電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線設(shè)計(jì)與實(shí)踐

仵叔強(qiáng)

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

電力單軌架空游覽車采用電力驅(qū)動,橡膠輪運(yùn)行,軌道結(jié)構(gòu)采用高架結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為:選線靈活、造價(jià)低廉、建設(shè)周期短、無污染、方便快捷、載客量小、公交化循環(huán)運(yùn)營、維護(hù)簡單。

為了滿足電力單軌架空游覽車的線路調(diào)試、靜態(tài)試驗(yàn)及動態(tài)試驗(yàn)的功能需求,對車輛的設(shè)計(jì)、工藝及制造等過程進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證,中鐵寶橋集團(tuán)有限公司投資建設(shè)了一條電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線。項(xiàng)目建成后,可為電力單軌架空游覽車輛、軌道、供電等關(guān)鍵子系統(tǒng)研發(fā)搭建基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺,不僅可以滿足車輛性能驗(yàn)證需求,還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品展示及用戶體驗(yàn),全面展示公司在跨座式旅游觀光輕軌領(lǐng)域的綜合實(shí)力。

1 試驗(yàn)線設(shè)計(jì)功能需求

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

(2)動態(tài)試驗(yàn):進(jìn)行車輛在不同荷載下的起動加速度、制動減速度、爬坡能力,最小曲線半徑通過能力,最小豎曲線通過能力,動態(tài)性能及車輛相關(guān)參數(shù)的檢測與試驗(yàn)。

(3)車輛生產(chǎn)組裝:車輛落車、編組稱重、限界檢測、整車靜調(diào)、車輛出廠前綜合測試等。

(4)游覽車系統(tǒng)簡單模擬運(yùn)營。

依據(jù)線路規(guī)劃和初步選址,具體功能區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 線路功能區(qū)域劃分(單位:m)

2 主要設(shè)計(jì)原則

(1)試驗(yàn)線設(shè)計(jì)應(yīng)滿足公司研制車輛的線路調(diào)試、靜態(tài)試驗(yàn)及動態(tài)試驗(yàn)的功能需求。

(2)線路選擇宜減少拆遷,減少對既有地塊的分割,使線路對公司廠區(qū)規(guī)劃和現(xiàn)有基礎(chǔ)建設(shè)的影響最小。

(3)線路選擇應(yīng)符合工程實(shí)施安全原則,盡量規(guī)避不良工程地質(zhì)地段,結(jié)合施工方法,降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

(4)全線按照僅動態(tài)調(diào)試一列車進(jìn)行設(shè)計(jì),暫不考慮多列車同時(shí)動態(tài)調(diào)試的情況。

3 試驗(yàn)線設(shè)計(jì)

3.1 線路設(shè)計(jì)

線路位于公司重載高錳鋼轍叉生產(chǎn)基地東北角,起點(diǎn)為員工宿舍東側(cè),沿圍墻向北走行,在預(yù)留廠房東北角的道路外側(cè)以最小圓曲線向西,并終止于基地大門前道路西側(cè)。采用觀光單軌制式,線路為單線,全長387.8 m。

線路最小轉(zhuǎn)彎半徑為35 m,最大坡度40‰,不設(shè)緩和曲線,最小豎曲線半徑400 m?？v斷面設(shè)計(jì)綜合地面標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高,考慮到乘客視野問題,平均立柱高度在5～7 m。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

(1)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)項(xiàng)目所在地工程地勘資料,地質(zhì)情況總體良好,墩臺基礎(chǔ)采用單樁樁基礎(chǔ),由承臺與鋼結(jié)構(gòu)立柱連接,樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計(jì)。

(2)基礎(chǔ)預(yù)埋件。

預(yù)埋件鋼板材質(zhì)為Q345,預(yù)埋螺栓材質(zhì)為Q345D,其力學(xué)性能和化學(xué)成分符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼》(GB/T 1591—2008)的規(guī)定,如圖2所示。

圖2 立柱預(yù)埋板設(shè)計(jì)(單位:mm)

(3)柱腳節(jié)點(diǎn)。

本項(xiàng)目中,鋼柱腳存在較大的彎矩,設(shè)計(jì)時(shí)采用外露式柱腳。鋼柱腳設(shè)置鋼底板,鋼底板通過地腳螺栓與基礎(chǔ)相連。柱底板設(shè)有抗剪鍵,承受立柱底部橫向剪力作用。為確保螺母不會松動,設(shè)置了雙螺母。

3.3 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線項(xiàng)目軌道立柱部分由軌道梁、立柱、支座等部分組成。

3.3.1 軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)成

全線采用鋼管柱和鋼軌道梁,鋼管柱上部設(shè)置鉸軸支座。鋼軌道梁側(cè)面安裝有供電軌、供電電纜等設(shè)施。

3.3.2 軌道梁

(1)軌道梁設(shè)計(jì)。

軌道梁為箱型直線或曲線桿件,材質(zhì)為Q345D,線路軌道梁最小半徑為35 m。箱梁跨徑為11.64～22 m不等,標(biāo)準(zhǔn)軌道梁跨中高度為1 000 mm。其中箱梁上蓋板寬度870 mm不變,兩腹板外皮間距610 mm不變。根據(jù)全線孔跨布置情況2～3跨設(shè)置一道伸縮縫。

線路平曲線上軌道梁在曲線上曲梁曲做,曲線段軌道梁不設(shè)超高。線路豎曲線上軌道梁,梁體曲梁曲做,梁體與線路線形應(yīng)完全吻合。軌道梁預(yù)拱度按恒載+1/2活載組合撓度進(jìn)行反向設(shè)置。

(2)軌道梁分段。

為了便于軌道梁的廠內(nèi)制造和運(yùn)輸,在每聯(lián)軌道梁支點(diǎn)的后端附近將軌道梁分段制造。軌道梁分段制造完成后運(yùn)輸至安裝地點(diǎn),吊裝后現(xiàn)場對接組焊。

(3)軌道伸縮縫。

為了滿足觀光小火車在線路上平順的行車要求,軌道梁接頭處全部設(shè)計(jì)為伸縮縫結(jié)構(gòu),該伸縮縫的功能在于:①滿足鋼梁在極端低溫條件下車輛不會出現(xiàn)明顯的跳動與噪聲,車輛平順通行;②在極端高溫狀態(tài)下相鄰鋼梁不致頂死,影響支座部位的受力。

軌道梁伸縮縫采用斜接口與半梳齒結(jié)構(gòu)兩種相結(jié)合的形式,具體為走行、導(dǎo)向輪部位采用斜接口形式,穩(wěn)定輪部位采用半梳齒結(jié)構(gòu)。

3.3.3 立柱

試驗(yàn)線共需立柱21根,其中偏心立柱3根(1根偏心1 m,兩根偏心0.6 m),立柱直徑750 mm。立柱高度為5.2～7.8 m不等。立柱材質(zhì)均為Q345D。

鋼立柱采用鉸軸鉸座形式,如圖6所示。立柱由鋼管柱、鉸軸及鉸軸支座組成,鉸軸支座通過鉸軸和鋼管柱鉸接。軌道梁下蓋板與鉸軸支座采用高強(qiáng)螺栓或特殊設(shè)計(jì)的鋼支座連接,立柱下端采用外露式柱腳與基礎(chǔ)連接。

3.3.4 支座

(1)支座型式。

依據(jù)試驗(yàn)線梁跨布置方案和軌道梁的結(jié)構(gòu)形式,支座采用雙支承支座和單支承支座兩種形式。

(2)支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

支座一為雙支承支座,主要由支撐塊組件、壓板組件及扣壓螺栓等構(gòu)成,主要用來承受離心力、風(fēng)力等荷載對軌道梁的傾覆力矩,還用于抵抗離心力、橫向搖擺力及橫向風(fēng)力等產(chǎn)生的橫向剪切力。承壓板材質(zhì)為高力黃銅,分別鑲嵌粘貼在壓板和支撐塊相應(yīng)部位。小里程端支撐塊上的承壓板采用小面積接觸方式,能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)動,可以有效地釋放一部分溫度變化和不均勻沉降對軌道梁產(chǎn)生的作用力。大里程端支撐塊上的承壓板采用大面積接觸方式,與軌道梁底的滑移板共同形成平面滑移副,與該立柱的鉸軸系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)軌道梁的滑移和轉(zhuǎn)動要求。

支座二安裝在試驗(yàn)線路兩端,均采用單支承支座,另一支點(diǎn)處預(yù)留。支座二中的滑動單元采用平面滑移副,與立柱的鉸軸系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)軌道梁的滑移和轉(zhuǎn)動。

3.4 車輛設(shè)計(jì)

試驗(yàn)車輛采用我公司研制的BD161型電力單軌架空游覽車。車輛采用電力驅(qū)動,橡膠輪運(yùn)行,由車體底盤、車廂和電氣控制等部分組成。

(1)結(jié)構(gòu)組成。

試驗(yàn)車輛由五組驅(qū)動組件和四節(jié)車廂組成,在導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的約束下,通過電控系統(tǒng)讓電機(jī)工作,從而驅(qū)動走行輪帶動列車沿軌道運(yùn)行。

每列車由4節(jié)車廂組成,車頭車廂乘坐10人,后三節(jié)車廂每車16人,共58人(含司機(jī)2人)。

(2)技術(shù)參數(shù)。

表1 車輛技術(shù)參數(shù)

(3)車輛電氣設(shè)計(jì)。

車輛采用額定電壓為DC 630 V的直流供電,DC 630 V經(jīng)過變頻器的逆變單元后輸出交流380 V給電機(jī),電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動傳動軸從而使輪胎轉(zhuǎn)動。列車的控制系統(tǒng)由PLC控制+操作臺組成。第一節(jié)車廂設(shè)PLC主站,第二、三、四節(jié)車廂分別設(shè)PLC分站,全車PLC系統(tǒng)和變頻器構(gòu)成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。

車輛制動方式采用變頻器耗能制動+電動機(jī)抱閘組成。列車設(shè)置獨(dú)立的操作系統(tǒng),由逆變器將DC 630 V變送為AC 380 V,給照明和控制電路供電。

車輛的操控系統(tǒng)采用軟、硬結(jié)合的雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。駕駛室操作臺上設(shè)置了控制列車行駛的基本操作按鈕、觸摸屏、車載顯示器和車載播放器。列車相關(guān)的各種信息可在觸摸屏上顯示。車載顯示器可顯示每節(jié)車廂內(nèi)的監(jiān)控內(nèi)容,每節(jié)車廂內(nèi)有兩個(gè)揚(yáng)聲器和顯示器由車載播放器控制。

3.5 電氣控制設(shè)計(jì)

(1)供電。

試驗(yàn)線設(shè)置牽引箱變一臺,布置在線路中部,在13號立柱處接入軌道供電安全滑觸線。

車輛供電制式為:DC 630 V±10%,除車輛外其余輔助設(shè)備用電采用AC 380 V/220 V,接地型式采用TN-S系統(tǒng)。

①牽引箱變。

牽引箱變電源:AC 10 kV,引自公司總配電站10 kV配電。

整流機(jī)組容量:500 kVA,輸出為DC 630 V,600 A。

直流供電設(shè)備設(shè)置有:過壓、過流、短路及框架泄露保護(hù)。

②AC 380 V/220 V電源:采用TN-S三相五線制供電,由箱變附件降壓變電所引入,主要用于箱變自用電和平臺照明、檢修等供電電源。

③車輛采用安全滑觸線供電,安全滑觸線耐流值1 000 A。

(2)線路電氣防撞設(shè)置。

本試驗(yàn)線長度范圍內(nèi)同時(shí)運(yùn)行車輛僅有1列,設(shè)計(jì)中只需在線路起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置安全防撞設(shè)施。防撞采用軌道光電開關(guān)檢測停車和牽引斷電緊急停車兩級防撞的方式。即在車頭和車尾分別安裝停車光電開關(guān),用于前進(jìn)和倒車時(shí)在線路端部電氣自動停車(變頻器制動停車)。若停車檢測失效,則在車輛通過供電斷電點(diǎn)后供電軌斷電,車輛緊急制動(制動器制動)停車。

3.6 安全設(shè)施設(shè)計(jì)

(1)疏散平臺。

列車發(fā)生故障或運(yùn)行中突然停電、火災(zāi)、災(zāi)害天氣等事故時(shí),通過疏散平臺將乘客疏散至地面或安全區(qū)域。疏散平臺采用懸臂式結(jié)構(gòu)固定于軌道梁下蓋板。疏散平臺底部采用型鋼作為支撐,格柵板作為鋪面,疏散平臺外側(cè)加設(shè)防護(hù)欄桿,內(nèi)側(cè)利用軌道梁作為防護(hù),以保證乘客安全。

(2)安全車擋。

安全車擋是一種防護(hù)設(shè)備,其主要功能是避免列車意外失控時(shí)沖出線路,防止人員傷害及車輛和其他設(shè)施損壞。在試驗(yàn)線路兩端設(shè)置固定式擋車器,車擋可承受空車速度5 km/h的撞擊。

(3)防墜物裝置。

為了防止車輛在運(yùn)行過程中意外掉落墜物,依據(jù)大型游樂設(shè)施相關(guān)法規(guī)及安全規(guī)范要求,在線路下方有行人通過的區(qū)域設(shè)置防墜物裝置。

(4)維修試驗(yàn)平臺。

在線路起點(diǎn)位置設(shè)置維修試驗(yàn)平臺一座,主要為車輛靜態(tài)調(diào)試、車輛檢修使用,兼顧登車功能和簡易站臺功能。維修試驗(yàn)平臺設(shè)置在線路平直區(qū)段,長度不小于列車長度。

3.7 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

試驗(yàn)線建成后累計(jì)進(jìn)行了約10 000 km的行車試驗(yàn),開展了車輛空載、偏載、滿載狀態(tài)運(yùn)行試驗(yàn),車輛轉(zhuǎn)向架應(yīng)力測試,軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、剛度測試等專題研究,取得了一系列科研成果和創(chuàng)新,主要有以下幾方面。

(1)研制了一列新型電力單軌架空游覽車,開發(fā)了新型轉(zhuǎn)向架,可以有效承擔(dān)上車在彎道或偏載時(shí)產(chǎn)生的傾覆力矩,并確保車輛的平穩(wěn)運(yùn)行;開發(fā)了空氣懸架裝置,降低車體震動頻率,有效提高懸架舒適性。

(2)攻克了電力單軌架空游覽車電控系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)、程序開發(fā)及調(diào)試等技術(shù)難點(diǎn)。

(3)建成了一條完全由公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)、制造及安裝調(diào)試的電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線,填補(bǔ)了國內(nèi)此類產(chǎn)品的空白。

(4)依托電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線,公司取得中國中鐵股份有限公司系統(tǒng)內(nèi)首個(gè)大型游樂設(shè)施制造(含安裝、修理、改造)滑行和旋轉(zhuǎn)類A級資質(zhì),對新業(yè)務(wù)的延伸、新領(lǐng)域的開拓、影響力的提高都起到積極的作用。

4 結(jié) 論

作為國內(nèi)首條電力單軌架空游覽車試驗(yàn)線,通過產(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)電力單軌架空游覽車和跨座式旅游觀光輕軌項(xiàng)目的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。