浪琴型懸掛式單軌車輛的研發(fā)

(通號軌道車輛有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

懸掛式單軌系統(tǒng)采用高架線形式，車輛懸吊于軌道梁下方行駛，不占用地面道路資源，有效利用了城市空間。另外，懸掛式單軌運(yùn)行噪音低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、造價(jià)低、工期短，越來越多的二、三線城市對其產(chǎn)生了濃厚興趣。適應(yīng)市場的需求，通號軌道車輛有限公司(下文簡稱為通號車輛)與瑞士PROSE公司合作，引進(jìn)浪琴型懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架技術(shù)，利用自身在車體制造和電氣集成方面的技術(shù)積累，開始了浪琴型懸掛式單軌的研發(fā)設(shè)計(jì)。

1 世界主要懸掛式單軌制式簡介

1.1 浪琴型懸掛式單軌

1901年，全長約13.3 km的烏帕塔爾懸掛式單軌線路建成通車，被認(rèn)為是商用懸掛式單軌的開端。該單軌車輛采用鋼輪鋼軌非對稱懸掛制式，由德國人浪琴設(shè)計(jì)，故稱為浪琴型。該線路已成功運(yùn)行100多年，運(yùn)送旅客超過15億人次，成為烏帕塔爾市的一個標(biāo)志[1]。

1.2 SAFEGE型懸掛式單軌

1960年法國雷諾等公司共同開發(fā)出SAFEGE型懸掛式單軌，該單軌車輛采用橡膠輪胎，轉(zhuǎn)向架在底部開口的箱形梁內(nèi)運(yùn)行，車體對稱懸掛在轉(zhuǎn)向架下方。然而由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的原因該車輛未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行[2]。

20世紀(jì)80年代，德國西門子等公司在SAFEGE單軌的基礎(chǔ)上開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)無人駕駛的懸掛式單軌，稱為H-Bahn。目前已建成的有長度約3 km的多特蒙德大學(xué)線和長度約2.5 km的杜塞爾多夫機(jī)場線[3-4]。

20世紀(jì)60年代，日本在SAFEGE單軌的基礎(chǔ)上，制定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出了日式單軌。自20世紀(jì)70年代以來，懸掛式單軌在日本得到了很大發(fā)展。目前已建成的有長度約15.2 km的千葉單軌線和長度約6.6 km的湘南單軌線[5]。

2 浪琴型懸掛式單軌研發(fā)

2018年，通號車輛經(jīng)過長期的研究認(rèn)為浪琴型懸掛式單軌與SAFEGE型懸掛式單軌相比在市場競爭中將更具優(yōu)勢。一方面浪琴型懸掛式單軌采用鋼輪，而SAFEGE型懸掛式單軌采用橡膠輪胎，鋼輪的維護(hù)成本將更低；另一方面浪琴型懸掛式單軌的軌道采用固定在工字鋼上的鋼軌，而SAFEGE型懸掛式單軌的軌道采用底部開口的箱形梁，在軌道的用鋼量方面浪琴型比SAFEGE型少得多。基于以上研究，通號車輛決定與瑞士PROSE公司合作，引進(jìn)浪琴型懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架技術(shù)，利用自身在車體制造和電氣集成方面的技術(shù)積累，開始了浪琴型懸掛式單軌的研發(fā)。

通號車輛設(shè)計(jì)的浪琴型懸掛式單軌的設(shè)計(jì)壽命不低于30年，采用第三軌受電，鋼軌回流方式。車輛適用于海拔高度不超過1 200 m，環(huán)境溫度在-25 ℃～+45 ℃，相對濕度在21%～100%，最大風(fēng)速不超過110 km/h的環(huán)境中。車輛的最大爬坡能力為正線最大坡度不大于60‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑為50 m，最高運(yùn)行速度為60 km/h。車輛為3編組，每節(jié)車廂配有2個動力轉(zhuǎn)向架，車輛編組如圖1所示。

車輛編組：-B+C+A-

其中：A為帶司機(jī)室動車；B為不帶司機(jī)室功能動車；C為中間動車；-為半自動車鉤；+為半永久牽引桿。

圖1 車輛編組

3 浪琴型懸掛式單軌優(yōu)化

3.1 載客能力提升

相較于PROSE設(shè)計(jì)的歐洲版懸掛式單軌，通號車輛設(shè)計(jì)的懸掛式單軌的載客能力得到較大提升。兩種車型分別簡稱為PROSE單軌和通號單軌。通號單軌為了提升載客能力，一方面增大車廂空間；另一方面增大車輛動力。

PROSE單軌和通號單軌都是三編組車輛，但PROSE單軌的中間車廂非常短，長度只有1.82 m，極大的限制了車輛的載客能力。PROSE單軌全長24 m，車寬2.2 m，最大載客能力為130人。

通號單軌為了提升載客能力，將中間車廂加長到8.2 m，增加了載客空間。通號單軌全長29.6 m，車寬2.5 m，最大載客能力提升到328人。

為了提升車輛的載客能力，在增大車廂空間的同時(shí)還要提升車輛的動力，這樣才能保證車輛具有優(yōu)秀的啟動和爬坡能力。PROSE單軌采用了4臺60 kW的異步電機(jī)，而通號單軌則采用了6臺75 kW的異步電機(jī)，車輛動力得到很大提升。

3.2 供電方式優(yōu)化

PROSE單軌采用2個受電靴，2個牽引逆變器和4臺60 kW的異步電機(jī)。每個受電靴給對應(yīng)的1臺牽引逆變器供電，通過牽引逆變器將電網(wǎng)的750 V直流電逆變?yōu)?80 V三相交流電，供給與之對應(yīng)的2臺異步電機(jī)。PROSE單軌2套牽引系統(tǒng)是獨(dú)立的，當(dāng)1個受電靴或牽引逆變器故障，車輛將失去50%的動力。

通號單軌同樣采用2個受電靴和2個牽引逆變器，但是在受電靴和牽引逆變器之間增加了1臺高速斷路器，使得2個受電靴的電能在高速斷路器處匯聚，再分配給2個牽引逆變器。這樣做的好處是當(dāng)1個受電靴故障時(shí)，通過另1個受電靴依然可以給2臺牽引逆變器供電，保證所有牽引電機(jī)都有動力，提升了整個牽引系統(tǒng)的冗余性。

3.3 乘客救援方式優(yōu)化

懸掛式單軌由于車廂懸吊于軌道梁下方，導(dǎo)致其無法利用軌道梁進(jìn)行人員疏散，也難以設(shè)置疏散平臺；另外，車輛離地較高，亦不便于乘客由車內(nèi)疏散到地面。在進(jìn)行懸掛式單軌設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了車輛出現(xiàn)緊急情況時(shí)乘客的救援方式。

1)若車輛在車站內(nèi)出現(xiàn)故障，司機(jī)可以打開車門迅速將乘客疏散到站臺，乘客也可拉動緊急開門裝置打開車門撤離。

2)若車輛在正線上出現(xiàn)故障，如果車輛可以繼續(xù)行駛且不會加重故障，車輛可以繼續(xù)運(yùn)行到下一站疏散乘客。如果車輛不能繼續(xù)行駛，可由救援車輛將其牽引到下一站進(jìn)行清客。

3)若車輛在正線上出現(xiàn)故障且車輛無法移動，可由救援車靠近故障車車頭，在兩車司機(jī)的配合下打開位于司機(jī)室前端的緊急疏散門，將乘客轉(zhuǎn)移到救援車上。

4)當(dāng)車輛在正線上出現(xiàn)故障且救援車無法快速到達(dá)時(shí)，司機(jī)可放下位于司機(jī)室的逃生筒，組織乘客有序撤離。

5)當(dāng)故障車輛停留在地面車輛可以到達(dá)的區(qū)域時(shí)，可利用消防云梯車疏散乘客。

3.4 車門系統(tǒng)優(yōu)化

很多軌道車輛都會在車門處設(shè)置車門緊急解鎖裝置，目的是當(dāng)車輛出現(xiàn)緊急情況時(shí)，如車輛起火時(shí)，乘客可以拉下車門緊急解鎖裝置，觸發(fā)車輛緊急制動并解鎖車門，待車輛挺穩(wěn)后乘客可以手動推開車門下車逃生。但是這套系統(tǒng)應(yīng)用在懸掛式單軌上是不適用的，因?yàn)閼覓焓絾诬墤覓煊谲壍懒合路角揖嚯x地面較高，即使乘客打開車門也無法逃生。因此我們對車門系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在車門緊急解鎖裝置中增加了電磁鐵，同時(shí)改進(jìn)了車門的控制電路。當(dāng)乘客拉下車門緊急解鎖裝置時(shí)，不會觸發(fā)車輛緊急制動，車門會解鎖但電磁鐵會施加反作用力使乘客無法將車門推開，同時(shí)車門的控制電路會將乘客的操作反饋給司機(jī)。司機(jī)得知乘客操作了緊急解鎖裝置后，可通過安裝在車廂內(nèi)的攝像頭查看車廂內(nèi)的情況，進(jìn)而判斷是否需要觸發(fā)緊急制動并打開車門疏散乘客還是運(yùn)行到下一站再疏散乘客。

3.5 乘客信息系統(tǒng)優(yōu)化

與PROSE單軌相比，通號單軌為乘客提供了更好的乘客信息系統(tǒng)。車輛的乘客信息系統(tǒng)不僅為乘客提供了車輛到站廣播、緊急廣播等常規(guī)功能，還在車廂內(nèi)設(shè)置了大量LCD顯示屏，包括電子動態(tài)地圖、超薄雙面顯示屏以及觸摸透明屏等，乘客可以在查看車輛運(yùn)行信息的同時(shí)觀看圖片和視頻形式的廣告或娛樂信息。

4 結(jié)語

懸掛式單軌以其運(yùn)行噪音低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、造價(jià)低、工期短等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多對中低運(yùn)量軌道系統(tǒng)有需求的城市的青睞。浪琴型懸掛式單軌相較于SAFEGE型懸掛式單軌在車輛維護(hù)成本和軌道梁建設(shè)成本上具有明顯優(yōu)勢，相信未來將受到更多城市的關(guān)注。目前通號單軌已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)向架、車體、電氣等的設(shè)計(jì)工作，預(yù)計(jì)在2020年樣車即可下線試運(yùn)行，為我國不適于修建地鐵、輕軌的中小城市提供一種新選擇。