1、 专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 摘 要阐述直线电机车辆具有爬坡能力强、转弯半径小等优点，介绍国内外直线电机车辆的技术特点和现状，对直线电机车辆转向架设计、电气牵引系统、辅助系统、制动系统等方面进行详细介绍，指出直线电机车辆在国内的未来应用和发展趋势。关键词直线电机; 车辆; 转向架; 牵引控制系统; 制动系统1直线电机车辆概述直线电机车辆是当今世界先进的城市轨道交通移动装备，因其采用直线电机牵引技术而得名。直线电机车辆的原理是固定在转向架的定子( 一次线圈) 通过交流电流，产生移动磁场，通过相互作用，使固定在道床上的展开转子 ( 二次线圈、通常称为感应板) 产生磁场，通过磁力( 吸引
2、、排斥) ，实现轨道车辆的运行和制动。相对于旋转电机车辆，直线电机车辆具有以下优势:1) 直线电机牵引属于典型的非粘着驱动，不受轮轨之间粘着限制，具有良好的爬坡能力，常规的旋转电机坡度一般不超过 30 40，而直线电机爬坡可达60 80，且不易受雨雪天气的影响。2) 直线电机为扁平设计，车轮只起车体的支撑作用，轮径较小，车辆的轮廓尺寸可以减小，隧道断面小，可节省工程投资。3) 方便采用自导或迫导型径向转向架，允许车辆通过半径小的曲线，为轨道线路设计提供了较大的选择范围，避免了地面建筑物或地下管线的大量拆除和重建的费用。4) 直线电机牵引无需减速齿轮等装置，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标大大减低。我
3、国地域辽阔，丘陵起伏，大江大河纵贯全国，如建设坡度超过 30以上的城市轨道交通线路，就特别适合选择直线电机车辆。2国内外直线电机车辆现状2 1国外现状目前，直线电机车辆技术在国外已经有 30 多年的运用经验，总运用里程超过 200 km。直线电机运载系统在国外是技术成熟、安全可靠的轨道交通运载系统。国外直线电机轮轨车辆系统均属于中小运量，车辆的载客量和尺寸都不大。国外应用情况见表 1。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 国外直线电机车辆的主要制造厂商有庞巴迪、川崎重工等公司。加拿大是世界上最早采用直线电机车辆技术的国家，其直线电机车辆为庞巴迪公司制造。为满足线路的灵活性以及高架车站总体规模
4、、客流因素等需要，一般采用小编组、高密度、小运量系统。庞巴迪公司制造的车辆宽 2 65 m，车辆适合于专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 小编组的轻轨系统，额定载客量大都在 200 人/车以下，多伦多采用此类型 MKI 和 JFK MKII 直线电机车辆。日本是世界上拥有直线电机车辆线路最多的国家。为便于线路通过，日本一般采用 2 5 m 宽窄体车，大编组、载客量更小的小型化系统，以降低土建价格。东京大江户线 12 -000 型车辆和福冈地铁 3 号线 3000型车辆都是此类型车辆。2 2国内现状国内早在 20 世纪 80 年代就开始研究直线电机驱动方式的运载系统。2005 年 12 月国
5、内第 1 条城市轨道交通直线电机车辆线路在广州开通运营，2008 、2009 年首都国际机场线直线电机车辆线路和广州地铁 5 号线直线电机车辆线路相继开通运营，2011 年广州地铁 5 号线增购具有自主知识产权的国产化直线电机车辆和广州地铁 6 号线直线电机车辆相继下线。到目前为止，国内运用直线电机车辆的线路总里程近 150 km。国内直线电机车辆生产厂商主要是南车青岛四方和长春客车股份。南车青岛四方为国内直线电机车辆交付数量最多、品种最全的企业，将为广州地铁 4 6号线设计制造中大运量的直线电机车辆共 696 辆，直线电机车辆累计运营超过 3 000 万 km，单车最高运行里程超过 85 万
6、 km; 长春客车股份为首都国际机场线设计制造了中等运量直线电机车辆 40 辆。国内应用情况见表 2。2 2 1广州地铁直线电机车辆系列产品广州地铁 4 号线直线电机车辆是世界上第 1 列中大运量的直线电机车辆，它的开通标志着我国基本掌握了直线电机轨道交通系统的设计和制造技术，填补了国内直线电机车辆技术的空白，有力地推动了直线电机运载系统国产化及产业化的进程，为我国推广直线电机运载系统起到了良好的示范作用。图 1 图 3 为广州地铁直线电机车辆，图 4 为首都国际机场线直线电机车辆。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 广 州 地 铁 正线坡度达到 5
7、5，车场线 和 辅 助 线坡度达到 60，最小平面 曲 线 半 径正线 150 m( 车场线60 m) 。车辆的主要 技 术 参 数 见表 3。表 3 广州地铁直线电机车辆的技术参数专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 2 2 2首都国际机场线直线电机车辆2008 年首都国际机场线直线电机车辆投入运营。全线正线线路总长 28 1 km，地下线 9 3 专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 km，U 型槽1 2 km，地面线 2 4 km，高架线 15 2 km，最小平面正线曲线半径 200 m( 车场线 70 m) ，最大纵坡 35。首都机场线直线电机车辆的主要参数见表 4。3直线电机车辆
8、技术现状影响行车安全的铝合金车体设计制造、转向架设计制造及电气系统集成是直线电机车辆的核心技术。3 1铝合金车体技术采用铝合金车体是车辆轻量化的保证。直线电机车辆车体可以按照 JIS 标准进行铝合金车体焊接制造，也能按照欧洲 EN 标准进行铝合金车体焊接制造。广州直线电机车辆按照 JIS 标准进行铝合金车体焊接制造，采用大型挤压结构铝合金型材焊接而成，鼓形断面。广州地铁的铝合金车体质量平均为 56 t。3 1 1铝合金材料车体主体结构采用铝合金大断面挤压型材及板材制造，采用了 A7N01S -T5、A6N01S- T5、 A5083P- 0 和 A7N01P-T4 等铝合金材料，材料的机械性能
9、、化学成分都符合 JIS 标准的要求。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 3 1 2车体结构车体结构为中空双面铝合金型材，满足作用于铝合金车体上的机械能量吸收。设计完成后，除对车体进行有限元计算分析外，还进行车辆速度大于 15 km/h 的碰撞模拟计算。3 2直线电机转向架技术直线电机车辆采用直线电机驱动，其转向架结构与旋转电机驱动的转向架有很大不同，主要结构特征如下: 轮对轴箱装置。不传递牵引力，轮径较小，功能上与传统地铁拖车轮对轴箱类似。 构架。因内侧无齿轮箱装置，可以把构架侧梁设置在车轮内侧，减小结构尺寸。 一系悬挂。如直线电机采用构架悬挂，一系悬挂垂向刚度需采用大刚度设计，尽可能降
10、低构架沉浮造成的电机气隙变化。 二系悬挂。一般采用空气弹簧，大多设有摇枕，利于通过小半径曲线。为保证车辆倾覆安全性，还可设置抗侧滚扭杆。 制动方式。机械制动大多数采用盘形制动。目前，国内直线电机转向架有 4 种: BM3000 LIM 型转向架、SDB LIM( GZ5) 型转向架、FLEXX Metro2000 型转向架、 MKII 型转向架，其中前 3 种由南车四方股份提供，重点介绍如下。3 2 1 BM3000 LIM 型转向架广州 4、5 号线直线电机车辆采用 BM3000 LIM 型转向架，见图 5。其主要特点如下: 构架采用侧梁内置结构，降低自重; 轴箱、一系悬挂采用内置方式，在适
11、当的定位刚度下，转向架具有自导向能力，适于通过小半径曲线; 直线电机悬挂在轴箱上，消除了一系悬挂系统挠度变化对直线电机与感应板之间气隙的影响; 直线电机间隙调整采用无级高度调整装置; 采用空心车轴，降低簧下重量; 采用外置式基础制动，易于更换闸片，制动盘和闸片散热性能好;3 2 2 FLEXX Metro 2000型转向架广州 6 号线直线电机车辆采用 FLEXX Metro 2000型转向架，该转向架以 BM3000- LIM 为平台，专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 进行了以下调整: 采用轴箱安装径向型接地装置，紧凑、轻巧，有效降低振动水平; 优化直线电机悬挂橡胶节点，采用带有机械锁
12、紧装置的直线电机高度调整装置，连接可靠; 采用带有机械定位方式的心盘结构; 调整和优化车轴尺寸和车轮硬度，使之更适于广州地铁线路和轨道条件; 调整车结构尺寸，降低轮对质量。3 2 3 SDB LIM(GZ5)型转向架广州地铁 5 号线增购车辆采用 SDB- LIM( GZ5) 型转向架，见图 6。该转向架主要特点如下: 模块化设计，整体结构紧凑，轴重大。 直线电机吊挂在独立的轴承支撑箱上，保证运行过程中气隙的稳定; 同时采用独立二级大刚度弹性悬挂，降低冲击和振动。 采用垫片式直线电机高度调整装置，结构简单可靠、操作简便易行。 采用轮装盘形基础制动和紧凑式制动夹钳。 二系悬挂采用空气弹簧、无摇枕
13、结构，降低转向架自重。 牵引装置采用弹性无磨耗 Z 字形牵引装置。 优化车轮硬度，使之适于广州地铁线路和轨道条件。 采用优化的车轴尺寸以及内置式轴承支撑箱，有利于平衡轮对受力、抑制轮对弯曲振动。 国产化率高，维护保养周期合理，费用低。 二系悬挂采用空气弹簧、摇枕结构，同时配以双重防过冲装置，最大限度地保证了安全和舒适性。3 3电气系统直线电机车辆的电气系统主要包括牵引系统、辅助电源系统、列车网络控制管理系统和制动系统。3 3 1牵引系统牵引系统包括牵引控制逆变器和直线电机两大核心部件。1) VVVF 逆变器专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 直线电机的速度、牵 引力以 及电 制 动 力 都
14、 由 VVVF 逆变器控制。 目前，VVVF 逆变器大多采 用 GTO 或者具有自关断能力的 IGBT 元件，比如大阪 7号线和东京 12 号线采用 GTO 开关器件，福冈 3 号线、广州 4 号线和北京机场线采用 IGBT 器件。在逆变器控制中，牵引/ 制动以及向前/向后的转换是通过对滑差频率以及三相输出相序的转换控制来实现的。直线电机车辆通常采用转差控制或矢量控制方法。日本东京都营 12 号线和大阪 7 号线采用转差频率控制，方法简单，转矩响应时间约几百 ms。广州地铁4 6 号线都采用矢量控制方法，这种控制方法动态响应速度快，可对电机电流进行瞬时控制，转矩响应时间约几十 ms。直线电机车
15、辆的 VVVF 逆变器与旋转电机车辆的 VVVF 逆变器在原理和控制上没有区别。广州地铁4 6 号线的 VVVF 逆变器由6 个开关元件 SU SZ 组成，同一时间总是开通其中 3 个开关元件，输出三相交流电压。交流电压频率的调节可以通过改变开关周期( t2) 来实现，而交流电压的幅值变化则可以通过调节开通时间( t1) 来实现。见图 7、图 8。2) 直线电机直线电机实际上是一台被剖开并展平的旋转感应电机，因此它的定子与转子在平面内是平行的。为了保证感应板与直线电机之间的气隙要求，在直线电机上安装有气隙传感器，随时检测气隙大小，并可向列车监控系统提供异常报警。对于不同的直线电机，其冷却方式不同。广州地铁直线电机车辆采用自然风冷( 见图 9) ，而首都国际机场线直线电机采用强迫风冷( 见图 10) 。
