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1膠輪路軌系統(tǒng)的背景及現(xiàn)狀

1.1單軌系統(tǒng)單軌系統(tǒng)也稱獨軌系統(tǒng)，是采用一種大斷面軌道，車輛跨座于其上或懸掛于其下的軌道交通系統(tǒng)，其屬于中等運量型的車輛。單軌交通歷史悠久，已有近200年的發(fā)展歷史。早在1821年英國人HenryPalmer就研發(fā)出了單軌鐵路。經(jīng)過100多年的發(fā)展，第二次世界大戰(zhàn)后，單軌技術(shù)趨于成熟，許多國家開始重視起來。單軌車采用橡膠車輪，按支撐方式可分為跨座式和懸掛式，其特點是爬坡能力強(qiáng)、通過曲線半徑小、噪聲低、輪軌間振動小、占地少、空間利用率高、投資低。

1.1.1跨座式單軌車輛車輛跨座在軌道梁上方，其軌道由預(yù)應(yīng)力混凝土制作。第一輛跨座式單軌車輛是在1958年，由德國人Ax-elienardwenner-Gren研發(fā)出的ALWEG型[2]單軌車輛。車輛采用跨座式無搖枕二軸轉(zhuǎn)向架設(shè)計，中央懸掛裝置為空氣彈簧。走行輪軸和水平輪軸均為單懸臂固定在轉(zhuǎn)向架上，且裝有4個走行輪，分配在兩個走行輪軸上；采用無內(nèi)胎鋼絲橡膠輪胎，內(nèi)充氮氣，其彈性主要緩沖豎直方向的振動；轉(zhuǎn)向架兩側(cè)上方有4個導(dǎo)向輪，下方有2個穩(wěn)定輪，均采用帶有尼龍絲無輪緣的橡膠車輪，內(nèi)充入壓縮空氣，可以緩沖車輛橫向振動[3]。為了防止橡膠輪胎爆胎等事故，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪均設(shè)置了一個鋼制輔助車輪，走行輪不僅安裝橡膠實心輔助車輪，還設(shè)置內(nèi)壓檢測等裝置[4]?？缱絾诬壾囕v轉(zhuǎn)向架如圖2所示。構(gòu)架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，有足夠的度；中央懸掛裝置采用空氣彈簧，可減小車體振動，提高乘坐舒適度。因其受橡膠輪胎載重的限制，為了實現(xiàn)車體輕量化，故采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。由于橡膠車輪壽命短，能耗相對大，使車輛更換輪胎頻繁，故維修成本高。而且因其處于高架，當(dāng)事故發(fā)生時，不容易救援。澳大利亞、美國、日本、意大利等許多國家都建設(shè)了這種形式的單軌交通，其中日本是使用單軌最多的國家。日本有6個城市有單軌鐵路，分別是東京羽田機(jī)場線、奈良線、大阪萬國博覽會線、北九州線、多摩線、沖繩那霸線，其中東京的單軌鐵路年載客量超過1億人次。在美國，加州迪士尼樂園觀光線及佛羅里達(dá)州的華特迪士尼世界度假區(qū)線[5]，每年載客量超過500萬人次。美國加州迪士尼樂園觀光線跨座式單軌車輛如圖3所示。單軌列車可4輛～6輛編組，單向運能為1萬～2.5萬人次/h，最高速度可達(dá)80km/h，一般運營速度30～35km/h。中國首條跨座式單軌線路于2006年在重慶正式開通運營。由于重慶市道路坡陡、彎急、路窄，所以跨座式單軌車適合在重慶推廣應(yīng)用。重慶跨座式單軌列車如圖4所示，供電接觸網(wǎng)軌道梁側(cè)面剛性接觸，1500V直流供電，車輛長度為15500mm，寬度為2980mm，高度為5300mm，走行輪直徑為1006mm，導(dǎo)向輪直徑為730mm，穩(wěn)定輪直徑為730mm，最大爬坡度是6%，最小通過半徑為50m[6]。

1.1.2懸掛式單軌車輛第一輛懸掛式單軌車輛是由德國Langen發(fā)明，于1901年在德國的烏泊塔開始運營，如圖5所示。德國烏帕塔懸掛式單軌線，線路總長13.3km[2]，經(jīng)過20個站點，最高速度60km/h，年載客量達(dá)到2500萬人次。懸掛式單軌車輛的軌道梁采用下端開口式鋼制箱型斷面，車輛懸掛在軌道梁下方，轉(zhuǎn)向架采用懸掛式二軸轉(zhuǎn)向架設(shè)計，且為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。與跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架走行部的不同是：懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架（見圖6）沒有穩(wěn)定輪，設(shè)走行輪和導(dǎo)向輪各4個，均為橡膠充氣輪胎，為保障安全預(yù)防輪胎泄氣或爆裂，橡膠車輪也配有鋼制輔助車輪。車體的懸掛裝置由懸掛吊桿、液壓減振器構(gòu)成。因為膠輪在封閉環(huán)境下運行，所以不受惡劣天氣影響，但也受轉(zhuǎn)向架和軌道形式的影響，遇到突發(fā)狀況時無法及時處理，維修困難。目前，懸掛式單軌車輛在我國尚未運用，但是在德國、日本等許多國家都得到廣泛應(yīng)用。懸掛式單軌車輛建設(shè)周期短、制造車本低、無需擴(kuò)展城市公路設(shè)施，而且在高架上運行，增強(qiáng)城市景觀，結(jié)合我國的交通實際情況，適合在我國建設(shè)和推廣。但是單軌車輛也存在橡膠車輪與軌道梁摩擦產(chǎn)生橡膠粉塵的現(xiàn)象，對環(huán)境有輕度污染，列車運行在此區(qū)間發(fā)生事故時救援相對較為困難。

1.2新型交通系統(tǒng)

目前，世界各國對新型交通系統(tǒng)還沒有一個明確的概念。廣義上指的是那些所有現(xiàn)代化新型公共交通方式的總稱。狹義上講，即自動化導(dǎo)軌交通系統(tǒng)（Au-tomatedGuidewayTransit，簡稱ATG），該系統(tǒng)是中小運量型車輛運行在具有側(cè)向或中央導(dǎo)軌專用混凝土軌道上，車輛通常采用小輕量的橡膠輪胎，由電氣牽引，可單車或數(shù)輛編組[7]。ATG是在1963年由美國西尼電氣公司研發(fā)并應(yīng)用的，在美國多作為機(jī)場內(nèi)的交通工具。經(jīng)過多年發(fā)展，尤以日本和法國在技術(shù)和規(guī)模上處于領(lǐng)先地位。在日本稱AGT，在法國稱為VAL（VehiculeAutomatiqueLeger，即全自動捷運系統(tǒng)）。

1.2.1AGT1981年，日本首次開通營業(yè)運行“神戶港島線”和“大阪南港港口城市線”兩條線路。由于采用橡膠輪胎，噪聲小[7]，對城市生態(tài)環(huán)境有很好的保護(hù)，并且建設(shè)費用低，所以AGT系統(tǒng)在日本深受歡迎和重視，到目前，已有14條線。運行在日本神戶港島線的2000型列車如圖7所示，線路總長度10.8km，采用600V、60Hz側(cè)向接觸軌受流。AGT車輛的走行部采用橡膠輪胎，并具有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其分為三種導(dǎo)向方式（如圖8所示）：一種是側(cè)面導(dǎo)向方式，導(dǎo)向軌布置于行駛面兩側(cè)，導(dǎo)向輪沿著導(dǎo)向軌導(dǎo)向行駛；一種是中央導(dǎo)向方式，導(dǎo)向軌設(shè)置于走行軌道間的中心線處的工型鋼質(zhì)導(dǎo)軌，導(dǎo)向輪夾其腹板導(dǎo)向行駛；另一種是中央溝槽導(dǎo)向方式，在兩條行車軌道間的中央槽中，導(dǎo)向輪沿著行車軌道側(cè)壁導(dǎo)向行駛[4]。如果車輛采用兩側(cè)導(dǎo)向方式，轉(zhuǎn)向架為單軸轉(zhuǎn)向架，由2個走行輪和2個導(dǎo)向輪構(gòu)成；若采用中央導(dǎo)向方式，轉(zhuǎn)向架為兩軸轉(zhuǎn)向架，由4個走行輪和4個導(dǎo)向輪構(gòu)成。因采用膠輪，所以設(shè)置了在漏泄?fàn)顟B(tài)也能運行的鋼制輔助車輪；而且新型交通系統(tǒng)是雙向運行，因此前后軸必須都能轉(zhuǎn)向。車輪與軌面的黏著性能好，與鋼輪鋼軌相比能產(chǎn)生較大的摩擦力，可縮短加減速度時間，增大爬坡能力。列車最小平面曲線半徑僅為30m，又具有較強(qiáng)的爬坡能力，因此可以適應(yīng)較為復(fù)雜的地形。橡膠輪壽命能達(dá)到10萬km左右，列車編組一般在4~6節(jié)，最高速度在60km/h左右。北京首都機(jī)場也采用了AGT車輛（見圖9），在機(jī)場T3航站樓A座、B座和C座之間承擔(dān)運載任務(wù)。該系統(tǒng)采用加拿大龐巴迪公司設(shè)計方案，無人駕駛，單程行車線路為2080m，設(shè)有3個乘車站，2008年3月正式運營。

1.2.2VALVAL是20世紀(jì)80年代基于RobertGabi-llard教授發(fā)明的膠輪路軌系統(tǒng)技術(shù)，由Matra公司設(shè)計的一套軌道運輸系統(tǒng)，于1983年5月在法國里爾開通營運。為了減小成本，剔除了橡膠和鋼輪并用的設(shè)計，采用單軸轉(zhuǎn)向架；前后4個導(dǎo)向輪，一般采用內(nèi)部充填聚胺脂的實心膠輪；中間2個走行輪，內(nèi)部通常充入氮氣[4]；構(gòu)架前后兩端設(shè)有導(dǎo)向滾輪，如圖10所示。法國里爾VAL車輛，全自動無人駕駛，最高速度可達(dá)80km/h，運營速度可達(dá)34km/h，每天運量可達(dá)12萬人次。由于膠輪磨耗大，有粉塵，所以不如鋼輪經(jīng)久耐用。膠輪使用壽命相對較短，同時運行能耗也相應(yīng)加大，其載客能力相對較低，使這種交通擴(kuò)大載運量也受到了一定限制。此外，該系統(tǒng)采用充氣橡膠車輪，還需要有預(yù)防爆裂和發(fā)生爆裂后的安全措施和裝置。

1.3現(xiàn)代有軌電車傳統(tǒng)有軌電車采用鋼輪鋼軌系統(tǒng)，沒有隔聲措施，以至于引起的噪聲大，對城市的生態(tài)環(huán)境影響較大。為了克服缺點，近年來，法國勞爾重工（Rollindustry）公司研制出膠輪導(dǎo)向巴士電車系統(tǒng)，也就是現(xiàn)代有軌電車（Translohr），如圖11所示，法國克萊蒙費朗勞爾電車。Translohr是Roll公司于2001年開發(fā)出的橡膠車輪的低地板有軌電車，采用單軌導(dǎo)向技術(shù)，膠輪負(fù)責(zé)牽引車輛，導(dǎo)輪負(fù)責(zé)引導(dǎo)車輛的行駛方向，中央軌道導(dǎo)向系統(tǒng)如圖12所示。與傳統(tǒng)的有軌電車相比，Translohr爬坡能力強(qiáng)（最大坡度可達(dá)13%），通過小半徑曲線能力強(qiáng)（可達(dá)10.5m）[8]，噪聲小，并且保留了傳統(tǒng)有軌電車便利性、中等規(guī)模運輸量等特點。2007年5月10日，天津濱海新區(qū)開通了全長7.6km的從法國引進(jìn)的勞爾電車，是我國大陸境內(nèi)第一個使用勞爾電車的城市。2009年12月31日，上海浦東張江高科新區(qū)也開通了全長10km的膠輪有軌電車，走行輪采用充入氮氣的無內(nèi)胎橡膠車輪，上海張江地區(qū)勞爾電車非動力轉(zhuǎn)向架如圖13所示。為減小線路的影響范圍，實現(xiàn)有軌電車和社會車輛混行的方式，道路中央雙車道獨立雙向運行，如圖14所示，為運行在上海浦東張江高科新區(qū)的勞爾電車。其采用接觸網(wǎng)受電，3節(jié)車輛鉸接式編組，最高運營速度可達(dá)20km/h，最高時速70km，總載客量約167人/列，地板高僅為260mm。但也有一定的缺點，由于當(dāng)?shù)芈访娴慕Y(jié)構(gòu)，車內(nèi)的噪聲較大，候車的時間較長，不適合在繁華的街道運行，所以還需要進(jìn)一步地研究強(qiáng)化，并結(jié)合我國道路交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來發(fā)展此類電車。

1.4我國最早的橡膠車輪車輛1932年5月22日，在已經(jīng)運行于滇越鐵路線（昆明—河內(nèi)）的內(nèi)燃動車組上安裝了由米其林輪胎公司生產(chǎn)的橡膠輪胎，通常叫它“米其林動車組”（曾經(jīng)改名為紅旗號），同時是國內(nèi)唯一一條米軌鐵路。如圖15所示，我國最早的米其林橡膠車輪內(nèi)燃動車組，車長16m，寬2.6m，自重8t，采用汽油內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。該車組最為獨特的部分在于它的走行部，每個轉(zhuǎn)向架上有4對車輪，采用鋼制輪輞和橡膠車輪一體化設(shè)計，車輪踏面都套裝可自動也可人工充氣的凸形橡膠輪胎，可以使噪聲減小，減振好，乘坐舒適性加強(qiáng)，而且還能提高車速，在當(dāng)時最高速度可達(dá)100km/h，曾創(chuàng)下時速記錄。到20世紀(jì)80年代因零件不易購置而失修，后經(jīng)國家花費大量財力修復(fù)并移至昆明米軌鐵路博物館。

2橡膠輪胎的選擇及其特性

車輛通過輪胎與地面的附著作用產(chǎn)生各種運動，其特性對車輛性能有著至關(guān)重要的作用。輪胎有4個基本功能：1）支撐整車重量；2）緩沖因路面不平順引起對車輛的沖擊力；3）為驅(qū)動和制動提供附著力；4）提供轉(zhuǎn)彎所需的側(cè)向力[9]。橡膠車輪系統(tǒng)城市軌道交通車輛大多采用無內(nèi)胎、膠質(zhì)實心輪胎。無內(nèi)胎輪胎通常也稱“真空胎”，在輪胎內(nèi)部充入惰性氣體。從安全角度講，真空胎是高速行車最為理想的輪胎。真空胎發(fā)熱低、質(zhì)量輕、節(jié)省燃料、使用壽命長，鑒于走行輪需要承受整個車體重量，于是為了安全，幾乎所有的橡膠車輪城市軌道車輛的走行輪均采用無內(nèi)胎輪胎。膠質(zhì)實心輪胎適應(yīng)于低速高負(fù)載苛刻使用條件下運行的車輛，所以通常作為輔助車輪或者用于一些車輛的導(dǎo)向輪。選擇輪胎主要是根據(jù)每種車輛的運行特點、承載能力和路面情況而定。與鋼輪相比，橡膠車輪具有很好的彈性和抓地力，故具有更好的爬坡能力，并且能降低運行時的噪聲。爬坡的能力與地面附著力的大小有很大關(guān)系，附著力取決于路面狀況、粗糙度以及輪胎橡膠材質(zhì)、花紋、幾何尺寸、氣壓。對于傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌系統(tǒng)，輪軌接觸屬于金屬與金屬之間的接觸，所以附著力很小，在超過牽引力所能承受的坡度時，容易滑坡。與傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)比較，橡膠車輪具有復(fù)雜的力學(xué)特性，輪胎的力學(xué)特性對車輛的穩(wěn)定性、舒適性、動力性、安全性起著舉足輕重的作用。輪胎力學(xué)特性如下：1）輪胎縱向力學(xué)特性。影響縱向力學(xué)特性的主要因素是滾動阻力，車輪滾動時，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支撐路面的變形。當(dāng)輪胎在硬路面滾動時，輪胎徑向變形是主要的，由于輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失使輪胎變形時對它做的功不能全部回收[10]。2）輪胎垂向力學(xué)特性。充氣輪胎的緩沖作用與輪胎的彈性有關(guān)，輪胎的剛度特性對車輛的行駛平順性、行駛穩(wěn)定性和制動性均有著重要影響。3）輪胎的側(cè)向力學(xué)特性。其中輪胎的側(cè)偏特性很大程度上決定了車輛的操縱穩(wěn)定性，包括各種垂直載荷下輪胎的縱向力、側(cè)向力和回正力矩與側(cè)偏角、縱向滑移率的關(guān)系[11]。

3結(jié)束語

隨著世界各國對城市化建設(shè)要求的提高，橡膠車輪系統(tǒng)城市軌道車輛受到了國內(nèi)外的高度重視，但其發(fā)展歷史不長，仍處于較新的研究領(lǐng)域。其在法國、日本、美國、澳大利亞等國應(yīng)用比較廣泛，我國對其技術(shù)的掌握和研究還比較有限。近幾年引用國外技術(shù)，橡膠車輪城市軌道車輛在重慶、北京、天津、上海等城市投入營運。目前，我國的城市交通系統(tǒng)存有諸多問題，譬如交通擁擠、車輛產(chǎn)生噪聲大、交通結(jié)構(gòu)比較單一。通過本文對國內(nèi)外橡膠車輪城市軌道車輛的研究，可總結(jié)出橡膠車輪具有振動小、噪聲小、爬坡能力強(qiáng)、通過曲線半徑小、乘坐舒適性高的特點。并且由于橡膠車輪城市軌道交通車輛的運行模式，能美化城市景觀，所以該型車輛適合我國城市交通的建設(shè)。但該系統(tǒng)也有不足的地方，例如：輪胎磨耗嚴(yán)重導(dǎo)致其壽命短、維修費用過高；由于橡膠車輪系統(tǒng)在國際上還沒有一個共識的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其并不適合高運量重載鐵路，只適合中、小型運量；與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌系統(tǒng)車輛還沒有很好地銜接。綜上所述，結(jié)合橡膠車輪城市軌道交通車輛的優(yōu)缺點，其在我國城市軌道交通的建設(shè)上具有可行性。在原有城市軌道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展橡膠車輪城市軌道車輛可增強(qiáng)我國城市交通的多元化。

作者：李東宇李芾李剛單位：西南交通大學(xué)機(jī)車車輛工程系