中車四方股份懸掛式單軌試驗(yàn)線總體設(shè)計(jì)

余浩偉 徐銀光 張茂帆

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031；2.四川高新軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 四川成都 610031)

1 概述

懸掛式單軌交通系統(tǒng)起源于德國(guó)，1901年在西部城市烏珀塔爾建成了世界上第一條懸掛式單軌線路。日本于1950年開(kāi)始研究懸掛式單軌，在積極引進(jìn)德國(guó)等國(guó)家懸掛式單軌技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本國(guó)具體情況進(jìn)行了改進(jìn)。隨著建設(shè)的逐步推進(jìn)，德國(guó)與日本對(duì)懸掛式單軌技術(shù)進(jìn)行了不斷地提升與優(yōu)化，技術(shù)路線由非對(duì)稱懸掛逐漸發(fā)展到以對(duì)稱懸掛為主，使用場(chǎng)景由旅游、校園通勤拓展到中等城市骨干線路[1-4]。

中國(guó)對(duì)于懸掛式單軌的研究起始于2011年，相關(guān)高校、設(shè)計(jì)、施工、制造等單位對(duì)懸掛式單軌技術(shù)進(jìn)行了全方位的研究[5-9]。為實(shí)現(xiàn)懸掛式單軌的商業(yè)化、市場(chǎng)化戰(zhàn)略，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司于2014年正式啟動(dòng)了懸掛式單軌車輛研究工作，提出了建設(shè)國(guó)內(nèi)首條懸掛式單軌試驗(yàn)線，搭建車輛、軌道、供電等關(guān)鍵大部件系統(tǒng)基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)的想法。并于2015年4月正式委托中鐵二院開(kāi)展可研及后續(xù)設(shè)計(jì)工作。本項(xiàng)目于2016年1月正式動(dòng)工，2016年10月完成驗(yàn)收并投入使用，是中國(guó)第一條懸掛式單軌試驗(yàn)線，也是目前世界上唯一可滿足兩種不用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架通行要求的懸掛式單軌試驗(yàn)線，見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)線位于中車四方股份廠區(qū)內(nèi)部，全長(zhǎng)837.294 m，設(shè)正線和出入庫(kù)線各1條，改造整備庫(kù)1處，新建登車站臺(tái)及變電所各1處[10]。

圖1 中車四方股份懸掛式單軌試驗(yàn)線

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與功能定位

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)正線數(shù)目:單線；

(2)最高運(yùn)行速度:50 km/h；

(3)最小曲線半徑:50 m；

(4)線路最大坡度:60‰；

(5)最小豎曲線半徑:1 000 m；

(6)軸重:5 t；

(7)編組方式:3輛編組；

(8)受電方式:DC750V剛性接觸網(wǎng)授電。

2.2 功能定位與功能需求

本項(xiàng)目定位為懸掛式單軌車輛的輔助研發(fā)和出廠前靜調(diào)、動(dòng)調(diào)平臺(tái)，主要功能如下:

(1)靜態(tài)試驗(yàn):轉(zhuǎn)向架、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)等調(diào)試。

(2)動(dòng)態(tài)試驗(yàn):進(jìn)行車輛在不同載荷下的起動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度、35‰的坡起能力，50 m最小平面曲線半徑通過(guò)能力，S形曲線通過(guò)能力，1 000 m最小豎曲線通過(guò)能力，0～50 km/h的動(dòng)態(tài)性能及車輛相關(guān)參數(shù)檢測(cè)與試驗(yàn)。

(3)道岔與過(guò)岔能力試驗(yàn):道岔轉(zhuǎn)換，正向、側(cè)向通過(guò)性能測(cè)試。

(4)車輛生產(chǎn)組裝:日后生產(chǎn)中落車、編組稱重、限界檢測(cè)、轉(zhuǎn)向架分解檢修、整車靜調(diào)、車輛出廠前綜合測(cè)試等任務(wù)。

(5)簡(jiǎn)單模擬運(yùn)營(yíng)，試驗(yàn)故障時(shí)救援處理。

(6)直線和曲線地段不同軌道梁內(nèi)截面加寬與車輛輪軌關(guān)系研究。

試驗(yàn)線功能需求構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)線功能需求構(gòu)成示意

3 總體布局方案

3.1 確定總體布局的基本原則

(1)平面設(shè)置相應(yīng)長(zhǎng)度的直線段、車輛構(gòu)造曲線半徑和S形曲線，進(jìn)行0 km/h～50 km/h～0 km/h加減速試驗(yàn)、最小曲線半徑通過(guò)能力和速度與車輛的安全穩(wěn)定性測(cè)試、S形曲線的通過(guò)能力測(cè)試。

(2)縱斷面上設(shè)置相應(yīng)長(zhǎng)度的平坡段、最大坡度段和車輛構(gòu)造豎曲線半徑，進(jìn)行車輛加減速試驗(yàn)、爬坡能力試驗(yàn)和最小豎曲線半徑通過(guò)能力測(cè)試。

(3)設(shè)置一處道岔，進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換以及正向、側(cè)向通過(guò)性能測(cè)試。

(4)設(shè)置一處綜合維修車間，具備落車、組裝及靜調(diào)等功能。

(5)線路應(yīng)滿足故障救援的最小凈空高度要求。(6)在不產(chǎn)生干擾的前提下，相關(guān)功能區(qū)盡量重合布置，以縮短線路長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資。

3.2 總體布局方案

根據(jù)項(xiàng)目功能定位以及上述總體布局的基本原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，經(jīng)多次比選后確定了最終的總體布局方案[11]，見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)線總布置

本試驗(yàn)線總體布局方案相對(duì)較為緊湊，合理利用了既有條件及相關(guān)資源，試驗(yàn)流程較為順暢。然而，受廠區(qū)條件限制，本線總體布局方案尚有兩處未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

(1)道岔設(shè)置在加速試驗(yàn)段中部，使得車輛出庫(kù)后無(wú)法一次性順序完成相關(guān)試驗(yàn)，需要進(jìn)行折返，增加了試驗(yàn)時(shí)間以及能源消耗。

(2)最小半徑曲線設(shè)置在線路中部，人為將試驗(yàn)線分成了高速區(qū)與低速區(qū)，無(wú)法充分利用試驗(yàn)線開(kāi)展速度試驗(yàn)，使得在滿足同樣最高速度的條件下，線路長(zhǎng)度增長(zhǎng)。

若能將道岔以及最小半徑曲線分別設(shè)置在端部，則可改善以上問(wèn)題。

4 土建工程設(shè)計(jì)

4.1 限界

研究確定了區(qū)間建筑限界、站臺(tái)建筑限界、整備庫(kù)內(nèi)限界以及道岔區(qū)段建筑限界加寬值，根據(jù)懸掛式單軌特點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析的方法，對(duì)軌道梁內(nèi)特殊限界也進(jìn)行了專門的研究，確定了轉(zhuǎn)向架與軌道梁下部開(kāi)口處構(gòu)造、轉(zhuǎn)向架與梁內(nèi)接觸軌之間的相互關(guān)系，提出了強(qiáng)弱電線纜的布置原則。

其中，區(qū)間線路中心線至軌道梁墩柱內(nèi)側(cè)距離為2 390 mm；站臺(tái)地段，線路中心線至站臺(tái)邊緣內(nèi)側(cè)距離為1 290 mm，站臺(tái)面至車輛走行面垂直高度為3 260 mm；整備庫(kù)內(nèi)設(shè)三層作業(yè)平臺(tái)時(shí)，線路中心線距邊柱內(nèi)側(cè)距離為1 450 mm，線路中心線至二層作業(yè)平臺(tái)活動(dòng)踏板邊緣內(nèi)側(cè)距離為1 100 mm，二層作業(yè)平臺(tái)至車輛走行面垂直高度為947 mm。

4.2 橋梁

全線均采用鋼箱簡(jiǎn)支梁，除50 m小半徑曲線地段采用20.5 m跨度外，其余地段均采用25 m。軌道梁內(nèi)部?jī)艨諏?80 mm、高1 200 mm，外部橫向加勁肋沿軌道梁頂部和左右兩側(cè)布置，加勁肋高150 mm，厚度16 mm，縱向布置標(biāo)準(zhǔn)間距為1 600 mm，見(jiàn)圖4。

圖4 軌道梁截面(含橫向加勁肋)

軌道梁和橋墩通過(guò)支座連接。墩梁鏈接處，軌道梁頂部加高并在兩側(cè)伸出與軌道梁固結(jié)的牛腿，橋墩頂部水平懸挑梁同樣向下伸出牛腿與軌道梁對(duì)接，通過(guò)設(shè)置盆式橡膠支座實(shí)現(xiàn)軌道梁的簡(jiǎn)支支撐邊界條件。與德國(guó)采用的螺栓型剛性連接相比，本方案可充分降低列車運(yùn)行帶來(lái)的振動(dòng)與噪聲，并可提供更大的變形調(diào)整量，極大地改善了運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)維修條件，見(jiàn)圖5。

圖5 墩梁連接方案示意

4.3 道岔

道岔系統(tǒng)對(duì)比分析了日本、德國(guó)已有的三中道岔結(jié)構(gòu)形式:移動(dòng)式道岔梁、梯子型轍叉道岔、倒T形轍叉道岔，由于倒T形轍叉道岔修正軌配合可動(dòng)軌底板，為走行輪提供了連續(xù)的走行面，列車通過(guò)道岔時(shí)更為平穩(wěn)，試驗(yàn)線設(shè)計(jì)采用倒T形轍叉道岔方案。

考慮過(guò)岔能力、加工制造、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、道岔主要部件的安裝空間等因素，綜合確定試驗(yàn)線道岔線型。道岔側(cè)股采用單圓曲線線型，曲線半徑R＝50 m，直線出岔，轉(zhuǎn)轍角10°5′39″，對(duì)應(yīng)道岔號(hào)碼為5.6，道岔梁全長(zhǎng)20.46 m。道岔側(cè)向最高通過(guò)速度不大于15 km/h。

結(jié)合中車四方車輛制造安排，創(chuàng)新性研發(fā)了全新的道岔結(jié)構(gòu)，可同時(shí)滿足PROSE設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架以及德國(guó)空列轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)向架運(yùn)營(yíng)要求。由于兩種轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)存在較大區(qū)別，尤其是在制動(dòng)與導(dǎo)向方面，使得道岔結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅用于控制道岔動(dòng)作的電機(jī)就有12個(gè)，橫斷面如圖6所示。本道岔是目前世界上唯一具備兩種轉(zhuǎn)向架通行能力的道岔，道岔的順利研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，為后續(xù)國(guó)內(nèi)懸掛式單軌道岔的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖6 道岔橫斷面示意

5 組裝靜調(diào)工藝

5.1 工藝總體布置

組裝/稱重/靜調(diào)庫(kù)尺寸為75.25 m×9 m，主要由整車落車準(zhǔn)備區(qū)域、落車/稱重/編組區(qū)域組成。

整車落車配備移動(dòng)升降平臺(tái)車2臺(tái)。車體由汽車從其他廠房轉(zhuǎn)運(yùn)至落車準(zhǔn)備區(qū)域，通過(guò)廠房?jī)?nèi)2臺(tái)10 t起重機(jī)吊運(yùn)至移動(dòng)升降平臺(tái)車上，待推送至落車/稱重/編組區(qū)域完成后續(xù)工位作業(yè)。

落車/稱重/編組區(qū)域主要完成車輛的落車、稱重、編組、靜調(diào)、限界檢查等作業(yè)。配備1處檢修作業(yè)平臺(tái)(56 m×5.6 m，含三層作業(yè)平臺(tái)、雙層作業(yè)平臺(tái)等)，車輛稱重設(shè)備、靜調(diào)電源柜、限界門、檢修平臺(tái)安全門控裝置等設(shè)備，可以兼顧3輛、4輛編組要求。

落車/稱重/編組區(qū)域主要作業(yè)工藝如下:

(1)落車

車體、轉(zhuǎn)向架汽車運(yùn)入庫(kù)→2臺(tái)10 t起重機(jī)吊到落車準(zhǔn)備區(qū)域的移動(dòng)升降平臺(tái)車上→推動(dòng)平臺(tái)車到檢修作業(yè)平臺(tái)下方，起重機(jī)吊運(yùn)轉(zhuǎn)向架到平臺(tái)上方→安裝轉(zhuǎn)向架到車體，調(diào)節(jié)移動(dòng)升降平臺(tái)車頂升高度直到車體懸于轉(zhuǎn)向架下→推出移動(dòng)升降平臺(tái)車到落車準(zhǔn)備區(qū)域，完成落車作業(yè)。

(2)稱重

稱重設(shè)備布置于距檢修作業(yè)平臺(tái)尾端6 m處，單節(jié)車輛落車后，通過(guò)起重機(jī)吊起轉(zhuǎn)向架連同車輛一同移動(dòng)至稱重設(shè)備處，完成稱重作業(yè)。

(3)列車編組

完成單節(jié)車輛稱重后，通過(guò)起重機(jī)吊起轉(zhuǎn)向架連同車輛一同向入庫(kù)門方向移動(dòng)，待列車各車輛移動(dòng)就緒后完成列車編組作業(yè)，最大可以滿足4輛編組編組需要。

(4)靜調(diào)試驗(yàn)

完成列車編組后，列車不移位進(jìn)行列車靜調(diào)試驗(yàn)，庫(kù)內(nèi)配備兩臺(tái)靜調(diào)電源柜滿足列車靜調(diào)需要。

(5)限界檢查

在檢修作業(yè)平臺(tái)距入庫(kù)端門2 m處設(shè)置限界門一處，用于列車通過(guò)式限界檢查。列車完成靜調(diào)試驗(yàn)后，懸掛式單軌列車專用調(diào)拉設(shè)備牽引列車通過(guò)限界門完成限界檢查。

5.2 檢修作業(yè)平臺(tái)

檢修作業(yè)平臺(tái)尺寸為長(zhǎng)56 m×寬5.6 m，由三層作業(yè)平臺(tái)、支撐軌、二層作業(yè)平臺(tái)、欄桿、樓梯、翻板結(jié)構(gòu)等附件組成。

支撐軌用于轉(zhuǎn)向架走行、導(dǎo)向，導(dǎo)向面高度不低于300 mm。支撐軌固定于三層作業(yè)平臺(tái)橫梁上，列車懸吊于支撐軌下方。橫梁之間鋪設(shè)活動(dòng)板，可以最大向外側(cè)翻轉(zhuǎn)90°。

在檢修平臺(tái)下方車頂兩側(cè)設(shè)置長(zhǎng)56 m翻板結(jié)構(gòu)，翻板結(jié)構(gòu)按不侵入車輛限界控制。在三層作業(yè)平臺(tái)處的車輛稱重區(qū)內(nèi)，設(shè)置可開(kāi)閉的設(shè)備檢修口一個(gè)，用于轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備的更換。在檢修作業(yè)平臺(tái)尾端設(shè)置簡(jiǎn)易可拆卸式車擋，用于防止轉(zhuǎn)向架從支撐軌尾端滑落。

限界門由限界架和限界門體組成，其中限界架與檢修作業(yè)平臺(tái)一體設(shè)計(jì)，設(shè)置于平臺(tái)東端距平臺(tái)入口2 m處。

6 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)方案

作為整個(gè)懸掛式單軌交通系統(tǒng)承載體的軌道梁，不僅承受列車豎向的集中載荷，還承受離心力、列車橫向載荷和風(fēng)力作用。此外，由于列車在軌道梁內(nèi)實(shí)現(xiàn)走行和導(dǎo)向，車體需要懸掛于軌道梁下方，因此軌道梁須設(shè)計(jì)為底部開(kāi)口的薄壁鋼箱梁，這使得軌道梁在承受雙向彎矩的同時(shí)，還需要承受比較大的扭矩作用力，軌道梁的走行面在產(chǎn)生下?lián)系耐瑫r(shí)，易產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)變形。特別是道岔區(qū)的曲線軌道梁，其變形和應(yīng)力情況將變得更為復(fù)雜。

為此，針對(duì)試驗(yàn)線單獨(dú)設(shè)計(jì)了運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在軌道梁的關(guān)鍵部位布設(shè)可長(zhǎng)期使用的傳感器，實(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、變形與外部環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行分析。一方面，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道梁、道岔梁等構(gòu)件的關(guān)鍵參數(shù)，保證整個(gè)系統(tǒng)處于良好的服役狀態(tài)；另一方面，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果，對(duì)理論分析的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以便更好地指導(dǎo)新設(shè)計(jì)的懸掛式單軌車輛的試驗(yàn)檢驗(yàn)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備系統(tǒng)和軟件監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)兩大部分[12]，其中硬件設(shè)備系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)三大部分。

7 結(jié)束語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)首條懸掛式單軌試驗(yàn)線，中車四方懸掛式單軌試驗(yàn)線通過(guò)產(chǎn)學(xué)研科研攻關(guān)，解決了總體設(shè)計(jì)中的一系列技術(shù)難題，為后續(xù)懸掛式單軌試驗(yàn)線甚至商業(yè)運(yùn)營(yíng)線的建設(shè)積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)線定位于車輛的輔助研發(fā)以及出廠前靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試的綜合平臺(tái)，具備靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、道岔試驗(yàn)、生產(chǎn)組裝、故障救援及輪軌關(guān)系試驗(yàn)等方面的功能。

(2)以試驗(yàn)線功能需求為主線，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，在多次比選的基礎(chǔ)上確定了最終的總體布局方案，由于受自然條件限制，總體布局方案尚有兩處可進(jìn)一步優(yōu)化。

(3)研究確定了各種建筑限界條件以及道岔區(qū)段建筑限界加寬要求；創(chuàng)新了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，尤其在墩梁連接方面較德國(guó)方案有大幅提升；設(shè)計(jì)了可同時(shí)滿足兩種不同轉(zhuǎn)向架運(yùn)營(yíng)要求的倒T形轍叉道岔方案。

(4)組裝靜調(diào)工藝按準(zhǔn)備、落車、稱重、編組、靜調(diào)試驗(yàn)、限界檢查的流程進(jìn)行，設(shè)計(jì)了專用調(diào)拉車以及檢修作業(yè)平臺(tái)。

(5)根據(jù)懸掛式單軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、變形與外部環(huán)境參數(shù)，對(duì)軌道梁、道岔梁等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件設(shè)備系統(tǒng)和軟件監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)兩大部分組成。