新型跨坐式單軌車輛的主要特點及應(yīng)用

方黎明

摘要：隨著城市公共交通多樣化的發(fā)展，單軌車輛開始更多地進入公眾視線，本文主要就新型單軌車輛與傳統(tǒng)單軌車輛的差異進行分析，以及新型單軌車輛的兩種類型進行對比，對不同類型的單軌車輛從車輛外觀，內(nèi)飾、牽引系統(tǒng)、檢修維護、安全性、各系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用前景等方面進行了綜合分析，為城市進行軌道交通制式的規(guī)劃選型提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：跨坐式;單軌;特點;類型;應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城市人口快速增長，城市建設(shè)規(guī)模急劇擴大。在我國城市快速發(fā)展的進程中，特大型城市和大中型城市相繼出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染和資源浪費等問題。城市建設(shè)規(guī)模的急劇擴大，致使城市地面道路容量與道路交通需求之間的矛盾日益突出，地面交通資源供給嚴重不足，傳統(tǒng)的交通方式已無法適應(yīng)大中城市尤其是特大城市不斷增長的出行需求。我國城市交通正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。要改變我國城市交通擁堵和環(huán)境污染等境況，必須大力發(fā)展公共交通，尤其是多種形式的軌道交通，使更多的人選擇公共交通而不是選擇小汽車作為其主要出行方式，保障城市的健康有序發(fā)展。

近年來，國家有關(guān)部門出臺了一系列政策文件，要求軌道交通建設(shè)要統(tǒng)籌考慮發(fā)展模式，合理選擇系統(tǒng)制式，促進結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國家鼓勵各地因地制宜，量力而行，選擇經(jīng)濟實用、環(huán)保高效的輕軌及各種新型軌道交通技術(shù)，實現(xiàn)軌道交通可持續(xù)發(fā)展。如今，軌道交通建設(shè)主體正在從特大城市、大城市逐步擴大到中等城市;大城市內(nèi)部的軌道交通也正從骨干線路建設(shè)逐步擴大到輔助加密線，接駁線以及市域線的建設(shè)。“立體化”的城市交通成為趨勢。跨座式單軌交通以其成熟的技術(shù)、較高的安全性能以及經(jīng)濟環(huán)保的造價，為機場捷運線、城市遠郊社區(qū)、景區(qū)以及大型娛樂園，乃至三四線城市的交通運輸模式帶來全新的解決方案，也希望在未來，這種美麗環(huán)保的交通模式被更多的城市采納，讓我們可以看到單軌交通在全球城市的上方，畫出一道道絢爛的“彩虹”。

1跨坐式單軌車輛主要技術(shù)特點發(fā)展情況

目前國內(nèi)大多數(shù)城市在發(fā)展軌道交通時，都將車輛從地面移至空中，即單軌系統(tǒng)，單軌系統(tǒng)是指車輛在特殊的軌道梁上運行的城市軌道交通，有跨坐式和懸掛式兩種類型，[1]而目前跨坐式單軌由于運量適中，建設(shè)成本與輕軌相當，但其爬坡能力與曲線半徑相對輕軌更優(yōu)，具有占地面積小、地形適應(yīng)能力強、綠色環(huán)保的特點，因此目前跨坐式單軌車輛在各個中小城市和大型城市的區(qū)域線中具有廣泛的應(yīng)用前景。跨座式單軌，車輛行走時騎跨在獨立建設(shè)的單軌橋梁上，除了行走車輪外，跨座式車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計是在其左右兩端增加了導向輪和穩(wěn)定輪，環(huán)抱軌道行走。[2]

2新型單軌車輛與傳統(tǒng)單軌車輛技術(shù)差異性比較

在我國，重慶城市跨座式單軌交通2、3號線先后于2005年和2011年建成通車，經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前的單軌車輛無論是從外觀還是車輛各方面的性能都有進一步的優(yōu)化提升，如無人駕駛，永磁牽引等先進的駕駛和驅(qū)動技術(shù)都在新型單軌車輛中得到應(yīng)用，并且根據(jù)客流量情況車輛有大型車和小型車兩種，車輛的適應(yīng)性進一步提高。

2.1外觀對比

新型跨坐式單軌車輛在外觀上采用流線型設(shè)計，車輛外觀可以根據(jù)用戶要求進行定制設(shè)計，同時采用流線型車身可減少車輛的運行阻力，降低車輛運行能耗。圖1為兩種單軌車輛外觀對比，另外新型單軌車輛的車體斷面采用整體圓鼓型，相比傳統(tǒng)V型斷面其內(nèi)部空間更大，整體承載和受力效果更好，斷面結(jié)構(gòu)具體如下圖2所示。

2.2內(nèi)飾對比

隨著軌道交通車輛工業(yè)設(shè)計水平的不斷提升，以及大量新技術(shù)新材料的應(yīng)用，新型單軌車輛的客室內(nèi)部更加通透明亮，如LED照明的使用，大玻璃車窗的應(yīng)用等，使得新型單軌車輛不但具有交通運輸?shù)墓δ埽瑫r還兼具旅游觀光的屬性。圖3是傳統(tǒng)單軌車輛與新型單軌車輛內(nèi)飾對比。

2.3牽引系統(tǒng)及能耗對比

由于橡膠輪胎的摩擦力較大，單軌車輛的能耗相比常規(guī)地鐵車輛能耗高，重慶單軌2號線為減少車輛能耗，在線路上設(shè)置再生制動能量回饋裝置;而新型單軌車輛，為減少牽引系統(tǒng)的能耗，車輛上的牽引電機采用永磁同步電機，根據(jù)地鐵車輛上的相關(guān)運行經(jīng)驗，永磁同步電機相比異步電機能降低牽引能耗30%左右。

2.4駕駛模式

根據(jù)《IEC62290：鐵路應(yīng)用-城市軌道交通管理與指揮控制系統(tǒng)》，將列車的駕駛模式分為5類，具體分類如下表1所示。

其中UTO全自動列車駕駛系統(tǒng)是一種將列車駕駛員的操作完全有高度集中的、自動化的控制系統(tǒng)所替代的列車運行模式。近年來，全自動駕駛系統(tǒng)在世界許多城市的軌道交通建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。無論是大運量系統(tǒng)還是小運量系統(tǒng)，都有不少成功范例，國外如哥本哈根、新加坡、紐倫堡、韓國等城市的全自動無人駕駛系統(tǒng)均已投入運營。其中法國里爾1號線列車就是采用的中小運量APM制式，如韓國龍仁磁浮線也采用的是全自動駕駛模式，國內(nèi)近年來大運量的地鐵線路，如上海地鐵10號線，北京地鐵房山線，上海地鐵14號線、15號線、18號線、南寧地鐵5號線等都采用的是全自動駕駛模式，而中小運量的如廣州珠江線APM，上海浦江線APM，北京機場線APM等都采用的全自動駕駛模式，目前國內(nèi)在單軌車輛采用全自動駕駛模式也在進行進一步的嘗試，如銀川單軌，蕪湖單軌等項目都將采用采用全自動駕駛模式或在后期升級為全自動駕駛模式。對于新一代單軌車輛采用全自動駕駛模式，可提升車輛智能化水平，另外由于單軌車輛道岔轉(zhuǎn)換時間長，車輛發(fā)車間隔相對地鐵車輛長，而采用全自動駕駛模式，可縮短行車間隔，提高列車運營的效率。

2.5緊急牽引功能

由于單軌車輛基本采用高架運行，針對單軌車輛的救援問題，一直是用戶及公眾關(guān)注的問題，新一代單軌車輛可設(shè)置蓄電池緊急牽引功能，當區(qū)間輸電設(shè)備故障造成高壓中斷時，列車利用蓄電池將車輛牽引到最近車站（或疏散點），組織旅客疏散，進一步提升單軌車輛的可用性和安全性。

3新型單軌車輛種類

目前新型跨坐式單軌車輛主要分為兩類，有大型車和小型車兩種類型，大型車如國內(nèi)中車株洲電力機車有限公司，中車長春軌道客車有限公司等都采用的是大型車的技術(shù)路線，而龐巴迪、Scomi、比亞迪、中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限公司等都采用的是小型車的技術(shù)路線。

比亞迪的跨坐式單軌車輛稱之為云軌，實際也是跨坐式單軌車輛的一種，目前在國內(nèi)銀川花博園已經(jīng)通車運行，廣州汕頭、四川廣安以及安徽蚌埠也擬開工建設(shè)云軌線路。云軌在國外也倍受青睞，2017年12月，比亞迪與摩洛哥簽訂了一條15公里的云軌示范線。

云軌目前主要分為兩類，即A型和C型，A型是大車型，主要承擔機場、火車站、客運站的專用線路接駁，更可以承擔市區(qū)公共交通干線以及城市綜合交通系統(tǒng)的樞紐工作。A型的特點是交通流量大、承載人群多。

C型是小車型，車輛尺寸較A型車小，也稱之為云巴，主要用于生活區(qū)、接通接駁的連接作用，例如住宅區(qū)到商場、CBD、公交站、地鐵站。憑借C型的占地面積小等特性，C型線路的觀景效果更好，沿途車站可以深入到建筑物內(nèi)。

4新型單軌車輛的綜合比較

4.1技術(shù)參數(shù)及性能比較

4.1.1主要技術(shù)參數(shù)

新型單軌車輛中的大型車和小型車主要對比參數(shù)如下表2所示。

4.1.2供電系統(tǒng)

目前小型單軌車輛都采用DC750V供電，而大型單軌車輛普遍采用DC1500V供電。主要由于小型單軌車輛空間太小，僅能滿足DC750V供電的絕緣間隙，而大型單軌車輛可采用DC1500V供電，在相同的線路長度下，大型單軌車輛單軌供電系統(tǒng)如變電站等設(shè)置的更少，適應(yīng)性更好，供電成本更低。

對于新一代單軌車輛，目前也在進一步研究DC3000V供電制式的可行性，從而可進一步降低供電系統(tǒng)的成本。

4.1.3軌道梁

小型單軌車輛如比亞迪，軌道梁斷面尺寸為700mm×1500mm，相比大型單軌車輛的軌道梁尺寸（800-850mm×1500mm）更小，同時立柱尺寸也較小，因二者跨距相同，因此小型單軌車輛的軌道梁和立柱的建設(shè)成本相對較低。

4.1.4車輛檢修維護比較

單軌大型車轉(zhuǎn)向架單軌小型車轉(zhuǎn)向架

圖4大型單軌車輛與小型單軌車輛轉(zhuǎn)向架

新型單軌車輛大型車轉(zhuǎn)向架為雙軸轉(zhuǎn)向架，而小型車如比亞迪單軌車輛為單軸轉(zhuǎn)向架，采用的是輪轂電機，電機集成在輪軸內(nèi)，檢修維護不方便。

4.2乘客舒適度

客室內(nèi)部布局：

小型單軌車輛客室布局大型單軌車輛客室布局

圖5大型單軌與小型單軌車輛客室布局

小型單軌車輛如比亞迪單軌的單軸轉(zhuǎn)向架需臥入客室，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的座椅等需要凸起，不但有礙車輛的美觀與通過性能，而且降低了客室的站立面積，影響車輛的載客能力和乘坐舒適性。

4.3運行平穩(wěn)性

跨座式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架是核心部件，每個轉(zhuǎn)向架上裝有三種輪胎：走行輪、導向輪和穩(wěn)定輪，它的走行機理與鋼輪-鋼軌系統(tǒng)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(wěn)定輪則起到緩沖車輛橫向振動的作用。[3]

傳統(tǒng)單軌車輛每側(cè)布置兩個導向輪和一個穩(wěn)定輪，而新型單軌車輛的大型車為了提高車輛運行平穩(wěn)性，應(yīng)用了自主發(fā)明的四導向輪技術(shù)，每側(cè)有四個導向輪，下面兩個導向輪同時起到穩(wěn)定輪的作用。確定導向輪和穩(wěn)定輪的預壓力是跨座式獨軌車輛的一個重要的動力學間題，因為它影響著車輛的安全性、穩(wěn)定性以及平穩(wěn)性。[4]采用4輪導向能更加合理的分配其預壓力，此種設(shè)計可以更好地實現(xiàn)車輛行駛的導向能力，使車輛在曲線段側(cè)滾更小，車輛平穩(wěn)性及乘客舒適性更好。四輪導向和兩輪導向如下圖6、圖7所示。

4.4安全性

新型單軌車輛車體結(jié)構(gòu)為整體承載全鋁合金焊接輕型結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻及車頂部分組成，承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等載荷。車體強度在整個車輛的安全性中非常重要，如果車體強度不足，一旦發(fā)生事故，將有可能會給乘客和司乘人員帶來巨大的傷害。

新型單軌車輛中的小型車為降低車輛重量，車輛強度較低，如比亞迪單軌車輛的車體強度為350MPa，根據(jù)評估，該車輛能滿足5kmh的碰撞要求;

而大型車的車體強度不小于480MPa，碰撞性能滿足EN15227標準要求的15kmh要求。因此大型車相對小型車的碰撞安全性更好。

4.5新型單軌車輛仍需要解決的一些問題

雖然新型單軌車輛相比重慶單軌車輛在工業(yè)設(shè)計，牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等各個方面都進行了大量的優(yōu)化升級，車輛更加現(xiàn)代化，運行更加平穩(wěn)，但目前仍存在一些問題，如快速單軌，最高運行速度大于80kmh車輛的研發(fā)，核心部件、產(chǎn)品部件的國產(chǎn)化，輪胎壽命的提高，對寒冷多雪地區(qū)具有更好的適應(yīng)性，與其他交通工具的換乘等仍需要進一步的進行研究。

5應(yīng)用前景分析

目前傳統(tǒng)的地鐵、輕軌、有軌電車等軌道交通制式不能完全滿足不同城市的多樣性需求，中小城市群的軌道交通建設(shè)急需一種新的交通制式，新型跨坐式單軌車輛由于爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小，噪音低，振動小，車輛外觀具有設(shè)計感與現(xiàn)代感，而且大型車小型車的分類也可以適應(yīng)不同的運量需求，如大型車在中等城市將來應(yīng)用前景廣泛，而小型車作為小城市或在旅游景區(qū)等地區(qū)應(yīng)用前景比較廣泛。經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前的新型單軌單軌在各個方面都得到了進一步的優(yōu)化提升，隨著軌道交通多元化的發(fā)展和多樣性的發(fā)展需求，單軌交通也一定會有非常好的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]楊毓杰.單軌車輛在城市交通中的應(yīng)用和發(fā)展前景.山東工業(yè)技術(shù)，20.

[2]郭鍇，武農(nóng).跨座式單軌交通的認識誤區(qū)分析及發(fā)展展望.鐵道標準設(shè)計，60（3）.

[3]杜子學，李寧.跨坐式單軌車輛導向輪受力仿真分析研究.鐵道機車車輛，2011（4）.

[4]任利惠，周勁松，沈剛.跨坐式獨軌車輛動力學模型及仿真.中國鐵道科學，2004（5）.