關于如何發(fā)揮直線電機系統(tǒng)優(yōu)勢的思考馮愛軍1 (1.北京城建設計研究總院 北京 100037)
摘 要 直線電機輪軌交通系統(tǒng)因其造價低、線路適用性強、養(yǎng)護維修簡單、噪音低等優(yōu)點，被業(yè)內普遍認為是一種先進的交通方式。通過對世界各地不同國家不同線路運營情況的調研，發(fā)現(xiàn)先進的直線電機系統(tǒng)必須與其他系統(tǒng)協(xié)調匹配，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提出了對如何發(fā)揮直線電機系統(tǒng)優(yōu)勢并推廣的個人思考與建議。
關鍵詞 直線電機系統(tǒng) 軌道交通 思考
The thought of how to develop the advantage of LIM Propulsion SystemFeng aijun 1 (1．Beijing urban engineering design & research institute, Beijing 100037)
Abstract: Key words: linear motor system; rail transit; think直線電機輪軌交通系統(tǒng)因其造價低、線路適用性強、養(yǎng)護維修簡單、噪音低等優(yōu)點，被業(yè)內普遍認為是21世紀先進的交通方式。作者通過對世界各地不同國家不同直線電機線路運營情況的調研，及最近兩年來跟蹤首都機場線直線電機系統(tǒng)應用論證的體會，提出系統(tǒng)的先進性應體現(xiàn)在與其他系統(tǒng)的綜合協(xié)調匹配，對于如何充分發(fā)揮其優(yōu)勢并推廣的提出了個人思考與建議。
1 城建院對直線電機的認識過程 1)1988年參與北京西頤線直線電機的論證工作，對直線電機有了初步的認識。1994年曾針對上海莘閔線進行過應用研究。 2)2003年3月至5月，受北京市交通研究中心委托，課題組克服SARS期間的困難，完成北京市東直門至首都機場線應用直線電機系統(tǒng)的可行性研究報告。 3)2003.6直線電機課題研究在城建集團立項。 4)2003.8.04 發(fā)改委組織機場線技術論證，直線電機方案在會上推出； 5)2003.8—2004.6 多次參與北京機場線直線電機系統(tǒng)的方案論證； 6)2003.11 美國紐約JFK機場線調研; 7)2004.6 組織人員赴馬來西亞吉隆坡進行技術考察; 8)2004.8 采用直線電機系統(tǒng)的重慶三號線可行性研究報告完成； 9)2004.9 加拿大直線電機技術考察； 10)2004.10 “直線電機系統(tǒng)在首都機場線的應用可行性研究”獲北京市優(yōu)秀咨詢成果三等獎； 11)2005.3 與加拿大LANVALIN公司顧問共同就直線電機系統(tǒng)在機場線的應用做技術論證； 12)2005.5 日本直線電機考察。 隨著研究過程的深入，對采用直線電機的城市軌道交通輪軌系統(tǒng)的認識也從膚淺的表面優(yōu)點的認識，逐漸理性化，著眼點也更加關注實施的關鍵問題。
2 首都機場線直線電機系統(tǒng)應用論證的反思 北京首都機場線系統(tǒng)制式的論證從2000年開始，歷經(jīng)高速磁懸浮、城鐵13號線支線普通輪軌、低速磁懸浮（HSST）、高速輪軌、直線電機、普通輪軌的輪回，在我國城市軌道交通建設史上，無疑可以作為一個案例進行分析。 2003年經(jīng)過對直線電機系統(tǒng)的理論研究及對首都機場線的應用研究，結合實地考察實測的數(shù)據(jù)，城建院與北京交通大學的聯(lián)合課題組提出首都機場線采用直線電機系統(tǒng)的6大優(yōu)點，即：1)技術先進、安全可靠：在四個國家七條線路運營實踐證明技術成熟、安全可靠，初步論證說明在東直門至首都機場線上實施是完全可行的，沒有任何技術風險。。2)造價較低：在線路標準、運能一致的前提下，直線電機系統(tǒng)造價較傳統(tǒng)輪軌可減低造價約20%。3)養(yǎng)護維修簡單：直線電機系統(tǒng)無粘著牽引和制動，電機壽命長，其維修、養(yǎng)護、檢查工作量小且簡單、維修費用低。根據(jù)運營經(jīng)驗，直線電機車輛20年內走行不到5億公里無需大修。4)環(huán)保：直線電機系統(tǒng)比普通輪軌系統(tǒng)噪音低8－10dB，最大噪音在73 dB左右，完全滿足國家規(guī)定的環(huán)保標準。5)使用靈活，易于推廣：直線電機系統(tǒng)相比磁懸浮系統(tǒng)具有更高的安全性，且斷電后，輪軌導向可用內燃機車等拖動進行救援；更符合安全地鐵的理念。6)該系統(tǒng)在首都北京2008年開通，是體現(xiàn)科技奧運精神和提升都市形象的載體。 2003年8月的論證會直線電機方案被提出，獲得好評，但因其他原因沒有采納。后經(jīng)過多輪論證，2005年1月確定采用直線電機系統(tǒng)，但從此時開始建設，要保證在2008年奧運之前開通，已是非常緊張，所以，2005年9月，方案被確定為普通輪軌方案。 通過如此輪回，個人認為專業(yè)人士應從中吸取如下經(jīng)驗和教訓： 1)前期對制式的論證過于膚淺，尤其總體單位對系統(tǒng)的整體掌控能力較弱。這一點值得業(yè)主單位在選擇總體單位時借鑒。 2)錯過最佳決策時間。現(xiàn)在看來，首都機場線30公里，基本勻速運行，應是直線電機發(fā)揮最佳效能的條件，決策時間過長，從而喪失了建設一個標志系統(tǒng)的機會。 3)對直線電機車輛這一核心設備研究儲備不足，設備生產廠家僅限于加拿大和日本的2-3家公司，業(yè)主的選擇受制于人。 4)對于工期估算失誤。沒有考慮到這種新系統(tǒng)的設備制造周期和試驗、調試、與試運行的時間，從而工期成為系統(tǒng)選擇的障礙。 5)設計單純夸大了直線電機的優(yōu)點，而沒有從系統(tǒng)的整體匹配與后期維護方面綜合考慮。 6)在軌道交通網(wǎng)絡規(guī)劃方面沒有對采用直線電機系統(tǒng)進行充分論證，沒有形成規(guī)模支持。
3 溫哥華SKYTRAIN成功的啟示 2004年10月，課題組對加拿大溫哥華直線電機系統(tǒng)（SKYTRAIN）進行了考察，深深的體會到綜合交通系統(tǒng)的整體匹配的重要性。 啟示一：綜合交通系統(tǒng)的協(xié)調有組織與決策保障。大溫哥華地區(qū)的公共交通統(tǒng)一由地區(qū)交通管理局管理(Translink)，為整個地區(qū)提供人流和物流的高效運輸，支持大溫地區(qū)的戰(zhàn)略發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展。負責全部公共交通系統(tǒng)、主要道路網(wǎng)的協(xié)作、規(guī)劃和區(qū)域道路網(wǎng)建設與管理、交通系統(tǒng)的整合、交通需求分析等。 啟示二：高架橋的設計充分發(fā)揮了直線電機車輛輕、尺寸小的特點，造價低且造型優(yōu)美。 高架橋采用單室雙箱梁，一線一箱。箱梁兩側設有約50厘米高的擋板，橋上人行步道巧妙的利用兩線箱梁擋板之間的搭板，整個橋面的布局看似簡單，但功能齊全：隔音屏障、防脫軌護欄、疏散平臺。因線路曲線半徑小、坡度變化大，單室小箱梁能較好的適應線形的變化。與車站結構的銜接也較容易。
高架橋斷面圖1 高架橋斷面比較圖 啟示三：車站的設計簡潔明快，與高架橋協(xié)調一致：A、簡潔明快，風格統(tǒng)一又各有特色。 B、車站體量小，站臺寬度沒有特別限制。C、車站布局、結構與區(qū)間橋梁整體搭配，結構合理，充分利用了橋下空間。D、車站與周圍建筑相協(xié)調，地鐵廣場連接大型超市及購物廣場。E、各種交通方式合理銜接，公共交通換乘方便。
圖2 新千年線車站示意圖 啟示四：噪聲控制效果良好，得益于SKYTRAIN的整體技術，從車輛、線路、橋梁、軌道等方面綜合采取措施，以降低噪音。 我們現(xiàn)場應用噪聲儀對SKYTRAIN新線、舊線；新車和舊車；車內和車外進行了噪聲測試。具體數(shù)據(jù)見下表：表1：車內噪聲數(shù)據(jù)（dB）
| 啟動 | 運行(平均) | 停車 |
| EXPO線 | 73 | 78 | 83-63 |
| 新千年線 | 70（68） | 73 | 83-63 |
| 備注 | 啟動時主要是電機的聲音，加速和減速時最大。運行平穩(wěn)時，較小，尤其是新車。但過岔時噪聲較大，最高能達到83 dB。 |
表2：車外噪聲數(shù)據(jù)（dB）
| 車站箱梁底部通道 | 1米處（站臺） | 15米處 |
| 數(shù)值 | 80 | 制動最大86 | 73 |
以下是不同線路車內噪聲的匯總表表3： 車內噪聲數(shù)據(jù)匯總表（dB）
| 地區(qū) | 系統(tǒng) | 車內噪音 | 車外噪音 |
| EXPO線 | 1985年開通 | 78dB(A) | 73dB(A) |
| 新千年線 | 2002開通 | 73dB(A) | 73dB(A) |
| 吉隆坡 | 2001年開通 | 78dB(A) | 區(qū)間無法測 |
| 多倫多 | 1985年開通 | 88dB(A) | 83dB(A) |
| 香港 | 英國車 | 78dB(A) | 84dB(A) |
總體感覺，車內噪聲低于傳統(tǒng)輪軌約5-10 dB，新車優(yōu)于舊車，新線優(yōu)于舊線。線外尤其是橋梁外的噪聲較小，比傳統(tǒng)輪軌低約10 dB。直線電機系統(tǒng)是其中的一項主要貢獻，但更重要的是應整體考慮。 啟示五：嚴格細致的實驗檢測技術
我們參觀了bombardier的金斯頓試驗工廠(Kingston)，對我們感觸較深的其一是嚴格的檢測制度，直線電機的每一輛車均需經(jīng)過嚴格的系統(tǒng)測試，包括車輛的穩(wěn)定性、安全性、供電與信號和屏蔽門的測試等，測試時間最短2個月，長的多達半年。因此，一條線的車輛從定貨到交付大約需要4-5年的時間。雖然時間較長，但系統(tǒng)的可靠性是非常強的。其二實驗場采用了許多新技術，如寬感應板；軌道、道床、反應板的一體化安裝技術等，雖然有些技術有的最終沒有被采用，但這種不斷創(chuàng)新的理念對我們仍很有啟發(fā)。 啟示六：有規(guī)律的預防性修理，取消大修。
加拿大溫哥skytrain直線電機系統(tǒng)車輛段20年來對直線電機車輛維修運行基本上采用預防性修理（互換修），即更換車輛有故障部件。其經(jīng)驗可以表明廣泛的故障診斷及有效的預防性維修可以提高車輛的利用率，極大地降低維修成本。而且，這樣的檢修制度貫穿在車輛30年的壽命周期內。且溫哥華車輛段車輛的檢修有部件生產制造廠作為依托，這也是在車輛段不安排大修設施的主要原因之一。其檢修修程和周期見表4：表4 加拿大車輛檢修修程和周期表
| 間隔（km） | 計劃性檢查及內容 |
| 日檢 | 外部清洗、內部清潔和日常檢查，如果有故障指示便下載和檢查車輛上存儲的數(shù)據(jù) |
| 20000 | 一般檢查和維修 |
| 40000 | 一級安全檢查---自動保護單元、故障診斷系統(tǒng)、列車自動控制、蓄電池 |
| 60000 | 一般檢查和維修 |
| 80000 | 二級安全檢查---車門、車體 |
| 100000 | 一般檢查和維修 |
| 120000 | 三級安全檢查---制動器、電機、轉向架 |
| 140000 | 一般檢查和維修 |
| 160000 | 四級安全檢查---集電器、車鉤、牽引桿 |
| 180000 | 一般檢查和維修 |
| 200000 | 五級安全檢查---空調、通訊設備 |
4 對直線電機系統(tǒng)的再認識 2005年3月，我們邀請了LAVALIN公司的專家對首都機場線采用直線電機系統(tǒng)進行了詳細的系統(tǒng)論證，使得我們對直線電機輪軌系統(tǒng)有了一個再認識。即：LIM系統(tǒng)的設計約90%與傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)一致；有以下幾點應重視：重點考慮輪軌的咬合關系；結構的受力可根據(jù)實際確定；結構斷面可根據(jù)實際確定；車輛段的設計可更加緊湊，節(jié)約用地；運營與維修的管理（通過經(jīng)常性的維修可實現(xiàn)車輛無大修）；多系統(tǒng)綜合考慮噪聲控制（如箱梁設計、浮置板道床、車輛設置裙邊、吸音屏障、車底板及橋梁檔板的吸音材料、軌道減振墊等措施，這些在傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)方面也可采用）。
5 系統(tǒng)推廣及發(fā)揮其技術優(yōu)勢的建議 直線電機系統(tǒng)確實存在很多優(yōu)點，這一點在最近美國、日本、韓國都有采用此系統(tǒng)的新線建設就足以證明，它應有很大的推廣應用空間，但為什么國內沒有大規(guī)模的應用呢？這里有一個現(xiàn)象是不容忽視的，即同樣是直線電機系統(tǒng)，效果卻差異很大，加拿大溫哥華SKYTRAIN系統(tǒng)體現(xiàn)了上述技術特點，紐約肯尼迪機場線效果更好，而早期的多倫多Scarborough RT線，效果卻大相徑庭，日本的直線電機系統(tǒng)也沒有把直線電機系統(tǒng)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。因此一個先進的系統(tǒng)，其技術先進性的體現(xiàn)，要靠各項技術綜合協(xié)調，需要有豐富經(jīng)驗的設計和系統(tǒng)集成商，對細節(jié)設計和系統(tǒng)接口有一個周密細致考慮。 比如SKYTRAIN的先進性，得益于其整體的集成技術。§對于噪聲的控制，從車輛、線路、橋梁、軌道等方面綜合采取措施，以降低噪音。§車輛采用彈性車輪；§采用小輪徑；§電機高度小，距軌面高度小，用橋梁的擋板（相當于槽形梁）吸收噪聲；§非黏著牽引，輪軌噪聲相對較小；§細致、頻繁的維護，保持軌面平順。§科學的運營管理模式也是必不可缺的。 因此，在國內要推廣直線電機技術，必須要充分發(fā)揮直線電機系統(tǒng)的優(yōu)越性，解決以下一系列關鍵技術，在前期設計時要充分考慮后期運營管理與維護的實施，重點解決以下關鍵技術：§系統(tǒng)的適用性；§系統(tǒng)集成及接口控制；§與之相匹配的技術標準體系；§環(huán)保與節(jié)能研究；§車輛、感應板、供電等關鍵技術；§車輛運營維護及檢修模式分析；§車輛段合理布局；§感應板安裝與氣隙控制技術；§系統(tǒng)施工與驗收標準；§運營自動化系統(tǒng)集成；§后期軌道維護保養(yǎng)實施細則；§安全運營與防災評估。參考文獻（5～10個）[1] 城市快速軌道交通直線電機客運系統(tǒng)應用研究項目組，《直線電機系統(tǒng)在首都機場線的應用研究報告》，2003年5月．[2] 城市快速軌道交通直線電機客運系統(tǒng)應用研究項目組，《加拿大直線電機輪軌交通系統(tǒng)考察報告》，2004年10月.[3] 北京城建設計研究總院，LAVALIN咨詢公司，《首都機場線應用直線電機系統(tǒng)的技術咨詢報告》2005年3月。
作者簡介馮愛軍：北京城建設計研究院，副總工程師。中國土木工程學會隧道與地下工程分會地鐵專業(yè)委員會秘書長。
