单轴转向架跨坐式单轨主要线路技术条件

孙 静

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安//工程师)

1 单轴跨坐式单轨概述

1.1 跨坐式单轨发展概述

1888年，世界第一条跨坐式单轨铁路在爱尔兰建成。1958年，德国“ALWEG型单轨”将单轨的技术归纳为三个要点：跨坐式、混凝土轨道、橡胶轮。1960年至今，日立通过引进德国单轴转向架单轨，研发了双轴转向架跨坐式单轨并持续投入建设运营至今。

2004年，重庆引进日立跨坐式单轨发展至今，其系统装备基本实现全国产化，形成了全球最大的单轨交通装备制造业基地及跨坐式单轨国家标准规范。

目前，为增强跨坐式单轨的建设适应性，降低工程造价，基于单轴转向架在钢轮钢轨车辆中的优势[1]，国内新一代自主研发的跨坐式单轨又将引进改良单轴转向架技术，并将其作为主要发展方向之一。

1.2 单轴转向架跨坐式单轨与双轴转向架跨坐式单轨的区别

双轴转向架跨坐式单轨以日立为代表，主要运用于日本、韩国等国家的跨坐式单轨线路。目前，我国重庆轨道交通2、3号线采用的就是双轴转向架跨坐式单轨。

单轴转向架跨坐式单轨以庞巴迪为代表，起初主要运用于景区、游乐园等场所。目前，技术最为先进的庞巴迪Monorail 300已经具备运用于城市轨道交通干线的条件。由我国改进的具有自主知识产权的单轴转向架跨坐式单轨是以比亚迪云轨为主要代表。

传统双轴转向架(见图1)的车辆承载力较大，因此可通过增加车辆长度较好地实现载客能力，且其稳定性亦较高。

单轴转向架(见图2)相比双轴转向架，所需的车轮数量少，同时转向架的转弯半径小、通过性能强、轮胎磨损小，但平衡稳定性较双轴系统差。

尺寸单位：mm

图1 双轴转向架与车辆

受转向架形式影响，单轴转向架单轨车辆与双轴转向架单轨车辆相比，主要有以下几点区别：

(1) 轻量化。在车辆的总体质量中，转向架的质量占有相当大的比例。因此单轴转向架减少轮对数量对减少转向架的质量及整车质量的效果较明显。

(2) 低地板。由于单轴转向架体量较小，将其置于车厢内部，可有效降低地板高度，从而降低整车高度。以庞巴迪Monorail 300为例[2]，其车辆高度为4.05 m，比日立单轨车辆降低了1.25 m；同时车厢地板面距轨道梁顶面的距离仅 450 mm(见图2)。

a) 立体图

b) 截面图

尺寸单位：mm

图2 单轴转向架与车辆

(3)曲线通过性能好。单轴转向架通过曲线时的轮对横向力、最大横向位移、轮对冲角等指标均优于双轴转向架[1]，其曲线通过性能在小半径情况时优势明显。

(4)载客能力低。由于减少了单车车轴数量，车辆承载能力下降，单轴转向架跨坐式单轨往往采用缩短车辆长度等方式确保车辆的承载能力，故其载客能力降低。

1.3 适用范围

基于单轴转向架跨坐式单轨的特点，其主要运用范围如下：

(1)高峰小时客流小于3万人次的城市轨道交通线路。为保障转向架承载力，单轴转向架跨坐式车辆有效载客长度一般为11 m左右，车辆定员一般为100～120人。考虑到道岔转辙时间，以1列120 s发车间隔[4]、8辆编组的列车计算，高峰小时列车单向运输能力为2.4～2.9万人次。

(2)环境指标要求高的大型组团内部轨道交通线路。单轴转向架跨坐式单轨具有振动小、噪声小等优势，可运用于工业园区、机场综合枢纽以及大型居住社区等大型组团的内部交通线路。

(3)旅游观光线路。单轴转向架单轨车辆具有轻量化的特征，故可将其外观打造得更加时尚动感。在旅游景区，此类跨坐式车辆构成了城市中一道独特的风景线。目前，西安曲江、新加坡圣淘沙以及佛罗里达州迪士尼等地采用的即为单轴转向架小型跨坐式车辆。

2 跨坐式单轨线路技术标准现状

对于景区、园区跨坐式单轨线路，目前我国尚无相关标准规范，基本按照特种游乐设施来审批建设。由于小型跨坐式单轨车辆形式各异，因此在线路设计过程中，可按照车辆参数配予适当的技术条件。

对于城市轨道交通线路，目前我国已建成的重庆2、3号线均属于双轴转向架车辆，其已具备完备的国家规范，即GB50458—2008《跨坐式单轨交通设计规范》。

而单轴转向架跨坐式单轨在我国尚未以城市轨道交通形式建成。目前，我国多个城市已经开工建设或正在对此开展前期研究工作，各地基本上各自为战，设计标准各不相同。以重庆项目(双轴)、西安项目(单轴)及西宁项目(单轴)为例[5-7]，其主要线路技术标准对比如表1所示。

表1 我国各地跨坐式单轨线路标准比较

由表1可知，我国单轴跨坐式项目设计时采用的线路参数，部分沿用双轴规范，部分采用相对安全值，以确保系统稳定性，但这种处理方式不能体现单轴转向架跨坐式单轨车辆的优势。因此研究合理适用的技术条件，对于跨坐式单轨线路规范化意义重大。

3 线路平面技术条件

3.1 最小曲线半径

由单轴跨坐式单轨应用范围可知，其最小曲线半径的选取主要受车辆构造、行车速度及周边地形、公路以及城市道路技术条件影响。

3.1.1 车辆构造

单轴转向架能够在曲线处更贴切走行轨道，有效减小转弯半径，如图3所示。目前，国内外适用于城市轨道交通的单轴跨坐式车辆最小转弯半径均为46 m。巴西圣保罗单轨采用最小曲线半径46 m，我国已建成的深圳比亚迪园区跨坐式单轨与银川花博园跨坐式单轨均采用最小曲线半径60 m。

a) 双轴转向架b) 单轴转向架

图3 双轴、单轴转向架通过曲线示意图

3.1.2 行车速度

3.1.2.1 超高值的确定

根据长期运营实践，我国地铁采用120 mm的最大超高值[8-9]，将其换算为跨坐式单轨交通的最大超高率hlmax为8%。

当列车在以高于设计速度的曲线上行驶时，将会产生未被平衡的离心加速度a和欠超高hq。当hq过大时，会对列车通过曲线的安全性、舒适性造成影响。根据国内铁路相关试验[10]，a、允许欠越高hqy与乘客舒适度的关系如表2所示。

表2 a、hqy与乘客舒适度的关系

由表2可知，当hqy为60 mm时，乘客反应“基本无感觉”。考虑到单轴车辆的低地板设计，建议将a提高至0.52，此时hqy为80 mm，将其换算为跨坐式单轨交通的允许欠超高率hlqy为5%(困难情况下取7%)。

3.1.2.2 行车速度允许的最小曲线半径

跨坐式单轨交通的超高、运行速度和曲线半径之间关系如下[5]：

(v/3.6)2/R-ghlmax=ghlqy

(1)

式中：

v——列车通过曲线的运行速度，km/h；

R——曲线半径，m；

g——重力加速度，m/s2。

当hlmax取8%、hlqy取5%(困难情况取7%)时，可以推导出最小曲线半径Rmax与v之间的关系：一般情况下Rmin=0.059v2，困难情况下Rmin=0.051v2。

当v按80 km/h计算时，一般情况下R为380 m，困难情况下R为330 m；当v按40 km/h计算时，一般情况下R为95 m，困难情况下R为82 m；以列车过岔速度为25 km/h计算时，则一般情况下R为37 m，困难情况下R为32 m，此时该值已低于车辆构造通过能力。

3.1.3 城市道路建设条件

跨坐式单轨交通应尽量沿城市道路敷设，其平面条件宜与道路线形标准相匹配，减少征地拆迁以及因与道路重复交叉带来的大体量下部结构。

我国城市道路及公路最小曲线半径规定[11-12]如表3所示。由表3可知，当单轴跨坐式单轨最小曲线半径选取70 m时，大部分道路所设置曲线半径是可以适应单轨线路敷设的。

表3 城市道路及公路最小平曲线半径

综上所述，单轴转向架跨坐式单轨采用最小曲线半径与行车速度的关系为：一般情况下Rmin=0.059v2，困难情况下Rmin=0.051v2；为在城市轨道交通中充分展现其优势，一般情况下Rmin可取70 m，特殊情况下Rmin取50 m。

3.2 曲线及夹直线最小长度

文献[9]为避免1节车辆同时跨越3段线型，保障车辆平稳运行，取圆曲线及夹直线最小长度为20 m。文献[5]为避免1片轨道梁跨越3段线型以及减少设计与制作难度，上述取值应略长(该取值与文献[9]取值20 m一致)。

单轴转向架跨坐式单轨的轴距较传统双轴要小，且考虑到跨坐式单轨多与市政道路结合敷设，为提高平面适应性，可适当降低标准，类比地铁规范，采用1节车辆长度取整(即10～15 m)作为控制标准。此外，跨坐式单轨轨道梁一般采用预制，由于孔跨布设的延续性，难以避免跨越两种线型，因此，1片轨道梁跨越3段线型(两种线型)对设计与制作影响不大。

4 线路纵断面技术条件

4.1 最大坡度

跨坐式单轨交通车辆采用橡胶轮胎，其粘着力大、爬坡能力强。目前，各厂家生产的新型跨坐式单轨车辆(单轴、双轴)均能实现100‰的爬坡能力。参照国内外已建线路的相关标准和运营情况，建议最大坡度采用60‰；困难条件下，非载客区段经造价、运营等多方面分析比较，在理由充分的基础上可采用不大于90‰的坡度。

对于单轴跨坐式单轨车辆，由于其车辆自重轻，且采用全动力转向架，根据国外的应用情况，建议曲线上纵坡不考虑折减。

4.2 竖曲线

文献[9]中，车辆通过变坡点时产生的竖向加速度ay、竖曲线半径Ry与v之间的关系[9]为：

Ry=v2/(3.62ay)

(2)

文献[9]对于ay的取值：一般情况下为0.1～0.154 m/s2，困难情况下为0.17～0.26 m/s2。考虑到跨坐式单轨采用胶轮运行，故ay可取地铁规范中的大值，即一般情况下取0.15 m/s2，困难情况下取0.25 m/s2。假设车辆速度为80 km/h，故可得出竖曲线半径一般情况下约为3 000 m，困难情况下约为2 000 m。

4.3 最小坡段长

单轨列车通过变坡点时，会发生突变性的冲击加速度，对舒适度有一定影响。从行车平稳考虑，宜设计较长的坡段长，但坡段过长也容易带来地形的不适应性，从而增加建设成本。

文献[9]提出，坡段长度不宜小于远期或客流控制期列车长度，且要满足两个竖曲线之间的夹直线长度。这是为了防止1列列车范围内同时出现两种以上坡段、坡度及竖曲线，从而改善列车运行条件。

以目前单轴转向架跨坐式单轨车辆来看，单列(8辆编组)车辆全长一般不超过100 m。因此，建议跨坐式单轨线路最短坡段长度一般情况不小于200 m，困难情况下不小于远期列车长度。另外，坡段长度还应满足两个竖曲线之间不小于100 m间隔的要求。

5 结语

跨坐式单轨交通是城市轨道交通的重要分支，而单轴转向架跨坐式单轨作为其发展方向之一，具有造价低、建设周期短、环境适应性强等优点。目前我国多个城市正积极推进，具有较好的发展前景。

我国仅有重庆建成运营双轴转向架跨坐式单轨，目前多个设备厂商均推出新型单轴跨坐式单轨，原有规范覆盖性不强。本文对主要线路技术条件提出取值建议或计算办法，对新型跨坐式单轨项目的设计起到参考和借鉴意义。

本文提出的曲线半径、最小夹直线长度及圆曲线长度较文献[5]有所突破，体现了单轴转向架对于跨坐式单轨的优势。同等技术条件下，单轴车辆的轮胎磨耗、振动及噪声均小于双轴车辆，但由于缺乏相关运营经验及数据，未对曲线半径减小带来的磨耗增大等问题进行分析。建议小半径曲线可多用于景区及园区线路，并通过运营积累经验和数据，逐步形成可行而又经济合理的技术参数。