中车四方股份悬挂式单轨试验线总体设计

余浩伟 徐银光 张茂帆

(1.中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031；2.四川高新轨道交通产业技术研究院 四川成都 610031)

1 概述

悬挂式单轨交通系统起源于德国，1901年在西部城市乌珀塔尔建成了世界上第一条悬挂式单轨线路。日本于1950年开始研究悬挂式单轨，在积极引进德国等国家悬挂式单轨技术的基础上，结合本国具体情况进行了改进。随着建设的逐步推进，德国与日本对悬挂式单轨技术进行了不断地提升与优化，技术路线由非对称悬挂逐渐发展到以对称悬挂为主，使用场景由旅游、校园通勤拓展到中等城市骨干线路[1-4]。

中国对于悬挂式单轨的研究起始于2011年，相关高校、设计、施工、制造等单位对悬挂式单轨技术进行了全方位的研究[5-9]。为实现悬挂式单轨的商业化、市场化战略，中车青岛四方机车车辆股份有限公司于2014年正式启动了悬挂式单轨车辆研究工作，提出了建设国内首条悬挂式单轨试验线，搭建车辆、轨道、供电等关键大部件系统基础试验平台的想法。并于2015年4月正式委托中铁二院开展可研及后续设计工作。本项目于2016年1月正式动工，2016年10月完成验收并投入使用，是中国第一条悬挂式单轨试验线，也是目前世界上唯一可满足两种不用结构转向架通行要求的悬挂式单轨试验线，见图1。

试验线位于中车四方股份厂区内部，全长837.294 m，设正线和出入库线各1条，改造整备库1处，新建登车站台及变电所各1处[10]。

图1 中车四方股份悬挂式单轨试验线

2 主要技术标准与功能定位

2.1 主要技术标准

(1)正线数目:单线；

(2)最高运行速度:50 km/h；

(3)最小曲线半径:50 m；

(4)线路最大坡度:60‰；

(5)最小竖曲线半径:1 000 m；

(6)轴重:5 t；

(7)编组方式:3辆编组；

(8)受电方式:DC750V刚性接触网授电。

2.2 功能定位与功能需求

本项目定位为悬挂式单轨车辆的辅助研发和出厂前静调、动调平台，主要功能如下:

(1)静态试验:转向架、控制系统、辅助系统、车辆机械结构等调试。

(2)动态试验:进行车辆在不同载荷下的起动加速度、制动减速度、35‰的坡起能力，50 m最小平面曲线半径通过能力，S形曲线通过能力，1 000 m最小竖曲线通过能力，0～50 km/h的动态性能及车辆相关参数检测与试验。

(3)道岔与过岔能力试验:道岔转换，正向、侧向通过性能测试。

(4)车辆生产组装:日后生产中落车、编组称重、限界检测、转向架分解检修、整车静调、车辆出厂前综合测试等任务。

(5)简单模拟运营，试验故障时救援处理。

(6)直线和曲线地段不同轨道梁内截面加宽与车辆轮轨关系研究。

试验线功能需求构成见图2。

图2 试验线功能需求构成示意

3 总体布局方案

3.1 确定总体布局的基本原则

(1)平面设置相应长度的直线段、车辆构造曲线半径和S形曲线，进行0 km/h～50 km/h～0 km/h加减速试验、最小曲线半径通过能力和速度与车辆的安全稳定性测试、S形曲线的通过能力测试。

(2)纵断面上设置相应长度的平坡段、最大坡度段和车辆构造竖曲线半径，进行车辆加减速试验、爬坡能力试验和最小竖曲线半径通过能力测试。

(3)设置一处道岔，进行道岔转换以及正向、侧向通过性能测试。

(4)设置一处综合维修车间，具备落车、组装及静调等功能。

(5)线路应满足故障救援的最小净空高度要求。(6)在不产生干扰的前提下，相关功能区尽量重合布置，以缩短线路长度，节省工程投资。

3.2 总体布局方案

根据项目功能定位以及上述总体布局的基本原则，结合现场条件，经多次比选后确定了最终的总体布局方案[11]，见图3。

图3 试验线总布置

本试验线总体布局方案相对较为紧凑，合理利用了既有条件及相关资源，试验流程较为顺畅。然而，受厂区条件限制，本线总体布局方案尚有两处未达到最优状态，具有进一步优化的空间。

(1)道岔设置在加速试验段中部，使得车辆出库后无法一次性顺序完成相关试验，需要进行折返，增加了试验时间以及能源消耗。

(2)最小半径曲线设置在线路中部，人为将试验线分成了高速区与低速区，无法充分利用试验线开展速度试验，使得在满足同样最高速度的条件下，线路长度增长。

若能将道岔以及最小半径曲线分别设置在端部，则可改善以上问题。

4 土建工程设计

4.1 限界

研究确定了区间建筑限界、站台建筑限界、整备库内限界以及道岔区段建筑限界加宽值，根据悬挂式单轨特点，通过动力学分析的方法，对轨道梁内特殊限界也进行了专门的研究，确定了转向架与轨道梁下部开口处构造、转向架与梁内接触轨之间的相互关系，提出了强弱电线缆的布置原则。

其中，区间线路中心线至轨道梁墩柱内侧距离为2 390 mm；站台地段，线路中心线至站台边缘内侧距离为1 290 mm，站台面至车辆走行面垂直高度为3 260 mm；整备库内设三层作业平台时，线路中心线距边柱内侧距离为1 450 mm，线路中心线至二层作业平台活动踏板边缘内侧距离为1 100 mm，二层作业平台至车辆走行面垂直高度为947 mm。

4.2 桥梁

全线均采用钢箱简支梁，除50 m小半径曲线地段采用20.5 m跨度外，其余地段均采用25 m。轨道梁内部净空宽780 mm、高1 200 mm，外部横向加劲肋沿轨道梁顶部和左右两侧布置，加劲肋高150 mm，厚度16 mm，纵向布置标准间距为1 600 mm，见图4。

图4 轨道梁截面(含横向加劲肋)

轨道梁和桥墩通过支座连接。墩梁链接处，轨道梁顶部加高并在两侧伸出与轨道梁固结的牛腿，桥墩顶部水平悬挑梁同样向下伸出牛腿与轨道梁对接，通过设置盆式橡胶支座实现轨道梁的简支支撑边界条件。与德国采用的螺栓型刚性连接相比，本方案可充分降低列车运行带来的振动与噪声，并可提供更大的变形调整量，极大地改善了运营及养护维修条件，见图5。

图5 墩梁连接方案示意

4.3 道岔

道岔系统对比分析了日本、德国已有的三中道岔结构形式:移动式道岔梁、梯子型辙叉道岔、倒T形辙叉道岔，由于倒T形辙叉道岔修正轨配合可动轨底板，为走行轮提供了连续的走行面，列车通过道岔时更为平稳，试验线设计采用倒T形辙叉道岔方案。

考虑过岔能力、加工制造、结构复杂程度、道岔主要部件的安装空间等因素，综合确定试验线道岔线型。道岔侧股采用单圆曲线线型，曲线半径R＝50 m，直线出岔，转辙角10°5′39″，对应道岔号码为5.6，道岔梁全长20.46 m。道岔侧向最高通过速度不大于15 km/h。

结合中车四方车辆制造安排，创新性研发了全新的道岔结构，可同时满足PROSE设计转向架以及德国空列转化转向架运营要求。由于两种转向架结构存在较大区别，尤其是在制动与导向方面，使得道岔结构极为复杂，仅用于控制道岔动作的电机就有12个，横断面如图6所示。本道岔是目前世界上唯一具备两种转向架通行能力的道岔，道岔的顺利研发、生产与应用，为后续国内悬挂式单轨道岔的生产奠定了基础。

图6 道岔横断面示意

5 组装静调工艺

5.1 工艺总体布置

组装/称重/静调库尺寸为75.25 m×9 m，主要由整车落车准备区域、落车/称重/编组区域组成。

整车落车配备移动升降平台车2台。车体由汽车从其他厂房转运至落车准备区域，通过厂房内2台10 t起重机吊运至移动升降平台车上，待推送至落车/称重/编组区域完成后续工位作业。

落车/称重/编组区域主要完成车辆的落车、称重、编组、静调、限界检查等作业。配备1处检修作业平台(56 m×5.6 m，含三层作业平台、双层作业平台等)，车辆称重设备、静调电源柜、限界门、检修平台安全门控装置等设备，可以兼顾3辆、4辆编组要求。

落车/称重/编组区域主要作业工艺如下:

(1)落车

车体、转向架汽车运入库→2台10 t起重机吊到落车准备区域的移动升降平台车上→推动平台车到检修作业平台下方，起重机吊运转向架到平台上方→安装转向架到车体，调节移动升降平台车顶升高度直到车体悬于转向架下→推出移动升降平台车到落车准备区域，完成落车作业。

(2)称重

称重设备布置于距检修作业平台尾端6 m处，单节车辆落车后，通过起重机吊起转向架连同车辆一同移动至称重设备处，完成称重作业。

(3)列车编组

完成单节车辆称重后，通过起重机吊起转向架连同车辆一同向入库门方向移动，待列车各车辆移动就绪后完成列车编组作业，最大可以满足4辆编组编组需要。

(4)静调试验

完成列车编组后，列车不移位进行列车静调试验，库内配备两台静调电源柜满足列车静调需要。

(5)限界检查

在检修作业平台距入库端门2 m处设置限界门一处，用于列车通过式限界检查。列车完成静调试验后，悬挂式单轨列车专用调拉设备牵引列车通过限界门完成限界检查。

5.2 检修作业平台

检修作业平台尺寸为长56 m×宽5.6 m，由三层作业平台、支撑轨、二层作业平台、栏杆、楼梯、翻板结构等附件组成。

支撑轨用于转向架走行、导向，导向面高度不低于300 mm。支撑轨固定于三层作业平台横梁上，列车悬吊于支撑轨下方。横梁之间铺设活动板，可以最大向外侧翻转90°。

在检修平台下方车顶两侧设置长56 m翻板结构，翻板结构按不侵入车辆限界控制。在三层作业平台处的车辆称重区内，设置可开闭的设备检修口一个，用于转向架、车顶设备的更换。在检修作业平台尾端设置简易可拆卸式车挡，用于防止转向架从支撑轨尾端滑落。

限界门由限界架和限界门体组成，其中限界架与检修作业平台一体设计，设置于平台东端距平台入口2 m处。

6 运营监测方案

作为整个悬挂式单轨交通系统承载体的轨道梁，不仅承受列车竖向的集中载荷，还承受离心力、列车横向载荷和风力作用。此外，由于列车在轨道梁内实现走行和导向，车体需要悬挂于轨道梁下方，因此轨道梁须设计为底部开口的薄壁钢箱梁，这使得轨道梁在承受双向弯矩的同时，还需要承受比较大的扭矩作用力，轨道梁的走行面在产生下挠的同时，易产生翻转变形。特别是道岔区的曲线轨道梁，其变形和应力情况将变得更为复杂。

为此，针对试验线单独设计了运营监测系统，通过在轨道梁的关键部位布设可长期使用的传感器，实时观测结构的振动、变形与外部环境参数，将采集到的数据存入计算机并进行分析。一方面，可实时监测轨道梁、道岔梁等构件的关键参数，保证整个系统处于良好的服役状态；另一方面，通过对比实测数据与理论结果，对理论分析的结论进行验证和修正，以便更好地指导新设计的悬挂式单轨车辆的试验检验。

监测系统主要包括硬件设备系统和软件监控系统平台两大部分[12]，其中硬件设备系统主要包括传感器、数据采集系统和传输系统三大部分。

7 结束语

作为国内首条悬挂式单轨试验线，中车四方悬挂式单轨试验线通过产学研科研攻关，解决了总体设计中的一系列技术难题，为后续悬挂式单轨试验线甚至商业运营线的建设积累了有益的经验。

(1)试验线定位于车辆的辅助研发以及出厂前静态调试、动态调试的综合平台，具备静态试验、动态试验、道岔试验、生产组装、故障救援及轮轨关系试验等方面的功能。

(2)以试验线功能需求为主线，结合现场条件，在多次比选的基础上确定了最终的总体布局方案，由于受自然条件限制，总体布局方案尚有两处可进一步优化。

(3)研究确定了各种建筑限界条件以及道岔区段建筑限界加宽要求；创新了桥梁结构设计方案，尤其在墩梁连接方面较德国方案有大幅提升；设计了可同时满足两种不同转向架运营要求的倒T形辙叉道岔方案。

(4)组装静调工艺按准备、落车、称重、编组、静调试验、限界检查的流程进行，设计了专用调拉车以及检修作业平台。

(5)根据悬挂式单轨结构特点，设计了运营监测系统，可实时观测结构的振动、变形与外部环境参数，对轨道梁、道岔梁等进行实时监测，监测系统由硬件设备系统和软件监控系统平台两大部分组成。