，可能会扩大故障影响；二是如果空载感应电压峰值超过逆变器元件耐压值就会损坏元件。这就要求通过设置负载接触瓷器和提高元件耐压值等措施加以解决，从而增加系统的成本。

④制造工艺复杂

相对异步电机而言，永磁同步电机设计、制造工艺比较复杂，现有制造技术也不够成熟，这也是阻碍永磁同步电机在轨道牵引领域应用的因素之一。

（3）永磁同步电机的发展状况

①德国

西门子公司以ICE3高速列车的要求和技术规格开发了全封闭、水冷式直接驱动永磁同步电机，电机持续功率500kW，最高运行速度330km/h。试验表明：与同功率的异步电机相比，损耗降低了50％，重量减轻了30％，噪声降低了15dB（A）。此外，德国Starnbeng磁性电机公司开发了有源转子式永磁同步电机；布伦瑞克科技大学开发了无源转子式永磁横向磁电机。

②法国

阿尔斯通公司研制了两种永磁同步电机，一种用于轻轨车辆，另一种用于AGV高速动车组。具体参数见表1.19。

表1.19　轨道车辆永磁同步电机主要参数

③日本

东芝公司研发了多种永磁同步电机，其中用于城市通勤车辆的为全封闭、自冷式永磁同步电机，牵引持续功率235kW，小时功率270kW，转速2960r/min。试验结果表明：电机效率达到97.5％，功率因数为0.95。将其用于新干线高速动车组，研发了以最高运行速度360km/h为目标的954型新干线高速试验车。试验结果表明：与原有2/3系列感应电机同等外形条件下，冷却方式由原来强迫通风改为自通风方式，效率从93％提高到97％，额定功率提高了20％，重量减轻了5％。

④国内永磁同步电机发展状况

株洲电力机车研究所研发的永磁同步电机己在沈阳地铁2号线一辆车上进行试验。根据国家“十二五”规划，已将永磁同步电机列入铁路牵引创新技术计划，不久将开发出一列装有永磁同步电机的高速动车组。

参考文献

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