悬挂式单轨平面圆曲线乘客舒适度控制标准取值研究

2019-07-10余浩伟寇峻瑜许朝帅

铁道标准设计 2019年7期

余浩伟，谢毅，寇峻瑜，许朝帅

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

悬挂式单轨，国内又称“空轨”、“空铁”，是我国近年来开始研究建设的一种新型轨道交通制式，由于具有鲜明的特色，自2011年以来在国内得到了快速的发展[1-2]。

悬挂式单轨采用的是轨道在上、车辆在下的特殊结构形式，车辆悬挂在轨道梁下方空间行驶，轨道梁一般采用下部开口的箱型钢梁，墩柱可采用混凝土结构或钢管结构。悬挂式单轨车辆一般包括转向架、悬挂装置和车体三部分，转向架结构以及悬挂装置与其他轮轨交通区别较大。转向架通常采用两轴转向架，除走行轮外，还设置有独立的导向轮，部分还在导向轮上方设有稳定轮，均采用实心橡胶轮胎，使得车辆可方便地通过较小的曲线半径。车体与转向架之间的悬挂装置通常为铰接结构，车体可绕中心销自由转动。为抑制车体晃动，悬挂装置还设置有抗横摆减振器，用以平衡车辆通过曲线时的离心力，消减车辆通过曲线后的横向摆动[3-10]。目前，国内研发的悬挂式单轨车辆多以德国H-bar车辆为原型，根据相关宣传资料，理论上可适应30 m的最小曲线半径、10%的最大坡度。见图1。

图1 悬挂式单轨车辆结构简图

线路平面设计参数是决定线路方案的重要控制参数，直接影响建设成本、运营安全、维修工作量等，线路平面设计参数是由车辆结构、乘客舒适度、轨道梁加工制造精度、工程建设及运营维护成本等多因素综合确定的结果，其中乘客舒适度控制标准是最为重要的控制指标，也是必须满足的强制性指标，对于确定线路平面设计参数具有极为重要的意义。一般而言，舒适度控制标准确定的越严格，从乘客角度而言，其乘坐感受必然是越好的，但会造成线路平纵断面标准的急骤上升，从而使得工程建设成本居高不下，影响项目建设的经济性；反过来，若放松舒适度控制标准，定会增加选线设计的灵活度，在一定程度上减少工程建设成本，但会影响乘客乘坐感受。因此，乘客舒适度控制指标采用何种标准，如何合理平衡乘客舒适度与工程建设成本之间的关系，是每一种轨道交通制式都需要解决的问题。通过系统总结国内外各种现有制式取值标准，结合悬挂式单轨特点，就悬挂式单轨圆曲线乘客舒适度控制标准取值开展理论分析研究，为平面曲线参数的研究提供依据与基础。

1 与圆曲线有关的乘客舒适度标准

对于轨道交通而言，其平面线路方案一般都是由直线、圆曲线和缓和曲线3种线形组成，需要研究确定的平面设计参数一般主要指：圆曲线半径、缓和曲线长度以及夹直线长度取值[11-13]。根据悬挂式单轨的特性，从乘客舒适度角度考虑，圆曲线半径与车体偏转角、未被平衡的离心加速度有关，缓和曲线长度与偏转角时变率和未被平衡离心加速度时变率有关，夹直线长度与车辆的衰减周期数和振动周期有关。悬挂式单轨车辆受力简图如图2所示。

图2 悬挂式单轨车辆受力简图

在不考虑纵坡影响的条件下，从舒适度角度确定平面圆曲线的计算公式为

(1)

式中，RH为平面圆曲线半径；V为车辆运行速度；aq为未被平衡离心加速度；g为重力加速度；α为车体偏转角。

根据式(1)可知，当速度一定时，允许的最小圆曲线半径直接由车辆最大允许偏转角αmax和允许的最大未被平衡离心加速度amax决定，且近似于反比例函数关系。即偏转角越大，曲线半径越小；未被平衡离心加速度越大，曲线半径越小。确定最小圆曲线半径，需要首先确定允许的最大车体偏转角及最大未被平衡离心加速度。

2 最大偏转角

在传统轮轨铁路中，为平衡通过曲线时的离心力，需要在曲线地段设置横坡，从而控制车体姿态，横坡一般采用设置超高的方式实现。允许设置的最大超高值应保证列车不致倾覆，保证旅客站立或行走时不致失稳[11-13]。

2.1 国内试验情况

根据铁道科学研究院1980年的试验研究，当轮轨列车停在超高为200 mm及以上的曲线上时，部分旅客会感到站立不稳，行走困难且有头晕不适之感，故轮轨系统实设超高允许值不应大于200 mm[12]，换算成偏转角表示即为7.7°。

2.2 国内现有规范规定

由于结构的不一致以及表示习惯的不同，国内相关规范对于车辆最大偏转角的表示方法主要有超高值、超高率和偏转角3种，统一换算成偏转角后，统计情况见表1[14-21]。

表1 国内颁布规范对于最大偏转角的规定

根据表1可以看出，国内目前现行的轨道交通设计规范中，对于最大偏转角的设置没有完全统一，允许的最大横坡角处于4.574°～6.843°，但均小于铁科院试验得出的7.7°横坡角限值。其中，地铁乘客由于以站立为主，对于最大偏转角的限制最为严格；以坐席为主的高铁、客专等取值最大；客货共线铁路介于两者之间。需要说明的是，跨座式单轨在应用环境上与铁路较为类似，乘客虽也以站立为主，由于规范编制过程中，主要参考日本跨座式单轨经验，最大偏转角取值较大，然而重庆多年的运营经验证明，该值也是合理的，说明我国相关标准的取值均较为保守。

2.3 国外悬挂式单轨情况

目前悬挂式单轨仅仅在德国和日本有应用，德国悬挂式单轨在线路上不设置超高，车辆在离心力的作用下，可允许发生偏转的最大角度为8°。日本悬挂式单轨采用了与德国完全不同的方式，通过在线路上设置一定角度的超高，从而控制车辆姿态，以平衡通过曲线时的离心力，线路允许设置的最大超高率为12%(最大偏转角为6.843°)。

2.4 小结

国内除地铁设计规范规定的最大横坡角偏小外，其余客运线路(轮轨客专、跨座式单轨、中低速磁浮、高速磁浮)对于最大横坡角的规定均在6°及以上。

日本悬挂式单轨和重庆跨座式单轨的运营实践证明，6.843°的最大偏转角(超高率12%)是可以满足在正常通过速度下的旅客舒适度需要的，即便是乘客以站立为主的轨道交通。

对于悬挂单轨车辆而言，由于采用的是被动摆的悬挂结构，当车辆停车或低速行驶时，车体在重力的作用下会自动减小偏转角，故不存在传统轮轨由于轨道设置了超高导致的站立不稳或行走困难的现象，理论上最大偏转角可突破传统轮轨7.7°最大偏转角的限制。但需要注意的是，最大偏转角除了对乘客舒适度有影响外，也与工程密切相关。一方面，会对车辆导向机构、悬挂装置等的制造提出更高的要求；另一方面，过大的偏转角会增大限界范围和线间距，造成工程量以及投资的增加。此外，偏转角大小还与振动衰减周期、最大侧向摆动速度等密切相关。

3 最大未被平衡离心加速度

由于车辆能发生的偏转角度会受到限制，只能平衡某一特定速度运行时所产生的离心加速度。当列车运行速度高于该特定速度时，则会产生未被平衡的离心加速度，而允许适当的未被平衡离心加速度存在，可降低曲线半径标准，或同样的曲线半径标准可以提高运行速度，但其应满足乘客舒适度要求，不致导致乘客感到不舒适。

3.1 国际标准化组织提出的评价指标

国际标准化组织(ISO)在1997年制定了人体对全身振动程度评价的标准—ISO2631，提出了振动(用总加权加速度均方根值表示)与人体舒适性感觉之间的关系，当大于1.25 m/s2时，人体会出现很不舒服的感觉[14]。详见表2。

表2 振动与人体舒适性感觉之间的关系

同时，提出了人体可承受的侧向加速度与振动持续时间之间的关系，随着侧向加速度的增加，人体能够连续忍受的时间不断缩短。在人主观感觉到很不舒服的1.2 m/s2侧向加速度连续作用下，人体能承受的连续振动极限时间仅为16 min。详见表3。

表3 振动持续作用时间与侧向加速度允许值的关系

3.2 国内外试验验证结果

国内外在铁路上进行了一系列的试验，试验评价结论均不一，有一定差异，但有一定范围，乘客能承受的限值都处于0.3～1.2 m/s2区间内，与ISO2631标准基本吻合，且以0.4～0.8 m/s2的范围为主[4]。详见表4。

表4 国内外对于未被平衡离心加速度的试验结果

注：一般情况下，实测大于理论计算，系数1.2～1.3。

3.3 国内现有规范规定

对比分析国内轨道交通设计规范的取值情况，除高速磁浮允许采用的未被平衡离心加速度较大，为1.25 m/s2，其他制式均在0.4～0.8 m/s2区间内[14-21]，多年的实践也证明该取值是合理的。详见表5。

表5 国内规范允许采用的最大未被平衡离心加速度

3.4 小结

由于地铁、跨座式单轨、中低速磁浮等城市轨道交通存在较多的站立乘客，重心高，其相应允许的未被平衡离心加速度较其他制式小。

与其他制式相比，悬挂式单轨由于距离地面较高，且车体以下无可遮挡的建筑物，乘客对于未被平衡离心加速度的感觉更加敏感，并存在一定的主观感觉放大效应，即相同的未被平衡离心加速度下，人对于舒适度的主观感觉更差，需要从严控制未被平衡离心加速度。但未被平衡离心加速度控制得过于严格，将不能充分发挥悬挂式单轨的优势。