跨座式單軌交通系統(tǒng)車輛技術(shù)體系研究

曾令會(huì)，楊 陽 ，王孔明

(1.成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川 成都 610031； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通擁堵的城市病逐漸向中小城市蔓延。為進(jìn)一步促進(jìn)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家正大力推動(dòng)軌道交通與旅游融合發(fā)展[1]。國內(nèi)中小型城市以及旅游景區(qū)對(duì)便捷高效、經(jīng)濟(jì)適用的交通系統(tǒng)需求急迫，中低運(yùn)量軌道交通迎來爆發(fā)式增長的窗口期。

跨座式交通是一種列車在高架專用軌道梁上行駛的軌道交通系統(tǒng)，具有適應(yīng)能力強(qiáng)、噪聲低、占用道路資源少等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)緩堵效果明顯，契合國內(nèi)中小型城市以及旅游景區(qū)的需求，具有廣闊的應(yīng)用空間[2]。

目前，世界上掌握單軌車輛和設(shè)備技術(shù)的國家較少，并且各國均形成了自己獨(dú)特的技術(shù)體系。本文將對(duì)跨座式單軌交通系統(tǒng)車輛技術(shù)體系及特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為跨座式單軌車輛工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 跨座式單軌車輛技術(shù)體系

1876年，美國建國100周年博覽會(huì)期間，在賓夕法尼亞州的費(fèi)爾蒙特公園建造了一條長度約為170 m的蒸汽機(jī)車牽引的單軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)當(dāng)時(shí)被稱為“鞍式鐵路”，可以視為跨座式單軌交通系統(tǒng)的雛形。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，跨座式單軌系統(tǒng)不斷完善，在數(shù)十個(gè)國家得到應(yīng)用。但是世界上掌握單軌車輛和相關(guān)設(shè)備技術(shù)的國家屈指可數(shù)，其中技術(shù)較為成熟且在城市軌道交通建設(shè)中得到應(yīng)用的更是寥寥無幾。世界上掌握單軌車輛和相關(guān)設(shè)備技術(shù)的主要有：

(1) 日本：車輛技術(shù)供應(yīng)商為日立(HITACHI)。

(2) 加拿大：車輛技術(shù)供應(yīng)商為龐巴迪(BOMBARDIER)。

(3) 中國：車輛技術(shù)供應(yīng)商為中車長客(CRRCGC)、比亞迪(BYD)、中車浦鎮(zhèn)龐巴迪(PBTS)、中車特裝(CRRCTK)等。

(4) 馬來西亞：車輛技術(shù)供應(yīng)商為斯古米(SCOMI)。

(5) 其他：單軌車輛供應(yīng)商還包括在實(shí)際工作中應(yīng)用案例非常有限的德國西門子(SIMENS)和旅游觀光用的小型單軌車的瑞士英特敏(INTAMIN)。

每個(gè)國家都形成了其獨(dú)特的技術(shù)體系，各技術(shù)體系車輛的功能定位也不相同，對(duì)每種技術(shù)體系的車輛關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，可為車輛選型提供指導(dǎo)。

2 日本日立跨座式單軌車輛技術(shù)

1960年，日本鑒于對(duì)多制式軌道交通系統(tǒng)的需求，開始引進(jìn)阿爾威格式、洛克希德式跨座式單軌系統(tǒng)，并在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上再創(chuàng)新。

2.1 中大型跨座式單軌系統(tǒng)

日本日立大型跨座式單軌車輛結(jié)構(gòu)與一般軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)基本相同。由于車輛采用充氣輪胎，承載能力有限，一般車體采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。該單軌車輛采用雙軸轉(zhuǎn)向架(如圖1所示)，每根軸上裝有一對(duì)走行輪，轉(zhuǎn)向架設(shè)置一對(duì)安全輪；在軌道梁的單側(cè)設(shè)置一對(duì)導(dǎo)向輪和單個(gè)穩(wěn)定輪；為保證導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪在故障工況下的安全性，附設(shè)鋼制輔助車輪。

圖1 日本日立單軌車輛采用的雙軸轉(zhuǎn)向架

2.2 小型化跨座式單軌系統(tǒng)

為了適應(yīng)小型城市的通勤需求，日本單軌協(xié)會(huì)對(duì)輕型跨座式單軌列車進(jìn)行了研究[3]。其中日立公司作為牽頭單位，設(shè)計(jì)的小型化跨座式單軌車輛如圖2所示。該小型化跨座式單軌交通車輛與傳統(tǒng)的跨座式單軌車輛的最大區(qū)別是使用了鉸接式結(jié)構(gòu)，兩輛車輛之間共用一個(gè)轉(zhuǎn)向架。鉸接結(jié)構(gòu)能夠減少轉(zhuǎn)向架數(shù)量，降低車輛總重量，減少運(yùn)行阻力，也可以為車輛車體下方節(jié)約更多的空間用于安裝設(shè)備，同時(shí)，由于車軸數(shù)量減少，會(huì)造成軸重增加。

圖2 日立公司設(shè)計(jì)的小型化跨座式單軌車輛

小型化跨座式單軌車輛由于本身結(jié)構(gòu)尺寸較小，使用鉸接結(jié)構(gòu)后其平均軸重在8 t以內(nèi)。日立該小型化跨座式單軌車輛在新加坡圣淘沙公園等地區(qū)得到了應(yīng)用，車輛及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。車輛采用鋁合金車體，750 V DC供電，最高運(yùn)營速度為80 km/h，考慮到運(yùn)量與成本問題，車輛采用兩輛編組，總長為25 m，寬為2.7 m，車門寬度為1.4 m，每列車共有4個(gè)車門、24個(gè)座位。

圖3 新加坡圣陶沙跨座式單軌系統(tǒng)

3 加拿大龐巴迪跨座式單軌車輛技術(shù)

20世紀(jì)60年代，龐巴迪收購了ALWEG公司在北美的業(yè)務(wù)，開始跨座式單軌的研發(fā)工作。龐巴迪跨座式單軌經(jīng)歷了100型-200型-300型的演變過程。最初的100型車輛尺寸較小，在游樂場例如迪士尼樂園等地方使用。隨后發(fā)展到了200型，用在較大運(yùn)量的地方，例如拉斯維加斯。龐巴迪最新的車型為300型，該車型每小時(shí)運(yùn)量可達(dá)到4萬人[4]。

3.1 INNOVIA Monorail 100系列

美國佛羅里達(dá)州的杰克遜威爾市于1999年建成一條跨座式單軌線路，該線路采用龐巴迪Mark-Ⅲ車型，車輛最高運(yùn)行速度為56 km/h，如圖4所示。

圖4 美國佛羅里達(dá)州杰克遜威爾市的跨座式單軌系統(tǒng)

龐巴迪Mark-Ⅲ車輛結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩車體中間采用兩軸鉸接轉(zhuǎn)向架，兩節(jié)車體共用一個(gè)轉(zhuǎn)向架，端車采用單軸轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架每軸僅使用一個(gè)輪胎，可有效減小軌道梁的寬度。

圖5 龐巴迪Mark-Ⅲ車輛結(jié)構(gòu)

3.2 INNOVIA Monorail 200系列

INNOVIA Monorail 200型跨座式單軌車輛長度在12 m以內(nèi)，寬度約為2.66 m，最大載客量為376人，適用于客運(yùn)量不大的中小城市或旅游景區(qū)。

龐巴迪的INNOVIA Monorail 200型在美國拉斯維加斯跨座式系統(tǒng)中應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 美國拉斯維加斯跨座式單軌系統(tǒng)

3.3 INNOVIA Monorail 300系列

INNOVIA Monorail 300系列單軌車采用了先進(jìn)的全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)，是龐巴迪最新型號(hào)車輛。龐巴迪單軌單軸轉(zhuǎn)向架及車體結(jié)構(gòu)如圖7所示[5]。車輛采用鋼制底架，鋁制車身，輕盈且高效；采用低能耗高性能的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高行駛速度可達(dá)80 km/h。

圖7 龐巴迪單軌單軸轉(zhuǎn)向架及車體結(jié)構(gòu)

4 中國跨座式單軌車輛技術(shù)

4.1 中車長客(CRRCGC)

中車長客主要采用日立的跨座式單軌技術(shù)[6]，并在重慶推廣應(yīng)用。重慶跨座式單軌轉(zhuǎn)向架如圖8所示。

圖8 重慶單軌雙軸轉(zhuǎn)向架圖9 比亞迪云軌轉(zhuǎn)向架圖10 浦鎮(zhèn)龐巴迪跨座式單軌轉(zhuǎn)向架

4.2 比亞迪(BYD)

比亞迪云軌轉(zhuǎn)向架如圖9所示，每個(gè)轉(zhuǎn)向架均安裝4個(gè)導(dǎo)向輪和2個(gè)穩(wěn)定輪，軌道梁采用矩形結(jié)構(gòu)。

4.3 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪(PBTS)

浦鎮(zhèn)龐巴迪跨座式單軌轉(zhuǎn)向架如圖10所示，該轉(zhuǎn)向架采用龐巴迪INNOVIA Monorail 300車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)。轉(zhuǎn)向架走行輪直徑為1 006 mm，導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪直徑為537 mm，地板面至走行面高度為450 mm，采用盤形制動(dòng)。

4.4 中車特裝

中車特種裝備為六盤水設(shè)計(jì)生產(chǎn)的輕量化跨座式單軌車輛(如圖11所示)，8輛編組，1節(jié)頭車與7節(jié)車廂采用鉸接式結(jié)構(gòu)。列車共設(shè)置9個(gè)轉(zhuǎn)向架，其中兩端車坐落在非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上，相鄰兩節(jié)車輛鉸接在動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架在端車下部，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架在兩車輛連接處，通過鉸接裝置將兩車輛連接。為降低端車的地板面高度，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的輪胎直徑小于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架輪胎直徑。輕量化跨座式轉(zhuǎn)向架如圖12所示。

導(dǎo)向輪以軌道梁側(cè)面為導(dǎo)向面，迫使車輛沿軌道行駛。安全輪以軌道梁上蓋板突出邊緣為接觸面，安全輪主要起到防側(cè)滾、防脫軌作用，保證車輛在軌道上安全行駛。輕量化跨座式安全導(dǎo)向輪如圖13所示。

圖11 中車特種裝備輕量化跨座式單軌車輛 圖12 輕量化跨座式轉(zhuǎn)向架 圖13 輕量化跨座式安全導(dǎo)向輪

5 其他跨座式單軌車輛技術(shù)

5.1 馬來西亞斯古米車輛技術(shù)

20世紀(jì)90年代中期馬來西亞計(jì)劃從日本引進(jìn)單軌技術(shù)，由于金融危機(jī)一度停工，后期自主研發(fā)，并于2003年完成了項(xiàng)目建設(shè)。與日本單軌車輛相比，最終投入運(yùn)行的吉隆坡單軌車輛外型上發(fā)生了很大的差異，車輛體積和載客能力也大大減小，最重要的是其技術(shù)體系也發(fā)生了重大改變。吉隆坡單軌車輛系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向架如圖14所示。

圖14 吉隆坡單軌車輛系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向架

5.2 瑞士英特敏車輛技術(shù)

瑞士英特敏車輛技術(shù)在澳大利亞悉尼和俄羅斯莫斯科等地區(qū)有小型化跨座式交通車輛案例，其主要的特點(diǎn)是以鋼箱梁伸出的頂板作為單軌走行軌道。車輛采用鉸接結(jié)構(gòu)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架由2個(gè)驅(qū)動(dòng)橡膠輪、4個(gè)導(dǎo)向輪和2個(gè)上推力輪組成，如圖15所示。

圖15 瑞士英特敏單軌轉(zhuǎn)向架

6 車輛及系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

車輛是跨座式單軌系統(tǒng)的核心部件，對(duì)整個(gè)跨座式單軌系統(tǒng)的技術(shù)有較大的影響。當(dāng)前跨座式單軌系統(tǒng)的主要技術(shù)及特點(diǎn)對(duì)比見表1[7]。

表1 跨座式單軌系統(tǒng)的主要技術(shù)及特點(diǎn)對(duì)比

7 展望

跨座式單軌作為中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)之一，特別適合于山地城市、海濱城市、地形復(fù)雜城市和建筑集中度高的城區(qū)和城郊，且在旅游景區(qū)也有很好的適應(yīng)性。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中低運(yùn)量軌道交通迎來爆發(fā)式增長的窗口期，跨座式單軌系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用空間。

目前，國內(nèi)既有的跨座式單軌系統(tǒng)基本為中大型跨座式單軌系統(tǒng)，不適用于中小城市及旅游景區(qū)。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)低運(yùn)量跨座式單軌系統(tǒng)以及適用于大坡度景區(qū)的跨座式單軌系統(tǒng)，豐富跨座式單軌適用范圍。