8 研究開發新型地鐵系統
隨著城市現代化的發展，城市軌道交通在改善城市交通擁擠狀況、快速集散客流、提高人民生活水平、促進經濟發展中具有非常重要的作用。然而修建地鐵往往需要大量資金，造價非常昂貴，使許多城市望而卻步，在一定程度上延緩了軌道交通在我國的建設進程，急需開發新型地鐵系統。
8．1 直線電機地鐵概述
在傳統城市軌道交通中，軌道對車輛的運動起驅動、支承及導向作用，車輛上電動機的旋轉運動通過齒輪及輪軌間的相互作用轉變為車輛在軌道上的運動。車輛牽弓1力必須克服輪軌間的摩擦力，速度受到輪軌間相互作用的限制。車輛行駛過程中產生較大的振動，輪軌間粘著系數較低，導致啟動、制動性能較差。此外，地鐵建設中修建隧道的費用非常昂貴，而隧道的工程造價取決于隧道斷面的大小，所以在保證載客量不變的情況下，為降低工程造價，修建小斷面地鐵非常必要。
直線電機地鐵的出現為城市軌道交通開辟了一條新的途徑，它是21世紀無人駕駛全自動地鐵系統的發展方向。直線電機驅動的軌道交通系統介于傳統軌道交通與磁懸浮鐵路之間，技術比較成熟。直線電機地鐵具有造價低、振動小、噪聲低、爬坡能力強、牽引能力優越、通過曲線半徑小、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優點，非常適合大中城市大中等運量交通發展的要求。
與用于高速磁懸浮鐵路(TR、ML)采用的直線同步電機(LSM)不同，直線電機地鐵一般采用直線感應電動機，其結構相當于將旋轉電機切割展開成直線狀，定子(初級線圈)設置在車輛上、轉子(次級線圈)設置在感應軌上(見圖8-1)。車輛平穩運行時，定子與感應軌之間的間隙控制在 10mm左右。當初級線圈通以三相交流電時，由于感應而產生電磁力，直接驅動車輛前進。改變磁場移動方向，車輛運動的方向也隨之改變。
目前，加拿大溫哥華空中列車、馬來西亞吉隆坡PUTRAII線、日本大阪7號線(鶴見綠地線)、東京地鐵12號線(大江戶線)、斯卡伯勒快速運輸系統、底特律市區運輸系統、紐約肯尼迪機場線都采用了這種直線電機牽引制式
8.2.1車輛
旋轉電機車輛已有100多年的發展歷史，由于受到粘著驅動的限制，很難再進一步提高牽引性能。直線電機車輛打破了這個限制，與傳統地鐵所用車輛相比，由于動力系統不需要從旋轉運動轉換成線性運動，從而省去了齒輪箱等一系列傳動機構，車體重量得以大大減輕。
車體結構由底架、側墻、端墻、車頂等部分組成，一般采用整體承載方式，采用大型鋁合金擠壓型材或不銹鋼制成。鋁合金或不銹鋼制作的車體與碳素鋼車體相比，重量減輕30％一35％。車體降低地鐵造價及工程建設管理等若干問題的研究輕量化對于城市軌道交通具有重要意義，不僅可以減輕軸重、降低車輛對線路的沖擊、減小車輛運行噪聲，而且還可以大大節約能源消耗。
大阪市直線電機地鐵所采用的車輛采用扁平的線性感應電動機，實現了車上各種設備的小型化。此外，由于開發使用了新型轉向架，輪徑較以前縮小20多厘米，車體底板較以前降低了60厘米，在保持車內容積變化不大的前提下，車輛縮小到傳統地鐵車輛70％，車輛實現了小型化。由于車輛重心低，在小曲線或陡坡線路上高速運動時，車輛平穩性好，左右振動幅度小，大大提高了乘客舒適度。
大江產線使用的車輛均為12-000系列車輛，該系列車輛具有較高的頂板，最大限度地保障了旅客的舒適感.
吉隆坡PUTRAII線和加拿大溫哥華空中列車采用了加拿大Bombardier公司研制的MARKⅡ 型車輛，該車具有輕巧靈活、乘坐舒適、噪聲小等優點。吉隆坡PUTRAII線車輛頂板比溫哥華空中列車車輛頂板要稍高一些，用以安裝大型空調設備。吉隆坡PUTRAH線和溫哥華空中列車所采用的MARKH型車輛造價基本相同，每輛車1500萬人民幣。按中國的物價水平計算，造價約在1600萬到1800萬人民幣之間。這種車輛造價比傳統的地鐵車輛造價稍高，但直線電機車輛具有高效、低能耗等優點。綜合而言，該種車輛具有較高的性價比。
8．2．2 列車編組
直線電機地鐵車輛無動力車和非動力車之分，可以靈活編組，列車由2—6節車輛組成。小編組、高密度發車可以減少車站等待時間，改善旅客服務質量，增加乘坐量和收入，客流量較少的時間段較短的列車運營更為經濟。
8.3土建工程
8.3.1線路工程
直線電機地鐵不受輪軌之間的粘著限制，因此具有良好的爬坡能力。常規鐵路的坡度一般不超過3％一4％，直線電機地鐵坡度可達6％一8％。這使得直線電機地鐵在轉入地下和爬升地面時顯得相當靈活，直線電機地鐵從地下爬到6米高的高架線上所需的距離約是普通地鐵所需距離的1／2，這顯然可大大縮短隧道長度。
輕軌采用高架形式后造價比地鐵有所降低，國內地鐵造價每公里約4．5—4．8億人民幣，輕軌可降低至每公里小于2億，大連輕軌(主要是地面線)造價己低于每公里0．8億。直線電機地鐵由于車體較小，高架結構可以設計的更加輕巧靈活。良好的爬坡能力使得地下部分變為地面線或高架線成為可能，工程造價大大降低(資料顯示直線電機高架段造價要比輕軌低30％)。
同時，由于車體使用迫導向轉向架，車輛可以在曲線半徑很小的線路上平穩運行，同時，輪緣力和輪軌磨耗等性能指標也大大降低。例如，加拿大空中列車在通過曲線半徑為70m的彎道時可以不減速。采用如此小的曲線半徑一方面有利于城市軌道交通選線，另一方面可以在困難地段減少拆遷量，降低工程造價。因此直線電機地鐵非常適合城市軌道交通小曲線、大坡度的需要。
8.2.2軌道工程
直線電機地鐵軌道由整體道床、走行軌、感應軌、供電軌、彈性扣件等構成。單線安裝直線電機感應軌每米大約為2100元人民幣。除了感應軌之外，其它部分可采用傳統地鐵軌道結構形式。由于直線電機地鐵振動低，噪聲小，對軌道結構及減振降噪措施的要求比傳統地鐵標準要低。直線屯機地鐵軌道具有良好的性價比。
8．3．3 隧道及車站
城市中地下管線縱橫交錯，隧道斷面縮小，能減少地下及管線改動工程量，同時又便于施工。因此在城市中采用直線電機地鐵能大大降低工程造價。
直線電機地鐵車輛及隧道尺寸比傳統地鐵車輛尺寸小，表8-3列出了大江戶線與傳統地鐵(都營新宿線)在車輛及隧道斷面方面的相關數據，前者車輛寬度只有后者的89％、高度為后者的77％。
圖8-2表示了直線電機地鐵和傳統地鐵隧道限界的差別，前者凈空斷面面積只有后者得48％，前者要求的隧道斷面比后者要小得多。所以直線電機地鐵若修建在地下，可以大大減小工程量、降直線電機地鐵車站站臺形式主要采用島式或側式，地下結構站臺長度為100 m，地面和高架站臺長度近期為80m，預計遠期可達到100m，可供6節聯掛列車停靠。島式站臺寬度一般為6m-8m，少數為10m，側式站臺寬度為3—4m。目前一般選用80米長車站，比傳統地鐵100米長車站造價約低25％。
8.4其它影響因素分析
8．4．1 噪聲
直線電機地鐵驅動系統沒有任何旋轉部分，其運行噪音可以維持在很低的水平。由于使用了徑向轉向架，在列車通過曲線時輪軸始終處于曲線徑向位置，因而減少了輪軌的磨損和噪聲。
直線電機地鐵以60km／h速度運行時，距線路中心10米處測得的聲強比傳統地鐵要低10dB左右。直線電機地鐵是目前世界上噪聲最低的軌道交通系統之一。
為了進一步降低輪軌噪聲，可采用浮置板軌道結構和彈性車輪。彈性車輪在輕軌交通中已有多年的應用歷史，列車在直線段運行時，彈性車輪可降低噪聲2dB。列車經過曲線段時，彈性車輪的降噪效果更為明顯。浮置板軌道在軌道板與導向軌之間設置彈性墊層，通過隔振作用來減弱列車運行時帶來的地面及結構物的振動。
此外，直線電機車輛采用再生制動、液力盤式制動，制動方式引起的噪聲非常小，高架結構采用混凝土箱梁后也有效地降低了二次噪聲。由于系統噪聲小，使得降噪工程造價大大降低。
8．4．2 振動
直線電機系統是低振動系統，列車在軌面上正常運行時，車體的橫向、縱向和垂向振動加速度不超過0．1g RMS，所有振動加速度頻率在0．1到50赫茲之間。在1到40赫茲1／3倍頻帶范圍內加速度總持時不會超過一小時，符合旅客舒適度要求。
8．4．3 養護維修
養護維修工作主要有線路養護維修及電氣設備養護維修和車輛檢修。直線電機地鐵低噪音意味著低磨耗。空中列車20年內走行5億公里無需大修，只需細致的防護性維護。車輛大多部件被設計成線性可移動單元，可在短時間內維修，保證高峰時刻93％一95％的車輛投入運營。
與傳統軌道不同，直線電機地鐵軌道增加了反力板(reacUonplate)這種特殊設備，所以除對軌道進行傳統的養護維修之外，還要對這種特殊的反力板進行檢修。傳統地鐵通常對曲線部分的鋼軌進行油脂潤滑，以此來降低輪軌擠壓噪聲。直線電機地鐵車輛采用活動關節式轉向架，無需對鋼軌進行油脂潤滑。空中列車采用干潤滑來改善輪軌接觸條件。干潤滑的原理是讓一個固體潤滑棒與車輪踏面相接觸，當車輪轉動時即在車輪踏面上形成薄層潤滑膜。
列車運行系統實現了列車運行自動化和列車指揮自動化。采用無人駕駛系統，實現了移動閉塞信號。由于采用了最新的數據信號處理技術，導致了各種信號設備小型化，可靠性更高。另外，還設計了故障自動檢測設備，使養護維修更簡便。
8．4．4 車輛段及其它用房
一般地鐵車輛段占地20多公頃，并且大部分設在市區，地價高，拆遷量大。直線電機地鐵車輛養護維修工作量小，曲線半徑小，這使設置小型車輛段成為可能。溫哥華空中列車車輛段占地僅11．46公頃(114600平方米)，包括了控制中心、主任辦公室、培訓基地及除去車站操作人員有限用房之外的所有設施。車輛段除安放線路養護設備之外還建有環形軌道，車輛段絕大多數線路上列車可以實現自動化運行。由于直線電機地鐵諸多優點，因而可以使用小號碼道岔，道岔長度變短，咽喉區縮短，使車輛段規模變小，工程造價降低，明顯優于其它軌道交通形式。
8．5 經濟效益
直線電機地鐵在輸送能力、造價、能耗等諸多方面優于傳統地鐵系統，這使得該系統有良好的企業和社會經濟效益，主要表現在以下幾方面。
(1)造價低。以溫哥華空中列車為例，其造價5．8億美元，每公里造價為2 720萬美元.
(2)投資償還期短。溫哥華空中列車第一年運營就有了盈余，而且滿載率日益增加，已成為該地區客運交通的主要力量。
(3)緩解交通狀況，具有良好的經濟效益。大江產環線開通后，形成了新交通網絡，其直接效果表現為可以為鐵路交通不便地區的乘客提供更多的轉乘方式，此外對緩和周邊線路的擁擠也有效果，
降低地鐵造價及工程建設管理等若干問題的研究這方面每年的經濟效益超過626億日元。汽車交通量明顯減少，這使得汽車用戶能縮短出行時間、降低出行費用、減少交通事故風險，使道路擁擠狀況得到緩解。每年汽車用戶的經濟效益約340億日元。
(4)經濟拉動效果。直線電機地鐵技術先進、造價低、效率高，該技術的應用有利于區域經濟，增加就業機會，具有顯著的社會效益。例如大江戶線8000億日元的投資(不包括土地購置費)，在東京則帶來與投資額同等的經濟拉動效果。而在日本全國范圍帶來約2萬1000億日元(投資額的 2．64倍)的經濟拉動效果。此外，這些經濟拉動還在全國增加了13．9萬人的就業機會，創造出5200 億日元的效益。
8．6 結論
直線電機地鐵在降低工程造價方面的主要優越性可概括如下(與傳統地鐵比)：
(1)直線電機(LIM)牽引系統是目前最先進的牽引方式之一，技術成熟，已在國外多條地鐵線中得到成功應用。
(2)車輛尺寸是傳統地鐵車輛的70-80％，軸重減輕，車體斷面變小，使得隧道造價降低20—30％。
(3)不靠輪軌粘著牽引，是低振動系統，對軌道、橋梁等基礎設施的要求低，從而降低工程造價。
(4)車輛內外部噪聲都大大降低，是世界上噪聲最低的軌道交通方式之一，減少了降噪工程數量，降低工程造價。
(5)爬坡能力強，限制坡度由地鐵的3％—4％提高到6％—7％，減少了土地占用及拆遷工程量。
(6) 限制坡度大、振動低、噪聲小，可以在市區內將部分地下線路改到地上或高架，該措施可降低造價50％以上。
(7) 曲線半徑可以很小，正線上最小曲線半徑由地鐵的幾百米最大可降低到70米，從而更靈活地適應地形，減小城市建筑物拆遷量，降低工程造價。
(8) 最小曲線半徑小，道岔號碼小，可有效縮短咽喉區長度，降低地鐵造價。
(9) 列車可以無人駕駛自動運行，有效地實施小編組、高密度運輸組織方式，從而縮短站臺長度，降低車站造價。
(10)低振動帶來低磨耗，線路及車輛所需的養護維修人員減少，養護維修工作量減少，從而大大降低養護維修費。
(11)由于養護維修工作大大減少，車輛段和維修基地規模相應減小近50％，占地少，造價低。 綜合分析可以發現，直線電機地鐵無論在造價還是性能方面均具有優越性，為降低地鐵工程造價，提高經濟效益開辟了一條新路。這種交通形式代表了二十一世紀城市軌道交通發展方向，具有廣泛的發展前景。
