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2022-08-23

直线电机系统在重庆市轨道交通中的应用初探

摘要:分析城市轨道交通直线电机系统的技术发展、特点和优势,结合实际情况,探讨直线电机系统在重庆市轨道交通1号线中应用的可行性和前景。

关键词:城市轨道交通;直线电机系统;制式;应用前景

为了科学有效、因地制宜地建设城市轨道交通,有必要运用科学发展观,对不同的城市轨道交通制式进行探索,以期寻找一种与城市地理条件相适应、与运量等级相匹配、与城市经济实力相符合的交通模式,这对降低工程造价、提高投入产出效益、促进城市轨道交通可持续发展具有重要的意义。

1 重庆市轨道交通发展现状及规划

1.1 重庆市轨道交通线规划

重庆市轨道交通线规划由6线1环组成,共计354km。2010年(近期)前实施的线由1、2、3号线以及6号线的北段组成,形成“大”字型的线骨架见图1。根据轨道交通建设规划,2号线已于2004年观光运营,2005年正式通车运营;3号线试验段已开工建设,预计2008年通车;1号线正在进行可行性研究,预计2006年开工建设。

1.2 重庆市轨道交通线规划的特点

(1)该线贯穿城区,并延伸到壁山、江津、北碚等外围组团,有利于改善核心城区交通状况和环境质量,引导和促进周边组团的发展,促进城市化进程,实施城市发展“北移、南下、东拓、西扩”的战略,实现城市经济社会可持续协调发展。

(2)由于规划线路既贯穿旧城区又连接周边卫星城,因此线路建设既要以SOD(SeviceOrientedDevelopment)模式为主,缓解城区客流,又要兼顾TOD(Transit Oriented Development)模式,合理引导客流;同时在城乡结合部,在向外围组团延伸的线路需要两种模式综合考虑,统一筹划,如1号线的双碑组团、2号线的鱼洞组团、3号线的李家沱组团等。

(3)从线规划的客流预测看,1、2、3号线为骨干线路,其远期单方向最大断面高峰客流分别为3.31万人次、2.74万人次、2.48万人次,其余线路单方向最大断面客流均在3万人次以下。从客流预测的结果看,重庆的整个线各线客流规模均在3万人次左右,属于中运量级别的线。

(4)从交通制式上看,重庆市轨道交通2号线和3号线采用单轨交通系统,其余线路拟采用另外一种交通制式,全市形成基本上由两种交通制式组成的络系统。轨道交通1号线中的作用举足轻重,其建设时序在2、3号线之后、其余线路之前,因此其交通制式的选择对其余待建线路有决定性的影响。

(5)从城市空间结构上看,重庆市主城区在东西方向受铜锣山、歌乐山和缙云山阻隔,三山间形成两个槽带;南北向受长江和嘉陵江切割,在主城核心区(铜锣山与歌乐山之间)形成3个片区、12个组团和核心区外围的11个组团,属于多中心、组团式,有机松散、分片集中的空间发展模式。规划线5次跨过长江、6次跨过嘉陵江、2次穿过缙云山、3次穿过歌乐山、1次穿过铜锣山,轨道交通线路途经地形之复杂实属罕见。

(6)随着城市化建设高潮的到来,城市土地供应日益紧张,土地不断升值。而一般城市轨道交通车辆段(或停车场)、车站、主变电所占地面积较大,从重庆土地供应角度看要求选择一种小型系统。

2 直线电机系统在重庆轨道交通1号线中的应用

直线电机系统是一种先进的轨道交通模式,代表着轨道交通发展的方向,具有广泛的应用前景,其突出特点可概括为“轻”、“巧”、“灵”。“轻”指该系统轴重轻,荷载轻,体量轻;瑞典萨伯公司用0.77mg的石墨烯薄膜材料混入树脂中“巧”指该系统走行轨与反应板结合巧妙,受电与牵引结合巧妙;“灵”指该系统适应地形灵活,爬坡和转弯灵活。这些特点对重庆市的复杂地形具有较好的应对性。

2.1 工程概况

重庆市轨道交通1号线工程为重庆市轨道交通线中的一条骨干线路,整体上呈东西走向,线路东起朝天门,西至规划的“西部新城”中的大学城,线路长33.24km,共设21座车站,远期将延伸至壁山,线路全长约49km。

地铁1号线朝天门至大学城段线路全长33.24km,其中地下线长21.472km,占全长的64.6%;高架线长6.08km,占全长的18.3%;地面线(含U型槽段5.688km,占全长的17.1%。一期工程大坪至大学城段,线路长25.582km,车站15座;二期工程朝天门至大坪段,线路长7.648km,车站6座。全线共设车站21座,其中地下站12座、地面站4座、高架站5座;平均站间距为1642m,最大站间距为6392m,最小站间距为664m。

2.2 工程特点和难点

(1)线路位于长江、嘉陵江两大地表水系汇合间的狭长半岛(重庆半岛)上,以山地、丘陵为主,且地形高低悬殊,地貌结构分明,海拔高度180~430m不等,相对高差约250m。全线地质纵剖面图呈“一波多褶”的曲线形式,见图2。

起点设计高程约214m,终点设计高程约278m;线路设计最低点高程205m左右,最高点高程324m左右,两者高差约120m。如采用传统轨道交通系统,势必加大车站埋深,不利于将来的乘客使用和列车运营,因此从线路纵断面考虑需要选用爬坡能力强的系统。直线电机系统采用非粘着驱动方式,不受粘着系数的限制,具有较强的爬坡能力,一般可达60‰~80‰(传统的轮轨系统一般不超过30‰~40‰),在转入地下和爬升地面时相当灵活。传统的轮轨系统由地下转至高架,过渡段约需500m,而直线电机系统由地下转至高架,过渡段只需250m,大大减少了过渡段长度和用地面积,从而可方便道路交通疏解,降低征地费用,减少对城市景观的影响。采用直线电机系统,可以有效地克服1号线沿线地形高差大的困难。

(2)城市平坝、台地面积小,建筑密度大;路窄,弯急,坡陡。由于城市被两江相隔、两山相挟,城市地貌比较破碎,适宜城市建设用地的缓丘平坝、台地等都被“江”、“山”支离分割,城市建设只能在仅有的平坝、台地上进行。在渝中区,21.9km2的土地上居住着约60万常住人口和近40万流动人口,建筑密度之大,人口密度之高,可见一斑。

直线电机系统采用径向转向架,重量轻,没有牵引齿轮,没有空气压缩机,轮轨接触面好,因此可减小轮轨噪声,允许线路采用小半径曲线,而不至于像普通轮轨那样产生尖锐的噪声。在温哥华,列车产生的噪声较小,平均噪声测量值在距育婴师离轨道中心线15m处、列车时速80km/h时,产生的噪声值为72dB,且许多列车已运行16年。普通轮轨系统噪声较大,根据北京城铁噪声实测数据,在距离轨道中心15m处,并采用半封闭隔音墙的状态下,列车驶过的噪声峰值达81dB。直线电机系统是世界上较为安静的系统,这对像重庆这样人口密度如此之高的城市尤为重要。

重庆市城市道路最小平曲线半径为30~40m,路面一般为双向四车道,宽仅14m。道路坡度较大,极限坡度较普遍,据统计,超过8%坡度的主干道共15km,介于5%~8%坡度之间的主干道共48.3km。1号线杨公桥至双碑段,渝陪路道路宽度10~20m不等,而且道路连续转弯,转弯半径小,道路两侧多是山坡、沟地或新开发的建筑,选用爬坡能力强、转弯半径小的系统才能更加适应地形特点。

直线电机系统车辆采用径向转向架,平面转弯半径大大减小,由一般轮轨系统的200m可减至60m,这样路平面选线时,可最大限度地避开已建或规划待建的建筑物,以及建筑基础、地下管线和其他地下构筑物,减少基础处理、管线拆迁改移等附属工程,降低工程造价。采用直线电机系统,可以很好地适应重庆地形坡陡、弯急的特点。

(3)1号线在1994年完成初步设计后由于某些原因即告暂停,近年来城市沿线变化较大,车站旁边的石油大厦、山城电影院、三峡广场等建筑先后建成,城市规划,尤其是交通规划缺乏系统性和完整性,滞后于城市的发展,给进一步的选线布站带来限制。

直线电机系统利用感应原理推动车辆前进,不需要将旋转运动转换成直线运动,从而省去了齿轮箱等一系列传动机构,这样,车厢底板面可降低30cm;车轮仅起支承的作用,因而轮径较以前缩小20cm,减小了车体断面的尺寸,从而减小了地下隧道开挖断面和高架桥梁断面,降低了土建工程造价。在重庆市中心区地下管线及构筑物纵横交错,形成密密麻麻的地下管,如采用直线电机系统,其隧道断面可缩小,这对减少地下拆迁量和施工都有利。

(4)1号线所经沿线有多处需要与周边开发相结合,近年来沿线有多处预留了轨道交通的出入口、风亭的接口,而且部分已与周边建筑合建,使得车站位置相对固定,给线路贯穿增加了困难。

(5)本线的客流预测见表1。从表1中可看出,本线的初、近、远期高峰小时单向最大断面客流预测值相差较大,只有选用“高密度、组”的系统模式才能更合理地适应客流预测特征的需要。

直线电机系统改变了传统的轨道交通驱动方式,车辆尺寸大大减小,正朝着小型化方向发展。加拿大温哥华早期的直线电机系统车辆长为12.7m,宽为2.4m,高为3.1m。车辆编组相当灵活,列车可采用2、4、6节编组。该系统采用较为先进的移动闭塞信号系统,可实现无人驾驶,采用“高密度、组”形式,其系统运输能力可达到高峰断面每小时3万人次,这种具有适中运送能力的系统,在具有一定规模的轨道交通线中能发挥应有的作用,非常适合中等运量的轨道交通系统。从重庆的客流规模可以看出,直线电机系统的运输能力和其客流规模较为匹配。

(6)小什字至两路口前的燕喜洞段为既有的人防洞,长度约2.87km,人防隧道断面底宽约8m,拱顶净高为6m,断面形式有直墙拱形、斜墙拱形和曲墙拱形三种形式。为充分利用该资源,节省工程投资,计划利用这段人防隧道的主干道作为今后轨道交通的行车隧道,其断面形式能否满足轨道交通行车限界的要求,需要结合不同的系统模式进行分析比较。

采用直线电机系统,其较小的隧道断面,有利于更好地适应人防隧道的现状。

2.3 应用的可行性

根据直线电机系统的技术优势、重庆市的地形地貌特点以及1号线的工程难点,笔者对直线电机系统在重庆市轨道交通1号线工程中应用的可行性进行了研究,从技术上、经济上传真机和环境上进行了全面分析。研究结论:该系统能满足使用要求,技术上先进可靠,运营灵活,经济合理可行。

2.3.1 线路

从线路平面上看,全线线路条件最为紧张的是小什字至两路口段,线路最小曲线半径仅为250m。由于该段线路采用既有的人防隧道,经分析,根据直线电机系统的线路技术标准,该段人防隧道基本不用改造即可作为轨道交通行车隧道使用。由于重庆1号线所经沿线轨道交通用地基本得到控制,线路在平面上采用直线电机方案和普通轮轨关于路博润生命科学系统相比优势不大,但在纵断面上就有明显的优势。采用直线电机系统后,全线埋深最深的3座车站———鹅岭、高庙村、马家岩的车站埋深分别提高了21m、25m、12m。全线最通过拉伸实验大纵坡为56‰,最小纵坡地下线为2‰,地面线或高架线为平坡。全线25‰以上的坡长有11.98km,占全线长度的36.0%,其中35‰的坡长有3.0km,占全线长度的9.0%,该段坡度主要出现在两站之间地形高差大的区间。

2.3.2 车辆选型

根据目前世界上4个国家、7条线路直线电机系统运行车辆型式的比较,拟选用马来西亚MKII型车辆,采用VVVF逆变器控制,车体为16.85m×2.65m×3.44m(高),最高设计速度为100km/h,最高运行速度为80km/h,载客量(按6人/m2计)为185人/辆,初期采用4辆编组,近、远期采用6辆编组。

由于直线电机系统的车辆结构简单、重量轻、磨耗低,大部分部件为可更换单元,车辆经过20年或500万km运行后,仅需要预防性检修工作,不需要彻底维修,高峰小时内车辆利用率为93%~95%,所以运营后的设备维修费与普通轮轨系统相比大大降低。

2.3.3 轨道

采用1435mm标准轨距,正线采用60kg/m钢轨,辅助线及车场线采用50kg溶剂染料/m钢轨,采用整体道床、预制轨道板方案,以固定钢轨、反应板、第3、4轨的支架,保证设计要求的埋设精度。

2.3.4 供电系统

采用集中供电方式,引入市电110kV电源;牵引供电系统采用750V直流,三、四轨供电方式;动力照明采用380/220V系统;感应板采用厚度约为22mm钢板加5mm铝面板复合结构;全线设置牵引降压变电所15座。

2.3.5 车辆段

由于直线电机系统的车辆驱动方式与传统旋转电机不同,因此直线电机车辆和传统旋转电机车辆的维修工艺也有较大不同。该车辆对线路的适应性强,咽喉区短,设备集成化程度高,运营安全可靠,维修设备少,维修成本低,车辆段占地面积小。经过研究和计算,重庆1号线设赖家桥车辆段1个和马家岩停车场1座,与采用传统轮轨系统的车辆段和停车场相比,建设用地大大减少。

3 直线电机系统在重庆城轨交通的应用前景

3.1 直线电机系统技术的可靠性和成熟性

如前所述,直线电机系统在加拿大、日本、马来西亚、美国等国家有多条线路运营,其运营的安全性和技术的可靠性已得到公认。在我国,广州地铁4号线已决定选用直线电机系统模式,车辆制造商已招标确定,某些关键技术转让正在进行谈判,并逐步为我国所掌握,待广州地铁4号线一期工程于2005年建成后,直线电机系统的技术将在我国生根结果。

广州地铁4号线采用直线电机系统的技术特点是:线路正线最小曲线半径为150m(车场线60m),最大坡度为5%,最高行车速度为90km/h,最大行车密度为33对/h,列车编组固定4辆,车站站台长度为75m,受电方式采用DC1500V接触轨上部受电,车辆段采用柔性架空接触,信号系统采用有司乘人员自动驾驶的ATC系统,环控系统采用屏蔽门系统。

根据广州轨道交通建设规划,其5、6、7号线也拟采用该技术,经过广州项目的引进、消化、吸收和创新,我国将基本掌握该项技术,其技术可靠性和成熟性就更加明显,待重庆市准备实施时,有了广州的实例参照,重庆1号线将做得更可靠、更成熟。

3.2 直线电机系统的国产化率

直线电机系统的设备国产化重点在车辆和轨道系统,尤其是车辆。车辆的关键技术有三项:牵引电动机、转向架、电力传动控制。根据广州的实践,其车辆国产化的思路是:创造条件使直线电机车辆和其设备在国内组装或制造,引进仅限于部件、零件、材料、专用工具以及专用的测试仪器。经过招标,车辆拟由日本川崎重工业株式会社与四方车辆厂合资生产。广州4号线制定了稳妥可行的国产化方案,经计算,其综合国产化率在70%以上。借鉴广州的经验,待重庆实施直线电机系统时,其综合国产化率一定可以大大提高。

3.3 应用前景

在重庆的城市轨道交通线规划中,除2、3号线采用单轨模式外,但仍处于高位还有1、4、5、6号线和环线,总长约255km。如果1号线采用直线电机系统具有可行性,则其他线路完全可以采用直线电机系统模式,这将为重庆城轨交通的发展方向和发展策略开辟新的思路。

4 结语

本文通过对直线电机系统的技术特点和优势、以及在重庆轨道交通1号线中的应用分析,可以看出:

(1)直线电机系统作为一种新的系统模式,虽然面世仅二三十年,但其技术优势随着众多工程的应用却日趋明显,它将是城市轨道交通发展的一个方向。

(2)重庆1号线采用直线电机系统能满足使制浆设备用要求,技术上先进可靠、运营灵活、经济合理可行。这将为规划的其他几条线路,如4、5、6号线和环线对系统模式的选择提供有益的参照。从这几条线所经沿线的地形地貌和客流预测看,如果也采用直线电机系统,可能会有更大的技术优势。

(3)随着全国城市轨道交通制式的多样化,开发研究具有中国特色的城市轨道交通直线电机系统并付诸实施(如广州、北京、重庆等地的研究和应用),具有重要意义,这也是落实科学发展观在城市轨道交通领域中的时代体现,可以作为我国发展城市轨道交通的技术策略之一。

参考文献

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[2]施仲衡,冯爱军.城市轨道交通技术发展战略探讨[J].都市快轨交通,2004,17(4):48.

[3]陈韶章,吴俊泉,刘智成.直线电机运载系统技术在广州市轨道交通中的应用[J].地铁与轻轨,2003(6):19.

[4]重庆轨道交通总公司.重庆市城市快速轨道交通线规划研究报告[R],2003.

[5]北方交通大学,北京城建设计研究总院.直线电机系统在首都机场线的应用研究报告[R],2003.(end)


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