跨座式單軌鐵路的特點及其應用前景

2　構造特點　

　與常規鐵路相類似,跨座式單軌交通系統也是由線路、車輛系統、機電設備、車輛段及綜合維修基地等部分組成,同時,作為一種技術先進的城市軌道交通,單軌鐵路某些部分的構造又有其獨特之處,其構造的特殊性主要在于線路和車輛系統(如圖1所示)。

圖1　跨座式單軌軌道梁與車輛斷面圖/ｍｍ

2．1　線路

跨座式單軌鐵路通常采用全封閉的高架系統,它的線路部分包括軌道梁、支柱、高架車站及單軌道岔。其中軌道梁和線路道岔具有非常獨特的結構型式。(1)軌道梁跨座式單軌的軌道梁有預制混凝土軌道梁和鋼制軌道梁兩種。大多數跨座式單軌鐵路都采用標準預制混凝土軌道梁,跨度為20ｍ～22ｍ,斷面一般采用工字型中空截面,高度為1．5ｍ,寬度為0．85ｍ[3,5]。軌道梁采用預應力混凝土(ＰＣ),全部由專用模板制成,具有較高的精度。當跨度大于22ｍ或軌道梁建筑高度很高時,原則上采用鋼制軌道梁。鋼制軌道梁斷面一般采用箱型截面。(2)單軌道岔跨座式單軌道岔是有一定長度的道岔梁,一端可以移動,每片道岔梁均固定在一個支承臺車上,由臺車上的電動機驅動,操作安全、可靠。跨座式單軌道岔可以分為兩種類型:一類是柔性鉸接型,可使道岔連續彎成曲線;另一類為簡易鉸接型,轉轍時道岔梁在轉轍點前方保持一定距離的直線,用于車庫內部或低速區段[6]。根據連接線路的數量和形式,跨座式單軌道岔又可分為單開道岔、交叉道岔和三開道岔。

2．2　車輛系統

跨座式單軌列車采用專用的跨座式單軌電動車組,由四節、六節或八節車輛編組[7];列車兩端的車輛帶有司機室;每節車輛由車體和兩臺轉向架共同組成。跨座式單軌車輛的車體、車內設備、車門等的構造都與普通城市輕軌車輛相類似。車體采用輕合金焊接結構,重量輕,具有很好的耐火性能。轉向架是車輛的核心部件,也是最能夠體現跨座式單軌系統運行特點的部分。跨座式單軌車輛的轉向架為二軸轉向架,車軸為單懸臂固定在轉向架上,每根軸上裝有兩個走行輪,直徑為1006ｍｍ,是充入氮氣的橡膠輪胎。轉向架兩側上方各設兩個導向輪,下方各設一個穩定輪,它們都是充入空氣的橡膠輪胎,直徑為730ｍｍ[8]。為防止輪胎放炮,三種車輪都裝有鋼制備用輪,并設有輪胎檢測裝置。轉向架構架是鋼板焊接結構,不設置搖枕,車體直接支承在空氣彈簧上,既保證舒適性又能達到輕量化的目的。

3　技術特點　

　結構的特殊性決定技術的特殊性,跨座式單軌鐵路的供電、通信、信號、環控通風、給排水、防災報警、自動檢售票等機電設備與常規軌道交通基本相同,車輛段及綜合維修基地也沒有太大差別,因而其技術上的特點主要體現在車輛的轉向架、軌道梁和線路道岔三個方面。車輛的轉向架采用騎跨在軌道梁上的結構,采用走行輪傳動,通過設在轉向架兩側的水平輪胎導向和穩定車體,這一點不同于常規鐵路采用的鋼輪-鋼軌系統,走行輪對同時兼有傳動和導向的功能。此外,橡膠輪胎與軌道梁接觸的變形和受力機理都不同于鋼制輪軌。因而轉向架的技術比較獨特,需要進行深入系統的研究。跨座式單軌鐵路的軌道梁不僅是承重的橋梁結構,同時也是支承和約束車輛行駛的軌道,此外軌道梁還是牽引電網的載體,因而,它是集多種功能于一體的建筑結構,既要有足夠的強度,又必須具有足夠的精度。線路道岔也是集導向和承重于一體的結構,因而較高的承載能力和搬動時的輕便靈活對于道岔結構同等重要。道岔的性能直接影響線路的安全性、平穩性和運營效率,因而,單軌鐵路的道岔技術非常重要。

4　走行特點　

　在軌道梁上行駛的城市單軌車輛轉向架上裝有三種輪胎:走行輪、導向輪和穩定輪(如圖2所示),它的走行機理與鋼輪-鋼軌系統完全不同。在列車運行過程中,走行輪始終與軌道梁頂面接觸,輪胎的彈性主要緩沖車輛豎向振動;導向輪和穩定輪則起到緩沖車輛橫向振動的作用。如果轉向架在平衡位置沒有位移,導向輪和穩定輪將以有效半徑向前滾動;當轉向架發生橫向位移(橫移、側滾、搖頭)時,導向輪和穩定輪隨之產生偏移,這時單側或雙側的水平輪胎會受到軌道梁側面的徑向壓力,這種壓力將迫使轉向架回到平衡位置。

　鋼制輪軌的導向是由鋼軌約束輪對的橫向和豎向位移,再通過一系懸掛、二系懸掛將這種約束依次傳遞給轉向架和車體。而單軌系統則是導向輪和穩定輪主要承受軌道梁的橫向約束,走行輪主要承受豎向約束。橫向約束通過導向輪和穩定輪傳遞給轉向架;豎向約束由走行輪傳遞給轉向架,再傳遞給車體。跨座式單軌車輛的走行特點,將使軌道梁承受較大的扭轉荷載。5　性能特點

　將跨座式單軌系統的車輛技術參數、線路技術參數以及運營組織模式等與普通高架輕軌系統進行比較(如表3所示),可以看出單軌鐵路在性能方面具有以下特點:(1)單軌鐵路與常規輕軌同屬于中等運量的軌道交通,工程投資和運營費用相近。

表3　跨座式單軌鐵路與高架輕軌的性能比較[9]

注:1．括號中數字為帶有司機室車輛的參數。

2．輕軌車輛的參數

為4軸車輛的相應數據。(2)跨座式單軌鐵路具有如下優點:①能有效利用城市空間軌道梁的梁寬很小,支柱結構細長,占地面積很小,可以建在道路的中央分隔帶和較狹窄街道上;走行輪的摩擦系數較大,列車爬坡能力強,車輛軸距小,能通過較小的曲線半徑,因而適應地形能力強,可以在建筑物密集和地形起伏大、坡陡彎急的地方建造。②乘坐舒適轉向架采用充氣的橡膠輪胎和空氣彈簧,因而車體振動很小。車廂配有冷暖空調裝置和機械通風裝置,窗戶寬大、視野開闊,具有很好的舒適感。③運行安全、正點車輛運行速度快、加減速性能好,三種輪胎都配有鋼制備用輪胎,充分保障了系統的運營安全。系統的運行采用全封閉模式,與其它交通形式不相互干擾,因此單軌列車運行穩定、安全、正點。④對環境影響小車輛采用橡膠輪胎,降低了噪音;列車采用電力牽引,無廢氣產生;而且由于是直流電源供電,不產生電磁波,所以對沿線的環境和居民生活影響很小。此外由于軌道梁寬度很小,對地面的遮光很小;同時車輛的供電裝置設在軌道梁上,沒有架空接觸網,給行人的壓抑感也小。⑤TRANBBS施工簡便,工期短標準軌道梁可以在工廠預制,現場拼裝,從而縮短建設工期;牽引電網接觸導線剛性布置在軌道梁的側壁,也比架空接觸網和第三軌受電方式施工簡便,工期短。(3)跨座式單軌鐵路的缺點有:①道岔結構復雜由于線路道岔結構復雜,搬動比較費時,因而限制了列車運行間隔不能低于2．5ｍｉｎ。②能耗較大由于走行輪胎和軌道梁之間的摩擦系數較大,因而能源消耗較大。

6　適用范圍

　跨座式單軌鐵路是城市綜合交通體系的一個有機組成部分,可以與其它交通方式配合使用。對整個交通系統進行TRANBBS規劃時必須考慮:不出現交通阻塞和擁擠,交通事故發生率低,對環境影響小;乘車方便,等車和乘車時間短;有足夠的運輸能力;經濟性能好,造價和運營費用低;乘坐舒適;隨著城市的發展,能靈活地滿足對交通運輸的需要。跨座式單軌鐵路能滿足上述6個條件中的大部分,因而,它是利用范圍很廣泛的交通工具。一般地,跨座式單軌鐵路用于下述情況:(1)建成市區內的環狀路線,用做公務交通;(2)作為市中心與第二中心之間的連接線;(3)作為居住區與商業區、旅游景點之間的運輸線;(4)用作大城市的通勤干線或地方城市沿城市軸

線的干線;(5)連接衛星城和城市中心區的線路;(6)作為城市綜合交通系統的有機組成部分,與

機場、火車站或其它城市對外樞紐站相連接。

7　應用前景

7．1　跨座式單軌鐵路是改善中國城市交通狀況的有效途徑之一我國城市的現有的交通系統存在諸多問題,比較突出的有三個方面:高峰時段堵塞和擁擠嚴重;交通結構單一;對環境的影響較大[11]。導致交通不暢的根本原因在于現有的城市交通結構過于單一,大、中運量的軌道交通在城市交通中的比重太小。市區的旅客運輸主要由公共汽車、無軌電車等常規公交工具和自行車承擔。迄今為止,全國只有北京、上海和廣州三個城市有地鐵和輕軌運營線,而且運營里程都不長(分別為北京94．7ｋｍ;上海95．2ｋｍ;廣州27．3ｋｍ),依然不能滿足日益增長的交通需求。要從根本上解決我國城市交通存在的問題,就必須調整現有的交通結構,建立綜合交通系統。規劃和建設綜合交通系統的首要任務是合理規劃和發展各種軌道交通。作為中等運量的軌道交通,跨座式單軌鐵路是符合我國城市需求的交通形式。跨座式單軌鐵路具有比地鐵成本低、工期短,比輕軌高架線占地少、污染小、能有效利用道路中央隔離帶,適于建筑物密度大的狹窄街區的優點,此外,單軌交通的車輛和軌道容易檢查和維修養護,軌道使用壽命長。相對于上述優點而言,單軌的缺點影響不是很大,不足以妨礙其使用。因而,它不失為大城市客流中等的交通線路和中等城市主要交通線路的較好選擇。特別是在地形條件復雜,利用其他交通工具比較困難的情況下,更能體現其優越性。可以認為,建設和發展單軌鐵路是改善我國城市交通狀況的一個有效途徑。

7．2　中國修建跨座式單軌系統的技術可行性

日本、美國及澳大利亞等國家都具有建造跨座式單軌鐵路的成功經驗,這項技術本身是成熟的。目前我國的重慶市正在修建較新線(較場口～新山村)跨座式單軌系統,技術從日本引進,這是我國修建的第一條單軌鐵路。經過廣泛的調查和嚴密的技術論證,得出以下結論:在跨座式單軌鐵路的三大關鍵技術中,線路道岔和軌道梁通過引進國外技術,可以全部在國內組織生產;車輛的轉向架初期采取進口,可以分期分批逐步實現國產化,最終車輛的國產化率可以達到60%～70%;供電、通信、信號、環控通風、給排水、防災報警、自動售檢票等機電設備基本能夠完全國產化[16]。可以看出,在我國建造跨座式單軌系統,技術上是可行的。

8　結　論　

　綜上所述,跨座式單軌鐵路具有結構簡單、占用空間少、適應地形能力強、環保舒適、施工周期短等許多顯著特點,同時也是一種適用范圍廣泛的軌道交通形式。它不僅符合我國城市交通發展對中等運量軌道交通的需求,而且在我國建造具有技術上的可行性。