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直线电机系统在重庆市轨道交通中的应用初探

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直线电机系统在重庆市轨道交通中的应用初探

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 重庆市轨道交通线网规划

重庆市轨道交通线网规划由6线1环组成,共计354km。2010年(近期)前实施的线网由1、2、3号线以及6号线的北段组成,形成“大”字型的线网骨架见图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 重庆市轨道交通线网规划的特点

(1)该线网贯穿城区,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)从线网规划的客流预测看,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,重庆的整个线网各线客流规模均在3万人次左右,属于中运量级别的线网。

(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网络系统。轨道交通1号线在线网中的作用举足轻重,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。规划线网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;“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网中的一条骨干线路,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,这样在线路平面选线时,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网,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、小编组”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、小编组”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网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,大部分部件为在线可更换单元,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/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网,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网规划中,除2、3号线采用单轨模式外,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

(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。

江苏双云防爆电机有限公司是生产防爆变频电机产品的专业公司,是中国电器工业协会成员。生产多种型号防爆变频电机产品,先后取得了国家颁发的各项证书.