橡胶车轮城市轨道交通论文

1胶轮路轨系统的背景及现状

1.1单轨系统单轨系统也称独轨系统，是采用一种大断面轨道，车辆跨座于其上或悬挂于其下的轨道交通系统，其属于中等运量型的车辆。单轨交通历史悠久，已有近200年的发展历史。早在1821年英国人HenryPalmer就研发出了单轨铁路。经过100多年的发展，第二次世界大战后，单轨技术趋于成熟，许多国家开始重视起来。单轨车采用橡胶车轮，按支撑方式可分为跨座式和悬挂式，其特点是爬坡能力强、通过曲线半径小、噪声低、轮轨间振动小、占地少、空间利用率高、投资低。

1.1.1跨座式单轨车辆车辆跨座在轨道梁上方，其轨道由预应力混凝土制作。第一辆跨座式单轨车辆是在1958年，由德国人Ax-elienardwenner-Gren研发出的ALWEG型[2]单轨车辆。车辆采用跨座式无摇枕二轴转向架设计，中央悬挂装置为空气弹簧。走行轮轴和水平轮轴均为单悬臂固定在转向架上，且装有4个走行轮，分配在两个走行轮轴上；采用无内胎钢丝橡胶轮胎，内充氮气，其弹性主要缓冲竖直方向的振动；转向架两侧上方有4个导向轮，下方有2个稳定轮，均采用带有尼龙丝无轮缘的橡胶车轮，内充入压缩空气，可以缓冲车辆横向振动[3]。为了防止橡胶轮胎爆胎等事故，导向轮和稳定轮均设置了一个钢制辅助车轮，走行轮不仅安装橡胶实心辅助车轮，还设置内压检测等装置[4]。跨座式单轨车辆转向架如图2所示。构架采用钢板焊接结构，有足够的度；中央悬挂装置采用空气弹簧，可减小车体振动，提高乘坐舒适度。因其受橡胶轮胎载重的限制，为了实现车体轻量化，故采用铝合金焊接结构。由于橡胶车轮寿命短，能耗相对大，使车辆更换轮胎频繁，故维修成本高。而且因其处于高架，当事故发生时，不容易救援。澳大利亚、美国、日本、意大利等许多国家都建设了这种形式的单轨交通，其中日本是使用单轨最多的国家。日本有6个城市有单轨铁路，分别是东京羽田机场线、奈良线、大阪万国博览会线、北九州线、多摩线、冲绳那霸线，其中东京的单轨铁路年载客量超过1亿人次。在美国，加州迪士尼乐园观光线及佛罗里达州的华特迪士尼世界度假区线[5]，每年载客量超过500万人次。美国加州迪士尼乐园观光线跨座式单轨车辆如图3所示。单轨列车可4辆～6辆编组，单向运能为1万～2.5万人次/h，最高速度可达80km/h，一般运营速度30～35km/h。中国首条跨座式单轨线路于2006年在重庆正式开通运营。由于重庆市道路坡陡、弯急、路窄，所以跨座式单轨车适合在重庆推广应用。重庆跨座式单轨列车如图4所示，供电接触网轨道梁侧面刚性接触，1500V直流供电，车辆长度为15500mm，宽度为2980mm，高度为5300mm，走行轮直径为1006mm，导向轮直径为730mm，稳定轮直径为730mm，最大爬坡度是6%，最小通过半径为50m[6]。

1.1.2悬挂式单轨车辆第一辆悬挂式单轨车辆是由德国Langen发明，于1901年在德国的乌泊塔开始运营，如图5所示。德国乌帕塔悬挂式单轨线，线路总长13.3km[2]，经过20个站点，最高速度60km/h，年载客量达到2500万人次。悬挂式单轨车辆的轨道梁采用下端开口式钢制箱型断面，车辆悬挂在轨道梁下方，转向架采用悬挂式二轴转向架设计，且为钢板焊接结构。与跨座式单轨车辆转向架走行部的不同是：悬挂式单轨车辆转向架（见图6）没有稳定轮，设走行轮和导向轮各4个，均为橡胶充气轮胎，为保障安全预防轮胎泄气或爆裂，橡胶车轮也配有钢制辅助车轮。车体的悬挂装置由悬挂吊杆、液压减振器构成。因为胶轮在封闭环境下运行，所以不受恶劣天气影响，但也受转向架和轨道形式的影响，遇到突发状况时无法及时处理，维修困难。目前，悬挂式单轨车辆在我国尚未运用，但是在德国、日本等许多国家都得到广泛应用。悬挂式单轨车辆建设周期短、制造车本低、无需扩展城市公路设施，而且在高架上运行，增强城市景观，结合我国的交通实际情况，适合在我国建设和推广。但是单轨车辆也存在橡胶车轮与轨道梁摩擦产生橡胶粉尘的现象，对环境有轻度污染，列车运行在此区间发生事故时救援相对较为困难。

1.2新型交通系统

目前，世界各国对新型交通系统还没有一个明确的概念。广义上指的是那些所有现代化新型公共交通方式的总称。狭义上讲，即自动化导轨交通系统（Au-tomatedGuidewayTransit，简称ATG），该系统是中小运量型车辆运行在具有侧向或中央导轨专用混凝土轨道上，车辆通常采用小轻量的橡胶轮胎，由电气牵引，可单车或数辆编组[7]。ATG是在1963年由美国西尼电气公司研发并应用的，在美国多作为机场内的交通工具。经过多年发展，尤以日本和法国在技术和规模上处于领先地位。在日本称AGT，在法国称为VAL（VehiculeAutomatiqueLeger，即全自动捷运系统）。

1.2.1AGT1981年，日本首次开通营业运行“神户港岛线”和“大阪南港港口城市线”两条线路。由于采用橡胶轮胎，噪声小[7]，对城市生态环境有很好的保护，并且建设费用低，所以AGT系统在日本深受欢迎和重视，到目前，已有14条线。运行在日本神户港岛线的2000型列车如图7所示，线路总长度10.8km，采用600V、60Hz侧向接触轨受流。AGT车辆的走行部采用橡胶轮胎，并具有转向机构，其分为三种导向方式（如图8所示）：一种是侧面导向方式，导向轨布置于行驶面两侧，导向轮沿着导向轨导向行驶；一种是中央导向方式，导向轨设置于走行轨道间的中心线处的工型钢质导轨，导向轮夹其腹板导向行驶；另一种是中央沟槽导向方式，在两条行车轨道间的中央槽中，导向轮沿着行车轨道侧壁导向行驶[4]。如果车辆采用两侧导向方式，转向架为单轴转向架，由2个走行轮和2个导向轮构成；若采用中央导向方式，转向架为两轴转向架，由4个走行轮和4个导向轮构成。因采用胶轮，所以设置了在漏泄状态也能运行的钢制辅助车轮；而且新型交通系统是双向运行，因此前后轴必须都能转向。车轮与轨面的黏着性能好，与钢轮钢轨相比能产生较大的摩擦力，可缩短加减速度时间，增大爬坡能力。列车最小平面曲线半径仅为30m，又具有较强的爬坡能力，因此可以适应较为复杂的地形。橡胶轮寿命能达到10万km左右，列车编组一般在4~6节，最高速度在60km/h左右。北京首都机场也采用了AGT车辆（见图9），在机场T3航站楼A座、B座和C座之间承担运载任务。该系统采用加拿大庞巴迪公司设计方案，无人驾驶，单程行车线路为2080m，设有3个乘车站，2008年3月正式运营。

1.2.2VALVAL是20世纪80年代基于RobertGabi-llard教授发明的胶轮路轨系统技术，由Matra公司设计的一套轨道运输系统，于1983年5月在法国里尔开通营运。为了减小成本，剔除了橡胶和钢轮并用的设计，采用单轴转向架；前后4个导向轮，一般采用内部充填聚胺脂的实心胶轮；中间2个走行轮，内部通常充入氮气[4]；构架前后两端设有导向滚轮，如图10所示。法国里尔VAL车辆，全自动无人驾驶，最高速度可达80km/h，运营速度可达34km/h，每天运量可达12万人次。由于胶轮磨耗大，有粉尘，所以不如钢轮经久耐用。胶轮使用寿命相对较短，同时运行能耗也相应加大，其载客能力相对较低，使这种交通扩大载运量也受到了一定限制。此外，该系统采用充气橡胶车轮，还需要有预防爆裂和发生爆裂后的安全措施和装置。

1.3现代有轨电车传统有轨电车采用钢轮钢轨系统，没有隔声措施，以至于引起的噪声大，对城市的生态环境影响较大。为了克服缺点，近年来，法国劳尔重工（Rollindustry）公司研制出胶轮导向巴士电车系统，也就是现代有轨电车（Translohr），如图11所示，法国克莱蒙费朗劳尔电车。Translohr是Roll公司于2001年开发出的橡胶车轮的低地板有轨电车，采用单轨导向技术，胶轮负责牵引车辆，导轮负责引导车辆的行驶方向，中央轨道导向系统如图12所示。与传统的有轨电车相比，Translohr爬坡能力强（最大坡度可达13%），通过小半径曲线能力强（可达10.5m）[8]，噪声小，并且保留了传统有轨电车便利性、中等规模运输量等特点。2007年5月10日，天津滨海新区开通了全长7.6km的从法国引进的劳尔电车，是我国大陆境内第一个使用劳尔电车的城市。2009年12月31日，上海浦东张江高科新区也开通了全长10km的胶轮有轨电车，走行轮采用充入氮气的无内胎橡胶车轮，上海张江地区劳尔电车非动力转向架如图13所示。为减小线路的影响范围，实现有轨电车和社会车辆混行的方式，道路中央双车道独立双向运行，如图14所示，为运行在上海浦东张江高科新区的劳尔电车。其采用接触网受电，3节车辆铰接式编组，最高运营速度可达20km/h，最高时速70km，总载客量约167人/列，地板高仅为260mm。但也有一定的缺点，由于当地路面的结构，车内的噪声较大，候车的时间较长，不适合在繁华的街道运行，所以还需要进一步地研究强化，并结合我国道路交通系统的结构特点来发展此类电车。

1.4我国最早的橡胶车轮车辆1932年5月22日，在已经运行于滇越铁路线（昆明—河内）的内燃动车组上安装了由米其林轮胎公司生产的橡胶轮胎，通常叫它“米其林动车组”（曾经改名为红旗号），同时是国内唯一一条米轨铁路。如图15所示，我国最早的米其林橡胶车轮内燃动车组，车长16m，宽2.6m，自重8t，采用汽油内燃发动机。该车组最为独特的部分在于它的走行部，每个转向架上有4对车轮，采用钢制轮辋和橡胶车轮一体化设计，车轮踏面都套装可自动也可人工充气的凸形橡胶轮胎，可以使噪声减小，减振好，乘坐舒适性加强，而且还能提高车速，在当时最高速度可达100km/h，曾创下时速记录。到20世纪80年代因零件不易购置而失修，后经国家花费大量财力修复并移至昆明米轨铁路博物馆。

2橡胶轮胎的选择及其特性

车辆通过轮胎与地面的附着作用产生各种运动，其特性对车辆性能有着至关重要的作用。轮胎有4个基本功能：1）支撑整车重量；2）缓冲因路面不平顺引起对车辆的冲击力；3）为驱动和制动提供附着力；4）提供转弯所需的侧向力[9]。橡胶车轮系统城市轨道交通车辆大多采用无内胎、胶质实心轮胎。无内胎轮胎通常也称“真空胎”，在轮胎内部充入惰性气体。从安全角度讲，真空胎是高速行车最为理想的轮胎。真空胎发热低、质量轻、节省燃料、使用寿命长，鉴于走行轮需要承受整个车体重量，于是为了安全，几乎所有的橡胶车轮城市轨道车辆的走行轮均采用无内胎轮胎。胶质实心轮胎适应于低速高负载苛刻使用条件下运行的车辆，所以通常作为辅助车轮或者用于一些车辆的导向轮。选择轮胎主要是根据每种车辆的运行特点、承载能力和路面情况而定。与钢轮相比，橡胶车轮具有很好的弹性和抓地力，故具有更好的爬坡能力，并且能降低运行时的噪声。爬坡的能力与地面附着力的大小有很大关系，附着力取决于路面状况、粗糙度以及轮胎橡胶材质、花纹、几何尺寸、气压。对于传统的钢轮钢轨系统，轮轨接触属于金属与金属之间的接触，所以附着力很小，在超过牵引力所能承受的坡度时，容易滑坡。与传统轮轨系统比较，橡胶车轮具有复杂的力学特性，轮胎的力学特性对车辆的稳定性、舒适性、动力性、安全性起着举足轻重的作用。轮胎力学特性如下：1）轮胎纵向力学特性。影响纵向力学特性的主要因素是滚动阻力，车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支撑路面的变形。当轮胎在硬路面滚动时，轮胎径向变形是主要的，由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失使轮胎变形时对它做的功不能全部回收[10]。2）轮胎垂向力学特性。充气轮胎的缓冲作用与轮胎的弹性有关，轮胎的刚度特性对车辆的行驶平顺性、行驶稳定性和制动性均有着重要影响。3）轮胎的侧向力学特性。其中轮胎的侧偏特性很大程度上决定了车辆的操纵稳定性，包括各种垂直载荷下轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩与侧偏角、纵向滑移率的关系[11]。

3结束语

随着世界各国对城市化建设要求的提高，橡胶车轮系统城市轨道车辆受到了国内外的高度重视，但其发展历史不长，仍处于较新的研究领域。其在法国、日本、美国、澳大利亚等国应用比较广泛，我国对其技术的掌握和研究还比较有限。近几年引用国外技术，橡胶车轮城市轨道车辆在重庆、北京、天津、上海等城市投入营运。目前，我国的城市交通系统存有诸多问题，譬如交通拥挤、车辆产生噪声大、交通结构比较单一。通过本文对国内外橡胶车轮城市轨道车辆的研究，可总结出橡胶车轮具有振动小、噪声小、爬坡能力强、通过曲线半径小、乘坐舒适性高的特点。并且由于橡胶车轮城市轨道交通车辆的运行模式，能美化城市景观，所以该型车辆适合我国城市交通的建设。但该系统也有不足的地方，例如：轮胎磨耗严重导致其寿命短、维修费用过高；由于橡胶车轮系统在国际上还没有一个共识的标准，导致其并不适合高运量重载铁路，只适合中、小型运量；与传统钢轮钢轨系统车辆还没有很好地衔接。综上所述，结合橡胶车轮城市轨道交通车辆的优缺点，其在我国城市轨道交通的建设上具有可行性。在原有城市轨道系统的基础上，发展橡胶车轮城市轨道车辆可增强我国城市交通的多元化。

作者：李东宇李芾李刚单位：西南交通大学机车车辆工程系