單軸轉向架跨坐式單軌主要線路技術條件

孫 靜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安//工程師)

1 單軸跨坐式單軌概述

1.1 跨坐式單軌發(fā)展概述

1888年，世界第一條跨坐式單軌鐵路在愛爾蘭建成。1958年，德國“ALWEG型單軌”將單軌的技術歸納為三個要點：跨坐式、混凝土軌道、橡膠輪。1960年至今，日立通過引進德國單軸轉向架單軌，研發(fā)了雙軸轉向架跨坐式單軌并持續(xù)投入建設運營至今。

2004年，重慶引進日立跨坐式單軌發(fā)展至今，其系統(tǒng)裝備基本實現(xiàn)全國產(chǎn)化，形成了全球最大的單軌交通裝備制造業(yè)基地及跨坐式單軌國家標準規(guī)范。

目前，為增強跨坐式單軌的建設適應性，降低工程造價，基于單軸轉向架在鋼輪鋼軌車輛中的優(yōu)勢[1]，國內(nèi)新一代自主研發(fā)的跨坐式單軌又將引進改良單軸轉向架技術，并將其作為主要發(fā)展方向之一。

1.2 單軸轉向架跨坐式單軌與雙軸轉向架跨坐式單軌的區(qū)別

雙軸轉向架跨坐式單軌以日立為代表，主要運用于日本、韓國等國家的跨坐式單軌線路。目前，我國重慶軌道交通2、3號線采用的就是雙軸轉向架跨坐式單軌。

單軸轉向架跨坐式單軌以龐巴迪為代表，起初主要運用于景區(qū)、游樂園等場所。目前，技術最為先進的龐巴迪Monorail 300已經(jīng)具備運用于城市軌道交通干線的條件。由我國改進的具有自主知識產(chǎn)權的單軸轉向架跨坐式單軌是以比亞迪云軌為主要代表。

傳統(tǒng)雙軸轉向架(見圖1)的車輛承載力較大，因此可通過增加車輛長度較好地實現(xiàn)載客能力，且其穩(wěn)定性亦較高。

單軸轉向架(見圖2)相比雙軸轉向架，所需的車輪數(shù)量少，同時轉向架的轉彎半徑小、通過性能強、輪胎磨損小，但平衡穩(wěn)定性較雙軸系統(tǒng)差。

尺寸單位：mm

圖1 雙軸轉向架與車輛

受轉向架形式影響，單軸轉向架單軌車輛與雙軸轉向架單軌車輛相比，主要有以下幾點區(qū)別：

(1) 輕量化。在車輛的總體質量中，轉向架的質量占有相當大的比例。因此單軸轉向架減少輪對數(shù)量對減少轉向架的質量及整車質量的效果較明顯。

(2) 低地板。由于單軸轉向架體量較小，將其置于車廂內(nèi)部，可有效降低地板高度，從而降低整車高度。以龐巴迪Monorail 300為例[2]，其車輛高度為4.05 m，比日立單軌車輛降低了1.25 m；同時車廂地板面距軌道梁頂面的距離僅 450 mm(見圖2)。

a) 立體圖

b) 截面圖

尺寸單位：mm

圖2 單軸轉向架與車輛

(3)曲線通過性能好。單軸轉向架通過曲線時的輪對橫向力、最大橫向位移、輪對沖角等指標均優(yōu)于雙軸轉向架[1]，其曲線通過性能在小半徑情況時優(yōu)勢明顯。

(4)載客能力低。由于減少了單車車軸數(shù)量，車輛承載能力下降，單軸轉向架跨坐式單軌往往采用縮短車輛長度等方式確保車輛的承載能力，故其載客能力降低。

1.3 適用范圍

基于單軸轉向架跨坐式單軌的特點，其主要運用范圍如下：

(1)高峰小時客流小于3萬人次的城市軌道交通線路。為保障轉向架承載力，單軸轉向架跨坐式車輛有效載客長度一般為11 m左右，車輛定員一般為100～120人?？紤]到道岔轉轍時間，以1列120 s發(fā)車間隔[4]、8輛編組的列車計算，高峰小時列車單向運輸能力為2.4～2.9萬人次。

(2)環(huán)境指標要求高的大型組團內(nèi)部軌道交通線路。單軸轉向架跨坐式單軌具有振動小、噪聲小等優(yōu)勢，可運用于工業(yè)園區(qū)、機場綜合樞紐以及大型居住社區(qū)等大型組團的內(nèi)部交通線路。

(3)旅游觀光線路。單軸轉向架單軌車輛具有輕量化的特征，故可將其外觀打造得更加時尚動感。在旅游景區(qū)，此類跨坐式車輛構成了城市中一道獨特的風景線。目前，西安曲江、新加坡圣淘沙以及佛羅里達州迪士尼等地采用的即為單軸轉向架小型跨坐式車輛。

2 跨坐式單軌線路技術標準現(xiàn)狀

對于景區(qū)、園區(qū)跨坐式單軌線路，目前我國尚無相關標準規(guī)范，基本按照特種游樂設施來審批建設。由于小型跨坐式單軌車輛形式各異，因此在線路設計過程中，可按照車輛參數(shù)配予適當?shù)募夹g條件。

對于城市軌道交通線路，目前我國已建成的重慶2、3號線均屬于雙軸轉向架車輛，其已具備完備的國家規(guī)范，即GB50458—2008《跨坐式單軌交通設計規(guī)范》。

而單軸轉向架跨坐式單軌在我國尚未以城市軌道交通形式建成。目前，我國多個城市已經(jīng)開工建設或正在對此開展前期研究工作，各地基本上各自為戰(zhàn)，設計標準各不相同。以重慶項目(雙軸)、西安項目(單軸)及西寧項目(單軸)為例[5-7]，其主要線路技術標準對比如表1所示。

表1 我國各地跨坐式單軌線路標準比較

由表1可知，我國單軸跨坐式項目設計時采用的線路參數(shù)，部分沿用雙軸規(guī)范，部分采用相對安全值，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，但這種處理方式不能體現(xiàn)單軸轉向架跨坐式單軌車輛的優(yōu)勢。因此研究合理適用的技術條件，對于跨坐式單軌線路規(guī)范化意義重大。

3 線路平面技術條件

3.1 最小曲線半徑

由單軸跨坐式單軌應用范圍可知，其最小曲線半徑的選取主要受車輛構造、行車速度及周邊地形、公路以及城市道路技術條件影響。

3.1.1 車輛構造

單軸轉向架能夠在曲線處更貼切走行軌道，有效減小轉彎半徑，如圖3所示。目前，國內(nèi)外適用于城市軌道交通的單軸跨坐式車輛最小轉彎半徑均為46 m。巴西圣保羅單軌采用最小曲線半徑46 m，我國已建成的深圳比亞迪園區(qū)跨坐式單軌與銀川花博園跨坐式單軌均采用最小曲線半徑60 m。

a) 雙軸轉向架b) 單軸轉向架

圖3 雙軸、單軸轉向架通過曲線示意圖

3.1.2 行車速度

3.1.2.1 超高值的確定

根據(jù)長期運營實踐，我國地鐵采用120 mm的最大超高值[8-9]，將其換算為跨坐式單軌交通的最大超高率hlmax為8%。

當列車在以高于設計速度的曲線上行駛時，將會產(chǎn)生未被平衡的離心加速度a和欠超高hq。當hq過大時，會對列車通過曲線的安全性、舒適性造成影響。根據(jù)國內(nèi)鐵路相關試驗[10]，a、允許欠越高hqy與乘客舒適度的關系如表2所示。

表2 a、hqy與乘客舒適度的關系

由表2可知，當hqy為60 mm時，乘客反應“基本無感覺”?？紤]到單軸車輛的低地板設計，建議將a提高至0.52，此時hqy為80 mm，將其換算為跨坐式單軌交通的允許欠超高率hlqy為5%(困難情況下取7%)。

3.1.2.2 行車速度允許的最小曲線半徑

跨坐式單軌交通的超高、運行速度和曲線半徑之間關系如下[5]：

(v/3.6)2/R-ghlmax=ghlqy

(1)

式中：

v——列車通過曲線的運行速度，km/h；

R——曲線半徑，m；

g——重力加速度，m/s2。

當hlmax取8%、hlqy取5%(困難情況取7%)時，可以推導出最小曲線半徑Rmax與v之間的關系：一般情況下Rmin=0.059v2，困難情況下Rmin=0.051v2。

當v按80 km/h計算時，一般情況下R為380 m，困難情況下R為330 m；當v按40 km/h計算時，一般情況下R為95 m，困難情況下R為82 m；以列車過岔速度為25 km/h計算時，則一般情況下R為37 m，困難情況下R為32 m，此時該值已低于車輛構造通過能力。

3.1.3 城市道路建設條件

跨坐式單軌交通應盡量沿城市道路敷設，其平面條件宜與道路線形標準相匹配，減少征地拆遷以及因與道路重復交叉帶來的大體量下部結構。

我國城市道路及公路最小曲線半徑規(guī)定[11-12]如表3所示。由表3可知，當單軸跨坐式單軌最小曲線半徑選取70 m時，大部分道路所設置曲線半徑是可以適應單軌線路敷設的。

表3 城市道路及公路最小平曲線半徑

綜上所述，單軸轉向架跨坐式單軌采用最小曲線半徑與行車速度的關系為：一般情況下Rmin=0.059v2，困難情況下Rmin=0.051v2；為在城市軌道交通中充分展現(xiàn)其優(yōu)勢，一般情況下Rmin可取70 m，特殊情況下Rmin取50 m。

3.2 曲線及夾直線最小長度

文獻[9]為避免1節(jié)車輛同時跨越3段線型，保障車輛平穩(wěn)運行，取圓曲線及夾直線最小長度為20 m。文獻[5]為避免1片軌道梁跨越3段線型以及減少設計與制作難度，上述取值應略長(該取值與文獻[9]取值20 m一致)。

單軸轉向架跨坐式單軌的軸距較傳統(tǒng)雙軸要小，且考慮到跨坐式單軌多與市政道路結合敷設，為提高平面適應性，可適當降低標準，類比地鐵規(guī)范，采用1節(jié)車輛長度取整(即10～15 m)作為控制標準。此外，跨坐式單軌軌道梁一般采用預制，由于孔跨布設的延續(xù)性，難以避免跨越兩種線型，因此，1片軌道梁跨越3段線型(兩種線型)對設計與制作影響不大。

4 線路縱斷面技術條件

4.1 最大坡度

跨坐式單軌交通車輛采用橡膠輪胎，其粘著力大、爬坡能力強。目前，各廠家生產(chǎn)的新型跨坐式單軌車輛(單軸、雙軸)均能實現(xiàn)100‰的爬坡能力。參照國內(nèi)外已建線路的相關標準和運營情況，建議最大坡度采用60‰；困難條件下，非載客區(qū)段經(jīng)造價、運營等多方面分析比較，在理由充分的基礎上可采用不大于90‰的坡度。

對于單軸跨坐式單軌車輛，由于其車輛自重輕，且采用全動力轉向架，根據(jù)國外的應用情況，建議曲線上縱坡不考慮折減。

4.2 豎曲線

文獻[9]中，車輛通過變坡點時產(chǎn)生的豎向加速度ay、豎曲線半徑Ry與v之間的關系[9]為：

Ry=v2/(3.62ay)

(2)

文獻[9]對于ay的取值：一般情況下為0.1～0.154 m/s2，困難情況下為0.17～0.26 m/s2。考慮到跨坐式單軌采用膠輪運行，故ay可取地鐵規(guī)范中的大值，即一般情況下取0.15 m/s2，困難情況下取0.25 m/s2。假設車輛速度為80 km/h，故可得出豎曲線半徑一般情況下約為3 000 m，困難情況下約為2 000 m。

4.3 最小坡段長

單軌列車通過變坡點時，會發(fā)生突變性的沖擊加速度，對舒適度有一定影響。從行車平穩(wěn)考慮，宜設計較長的坡段長，但坡段過長也容易帶來地形的不適應性，從而增加建設成本。

文獻[9]提出，坡段長度不宜小于遠期或客流控制期列車長度，且要滿足兩個豎曲線之間的夾直線長度。這是為了防止1列列車范圍內(nèi)同時出現(xiàn)兩種以上坡段、坡度及豎曲線，從而改善列車運行條件。

以目前單軸轉向架跨坐式單軌車輛來看，單列(8輛編組)車輛全長一般不超過100 m。因此，建議跨坐式單軌線路最短坡段長度一般情況不小于200 m，困難情況下不小于遠期列車長度。另外，坡段長度還應滿足兩個豎曲線之間不小于100 m間隔的要求。

5 結語

跨坐式單軌交通是城市軌道交通的重要分支，而單軸轉向架跨坐式單軌作為其發(fā)展方向之一，具有造價低、建設周期短、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。目前我國多個城市正積極推進，具有較好的發(fā)展前景。

我國僅有重慶建成運營雙軸轉向架跨坐式單軌，目前多個設備廠商均推出新型單軸跨坐式單軌，原有規(guī)范覆蓋性不強。本文對主要線路技術條件提出取值建議或計算辦法，對新型跨坐式單軌項目的設計起到參考和借鑒意義。

本文提出的曲線半徑、最小夾直線長度及圓曲線長度較文獻[5]有所突破，體現(xiàn)了單軸轉向架對于跨坐式單軌的優(yōu)勢。同等技術條件下，單軸車輛的輪胎磨耗、振動及噪聲均小于雙軸車輛，但由于缺乏相關運營經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，未對曲線半徑減小帶來的磨耗增大等問題進行分析。建議小半徑曲線可多用于景區(qū)及園區(qū)線路，并通過運營積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，逐步形成可行而又經(jīng)濟合理的技術參數(shù)。