解析超级巴士列车

2022-02-24喻佳文孙志明汪彦宏

新型工业化 2022年12期

关键词：循迹编组巴士

喻佳文，孙志明，汪彦宏

中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

超级巴士列车是一种较为新型的城市公共交通列车，随着社会经济的快速发展，城市较大型的公共交通系统主要分化为地铁轻轨系统、有轨列车和无轨列车系列。其中，地铁轻轨系统对城市人口基数和财政能力有较高要求。

有轨列车作为中小运量的轨道交通系统，适应于中小型城市、工业区、科技新区等地区使用，相比地铁轻轨系统投入较低，每正线公里约1亿元～1.5亿元，但仍需实施轨道工程、建设专用车库、仍有一定拆迁成本。

但实际上城市普通公交车已不能很好满足国内外中小型城市、工业区、科技新区的城市公共交通的出行需求，需要一种新型汽车列车为城市公共交通出行提供新的选择。

本文解析一种新型的超级巴士列车，属于无轨列车系列。相比小运量的公交车产品，超级巴士列车具有载客量数倍的优势；相比有轨列车具有工程造价更低的优点：每正线公里造价3000万元～5000万元，无需铺设专有轨道、不需要拆迁、车库占地省且简化等；且载客量接近、建设周期短（一年甚至更短），具有潜在的广阔应用市场。

1 国内外背景

梅赛德斯奔驰推出CAPACITY L铰接式客车，如图1，其长度达21m，其第四轴可转向，轴重达32t。

图1 CAPACITY L 铰接式客车

比利时客车的24m长的双铰接客车，采用混合动力系统（柴油、电动），应用于梅茨市公交公司Mettis，该双铰式客车兼顾了一般客车的灵活和轻轨的准时，为乘客提供舒适便捷的交通方式，如图2所示。

图2 范胡尔公司的混合动力双铰式客车

德国德累斯顿的AutoTram Extra Grand 超长铰接式客车，长度近31m，单向行驶，可搭载256人，如图3所示。车辆拥有4个转向轴使其可以更加敏捷，此外还装备了大量的车载雷达传感系统和驾驶辅助系统，通过遍布车身的雷达探头，可获得车外相关信息。

图3 AutoTram Extra Grand

目前，在我国城市道路上使用的公交客车主要有长度为12m和13.7m长单体客车、18m长单铰接式客车。由于一次载客人数有限，不能满足不断增加的公共交通需求，尤其是在上、下班交通高峰期，无法满足短时期剧增的出行需求，为解决城市建设发展带来的公共交通问题，国内在积极寻求公共交通解决方案，也推动着铰接式公交车的研究发展。

2008年推出了25m双铰接公交车JNP6250G，如图4所示；2019年推出了27m纯电动双铰接大巴—k12A，该车辆创造了全球迄今最长的纯电动大巴纪录，如图5所示。

图4 2008 年青年JNP6250G 双铰公交车

图5 2019 年比亚迪k12A 双铰客车

2017年，国内研制了用于智能轨道快运系统的“智轨”公路快运车辆，该车辆采用多铰接编组形式，车辆全长达到30多m，如图6所示。

图6 “智轨”车辆

2 编组形式

在中大型城市的城市公共交通线路前期的规划中，普遍遇见较为敏感的问题是确定合理的列车编组形式，即初期、近期、远期列车编组车辆数的确定。因其会直接影响车站和车场的规模、线路条件、系统运行配合能力、投资资金规模等方面。

浙江中车电车公司2016年已成功研制18m长无轨电车，为两编组列车，编组形式为Mc+Tp，能满足中低等客流量的运营需求，最小转弯半径15m。Mc——带动力车厢，Tp——不带动力车厢。

2012年，德国率先研制出身长约31m的超级巴士，为三模块编组形式，编组形式为Mc+Tp+Tp，单向行驶。该种编组形式可满足中高等客流量的运营需求。简单的列车编组图详见图7，该种车型可解编成两节编组列车以满足中低等客流运量的城市需求，但碍于结构限制，无法再进一步扩编，无法满足更高客流量的运营需求。

图7 三节编组形式

本文主要解析的超级巴士列车是一种可双向行驶的，身长约36m，四模块编组的储能式无轨列车。列车编组形式为Mc+Tp+Tp+Mc，6轴主动转向系统，最小转弯半径可达12m。该种编组形式可根据不同的客运量需求轻松变形为Mc+Tp、Mc+Tp+Tc、Mc+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Tp+Mc等多种组合形式（图8），十分灵活多变，市场适应性更强。

图8 汽车列车编组及部分编组变形图

3 关键技术参数

3.1 环境条件

超级巴士列车须满足的自然环境条件见表1。

表1 自然环境条件

3.2 整车技术参数

超级巴士列车的相关整车技术参数见表2。

表2 整车技术参数

4 公共路权运行环境下非轮轨接触多轴主动导向循迹系统

该种新型的汽车列车与有轨车辆最重要的区别在于：该列车为非轮轨接触的主动自导向循迹列车，且基于公共路权。为此，公共路权运行环境下非轮轨接触多轴主动导向循迹系统作为该列车中极其关键的自动化系统之一，直接决定列车行驶路径和运营安全性。

4.1 系统构成

主要由道路感知识别系统、主动循迹液压转向系统、胎地耦合独立转向走行系统等构成。

4.1.1 道路感知识别系统

基于公共路权的道路感知识别系统需要具备自动识别道路环境感知、行人/非机动车姿态感知预测和风险辨识能力。

在公共道路上行驶的自导向超长汽车列车不仅要确保自身的安全行驶，也需要确保道路上其他人事物的安全，不得与列车有所接触碰撞。基于多线程激光雷达、差分GPS、机器视觉及红外探测技术，通过在车端装备摄像头和红外线探测器等设备（图9）来识别列车前方出现的物体，并判断物体的种类和位置来及时调整列车行驶速度或紧急停车。

图9 图像采集

在列车通过红绿灯路口时，道路感知识别系统还需与路口指挥系统协同工作，由于列车车长较长，通过路口时应首先确保已接受到允许通过信号，其中协同控制逻辑如图10。

图10 路口通过协调控制逻辑

4.1.2 主动循迹液压转向控制系统

该汽车列车的主动循迹转向控制系统为六轴转向系统，根据路面铺设的虚拟线路指引及道路感知识别系统控制首轴转角，后五轴转角由主动循迹转向系统输出控制。实际执行机构由转向器、角度传感器、液压系统、控制阀、液压缸、液压泵、过滤器、控制器等元件构成。

首轴转向角度通过转向器直接控制首轴转向，同时该转角信号将传送至STCU中，并由STCU对后续5轴的输出角度进行计算，通过各BSL-ECU进行实际的轴输出角度控制和铰接盘角度控制，以半列车为例。列车进行中产生的实际转角影响因素很多，如列车行进速度、环境条件、线路工况等。每根轴和贯通道交接盘均配有角度传感器，对各轴的实际输出转角进行实时监控，角度传感器精度为0.1°。

该系统需能确保列车能顺利通过最小曲线12m的弯道（图11）。

图11 最小曲线半径R12

4.1.3 胎地耦合独立转向走行系统

胎地耦合独立转向走行系统是以上系统的末端执行机构，其结构的设计不仅会直接影响道路感知识别系统和主动循迹液压转向系统的执行效果，且对车辆运行的动态稳定性也至关重要。为此，应建立胎地耦合列车动力学模型，对列车通过性、操纵稳定性、平顺性和悬架K&C特性进行深入分析[1]。

全列车由“2+1”轴式的两个相同单元组成，全列车共6根轴，前后2根轴为动力轴，其余4根为非动力轴。

所有轴都具有自动转向控制，弯道适应性好，该走形系统主要有转向驱动桥和转向桥构成。

转向驱动桥位于车辆端部，对称布置，具有高承载能力，最大轴重满足整车要求。采用断开式双叉臂转向驱动车桥，主要由主减速器、差速器、传动半轴、驱动桥壳、转向节、轮毂、支撑梁（臂）等组成，其作用是将万向传动装置传来的电机转矩传给驱动车轮。采用的是两级减速方式，其中一级减速器安置在驱动桥壳中，并搭配轮边减速器以实现降低车速、增大转矩作用。车桥的两侧结构关于传动轴轴线镜像对称。

转向驱动桥位于车辆中部，整车共配备四个转向桥，对称布置，最大轴重满足整车要求。采用断开式低地板转向车桥，主要由转向节、轮毂、支撑梁（臂）等组成，通过车桥中的转向节使车轮可以偏转一定角度，实现车辆转向。转向桥与转向驱动桥的区别主要为：转向桥不含有驱动装置，转向连杆的设计依据整车需求设置。

采用双叉臂式独立空气悬架[2]，该种悬架具有上下两个叉形控制臂，拥有较好的横向稳定性能。主要部件有：空气弹簧（橡胶弹性止挡）、减振器、转向节和控制臂等。列车进行过程中，车轮以主销的轴线为中心线转动，本项目转向节上下球头销连线相当于主销轴线。

与有轨车辆相比，该系统具有多种优势：最小曲线半径更小（12m）、爬坡能力更强（13%）、通过噪声更小（降低3dB以上）、更为经济、维护成本更低等。

4.2 主动跟随转向控制策略

结合主动循迹液压转向系统和胎地耦合独立转向走行系统统一控制的主动跟随转向策略[3]，此处的跟随主要指转向系统在获知首轴转角之后，后续五轴转轴和车间铰接装置跟随首轴轨迹的控制策略，控制过程见图12。

图12 主动跟随转向控制策略图

可以看出，每根转轴的控制均基于首轴的输入信号，理论上如其他总体技术参数可以得到满足的情况下，如最小曲线半径、行驶速度等，后续五轴及铰接装置可实现主动循迹的功能。

具体执行时，首轴转角由驾驶员手动转动方向盘执行，由与方向盘直接连接的液压转向器对方向盘转角进行执行和监控，并以此作为后续转向控制的转角输入，即首轴转角[4-5]。

接收到首轴转角后由转向控制单元进行判断后，向分控车辆铰接盘和各节车控制车轴转向的控制单元发送各单元独立的转角指令，由各单元的转向助力装置执行转角输出，在此过程中会通过各自单元独立的转角监控传感器对实际转角进行实时监控，并在不断地监控反馈中修正，调整各转向助力装置的转向压力以达到实际转角与输出转角相同的目的，确保整套转向系统的精准和可靠。