跨座式单轨交通标准体系研究

刘 俊 武 农 郭子煜

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

标准是人类文明进步的成果。从中国古代的“车同轨、书同文”,到现代工业规模化生产,都是标准化的生动实践。积极实施标准化战略,以标准驱动城轨行业创新,规定技术底线,规范行业秩序,保障建设运营质量,对中国城市轨道交通高质量创新发展具有极其重要的意义。

1965 年,中国第一条地铁(北京地铁1 号线)开始建设,至今已有五十余年的发展历史,截止2020 年底,地铁通车里程达6280km,已发布超过250 项与城市轨道交通相关的国家标准或行业标准[1-2],形成较为完备的标准体系,标准为城市轨道交通的建设运营、产业发展作出积极贡献[3-6]。

2000 年,重庆单轨交通2 号线作为国内第一条跨座式单轨开始建设,在总结重庆单轨建设运营实践的基础上,编制国家标准3 项、行业标准6 项,为指导单轨交通的建设运营作出积极贡献。近年来,跨座式单轨技术不断创新发展[7-11],随着芜湖单轨即将试运行,轻型跨座式单轨实现工程应用,集成化、轻量化等关键技术和创新成果具备了上升为标准的条件。而目前在编的跨座式单轨交通标准仅9 项,且覆盖面不全,亟需构建完整的跨座式单轨标准体系,以指导今后跨座式单轨设计工作。

目前,国内几乎没有针对跨座式单轨系统制定标准体系的相关研究,仅在《城市轨道交通产品标准体系》中包含跨座式单轨标准的框架,但未针对跨座式单轨系统独有的技术特点给出具体建议。

2019 年,中国城市轨道交通协会搭建了城市轨道交通团体标准体系,该体系主要基于钢轮钢轨走行方式的地铁、轻轨和有轨电车制式。如何在标准体系中体现胶轮走行方式的跨座式单轨独特关键技术,构建单轨交通标准体系框架,是本文研究的重点。

2 跨座式单轨交通关键技术研究

跨座式单轨交通是一种车辆跨行于梁轨合一轨道梁上行驶的城市轨道交通制式,属于胶轮走行系统。与钢轮钢轨走行系统的差异主要体现在车辆系统、轨道梁桥系统、道岔系统和供电系统。这4 方面的差异,也体现跨座式单轨最核心的关键技术。

2.1 车辆系统

跨座式单轨车辆与钢轮钢轨车辆的差异主要表现在车辆走行机理不同,以及转向架结构不同(见图1)。钢轮钢轨车辆的走行是钢轮钢轨耦合黏着驱动形式,跨座式单轨车辆的走行是轮胎与混凝土轨道面(少量会用到钢结构轨道面)之间的胎轨耦合附着驱动形式。转向架结构的不同表现在,钢轮钢轨转向架一般是单走行轮系(四走行轮)结构,跨座式单轨转向架一般是三轮系(走行轮系、导向轮和稳定轮系)结构。故独特骑跨式胶轮走行的转向架是跨座式单轨的关键技术之一。

图1 跨座式单轨与地铁车辆转向架

2.2 轨道梁桥系统

跨座式单轨轨道梁桥系统与钢轮钢轨轨道系统的差异主要表现在轨道结构形式的不同(见图2)。跨座式单轨采用轨道梁桥结构,车体骑跨于轨道梁上,轨道梁不仅是承重结构,也是车辆走行的轨道,结构精度为厘米级,轨道精度为毫米级,轨道梁的平顺性直接决定车辆运行的舒适度,故跨座式单轨轨道梁桥的线性控制十分重要。

图2 跨座式单轨轨道梁桥与地铁轨道系统

另外,接触轨、通信信号电缆等设施也敷设于轨道梁上,跨座式单轨轨道梁桥系统集成多种功能于一身;对于钢轮钢轨系统,钢轨敷设于桥梁结构或路基之上,供电、通信信号等设施均独立敷设。

2.3 道岔系统

跨座式单轨道岔与钢轮钢轨系统道岔在结构形式上完全不同(见图3),跨座式单轨道岔由机械装置、驱动装置和控制装置组成,其机电一体化设备可驱动整体或数节道岔梁。钢轮钢轨系统道岔由转辙器、尖轨、辙叉、护轨及连接部分组成,两者差异巨大。

图3 跨座式单轨与地铁系统道岔

2.4 供电系统

跨座式单轨供电与钢轮钢轨走行系统的差异主要表现在轨道形式、受流方式、回流方式等方面。单轨交通接触轨通常设置在轨道梁两侧,车辆上的受流器滑块与接触轨接触,将电流引入列车牵引电机,与钢轮钢轨系统常用的接触网供电和三轨供电存在较大差异。

3 跨座式单轨交通标准现状及分析

3.1 已发布标准

截止2020 年,已发布单轨交通标准24 项,其中国家标准3 项、行业标准6 项,团体标准1 项、地方标准14 项(见表1～表4)。

表1 国家标准

表3 团体标准

表4 地方标准

已发布的国家标准和行业标准均基于重庆大型单轨实践,包括3 项建设标准和6 项装备标准,为指导单轨交通的建设运营作出了积极的贡献。

已发布的团体标准《轻型跨座式单轨交通设计导则》是中铁工程设计咨询集团有限公司等多家单位为满足越来越多城市特别是Ⅱ型大城市对轨道交通的需求,在充分总结重庆单轨经验的基础上,对轻型跨座式单轨技术开展系统集成创新和关键技术创新,进一步的轻量化研究,降低建筑体量和景观影响、增强其适应能力,降低工程造价,并成功应用于芜湖工程实践中,可用于指导轻型跨座式单轨的设计和建设。

3.2 在编标准

目前,在编的跨座式单轨交通专用标准9 项,其中国家标准2 项、团体标准7 项(见表5)。

表5 在编标准

近年来,为适应市场需求,国内单轨技术在重庆大型单轨的基础上有了进一步创新发展,更加注重经济、环保、集成。正在编制的7 项团体标准均由芜湖单轨的创新实践上升而来,而已修编完成的国家标准《跨座式单轨交通设计标准》也已将轻型跨座式单轨创新成果纳入其中,即将批准发布。这些在编的团体标准主要集中在跨座式单轨交通与城市轨道交通其他制式存在较大专业技术差异领域,但数量仍然较少。

4 跨座式单轨交通标准体系构建建议

中国城市轨道交通协会发布的团体标准体系,以基础、建设、运营与开发、装备等4 个板块为主维度,城市轨道交通系统制式为辅维度,整个框架体系以钢轮钢轨为主、兼顾其他制式。因此,单轨交通需从自身角度出发,梳理形成反映单轨专业特点的标准体系框架。重点对跨座式单轨交通车辆系统、轨道梁桥系统、道岔系统、供电系统等差异较大的专业标准进行全面研究,形成符合跨座式单轨建设和专业发展的标准体系。按照中国城市轨道交通协会团体标准体系,轨道梁桥系统与设计相关的标准可归于建设板块,与产品相关的可归于装备板块,其他的车辆系统、道岔系统、供电系统可归于装备板块。

4.1 车辆系统

现有钢轮钢轨系统成熟的车辆设计理论不能简单套用在跨座式单轨车辆的设计上,有必要在更深层次的车辆动力学理论、设计方法、试验验证方法上研究。

根据专业和功能不同,跨座式单轨车辆系统可划分为车体及其内装、车端连接系统、车门系统、走行系统、供风及制动系统、牵引辅助系统、受流设备、空调/采暖和通风系统、乘客信息系统、列车控制系统、照明系统、走行系统、应急救援装置、专用类生产和维护装备。

根据车辆系统的分类,跨座式单轨车辆系统标准建设应在动力学性能评定和试验验证、单轨车辆通用技术条件、组装后的单轨车辆检查与试验、单轨车辆转向架通用技术条件、单轨车辆转向架构架强度设计及试验验证、单轨车辆轮胎技术、单轨轮辋强度试验方法、单轨车辆受电弓系统、单轨车辆GR 接地保护、单轨交通车辆动力电池技术条件、单轨车载救援设备配置及设备技术等方面进行标准化建设与研究。

4.2 轨道梁桥系统

根据跨座式单轨轨道梁桥结构形式的不同,可分为简支结构体系和连续刚构结构体系。在日本、韩国和中国重庆,采用简支结构体系,其标准跨度为22～30 m;在美国、巴西和中国芜湖,采用连续刚构结构体系,其标准跨度为30～35 m。根据车辆转向架的不同,轨道梁截面宽度分为690、700、800、850 mm。针对跨座式单轨轨道梁尺寸及结构形式的多样化,应在轨道梁的制作、安装、线性调整方面制定相应专用标准,并制定与之配套的模板系统、运架梁装备等相关标准。随着新结构、新工艺、新材料、新检测方法在跨座式单轨区间和车站结构的设计和制造过程中的应用,应将技术成熟、安全可靠并经过数据验证的计算方法和控制指标形成标准并纳入建设板块。

轨道梁还是各种设备的集成品,例如铸钢拉力支座、梁端伸缩缝、绝缘子支撑螺栓护套、供电环网电缆桥架、车体接地板固定套管、馈线电缆保护管、避雷器电缆保护管、计轴(信号)电缆保护管等均需集成在轨道梁上,需针对上述轨道梁桥系统中包含的支座及附属品、疏散平台、装配化产品、专用类生产、维护以及架设设备等形成相应的制造、安装和验收标准,并纳入装备板块。

作为高架系统的跨座式单轨,人员疏散及检修通道设置难度较大,需针对紧急情况下人员疏散方式和检修通道设置方式进行研究,并制定相应的设计、验收标准。

4.3 道岔系统

目前,已发布的关于跨座式单轨道岔的标准有国家标准GB/T 37531—2019《跨座式单轨交通单开道岔》、行业标准JT/T 1220—2018《跨座式单轨道岔设备维护与更新技术规范》。随着技术发展和研究的深入,过岔速度快、线路适应强的各种新型道岔不断出现,需对现有标准进行补充或完善。

跨座式单轨道岔体系根据跨座式单轨交通类别可分为道岔、专用类生产和维护设备两个方面。道岔体系包括目前市场上各类型单轨所采用的各类道岔的设计、制造、安装、测试等内容。专用类生产和维护设备体系包括在线诊断和检测系统、车辆基地内道岔的智能运维系统。

跨座式单轨交通正在不断发展创新,不断有新型道岔研发出来并应用于工程实际中,从最初的跨座式单轨交通关节型和关节可挠型道岔,增加了平移型道岔、换梁型道岔、枢轴型道岔等,以后可能还有其他新型道岔被研发出来。同时,为适用于不同线路的轨宽等条件,又增加了多种道岔型号。因此,跨座式单轨道岔的标准需要不断更新和完善。

4.4 供电系统

跨座式单轨车辆走行部与钢轮钢轨系统车辆不同,导致两者受电形式也完全不同,需要深入研究供电系统相关的电气理论、设计方法、试验方法等,并重点在供电系统接地保护技术、供电系统接地保护装置技术条件、供电系统性能评价和安全评价、接触网、施工检修专用工具、接触网静态指标和动态指标评价、智能监测技术、接触网作业车和专用施工机具、防雷接地和新型能源类应用等专用标准方面开展研究工作。

在装备类标准方面,应重点研究接触轨及其零部件的技术要求;在运营维护类标准方面,应重点研究接触轨安装施工专用工器具、检测检修专用作业车辆等。

4.5 其他

装配式施工是未来发展趋势,在跨座式单轨建设方面,梁桥系统与高架车站必将成为推行重点,由此衍生出以建筑装配式为主的装备,需要更多的标准化支撑。

随着《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》的发布,以新兴信息技术与城轨交通深度融合为主线,发展智能系统,建设智慧城轨是今后的创新发展方向。跨座式单轨作为城市轨道交通的重要组成部分,未来的重点发展方向为新兴信息技术与跨座式单轨交通深度融合,应不断加大创新研究,迭代发展,并不断补充完善相应标准。

另外,“碳达峰”“碳中和”作为我国“十四五”污染防治攻坚战的重要目标,被首次写入经济和社会发展的五年规划。随着国家对能源结构调整和节能环保的要求,建议结合跨座式单轨交通采用高架车站的特点,加快新能源在跨座式单轨的创新研究和应用,并制订相应的标准。

5 结语

目前,跨座式单轨领域相关的国家标准和行业标准覆盖尚不全面,团体标准刚刚起步,随着跨座式单轨交通技术的不断发展,应将轻型跨座式单轨的各项成果上升为标准,重点在跨座式单轨独有的车辆、轨道梁桥、道岔、供电系统等4 个关键技术领域进行标准化研究与建设。应落实国务院《深化标准化工作改革》的要求,引领我国跨座式单轨交通行业向更高水平发展,全面提高跨座式单轨交通标准化工作水平。