国外城市轨道交通车辆已投入运营的主要有三种类型:地铁车辆、轻轨车辆和高架独轨车辆。
1.地铁车辆
国外地铁车辆发展方向有以下几个特点:
1)提高车辆最高运行速度
如巴黎地铁车辆初期最高运行速度为80km/h,平均运行速度为23.7km/h,近年来已将通过地面时地铁车辆的最高速度提高到100km/h,平均运行速度达到50km/h。莫斯科地铁车辆最高运行速度由90km/h 提高到100km/h,平均运行速度达到41km/h。纽约地铁车辆最高运行速度由70km/h 逐步提高到通过地面时的130km/h。1974年R-44型的地铁车辆的最高速度达到133km/h。日本地铁车辆在地下的最高速度为70~80km/h,到地面行驶的最高速度已达到120km/h,如东京地铁3000系、5000系车辆的最高速度都是120km/h。
2)发展交流传动车辆
早期地铁车辆是蒸汽牵引,1890年改为电气牵引后一直采用直流电动机牵引,由凸轮变阻调速控制,后来发展到斩波器调速控制。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市轨道交通。日本东京、大阪、名古屋等城市地铁从1991年开始,新造地铁车辆全部采用IGBT 或IPM 的VVVF 交流传动装置。法国巴黎地铁和德国法兰克福地铁新造车辆也开始采用交流传动车辆,且英国、俄罗斯、美国、韩国、墨西哥、西班牙等国家的城市轨道交通也都在订购交流传动车辆。
美国最早由巴德公司生产了不锈钢车,纽约地铁大部分是不锈钢车。20世纪60年代初,日本从美国引进不锈钢车体技术,从1962年开始生产日本最早的南海电铁6000系、京王电铁3000系和东急电铁7000系地铁车辆,截至1998年,日本不锈钢车辆占总车辆的60%左右。加拿大、韩国等国家地铁也都使用了不锈钢车。
铝合金车于20世纪初开始生产,法国于1896年将铝合金用于铁路客车车窗上,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 辆电动车与客车的侧墙和车顶采用铝合金材料。20世纪60年代以来,德国科隆、波恩市郊电动车和慕尼黑地铁车体也采用了铝合金。日本从20世纪80年代先后在6000系、7000系、8000系等地铁车辆上采用了铝合金;意大利米兰地铁、奥地利维也纳地铁和新加坡地铁都应用了铝合金车辆。
4)发展空调车辆
纽约自1976年第一列装有空调的R-38型地铁列车投入使用以来,到1992年,95%的地铁列车都安装了空调。到1997年,东京地铁车辆中空调车占全部车辆总数的50%左右。
5)车辆的模块化设计和生产
世界上生产地铁车辆和轻轨车辆的主要制造商有西门子公司、阿尔斯通公司、庞巴迪公司及日本的东急等公司,它们从20世纪90年代开始进行车辆模块化的设计和生产。庞巴迪公司为中国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。
6)广泛采用微机控制与诊断和通信网络技术
自20世纪90年代以来,各国城市轨道交通车辆新造车在牵引和制动控制中都采用了微机控制和诊断技术,并由单微机控制发展为多微机控制。同时,积极发展和采用通信网络控制技术,实现了列车设备运行控制和故障诊断、旅客信息的传递和服务。
7)发展模拟式电气控制制动系统
世界各国地铁和轻轨车辆都选用了模拟式电气控制制动系统,主要制造商是克诺尔公司、韦斯汀豪斯公司和日本NABCO 公司。该系统能满足城轨车辆制动频繁、制动距离短和停车精度高的要求。
2.轻轨车辆
自1888年美国弗吉尼亚市第一条有轨电车投入商业运行以来,有轨电车虽有较大发展,但由于其速度慢、噪声大、运量小、安全性差、正点率低等,20世纪50年代各国城市都纷纷拆除有轨电车线路,发展地铁交通。到20世纪80—90年代,由于地铁造价高、能耗大、噪声大等,在建设地铁的同时又发展了新型轻轨交通。据统计,已有50个国家建设了360条轻轨铁路。这些车辆大部分都是100%或70%的低地板车辆。(www.daowen.com)
1)低地板轻轨交通的发展优势
(1)环境污染小。轻轨交通车辆采用电力牵引,不产生废气污染,车辆和轨道的良好动力性能使其运行时的轮轨振动及噪声进一步减弱。另外,轨道两侧的绿化带也有助于美化环境,减少噪声污染。
(2)节约能源。从每人每千米能耗看,轨道交通、道路公共汽车、私人小汽车的能耗比为1 ∶1.8 ∶5.9,可见轨道交通运输方式是最节能的,而轻轨交通的能耗又低于地铁系统。
(3)投资少。轻轨与地铁的单位社会成本比汽车低,而轻轨又比地铁低。轻轨交通每千米造价为1.5 亿~3.5 亿人民币,仅为地铁造价的1/4~1/2。
(4)乘坐舒适。低地板轻轨系统的车辆减振性能和轨道稳定性能可保证其运行平稳、流畅。此外,较低的车辆地板以及无缝登车踏板可使乘客乘坐舒适。
(5)塑造良好的城市形象。低地板轻轨车辆为乘客提供了足够的座位,有着美观的外形设计。在许多国家,轻轨交通已成为城市的一大景观。
2)低地板轻轨车辆的主要类型
1984年,Duewag 公司为日内瓦制造的低地板车揭开了低地板车发展的序幕。1986年,法国车辆制造厂商为南特市第2 条轻轨线路制造的3 节编组的轻轨车辆,由3 节铰接车体组成,两端是870 mm 的高地板面动车,中间为350 mm 的低地板面拖车,这样病残人和幼儿可坐在轮椅或小车上从站台直接进入车内。这种结构的车辆问世后,很受用户和乘客的欢迎,标志着轻轨车辆由高、中地板向低地板迈出了关键一步。按技术的复杂程度,现在世界上已经出现了三代低地板轻轨车辆。
(1)第一代低地板轻轨车辆中间部分有一个低地板进口,低地板占车长的10%~15%;随后该车经过改进可得到占车长50%左右的低地板。这种类型的车辆采用常规转向架、分段式低地板,车内需要台阶过渡。例如,庞巴迪为荷兰阿姆斯特丹制造的轻轨车辆,低地板部分的地板高度为277 mm,占整个地板长度的13.5%。
(2)第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分,占整车的60%~70%,但车内还需要台阶向高地板区过渡。这种轻轨车辆的中间走行部分需要一种全新的安装方式,主要有3 种方法:小车轮拖车走行部分、独立车轮走行部分和独立旋转车轮走行部分。例如,瑞士Vevey 公司为贝尔纳制造的轻轨车就采用了车轮直径为410 mm 的小车轮拖车走行部分,低地板高度为350 mm,占整个地板长度的72%。
(3)第三代低地板轻轨车辆为全低地板式。如果动力转向架也采用独立车轮,取消车轴,则动力转向架上方的中间通道也可以做成低地板,两侧车轮凸起部分可设置座椅,从而实现100%低地板,地板面距轨面通常仅为350 mm。如西门子公司研制的Combino 模块组合式轻轨车辆,就属于全低地板轻轨车辆。
3.高架独轨车辆
高架独轨车辆具有线路占地少、构造简单、投资少(是地铁的1/3)、能爬大坡(6%)和过小半径曲线(50 m)、噪声低(胶轮)、乘坐舒适、视野广等优势,受到各国中小城市交通的欢迎。
自1980年法国建立了世界上第一条蒸汽牵引的跨座式独轨交通以来,特别是20世纪50年代以后,在日本、美国、瑞典、法国、德国、意大利都先后建立了独轨铁路,一般线长10km 左右。日本自1955年将独轨铁路列为城市轨道交通的重要工具以来,已发展了20 多条高架独轨铁路,生产了独轨车辆。高架独轨车辆的主要特点是用橡胶轮胎支持和导向、电力驱动、空气弹簧支持车体等。
4.发展趋势
随着世界经济和科学技术的不断发展,轨道交通在投资、建设、运营和管理等方面不断发展并走向成熟和完善。世界城市轨道交通主要呈现以下三大发展趋势:
(1)世界发达城市轨道交通投资多元化趋势——多元化的投资共同推动轨道交通。投资和建设城市轨道交通发展之初,其投资主体比较单一,有的由私人主体来投资,有的由政府财政直接投资。随着轨道交通规模的越来越大,为了解决资金问题和提高轨道交通的效率,很多城市轨道交通都由政府和社会资本等共同投资。投资主体的多元化已成为世界轨道交通的发展趋势。
(2)世界发达城市轨道交通经营市场化趋势——充分发挥市场作用,以提高轨道交通的运行能力。在轨道交通的历史发展过程中,有的采取完全的国有垄断经营模式,有的采取市场化经营模式,有的介于这两者之间。现在,很多城市充分发挥市场作用,以提高轨道交通的运行效率。在轨道交通运营上引入市场机制已成为一种发展趋势。
(3)世界发达城市轨道交通管理法制化趋势——实行全面法制化管理,以规范轨道交通投资、建设、运营和管理行为。限于当时的社会、政治和经济条件,规范轨道交通管理的法制起初并不够完善,现在,很多城市轨道交通实行全面法制化管理以规范各方行为和维护各方利益,以法制化的管理来保障轨道交通持续、稳定和高效的运行。轨道交通的全面法制化管理也是世界轨道交通发展的重要趋势。
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