王建才

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，300142，天津//高級工程師)

懸掛式單軌交通優(yōu)點眾多：轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強，占地面積小、對空間要求低，能適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌，安全性高，環(huán)保、低噪、節(jié)能，與環(huán)境融入性好；乘客乘坐舒適、視野開闊。其梁柱為鋼結(jié)構(gòu)，采用工廠預(yù)制-現(xiàn)場安裝流水線作業(yè)施工，既能縮短工期，又能最大程度減小對既有植被破壞?？梢?，對于中小城市及風(fēng)景名勝旅游區(qū)的交通擁堵，懸掛式單軌交通是個較佳的解決方案。

目前，我國尚無懸掛式單軌交通投入運營的工程實踐，也無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考，缺乏系統(tǒng)和深入的研究。最小曲線半徑是線路最主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，直接關(guān)系著線路方案的取舍，影響工程造價、行車速度等。因此，本文結(jié)合貴州省安順市黃果樹懸掛式單軌交通項目，根據(jù)中車四方車輛廠試驗線的數(shù)據(jù)，從乘客舒適性、安全性、道路適應(yīng)性等方面，論證分析懸掛式單軌交通最小曲線半徑的選擇，為該項目的設(shè)計及運營提供參考。

1 項目概況

根據(jù)文獻(xiàn)[1],2015年，安順市黃果樹懸掛式單軌交通項目啟動研究設(shè)計。該工程是安順市小火車規(guī)劃線網(wǎng)L1線的核心線路，兼顧交通旅游觀光功能，串聯(lián)了濕地公園、陡坡塘、大瀑布及天星橋等核心景點，途徑黃果樹旅游區(qū)自然風(fēng)光最漂亮、最有特色的部分。該工程自黃果樹旅游區(qū)綜合服務(wù)中心至天星橋，其城區(qū)段主要沿迎賓大道、紅楓路、馬東坡路、天星路及453縣道敷設(shè)，其山區(qū)段沿核心景區(qū)西側(cè)外圍敷設(shè)，終到天星橋。線路長11.6 km(雙線)，設(shè)站7座，平均站間距為1.31 km。

2 影響線路最小曲線半徑的因素

最小曲線半徑與線路的性質(zhì)、列車最高運行速度、車輛性能、乘客乘坐舒適度、地形地貌條件等有關(guān)。

2.1 線路性質(zhì)

由于國內(nèi)懸掛式單軌交通多用于“快進(jìn)慢游”的旅游觀光景區(qū)外圍，以及中小城市的快速交通。因此，從線路性質(zhì)和功能定位要求而言，應(yīng)選擇較大的曲線半徑，以提高行車速度。

2.2 列車最高運行速度

國內(nèi)外懸掛式單軌車輛的構(gòu)造速度不同，車輛也存在一定差異。根據(jù)相關(guān)資料，德國運營的列車最高行車速度為50 km/h，南京浦鎮(zhèn)生產(chǎn)的四川中唐空鐵試驗線車輛最高行車速度為60 km/h，青島四方空軌試驗線的最高行車速度70 km/h(車輛構(gòu)造允許最高速度為80 km/h)，本次研究以黃果樹項目計劃采購的車輛為研究對象，推薦最高行駛速度為70 km/h。

總的來說，學(xué)科用戶對研究型資源的需求更為集中和迫切，因此這類文獻(xiàn)應(yīng)該是“一般學(xué)科”電子資源建設(shè)的重點。可以結(jié)合用戶需求積極關(guān)注各類資源，爭取綜合數(shù)據(jù)庫與專業(yè)文獻(xiàn)資源協(xié)同，促進(jìn)多文獻(xiàn)類型均衡保障。

2.3 車輛性能[2]

懸掛式單軌交通結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌列車結(jié)構(gòu)示意圖

懸掛式軌道交通列車編組靈活，可采用2、3、4輛編組。本文以3輛編組為例進(jìn)行分析。

列車3輛編組方式為“+Mc車-M車-Mc車+”。其中，Mc車為有司機室的動車，車體長11 525 mm；M車為無司機室的動車，車體長10 450 mm；+為半自動密接式車鉤；-為半永久性牽引桿。列車兩端車鉤連接面間長度為33 450 mm，車體寬度為2 400 mm；AW0(空載)工況下，車輛底部距走行面高度為3 646 mm，車輛地板面距走行面高度為3 367 mm。車輛兩轉(zhuǎn)向架中心距為6 900 mm，固定軸距為1 200 mm。每列列車有2組實心橡膠走行輪，4組實心橡膠導(dǎo)向輪(每組2個)，2個實心橡膠穩(wěn)定輪。Mc車自重不超過14.5 t，M車自重不超過13.9 t，最大軸重不超過5.5 t。列車載客量如表1所示。

列車的設(shè)計最高運行速度為80 km/h，實際最高運行速度為70 km/h。列車起動加速度不小于1.0 m/s2，常用制動減速度不小于1.2 m/s2，緊急制動減速度不小于2.3 m/s2。

表1 列車載客量表 人

2.4 乘客舒適度要求

列車通過曲線時產(chǎn)生的未被平衡橫向加速度是乘客舒適度評價的指標(biāo)之一。未被平衡橫向加速度(α0)各國取值不同。根據(jù)國內(nèi)地鐵實際運營經(jīng)驗[3]，α0取值一般為0.4～0.8 m/s2。經(jīng)過曲線測試分析，α0為0.4 m/s2時，乘客稍有感覺，列車平穩(wěn)通過；α0為0.5～0.65 m/s2時，乘客“有些不舒服感覺但可以忍受”；α0為0.8 m/s2及以上時，乘客明顯感覺不舒適。懸掛式單軌交通多用于中小城市公共交通或旅游景區(qū)，運量不高，其最高運行速度和乘客站立密度較低，故乘客舒適度指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。本文選定0.6 m/s2作為未被平衡橫向加速度的允許值，選定0.8 m/s2作為未被平衡橫向加速度的控制值。

2.5 地形地貌條件

懸掛式單軌交通均為高架線路，多沿既有道路敷設(shè)。因此，線路的最小曲線半徑要適應(yīng)中小城市彎曲復(fù)雜的道路條件及游覽景區(qū)地形地貌條件，以減小城市拆遷和對景區(qū)植被的破壞。

3 懸掛式單軌交通車體橫向擺動原理

懸掛式單軌車輛主要由車體、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等組成(見圖2、圖3)。為降低軌道梁的制造及安裝難度，懸掛式軌道梁左右走行面均不設(shè)超高。列車通過曲線地段時車體在離心力的作用下向外側(cè)擺動，以平衡部分離心力。橫向傾斜主要由車體相對于轉(zhuǎn)向架的旋轉(zhuǎn)、左右側(cè)空氣彈簧的不均勻壓縮及轉(zhuǎn)向架在軌道箱梁內(nèi)的傾斜等3部分組成?？諝鈴椈傻闹饕饔檬菧p震，其阻尼較大，故列車通過曲線地段時引起的空氣彈簧不均勻壓縮差值可忽略不計。[2]

圖2 懸掛式單軌列車橫斷面示意圖

圖3 懸掛式單軌列車車體與轉(zhuǎn)向架連接圖

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，懸掛式單軌車輛行駛時，轉(zhuǎn)向架在軌道梁內(nèi)兩側(cè)的下部2組導(dǎo)向輪與上部穩(wěn)定輪呈三角型布局，由導(dǎo)向輪通過接觸軌道梁兩側(cè)內(nèi)壁來進(jìn)行導(dǎo)向，由穩(wěn)定輪來限制轉(zhuǎn)向架大幅擺動，以免剮蹭內(nèi)壁，且轉(zhuǎn)向架最大旋轉(zhuǎn)角度為2°。列車轉(zhuǎn)向架與車體部分可視為柔性懸掛，能通過車體擺動來平衡部分離心力。

列車在曲線線路上行駛時，車體主要橫向運動可簡化為繞懸掛點的自由轉(zhuǎn)動(見圖4)。由于離心力作用，車體部分向外旋轉(zhuǎn)，直到允許最大傾斜角10°(其中，限位止檔允許值為8°，轉(zhuǎn)向架允許值為2°)。當(dāng)車體傾斜角度小于10°時，乘客不會產(chǎn)生不適感，但如速度繼續(xù)加大，由于受限位止檔結(jié)構(gòu)約束，車體傾斜角度不能再繼續(xù)增加，將產(chǎn)生未被平衡的離心加速度，使乘客產(chǎn)生不適。

4 最小曲線半徑的確定

4.1 車輛安全通過的最小曲線半徑

懸掛式單軌交通轉(zhuǎn)向架在軌道梁內(nèi)運行，不存在脫軌的可能性。車輛安全通過的線路最小曲線半徑，一般由車輛供應(yīng)廠家根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、軌道梁內(nèi)徑尺寸，以及列車動力性能確定。懸掛式單軌交通車輛所能通過的最小曲線半徑不宜小于50 m。

4.2 舒適性指標(biāo)下最小曲線半徑計算

根據(jù)物理離心力原理，在曲線地段行駛時產(chǎn)生的離心力F2為：

式中：

m——列車質(zhì)量；

v——列車運行速度；

R——線路曲線半徑。

列車通過時，車體傾斜。車體偏角為θ時，重力產(chǎn)生水平分力F1為：

F1=mgtanθ

圖4 懸掛式列車車體離心力平衡原理

根據(jù)受力平衡F1=F2，即

θ一般較小，有tanθ≈θ,故可得到離心加速度α為:

因此，若使乘客不會感覺到不舒適，則車輛通過曲線時產(chǎn)生的離心加速度應(yīng)不大于車體傾斜能抵消的離心加速度(gθmax)與旅客所能承受的允許未平衡離心加速度α0之和。即：

vmax——列車通過曲線時的最高運行速度，km/h；

α0——允許未平衡離心加速度，m/s2；一般取0.6 m/s2，條件困難時取0.8 m/s2；

經(jīng)計算，單軌懸掛交通的最小曲線半徑取值見表2。

由表2，若要滿足舒適性指標(biāo)，懸掛式單軌車輛的不限速地段最小曲線半徑一般情況下為200 m，困難條件下為150 m。當(dāng)采用極限半徑50 m時，列車通過時的最高運行速度不能大于35 km/h。

表2 不同列車運行速度、不同舒適度的最小曲線半徑取值表

5 與道路的適配性分析

懸掛式單軌交通是一種新型快速軌道交通系統(tǒng)，其主要應(yīng)用中小城市、旅游風(fēng)景區(qū)，以及大型樞紐等。線路敷設(shè)一般沿既有公路及城市主干道路的路中或路側(cè)敷設(shè)，有條件時沿公路或城市道路綠化帶敷設(shè)。公(道)路工程相關(guān)規(guī)定摘錄如表3、4所示。

表3 JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》相關(guān)參數(shù)規(guī)定

表4 CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》相關(guān)參數(shù)規(guī)定

根據(jù)JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》[5]和CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(2016年版)[6]，在不限速地段，懸掛式單軌交通線路的最小曲線半徑一般情況下為200 m，困難條件下為150 m。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能適應(yīng)三級及以上等級公路及城市道路(60 km/h)的路線線形，且與公路線型配合性好，既能緊貼公路而行，又能減小對既有公路的改造。

6 結(jié)語

線路最小曲線半徑是懸掛式單軌交通的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在旅行速度不變時其取值主要取決于旅客舒適性。本文根據(jù)懸掛式單軌交通軌道梁均不設(shè)超高的特點，以某試驗線的車輛為研究對象，首先，通過分析列車通過曲線的擺動原理、各部分?jǐn)[動構(gòu)成，合理確定擺動角度；然后,參照地鐵旅客舒適性試驗數(shù)據(jù)和懸掛式旅客乘坐特點來確定未被平衡橫向加速度取值，從而計算出了列車在不同運行速度地段對應(yīng)的曲線半徑；最后，對景區(qū)山丘地區(qū)公路和城市道路的最小曲線半徑取值進(jìn)行了適配性分析。目前該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果已應(yīng)用于黃果樹懸掛式單軌交通項目。