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1膠輪路軌系統的背景及現狀

1.1單軌系統單軌系統也稱獨軌系統，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，其屬于中等運量型的車輛。單軌交通歷史悠久，已有近200年的發展歷史。早在1821年英國人HenryPalmer就研發出了單軌鐵路。經過100多年的發展，第二次世界大戰后，單軌技術趨于成熟，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、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，其軌道由預應力混凝土制作。第一輛跨座式單軌車輛是在1958年，由德國人Ax-elienardwenner-Gren研發出的ALWEG型[2]單軌車輛。車輛采用跨座式無搖枕二軸轉向架設計，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；采用無內胎鋼絲橡膠輪胎，內充氮氣，其彈性主要緩沖豎直方向的振動；轉向架兩側上方有4個導向輪，下方有2個穩定輪，均采用帶有尼龍絲無輪緣的橡膠車輪，內充入壓縮空氣，可以緩沖車輛橫向振動[3]。為了防止橡膠輪胎爆胎等事故，導向輪和穩定輪均設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，還設置內壓檢測等裝置[4]。跨座式單軌車輛轉向架如圖2所示。構架采用鋼板焊接結構，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，為了實現車體輕量化，故采用鋁合金焊接結構。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，當事故發生時，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州的華特迪士尼世界度假區線[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用。重慶跨座式單軌列車如圖4所示，供電接觸網軌道梁側面剛性接觸，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，導向輪直徑為730mm，穩定輪直徑為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]，經過20個站點，最高速度60km/h，年載客量達到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，轉向架采用懸掛式二軸轉向架設計，且為鋼板焊接結構。與跨座式單軌車輛轉向架走行部的不同是：懸掛式單軌車輛轉向架（見圖6）沒有穩定輪，設走行輪和導向輪各4個，均為橡膠充氣輪胎，為保障安全預防輪胎泄氣或爆裂，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、液壓減振器構成。因為膠輪在封閉環境下運行，所以不受惡劣天氣影響，但也受轉向架和軌道形式的影響，遇到突發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用。懸掛式單軌車輛建設周期短、制造車本低、無需擴展城市公路設施，而且在高架上運行，增強城市景觀，結合我國的交通實際情況，適合在我國建設和推廣。但是單軌車輛也存在橡膠車輪與軌道梁摩擦產生橡膠粉塵的現象，對環境有輕度污染，列車運行在此區間發生事故時救援相對較為困難。

1.2新型交通系統

目前，世界各國對新型交通系統還沒有一個明確的概念。廣義上指的是那些所有現代化新型公共交通方式的總稱。狹義上講，即自動化導軌交通系統（Au-tomatedGuidewayTransit，簡稱ATG），該系統是中小運量型車輛運行在具有側向或中央導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，可單車或數輛編組[7]。ATG是在1963年由美國西尼電氣公司研發并應用的，在美國多作為機場內的交通工具。經過多年發展，尤以日本和法國在技術和規模上處于領先地位。在日本稱AGT，在法國稱為VAL（VehiculeAutomatiqueLeger，即全自動捷運系統）。

1.2.1AGT1981年，日本首次開通營業運行“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]，對城市生態環境有很好的保護，并且建設費用低，所以AGT系統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側向接觸軌受流。AGT車輛的走行部采用橡膠輪胎，并具有轉向機構，其分為三種導向方式（如圖8所示）：一種是側面導向方式，導向軌布置于行駛面兩側，導向輪沿著導向軌導向行駛；一種是中央導向方式，導向軌設置于走行軌道間的中心線處的工型鋼質導軌，導向輪夾其腹板導向行駛；另一種是中央溝槽導向方式，在兩條行車軌道間的中央槽中，導向輪沿著行車軌道側壁導向行駛[4]。如果車輛采用兩側導向方式，轉向架為單軸轉向架，由2個走行輪和2個導向輪構成；若采用中央導向方式，轉向架為兩軸轉向架，由4個走行輪和4個導向輪構成。因采用膠輪，所以設置了在漏泄狀態也能運行的鋼制輔助車輪；而且新型交通系統是雙向運行，因此前后軸必須都能轉向。車輪與軌面的黏著性能好，與鋼輪鋼軌相比能產生較大的摩擦力，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，又具有較強的爬坡能力，因此可以適應較為復雜的地形。橡膠輪壽命能達到10萬km左右，列車編組一般在4~6節，最高速度在60km/h左右。北京首都機場也采用了AGT車輛（見圖9），在機場T3航站樓A座、B座和C座之間承擔運載任務。該系統采用加拿大龐巴迪公司設計方案，無人駕駛，單程行車線路為2080m，設有3個乘車站，2008年3月正式運營。

1.2.2VALVAL是20世紀80年代基于RobertGabi-llard教授發明的膠輪路軌系統技術，由Matra公司設計的一套軌道運輸系統，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計，采用單軸轉向架；前后4個導向輪，一般采用內部充填聚胺脂的實心膠輪；中間2個走行輪，內部通常充入氮氣[4]；構架前后兩端設有導向滾輪，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80km/h，運營速度可達34km/h，每天運量可達12萬人次。由于膠輪磨耗大，有粉塵，所以不如鋼輪經久耐用。膠輪使用壽命相對較短，同時運行能耗也相應加大，其載客能力相對較低，使這種交通擴大載運量也受到了一定限制。此外，該系統采用充氣橡膠車輪，還需要有預防爆裂和發生爆裂后的安全措施和裝置。

1.3現代有軌電車傳統有軌電車采用鋼輪鋼軌系統，沒有隔聲措施，以至于引起的噪聲大，對城市的生態環境影響較大。為了克服缺點，近年來，法國勞爾重工（Rollindustry）公司研制出膠輪導向巴士電車系統，也就是現代有軌電車（Translohr），如圖11所示，法國克萊蒙費朗勞爾電車。Translohr是Roll公司于2001年開發出的橡膠車輪的低地板有軌電車，采用單軌導向技術，膠輪負責牽引車輛，導輪負責引導車輛的行駛方向，中央軌道導向系統如圖12所示。與傳統的有軌電車相比，Translohr爬坡能力強（最大坡度可達13%），通過小半徑曲線能力強（可達10.5m）[8]，噪聲小，并且保留了傳統有軌電車便利性、中等規模運輸量等特點。2007年5月10日，天津濱海新區開通了全長7.6km的從法國引進的勞爾電車，是我國大陸境內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胎橡膠車輪，上海張江地區勞爾電車非動力轉向架如圖13所示。為減小線路的影響范圍，實現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的勞爾電車。其采用接觸網受電，3節車輛鉸接式編組，最高運營速度可達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，由于當地路面的結構，車內的噪聲較大，候車的時間較長，不適合在繁華的街道運行，所以還需要進一步地研究強化，并結合我國道路交通系統的結構特點來發展此類電車。

1.4我國最早的橡膠車輪車輛1932年5月22日，在已經運行于滇越鐵路線（昆明—河內）的內燃動車組上安裝了由米其林輪胎公司生產的橡膠輪胎，通常叫它“米其林動車組”（曾經改名為紅旗號），同時是國內唯一一條米軌鐵路。如圖15所示，我國最早的米其林橡膠車輪內燃動車組，車長16m，寬2.6m，自重8t，采用汽油內燃發動機。該車組最為獨特的部分在于它的走行部，每個轉向架上有4對車輪，采用鋼制輪輞和橡膠車輪一體化設計，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，而且還能提高車速，在當時最高速度可達100km/h，曾創下時速記錄。到20世紀80年代因零件不易購置而失修，后經國家花費大量財力修復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生各種運動，其特性對車輛性能有著至關重要的作用。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）為驅動和制動提供附著力；4）提供轉彎所需的側向力[9]。橡膠車輪系統城市軌道交通車輛大多采用無內胎、膠質實心輪胎。無內胎輪胎通常也稱“真空胎”，在輪胎內部充入惰性氣體。從安全角度講，真空胎是高速行車最為理想的輪胎。真空胎發熱低、質量輕、節省燃料、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胎輪胎。膠質實心輪胎適應于低速高負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向輪。選擇輪胎主要是根據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系，附著力取決于路面狀況、粗糙度以及輪胎橡膠材質、花紋、幾何尺寸、氣壓。對于傳統的鋼輪鋼軌系統，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。與傳統輪軌系統比較，橡膠車輪具有復雜的力學特性，輪胎的力學特性對車輛的穩定性、舒適性、動力性、安全性起著舉足輕重的作用。輪胎力學特性如下：1）輪胎縱向力學特性。影響縱向力學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域產生法向、切向的相互作用力以及相應的輪胎和支撐路面的變形。當輪胎在硬路面滾動時，輪胎徑向變形是主要的，由于輪胎內部摩擦產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）輪胎垂向力學特性。充氣輪胎的緩沖作用與輪胎的彈性有關，輪胎的剛度特性對車輛的行駛平順性、行駛穩定性和制動性均有著重要影響。3）輪胎的側向力學特性。其中輪胎的側偏特性很大程度上決定了車輛的操縱穩定性，包括各種垂直載荷下輪胎的縱向力、側向力和回正力矩與側偏角、縱向滑移率的關系[11]。

3結束語

隨著世界各國對城市化建設要求的提高，橡膠車輪系統城市軌道車輛受到了國內外的高度重視，但其發展歷史不長，仍處于較新的研究領域。其在法國、日本、美國、澳大利亞等國應用比較廣泛，我國對其技術的掌握和研究還比較有限。近幾年引用國外技術，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存有諸多問題，譬如交通擁擠、車輛產生噪聲大、交通結構比較單一。通過本文對國內外橡膠車輪城市軌道車輛的研究，可總結出橡膠車輪具有振動小、噪聲小、爬坡能力強、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。但該系統也有不足的地方，例如：輪胎磨耗嚴重導致其壽命短、維修費用過高；由于橡膠車輪系統在國際上還沒有一個共識的標準，導致其并不適合高運量重載鐵路，只適合中、小型運量；與傳統鋼輪鋼軌系統車輛還沒有很好地銜接。綜上所述，結合橡膠車輪城市軌道交通車輛的優缺點，其在我國城市軌道交通的建設上具有可行性。在原有城市軌道系統的基礎上，發展橡膠車輪城市軌道車輛可增強我國城市交通的多元化。

作者：李東宇李芾李剛單位：西南交通大學機車車輛工程系