庞巴迪直线电机轨道交通系统关键技术及改进

张永道

(庞巴迪运输集团系统部 加拿大)

庞巴迪INNOVIA ART(advanced rapid transit)直线电机系统是专门为了中等运量需求的城市及线路设计的最具经济效益的城市轨道交通系统，其运量大致在10000～40000人次/h。

1 关键技术

1.1 系统工程及系统集成技术

1.1.1 ART不仅是车辆的概念，而且是一个轨道交通系统产品

ART是由一个系统的概念设计并研发和测试的，很多当时参与研发的人员都是来自航空业(canadair)的系统工程师。航空业是系统工程的起源行业，由于其可靠性、安全性非常重要，航空业也是系统工程运用得最好的行业。航空业的工程师习惯于考虑系统设计及系统集成，并习惯于考虑总体系统的性能。ART概念设计开始于“一张白纸”，没有必要必须使用某种已经存在的轨道技术和既有的技术概念，整个的设计都是为了更好地满足运营要求和市场需求。

1.1.2 工程实施经验

庞巴迪的直线电机系统多数是以系统交钥匙工程的方式成功实施的，包括底特律、温哥华、纽约肯尼迪机场线、马来西亚吉隆坡、韩国龙仁，纽约肯尼迪机场线更是包括了运营和维护合同。庞巴迪已经对肯尼迪机场线进行了多年的运营与维护。

轨道交通系统采购模式一般不包括对系统各部件的具体要求，而是对系统的功能及系统技术规格进行要求。例如，规定系统的运量要求(每小时单向旅客流量)，高峰期旅客的最长等车时间(行车间隔)，系统的可用性、舒适度，系统的噪声水平等功能参数［1］。不同的系统供应商可以根据要求来设计最优的解决方案，会提供不同尺寸的车辆和不同的车辆数目。当然，评标也要从系统的层面来进行。

1.2 直线电机

庞巴迪的直线电机设计，实现了高功率、高效率、低重量、低成本和低维护，采用自适应滑差控制以保证其运行在推力滑差曲线的最高点，见图1、图2。在速度、感应轨温度、磁场间隙、感应轨的结构等变量变化的情况下，仍监控以保证使用最高推力。

图1 电机滑差控制

图2 ART直线电机

1.3 径向自导转向架

当初开发ART系统的一个重要运营要求就是适合典型城市高架轨道线路。其实，此要求相当于2个互相矛盾的要求:1)50 m的转弯半径(车辆段内35 m)意味着线路与建筑物的距离将很近;2)低噪声。为满足这两个似乎互相矛盾的要求，庞巴迪开发了低噪声的径向自导转向架［2］(见图3)。

图3 ART径向自导转向架

ART径向自导转向架同时应用了强制导及自导的概念［3］。其设计简单，重量轻，成本低。原因是车轮直径较小。直线电机所产生的推力通过磁场直接作用在感应轨上，不需要齿轮箱、驱动轴、驱动轴联接件以及相应的轴承。

此转向架优越的动力性能包括:

●低运行噪声。在15 m距离，小于75 dB。径向自导能力，不需要齿轮箱及驱动轴及其联接件的设计降低噪声。

●无法兰噪声。径向自导彻底避免了通过小曲线时可能产生的法兰噪声。温哥华用户在北美交通协会上发表的一篇文章中也提到“通过曲线时绝对没有法兰噪声”［4］。

●较低的车轮磨耗。例如，肯尼迪机场线11.25万km的磨耗小于1.5 mm。

●较低的轨道磨耗。温哥华世博线经历了25年运营，只是曲线上刚刚开始更换钢轨，而且原因是世博线上当年所用的钢轨硬度较低。

●具有较高的安全性以防止爬轨脱轨。零攻击角度。

●较好的轮对均衡。肯尼迪机场线的卸载小于15%。

●重心低，稳定性较高，防侧翻。

●较好的转向架稳定性。北京机场线、肯尼迪机场线最高运行时速100 km/h。

●较好的舒适度。美国肯尼迪机场线超过ISO标准。

1.4 轻型车辆

较低的车辆自重是当初ART开发项目的一个要求，直线电机的使用帮助达到了这个要求。原因是可以使用小直径的车轮，较小的转向架构架，不需要齿轮箱、驱动轴、驱动轴联接件以及相应的轴承，省去了驾驶室，增加了旅客空间，同时减轻了重量。车体采用轻型的铝合金，与世界上其他的类似车辆相比，ART车辆的自重大约轻24% (1300 kg/m车长度相对于1700 kg/m车长度)，参见图7。

车辆自重较轻降低了能耗，降低了高架土建结构的投资，同时也降低了噪声及振动。

2 优势

由于其独特的技术性能，ART直线电机技术系统与其他传统城市轨道技术系统相比具有如下优势:

●全天候运营。该系统可在全天候的环境下无人驾驶安全运行［5］。

●无打滑及空转问题。无需轮轨之间的黏着，就可以提供可靠的加速度以及制动力，可以保证准确的停车距离。

●适合城市环境。车自重较轻、高架轨道建筑小、车辆编组小、低噪声等特点，使该系统可以很好地融入城市环境。

●较低的建设及运营维护成本。由于直线电机轨道交通爬坡能力强，所以可以更多地使用高架线路，避免隧道。即使使用隧道，由于车辆的地板比较低，可以使用比一般地铁小很多的隧道，以节约建设成本;由于直线电机车辆转弯半径比较小，可以使线路绕既有建筑而行，避免不必要的搬迁，或避免绕行更长的线路;由于可实现小车辆编组，车站可以设计得较短，从而也节约了建设成本，运营维护成本也较低。请参照第4部分。

●运营的灵活性以及高质量的乘客服务。车辆小编组可以缩短行车间隔，减少乘客等车时间，从而提高服务质量，并降低能耗。可以根据客流量来调整车辆编组及行车间隔。在客流低谷期，此特点更能体现其优势。

●采用独特的径向自导转向架。其优势是转弯半径小，低噪声，车轮及轨道的磨损低，高速运行的稳定性高。

3 能耗

首先，能耗是一个系统的概念。基于直线电机本身的效率低于普通电机而得出结论:直线电机轨道交通系统比普通电机轨道交通系统能耗高，此说法是不够准确的。

相对于普通电机轨道交通系统，ART系统具有如下特性，使其能耗与普通电机系统相类似或者更省:

●直接驱动，不需要齿轮箱、驱动轴及联结件。

●车辆自重较轻。

●直接驱动及径向自导转向架降低了曲线上的摩擦阻力。

●较小的旋转惯量。旋转质量是一般地铁的20%。

在系统设计方面:

●先进的系统仿真模拟软件可以用来设计最高效的供电系统。

●此系统仿真模拟软件，可以用来设计最佳的运行方案，以降低能耗。

●小编组列车可以缩短行车间隔，提高再生能量的利用。

●自动驾驶的使用，可以避免司机人为因素造成不必要的高能耗。

●根据客流量的要求可灵活调整编组，减小客流低谷期的能耗。

●小编组列车可以使用较小的车站，从而降低车站的能耗，包括屏蔽门、照明、取暖及空调。

另外，需要指出更重要的一点，直线电机技术轨道交通系统的爬坡能力强，转弯半径小等特点是普通电机轨道交通系统所不具备的。在必须使用小转弯半径和大坡度的线路情况下，能耗的比较是相对次要的，或者说是不相关的，因为传统电机是无法在此线路上运行的。如果通过隧道桥梁等改变线路，使普通电机轨道交通系统可以运行，那么建设投资将大幅度增大，也会因此无法实现最佳车站位置的选择。

温哥华的直线电机系统能耗与其他北美轨道交通系统的能耗相比较低。

4 生命周期成本

4.1 降低生命周期成本的措施

运营与维护成本和最初的建设成本同样重要，所以ART当初开发研究的运营要求之一就是低运营维护成本。

4.2 特殊的设计实现了低成本

INNOVIA ART技术的如下几个特性使它的运营与维护成本较低。

●可靠的无人驾驶系统省去了驾驶员及其费用。

●车辆段内的调车是自动化的，无需司机驾驶。例如，车辆自动行使到停车库、洗车库等作业。

●列车编组灵活，可以根据客流量进行编组及对行车间隔进行灵活调整，节约运行成本。

●除了冷却风扇以外，直线电机没有其他运动部件。由于是通过电磁场直接驱动，它不需要齿轮箱、驱动轴、联接件以及相关轴承等，从而省去了相关的维护。

●转向架的自重相对于传统转向架非常低。原因是如上所述的没有齿轮传动等，使用相对较小直径的车轮。这也减少了对轨道的磨损与维护。

●径向自导转向架降低了车轮以及轨道的磨损。由于使用径向自导转向架，所以在曲线上没有法兰磨损，直接驱动车轮，不用传递动力。常用制动主要由电制动实现，车轮很少用来传递制动力。

4.3 实践证明的低运营维护成本

INNOVIA ART技术的低运营成本通过了实际用户的经验证明。

4.3.1 车辆维护成本

图4和图5对比了温哥华和美国轻轨及重轨系统的车辆维护成本，比较的基础是每车公里车辆维护费用。温哥华的数据来自其运营公司British Columbia Rapid Transit Company Ltd.(BCRTC)，美国系统的数据来自美国联邦交通管理局的全国交通系统数据库［6］。

图4 ART车辆维护成本与美国轻轨系统的对比

图5 ART车辆维护成本与美国重轨系统的对比

4.3.2 总体运营维护成本

图6对比了温哥华和美国肯尼迪机场线的直线电机系统与美国重轨系统(地铁)总体运营与维护成本，对比的基础是每乘客平均总体运营及维护成本。Y轴是每乘客平均总体运营及维护成本，X轴是全年总体客流量。从图6中可见，重轨系统的乘客量一般较高所以可以实现规模效应，客流量多的系统平均旅客成本较低。这也是比较合乎常理的。

图6 ART每客户总体运营维护成本与美国重轨系统的对比

虽然无人驾驶是运营成本低的一个因素，但是仅从车辆维护费用来看，ART仍然远远低于其他系统。其中，系统设计是其运营与维护成本较低的一个非常关键的因素。

5 技术改进

5.1 INNOVIA产品平台的使用

INNOVIA产品平台包括直线电机系统(ART)，单轨车(monorail)和自动运人系统(APM)。近来对此产品平台进行了技术更新，新的产品平台为300系列，此产品平台实现了标准化，并尽可能地使3个产品共用很多子系统的设计及部件，以降低成本，提高规模效应。

5.2 车辆轻量化

ART的车辆设计是行业中最轻的，与其他车辆的对比见图7。

图7 ART与其他车辆的质量对比

降低车辆自重主要包括车体的设计、驱动装置、辅助供电系统、电器装置、制动系统、车门车窗、车钩、空调、车内饰(包括座椅)等方面。

5.3 车体设计的改进

车体使用较大的挡风玻璃和较大的车窗，以提高旅客视野的美观度，车体组装工艺大大简化，可以轻易地实现国产化。目前，车体及其他很多部件的供应商都来自中国。

5.4 直线电机的改进

对直线电机的改进大致包括:

●提高电机线圈绝缘过程的控制，从而提高电机的可靠性和耐久性。电机的寿命因此提高，维护的费用也大大降低。

●电机芯中加入硅胶绝缘材料，以防止异物进入损坏电机。

●增加冷却风扇线路的保护、减少潮湿、雪和磨损的影响。

●有2种风扇结构来满足不同的客户需求:2个风扇或新设计集中的一个风扇。

●改善电机的悬挂和电机盖，以方便维护。

5.5 噪音的改善

1)使用微动塞拉门，有效地提高密封度，降低车内噪声。

2)提高轨道轮廓(包括道岔部分)的设计以减少噪声，降低局部应力以延长轨道寿命。

3)以前项目所得到的教训将运用到未来的项目上。

●第三轨和受电靴间的噪声:如果第三轨由其他公司提供将更密切地注意其使用的材料及设计，以避免由于不匹配可能产生的噪声。

●由于无论是在隧道内或隧道外，ART一般运行的时速较高，需要建议土建公司对隧道内壁增加吸音材料，以降低隧道内的噪声。

5.6 其他方面的改进

在感应轨方面，开发并测试了新的安装方式:感应轨、轨道钢轨以及供电第三轨采用一体的安装方式，从而简化了安装过程，降低了噪声与振动。

同时也改进了制动系统的设计:简化了设计，减少了管路和线路，每转向架有单独的控制单元。

6 结论与推荐

ART直线电机轨道交通系统是以系统产品方式开发的，也是以系统的方式进行销售和建设的。此产品是为中运量要求的线路开发并优化的，具有很多独特的技术优势，包括可靠的无人驾驶、大坡度、小转弯半径、低建设及运营成本、低噪声等。根据庞巴迪的经验，要使一个直线电机项目成功地实施并实现其所具有的技术优点，需要采用系统交钥匙工程的采购方式。此方式可充分发挥直线电机的优势，并可保证达到客户系统技术规格的要求，缩短项目周期，降低项目成本，并有效及时地解决可能出现的问题。

［1］Didrikson P.Technology selection for intermediate capacity transit systems:finding the optimum light rail solution［C］//UITP Asia-Pacific Congress.Brussels:UITP，2006.

［2］Didrikson P.Reduction of civil works costs for passenger rail transit in challenging terrain suing ART LIM technology［C］//Taiwan Forum on Railway Engineering.Taipei:China Engineering Consultants，2010.

［3］Byers D.AGT goes upscale-the advanced rapid transit MKII［C］//1995 APTA Conference in New York.Washington:APTA，1995.

［4］Sun F.Automated guideway transit adhesion requirements:important considerations for driverless metros［C］//APTA Rail Transit Conference.Washington:APTA，2000.

［5］Ferrence D.Operating on steep grades with steel wheel/steel rail transit［C］//TDH Rail.Cranleigh April:TDH Rail，2006.

［6］National Transit Database［EB/OL］.(2011 03-10)［2011- 07- 12］.http://www.ntdprogram.gov/ntdprogram/data.htm

［7］Sun F.Automated Guideway Transit Adhesion Requirements:Important Considerations for Driverless Metros［C］//APTA rail transit conference.Washington:APTA，2000.