新型跨坐式單軌車輛的主要特點(diǎn)及應(yīng)用

方黎明

摘要：隨著城市公共交通多樣化的發(fā)展，單軌車輛開始更多地進(jìn)入公眾視線，本文主要就新型單軌車輛與傳統(tǒng)單軌車輛的差異進(jìn)行分析，以及新型單軌車輛的兩種類型進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同類型的單軌車輛從車輛外觀，內(nèi)飾、牽引系統(tǒng)、檢修維護(hù)、安全性、各系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行了綜合分析，為城市進(jìn)行軌道交通制式的規(guī)劃選型提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：跨坐式;單軌;特點(diǎn);類型;應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市人口快速增長(zhǎng)，城市建設(shè)規(guī)模急劇擴(kuò)大。在我國(guó)城市快速發(fā)展的進(jìn)程中，特大型城市和大中型城市相繼出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。城市建設(shè)規(guī)模的急劇擴(kuò)大，致使城市地面道路容量與道路交通需求之間的矛盾日益突出，地面交通資源供給嚴(yán)重不足，傳統(tǒng)的交通方式已無(wú)法適應(yīng)大中城市尤其是特大城市不斷增長(zhǎng)的出行需求。我國(guó)城市交通正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要改變我國(guó)城市交通擁堵和環(huán)境污染等境況，必須大力發(fā)展公共交通，尤其是多種形式的軌道交通，使更多的人選擇公共交通而不是選擇小汽車作為其主要出行方式，保障城市的健康有序發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門出臺(tái)了一系列政策文件，要求軌道交通建設(shè)要統(tǒng)籌考慮發(fā)展模式，合理選擇系統(tǒng)制式，促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國(guó)家鼓勵(lì)各地因地制宜，量力而行，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用、環(huán)保高效的輕軌及各種新型軌道交通技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道交通可持續(xù)發(fā)展。如今，軌道交通建設(shè)主體正在從特大城市、大城市逐步擴(kuò)大到中等城市;大城市內(nèi)部的軌道交通也正從骨干線路建設(shè)逐步擴(kuò)大到輔助加密線，接駁線以及市域線的建設(shè)?！傲Ⅲw化”的城市交通成為趨勢(shì)?？缱絾诬壗煌ㄒ云涑墒斓募夹g(shù)、較高的安全性能以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保的造價(jià)，為機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)線、城市遠(yuǎn)郊社區(qū)、景區(qū)以及大型娛樂(lè)園，乃至三四線城市的交通運(yùn)輸模式帶來(lái)全新的解決方案，也希望在未來(lái)，這種美麗環(huán)保的交通模式被更多的城市采納，讓我們可以看到單軌交通在全球城市的上方，畫出一道道絢爛的“彩虹”。

1跨坐式單軌車輛主要技術(shù)特點(diǎn)發(fā)展情況

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市在發(fā)展軌道交通時(shí)，都將車輛從地面移至空中，即單軌系統(tǒng)，單軌系統(tǒng)是指車輛在特殊的軌道梁上運(yùn)行的城市軌道交通，有跨坐式和懸掛式兩種類型，[1]而目前跨坐式單軌由于運(yùn)量適中，建設(shè)成本與輕軌相當(dāng)，但其爬坡能力與曲線半徑相對(duì)輕軌更優(yōu)，具有占地面積小、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，因此目前跨坐式單軌車輛在各個(gè)中小城市和大型城市的區(qū)域線中具有廣泛的應(yīng)用前景?？缱絾诬?，車輛行走時(shí)騎跨在獨(dú)立建設(shè)的單軌橋梁上，除了行走車輪外，跨座式車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)是在其左右兩端增加了導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，環(huán)抱軌道行走。[2]

2新型單軌車輛與傳統(tǒng)單軌車輛技術(shù)差異性比較

在我國(guó)，重慶城市跨座式單軌交通2、3號(hào)線先后于2005年和2011年建成通車，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，目前的單軌車輛無(wú)論是從外觀還是車輛各方面的性能都有進(jìn)一步的優(yōu)化提升，如無(wú)人駕駛，永磁牽引等先進(jìn)的駕駛和驅(qū)動(dòng)技術(shù)都在新型單軌車輛中得到應(yīng)用，并且根據(jù)客流量情況車輛有大型車和小型車兩種，車輛的適應(yīng)性進(jìn)一步提高。

2.1外觀對(duì)比

新型跨坐式單軌車輛在外觀上采用流線型設(shè)計(jì)，車輛外觀可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，同時(shí)采用流線型車身可減少車輛的運(yùn)行阻力，降低車輛運(yùn)行能耗。圖1為兩種單軌車輛外觀對(duì)比，另外新型單軌車輛的車體斷面采用整體圓鼓型，相比傳統(tǒng)V型斷面其內(nèi)部空間更大，整體承載和受力效果更好，斷面結(jié)構(gòu)具體如下圖2所示。

2.2內(nèi)飾對(duì)比

隨著軌道交通車輛工業(yè)設(shè)計(jì)水平的不斷提升，以及大量新技術(shù)新材料的應(yīng)用，新型單軌車輛的客室內(nèi)部更加通透明亮，如LED照明的使用，大玻璃車窗的應(yīng)用等，使得新型單軌車輛不但具有交通運(yùn)輸?shù)墓δ?，同時(shí)還兼具旅游觀光的屬性。圖3是傳統(tǒng)單軌車輛與新型單軌車輛內(nèi)飾對(duì)比。

2.3牽引系統(tǒng)及能耗對(duì)比

由于橡膠輪胎的摩擦力較大，單軌車輛的能耗相比常規(guī)地鐵車輛能耗高，重慶單軌2號(hào)線為減少車輛能耗，在線路上設(shè)置再生制動(dòng)能量回饋裝置;而新型單軌車輛，為減少牽引系統(tǒng)的能耗，車輛上的牽引電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，根據(jù)地鐵車輛上的相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，永磁同步電機(jī)相比異步電機(jī)能降低牽引能耗30%左右。

2.4駕駛模式

根據(jù)《IEC62290：鐵路應(yīng)用-城市軌道交通管理與指揮控制系統(tǒng)》，將列車的駕駛模式分為5類，具體分類如下表1所示。

其中UTO全自動(dòng)列車駕駛系統(tǒng)是一種將列車駕駛員的操作完全有高度集中的、自動(dòng)化的控制系統(tǒng)所替代的列車運(yùn)行模式。近年來(lái)，全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在世界許多城市的軌道交通建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是大運(yùn)量系統(tǒng)還是小運(yùn)量系統(tǒng)，都有不少成功范例，國(guó)外如哥本哈根、新加坡、紐倫堡、韓國(guó)等城市的全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)均已投入運(yùn)營(yíng)。其中法國(guó)里爾1號(hào)線列車就是采用的中小運(yùn)量APM制式，如韓國(guó)龍仁磁浮線也采用的是全自動(dòng)駕駛模式，國(guó)內(nèi)近年來(lái)大運(yùn)量的地鐵線路，如上海地鐵10號(hào)線，北京地鐵房山線，上海地鐵14號(hào)線、15號(hào)線、18號(hào)線、南寧地鐵5號(hào)線等都采用的是全自動(dòng)駕駛模式，而中小運(yùn)量的如廣州珠江線APM，上海浦江線APM，北京機(jī)場(chǎng)線APM等都采用的全自動(dòng)駕駛模式，目前國(guó)內(nèi)在單軌車輛采用全自動(dòng)駕駛模式也在進(jìn)行進(jìn)一步的嘗試，如銀川單軌，蕪湖單軌等項(xiàng)目都將采用采用全自動(dòng)駕駛模式或在后期升級(jí)為全自動(dòng)駕駛模式。對(duì)于新一代單軌車輛采用全自動(dòng)駕駛模式，可提升車輛智能化水平，另外由于單軌車輛道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，車輛發(fā)車間隔相對(duì)地鐵車輛長(zhǎng)，而采用全自動(dòng)駕駛模式，可縮短行車間隔，提高列車運(yùn)營(yíng)的效率。

2.5緊急牽引功能

由于單軌車輛基本采用高架運(yùn)行，針對(duì)單軌車輛的救援問(wèn)題，一直是用戶及公眾關(guān)注的問(wèn)題，新一代單軌車輛可設(shè)置蓄電池緊急牽引功能，當(dāng)區(qū)間輸電設(shè)備故障造成高壓中斷時(shí)，列車?yán)眯铍姵貙④囕v牽引到最近車站（或疏散點(diǎn)），組織旅客疏散，進(jìn)一步提升單軌車輛的可用性和安全性。

3新型單軌車輛種類

目前新型跨坐式單軌車輛主要分為兩類，有大型車和小型車兩種類型，大型車如國(guó)內(nèi)中車株洲電力機(jī)車有限公司，中車長(zhǎng)春軌道客車有限公司等都采用的是大型車的技術(shù)路線，而龐巴迪、Scomi、比亞迪、中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限公司等都采用的是小型車的技術(shù)路線。

比亞迪的跨坐式單軌車輛稱之為云軌，實(shí)際也是跨坐式單軌車輛的一種，目前在國(guó)內(nèi)銀川花博園已經(jīng)通車運(yùn)行，廣州汕頭、四川廣安以及安徽蚌埠也擬開工建設(shè)云軌線路。云軌在國(guó)外也倍受青睞，2017年12月，比亞迪與摩洛哥簽訂了一條15公里的云軌示范線。

云軌目前主要分為兩類，即A型和C型，A型是大車型，主要承擔(dān)機(jī)場(chǎng)、火車站、客運(yùn)站的專用線路接駁，更可以承擔(dān)市區(qū)公共交通干線以及城市綜合交通系統(tǒng)的樞紐工作。A型的特點(diǎn)是交通流量大、承載人群多。

C型是小車型，車輛尺寸較A型車小，也稱之為云巴，主要用于生活區(qū)、接通接駁的連接作用，例如住宅區(qū)到商場(chǎng)、CBD、公交站、地鐵站。憑借C型的占地面積小等特性，C型線路的觀景效果更好，沿途車站可以深入到建筑物內(nèi)。

4新型單軌車輛的綜合比較

4.1技術(shù)參數(shù)及性能比較

4.1.1主要技術(shù)參數(shù)

新型單軌車輛中的大型車和小型車主要對(duì)比參數(shù)如下表2所示。

4.1.2供電系統(tǒng)

目前小型單軌車輛都采用DC750V供電，而大型單軌車輛普遍采用DC1500V供電。主要由于小型單軌車輛空間太小，僅能滿足DC750V供電的絕緣間隙，而大型單軌車輛可采用DC1500V供電，在相同的線路長(zhǎng)度下，大型單軌車輛單軌供電系統(tǒng)如變電站等設(shè)置的更少，適應(yīng)性更好，供電成本更低。

對(duì)于新一代單軌車輛，目前也在進(jìn)一步研究DC3000V供電制式的可行性，從而可進(jìn)一步降低供電系統(tǒng)的成本。

4.1.3軌道梁

小型單軌車輛如比亞迪，軌道梁斷面尺寸為700mm×1500mm，相比大型單軌車輛的軌道梁尺寸（800-850mm×1500mm）更小，同時(shí)立柱尺寸也較小，因二者跨距相同，因此小型單軌車輛的軌道梁和立柱的建設(shè)成本相對(duì)較低。

4.1.4車輛檢修維護(hù)比較

單軌大型車轉(zhuǎn)向架單軌小型車轉(zhuǎn)向架

圖4大型單軌車輛與小型單軌車輛轉(zhuǎn)向架

新型單軌車輛大型車轉(zhuǎn)向架為雙軸轉(zhuǎn)向架，而小型車如比亞迪單軌車輛為單軸轉(zhuǎn)向架，采用的是輪轂電機(jī)，電機(jī)集成在輪軸內(nèi)，檢修維護(hù)不方便。

4.2乘客舒適度

客室內(nèi)部布局：

小型單軌車輛客室布局大型單軌車輛客室布局

圖5大型單軌與小型單軌車輛客室布局

小型單軌車輛如比亞迪單軌的單軸轉(zhuǎn)向架需臥入客室，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的座椅等需要凸起，不但有礙車輛的美觀與通過(guò)性能，而且降低了客室的站立面積，影響車輛的載客能力和乘坐舒適性。

4.3運(yùn)行平穩(wěn)性

跨座式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架是核心部件，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上裝有三種輪胎：走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，它的走行機(jī)理與鋼輪-鋼軌系統(tǒng)完全不同。在列車運(yùn)行過(guò)程中，走行輪始終與軌道梁頂面接觸，輪胎的彈性主要緩沖車輛豎向振動(dòng);導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪則起到緩沖車輛橫向振動(dòng)的作用。[3]

傳統(tǒng)單軌車輛每側(cè)布置兩個(gè)導(dǎo)向輪和一個(gè)穩(wěn)定輪，而新型單軌車輛的大型車為了提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，應(yīng)用了自主發(fā)明的四導(dǎo)向輪技術(shù)，每側(cè)有四個(gè)導(dǎo)向輪，下面兩個(gè)導(dǎo)向輪同時(shí)起到穩(wěn)定輪的作用。確定導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的預(yù)壓力是跨座式獨(dú)軌車輛的一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)間題，因?yàn)樗绊懼囕v的安全性、穩(wěn)定性以及平穩(wěn)性。[4]采用4輪導(dǎo)向能更加合理的分配其預(yù)壓力，此種設(shè)計(jì)可以更好地實(shí)現(xiàn)車輛行駛的導(dǎo)向能力，使車輛在曲線段側(cè)滾更小，車輛平穩(wěn)性及乘客舒適性更好。四輪導(dǎo)向和兩輪導(dǎo)向如下圖6、圖7所示。

4.4安全性

新型單軌車輛車體結(jié)構(gòu)為整體承載全鋁合金焊接輕型結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻及車頂部分組成，承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等載荷。車體強(qiáng)度在整個(gè)車輛的安全性中非常重要，如果車體強(qiáng)度不足，一旦發(fā)生事故，將有可能會(huì)給乘客和司乘人員帶來(lái)巨大的傷害。

新型單軌車輛中的小型車為降低車輛重量，車輛強(qiáng)度較低，如比亞迪單軌車輛的車體強(qiáng)度為350MPa，根據(jù)評(píng)估，該車輛能滿足5kmh的碰撞要求;

而大型車的車體強(qiáng)度不小于480MPa，碰撞性能滿足EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求的15kmh要求。因此大型車相對(duì)小型車的碰撞安全性更好。

4.5新型單軌車輛仍需要解決的一些問(wèn)題

雖然新型單軌車輛相比重慶單軌車輛在工業(yè)設(shè)計(jì)，牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等各個(gè)方面都進(jìn)行了大量的優(yōu)化升級(jí)，車輛更加現(xiàn)代化，運(yùn)行更加平穩(wěn)，但目前仍存在一些問(wèn)題，如快速單軌，最高運(yùn)行速度大于80kmh車輛的研發(fā)，核心部件、產(chǎn)品部件的國(guó)產(chǎn)化，輪胎壽命的提高，對(duì)寒冷多雪地區(qū)具有更好的適應(yīng)性，與其他交通工具的換乘等仍需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究。

5應(yīng)用前景分析

目前傳統(tǒng)的地鐵、輕軌、有軌電車等軌道交通制式不能完全滿足不同城市的多樣性需求，中小城市群的軌道交通建設(shè)急需一種新的交通制式，新型跨坐式單軌車輛由于爬坡能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，噪音低，振動(dòng)小，車輛外觀具有設(shè)計(jì)感與現(xiàn)代感，而且大型車小型車的分類也可以適應(yīng)不同的運(yùn)量需求，如大型車在中等城市將來(lái)應(yīng)用前景廣泛，而小型車作為小城市或在旅游景區(qū)等地區(qū)應(yīng)用前景比較廣泛。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，目前的新型單軌單軌在各個(gè)方面都得到了進(jìn)一步的優(yōu)化提升，隨著軌道交通多元化的發(fā)展和多樣性的發(fā)展需求，單軌交通也一定會(huì)有非常好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]郭鍇，武農(nóng).跨座式單軌交通的認(rèn)識(shí)誤區(qū)分析及發(fā)展展望.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，60（3）.

[3]杜子學(xué)，李寧.跨坐式單軌車輛導(dǎo)向輪受力仿真分析研究.鐵道機(jī)車車輛，2011（4）.

[4]任利惠，周勁松，沈剛.跨坐式獨(dú)軌車輛動(dòng)力學(xué)模型及仿真.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004（5）.