懸掛式單軌交通線路最小曲線半徑的選擇

王建才

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300142，天津//高級(jí)工程師)

懸掛式單軌交通優(yōu)點(diǎn)眾多：轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)，占地面積小、對(duì)空間要求低，能適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌，安全性高，環(huán)保、低噪、節(jié)能，與環(huán)境融入性好；乘客乘坐舒適、視野開(kāi)闊。其梁柱為鋼結(jié)構(gòu)，采用工廠預(yù)制-現(xiàn)場(chǎng)安裝流水線作業(yè)施工，既能縮短工期，又能最大程度減小對(duì)既有植被破壞。可見(jiàn)，對(duì)于中小城市及風(fēng)景名勝旅游區(qū)的交通擁堵，懸掛式單軌交通是個(gè)較佳的解決方案。

目前，我國(guó)尚無(wú)懸掛式單軌交通投入運(yùn)營(yíng)的工程實(shí)踐，也無(wú)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考，缺乏系統(tǒng)和深入的研究。最小曲線半徑是線路最主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，直接關(guān)系著線路方案的取舍，影響工程造價(jià)、行車速度等。因此，本文結(jié)合貴州省安順市黃果樹(shù)懸掛式單軌交通項(xiàng)目，根據(jù)中車四方車輛廠試驗(yàn)線的數(shù)據(jù)，從乘客舒適性、安全性、道路適應(yīng)性等方面，論證分析懸掛式單軌交通最小曲線半徑的選擇，為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

根據(jù)文獻(xiàn)[1],2015年，安順市黃果樹(shù)懸掛式單軌交通項(xiàng)目啟動(dòng)研究設(shè)計(jì)。該工程是安順市小火車規(guī)劃線網(wǎng)L1線的核心線路，兼顧交通旅游觀光功能，串聯(lián)了濕地公園、陡坡塘、大瀑布及天星橋等核心景點(diǎn)，途徑黃果樹(shù)旅游區(qū)自然風(fēng)光最漂亮、最有特色的部分。該工程自黃果樹(shù)旅游區(qū)綜合服務(wù)中心至天星橋，其城區(qū)段主要沿迎賓大道、紅楓路、馬東坡路、天星路及453縣道敷設(shè)，其山區(qū)段沿核心景區(qū)西側(cè)外圍敷設(shè)，終到天星橋。線路長(zhǎng)11.6 km(雙線)，設(shè)站7座，平均站間距為1.31 km。

2 影響線路最小曲線半徑的因素

最小曲線半徑與線路的性質(zhì)、列車最高運(yùn)行速度、車輛性能、乘客乘坐舒適度、地形地貌條件等有關(guān)。

2.1 線路性質(zhì)

由于國(guó)內(nèi)懸掛式單軌交通多用于“快進(jìn)慢游”的旅游觀光景區(qū)外圍，以及中小城市的快速交通。因此，從線路性質(zhì)和功能定位要求而言，應(yīng)選擇較大的曲線半徑，以提高行車速度。

2.2 列車最高運(yùn)行速度

國(guó)內(nèi)外懸掛式單軌車輛的構(gòu)造速度不同，車輛也存在一定差異。根據(jù)相關(guān)資料，德國(guó)運(yùn)營(yíng)的列車最高行車速度為50 km/h，南京浦鎮(zhèn)生產(chǎn)的四川中唐空鐵試驗(yàn)線車輛最高行車速度為60 km/h，青島四方空軌試驗(yàn)線的最高行車速度70 km/h(車輛構(gòu)造允許最高速度為80 km/h)，本次研究以黃果樹(shù)項(xiàng)目計(jì)劃采購(gòu)的車輛為研究對(duì)象，推薦最高行駛速度為70 km/h。

總的來(lái)說(shuō)，學(xué)科用戶對(duì)研究型資源的需求更為集中和迫切，因此這類文獻(xiàn)應(yīng)該是“一般學(xué)科”電子資源建設(shè)的重點(diǎn)?？梢越Y(jié)合用戶需求積極關(guān)注各類資源，爭(zhēng)取綜合數(shù)據(jù)庫(kù)與專業(yè)文獻(xiàn)資源協(xié)同，促進(jìn)多文獻(xiàn)類型均衡保障。

2.3 車輛性能[2]

懸掛式單軌交通結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌列車結(jié)構(gòu)示意圖

懸掛式軌道交通列車編組靈活，可采用2、3、4輛編組。本文以3輛編組為例進(jìn)行分析。

列車3輛編組方式為“+Mc車-M車-Mc車+”。其中，Mc車為有司機(jī)室的動(dòng)車，車體長(zhǎng)11 525 mm；M車為無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車，車體長(zhǎng)10 450 mm；+為半自動(dòng)密接式車鉤；-為半永久性牽引桿。列車兩端車鉤連接面間長(zhǎng)度為33 450 mm，車體寬度為2 400 mm；AW0(空載)工況下，車輛底部距走行面高度為3 646 mm，車輛地板面距走行面高度為3 367 mm。車輛兩轉(zhuǎn)向架中心距為6 900 mm，固定軸距為1 200 mm。每列列車有2組實(shí)心橡膠走行輪，4組實(shí)心橡膠導(dǎo)向輪(每組2個(gè))，2個(gè)實(shí)心橡膠穩(wěn)定輪。Mc車自重不超過(guò)14.5 t，M車自重不超過(guò)13.9 t，最大軸重不超過(guò)5.5 t。列車載客量如表1所示。

列車的設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為80 km/h，實(shí)際最高運(yùn)行速度為70 km/h。列車起動(dòng)加速度不小于1.0 m/s2，常用制動(dòng)減速度不小于1.2 m/s2，緊急制動(dòng)減速度不小于2.3 m/s2。

表1 列車載客量表 人

2.4 乘客舒適度要求

列車通過(guò)曲線時(shí)產(chǎn)生的未被平衡橫向加速度是乘客舒適度評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一。未被平衡橫向加速度(α0)各國(guó)取值不同。根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)[3]，α0取值一般為0.4～0.8 m/s2。經(jīng)過(guò)曲線測(cè)試分析，α0為0.4 m/s2時(shí)，乘客稍有感覺(jué)，列車平穩(wěn)通過(guò)；α0為0.5～0.65 m/s2時(shí)，乘客“有些不舒服感覺(jué)但可以忍受”；α0為0.8 m/s2及以上時(shí)，乘客明顯感覺(jué)不舒適。懸掛式單軌交通多用于中小城市公共交通或旅游景區(qū)，運(yùn)量不高，其最高運(yùn)行速度和乘客站立密度較低，故乘客舒適度指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。本文選定0.6 m/s2作為未被平衡橫向加速度的允許值，選定0.8 m/s2作為未被平衡橫向加速度的控制值。

2.5 地形地貌條件

懸掛式單軌交通均為高架線路，多沿既有道路敷設(shè)。因此，線路的最小曲線半徑要適應(yīng)中小城市彎曲復(fù)雜的道路條件及游覽景區(qū)地形地貌條件，以減小城市拆遷和對(duì)景區(qū)植被的破壞。

3 懸掛式單軌交通車體橫向擺動(dòng)原理

懸掛式單軌車輛主要由車體、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等組成(見(jiàn)圖2、圖3)。為降低軌道梁的制造及安裝難度，懸掛式軌道梁左右走行面均不設(shè)超高。列車通過(guò)曲線地段時(shí)車體在離心力的作用下向外側(cè)擺動(dòng)，以平衡部分離心力。橫向傾斜主要由車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的旋轉(zhuǎn)、左右側(cè)空氣彈簧的不均勻壓縮及轉(zhuǎn)向架在軌道箱梁內(nèi)的傾斜等3部分組成。空氣彈簧的主要作用是減震，其阻尼較大，故列車通過(guò)曲線地段時(shí)引起的空氣彈簧不均勻壓縮差值可忽略不計(jì)。[2]

圖2 懸掛式單軌列車橫斷面示意圖

圖3 懸掛式單軌列車車體與轉(zhuǎn)向架連接圖

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，懸掛式單軌車輛行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向架在軌道梁內(nèi)兩側(cè)的下部2組導(dǎo)向輪與上部穩(wěn)定輪呈三角型布局，由導(dǎo)向輪通過(guò)接觸軌道梁兩側(cè)內(nèi)壁來(lái)進(jìn)行導(dǎo)向，由穩(wěn)定輪來(lái)限制轉(zhuǎn)向架大幅擺動(dòng)，以免剮蹭內(nèi)壁，且轉(zhuǎn)向架最大旋轉(zhuǎn)角度為2°。列車轉(zhuǎn)向架與車體部分可視為柔性懸掛，能通過(guò)車體擺動(dòng)來(lái)平衡部分離心力。

列車在曲線線路上行駛時(shí)，車體主要橫向運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為繞懸掛點(diǎn)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖4)。由于離心力作用，車體部分向外旋轉(zhuǎn)，直到允許最大傾斜角10°(其中，限位止檔允許值為8°，轉(zhuǎn)向架允許值為2°)。當(dāng)車體傾斜角度小于10°時(shí)，乘客不會(huì)產(chǎn)生不適感，但如速度繼續(xù)加大，由于受限位止檔結(jié)構(gòu)約束，車體傾斜角度不能再繼續(xù)增加，將產(chǎn)生未被平衡的離心加速度，使乘客產(chǎn)生不適。

4 最小曲線半徑的確定

4.1 車輛安全通過(guò)的最小曲線半徑

懸掛式單軌交通轉(zhuǎn)向架在軌道梁內(nèi)運(yùn)行，不存在脫軌的可能性。車輛安全通過(guò)的線路最小曲線半徑，一般由車輛供應(yīng)廠家根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、軌道梁內(nèi)徑尺寸，以及列車動(dòng)力性能確定。懸掛式單軌交通車輛所能通過(guò)的最小曲線半徑不宜小于50 m。

4.2 舒適性指標(biāo)下最小曲線半徑計(jì)算

根據(jù)物理離心力原理，在曲線地段行駛時(shí)產(chǎn)生的離心力F2為：

式中：

m——列車質(zhì)量；

v——列車運(yùn)行速度；

R——線路曲線半徑。

列車通過(guò)時(shí)，車體傾斜。車體偏角為θ時(shí)，重力產(chǎn)生水平分力F1為：

F1=mgtanθ

圖4 懸掛式列車車體離心力平衡原理

根據(jù)受力平衡F1=F2，即

θ一般較小，有tanθ≈θ,故可得到離心加速度α為:

因此，若使乘客不會(huì)感覺(jué)到不舒適，則車輛通過(guò)曲線時(shí)產(chǎn)生的離心加速度應(yīng)不大于車體傾斜能抵消的離心加速度(gθmax)與旅客所能承受的允許未平衡離心加速度α0之和。即：

vmax——列車通過(guò)曲線時(shí)的最高運(yùn)行速度，km/h；

α0——允許未平衡離心加速度，m/s2；一般取0.6 m/s2，條件困難時(shí)取0.8 m/s2；

經(jīng)計(jì)算，單軌懸掛交通的最小曲線半徑取值見(jiàn)表2。

由表2，若要滿足舒適性指標(biāo)，懸掛式單軌車輛的不限速地段最小曲線半徑一般情況下為200 m，困難條件下為150 m。當(dāng)采用極限半徑50 m時(shí)，列車通過(guò)時(shí)的最高運(yùn)行速度不能大于35 km/h。

表2 不同列車運(yùn)行速度、不同舒適度的最小曲線半徑取值表

5 與道路的適配性分析

懸掛式單軌交通是一種新型快速軌道交通系統(tǒng)，其主要應(yīng)用中小城市、旅游風(fēng)景區(qū)，以及大型樞紐等。線路敷設(shè)一般沿既有公路及城市主干道路的路中或路側(cè)敷設(shè)，有條件時(shí)沿公路或城市道路綠化帶敷設(shè)。公(道)路工程相關(guān)規(guī)定摘錄如表3、4所示。

表3 JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)參數(shù)規(guī)定

表4 CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)參數(shù)規(guī)定

根據(jù)JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)[6]，在不限速地段，懸掛式單軌交通線路的最小曲線半徑一般情況下為200 m，困難條件下為150 m。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能適應(yīng)三級(jí)及以上等級(jí)公路及城市道路(60 km/h)的路線線形，且與公路線型配合性好，既能緊貼公路而行，又能減小對(duì)既有公路的改造。

6 結(jié)語(yǔ)

線路最小曲線半徑是懸掛式單軌交通的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在旅行速度不變時(shí)其取值主要取決于旅客舒適性。本文根據(jù)懸掛式單軌交通軌道梁均不設(shè)超高的特點(diǎn)，以某試驗(yàn)線的車輛為研究對(duì)象，首先，通過(guò)分析列車通過(guò)曲線的擺動(dòng)原理、各部分?jǐn)[動(dòng)構(gòu)成，合理確定擺動(dòng)角度；然后,參照地鐵旅客舒適性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和懸掛式旅客乘坐特點(diǎn)來(lái)確定未被平衡橫向加速度取值，從而計(jì)算出了列車在不同運(yùn)行速度地段對(duì)應(yīng)的曲線半徑；最后，對(duì)景區(qū)山丘地區(qū)公路和城市道路的最小曲線半徑取值進(jìn)行了適配性分析。目前該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果已應(yīng)用于黃果樹(shù)懸掛式單軌交通項(xiàng)目。