電力單軌架空游覽車試驗線設計與實踐

仵叔強

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

電力單軌架空游覽車采用電力驅動,橡膠輪運行,軌道結構采用高架結構。其特點主要表現為:選線靈活、造價低廉、建設周期短、無污染、方便快捷、載客量小、公交化循環運營、維護簡單。

為了滿足電力單軌架空游覽車的線路調試、靜態試驗及動態試驗的功能需求,對車輛的設計、工藝及制造等過程進行檢驗驗證,中鐵寶橋集團有限公司投資建設了一條電力單軌架空游覽車試驗線。項目建成后,可為電力單軌架空游覽車輛、軌道、供電等關鍵子系統研發搭建基礎試驗平臺,不僅可以滿足車輛性能驗證需求,還可以實現產品展示及用戶體驗,全面展示公司在跨座式旅游觀光輕軌領域的綜合實力。

1 試驗線設計功能需求

(1)靜態試驗:轉向架、控制系統、車輛機械結構等調試。

(2)動態試驗:進行車輛在不同荷載下的起動加速度、制動減速度、爬坡能力,最小曲線半徑通過能力,最小豎曲線通過能力,動態性能及車輛相關參數的檢測與試驗。

(3)車輛生產組裝:車輛落車、編組稱重、限界檢測、整車靜調、車輛出廠前綜合測試等。

(4)游覽車系統簡單模擬運營。

依據線路規劃和初步選址,具體功能區域劃分如圖1所示。

圖1 線路功能區域劃分(單位:m)

2 主要設計原則

(1)試驗線設計應滿足公司研制車輛的線路調試、靜態試驗及動態試驗的功能需求。

(2)線路選擇宜減少拆遷,減少對既有地塊的分割,使線路對公司廠區規劃和現有基礎建設的影響最小。

(3)線路選擇應符合工程實施安全原則,盡量規避不良工程地質地段,結合施工方法,降低工程風險。

(4)全線按照僅動態調試一列車進行設計,暫不考慮多列車同時動態調試的情況。

3 試驗線設計

3.1 線路設計

線路位于公司重載高錳鋼轍叉生產基地東北角,起點為員工宿舍東側,沿圍墻向北走行,在預留廠房東北角的道路外側以最小圓曲線向西,并終止于基地大門前道路西側。采用觀光單軌制式,線路為單線,全長387.8 m。

線路最小轉彎半徑為35 m,最大坡度40‰,不設緩和曲線,最小豎曲線半徑400 m?？v斷面設計綜合地面標高和設計標高,考慮到乘客視野問題,平均立柱高度在5～7 m。

3.2 基礎設計

(1)基礎結構設計。

根據項目所在地工程地勘資料,地質情況總體良好,墩臺基礎采用單樁樁基礎,由承臺與鋼結構立柱連接,樁基礎按摩擦樁設計。

(2)基礎預埋件。

預埋件鋼板材質為Q345,預埋螺栓材質為Q345D,其力學性能和化學成分符合《低合金高強度結構用鋼》(GB/T 1591—2008)的規定,如圖2所示。

圖2 立柱預埋板設計(單位:mm)

(3)柱腳節點。

本項目中,鋼柱腳存在較大的彎矩,設計時采用外露式柱腳。鋼柱腳設置鋼底板,鋼底板通過地腳螺栓與基礎相連。柱底板設有抗剪鍵,承受立柱底部橫向剪力作用。為確保螺母不會松動,設置了雙螺母。

3.3 軌道結構設計

電力單軌架空游覽車試驗線項目軌道立柱部分由軌道梁、立柱、支座等部分組成。

3.3.1 軌道結構構成

全線采用鋼管柱和鋼軌道梁,鋼管柱上部設置鉸軸支座。鋼軌道梁側面安裝有供電軌、供電電纜等設施。

3.3.2 軌道梁

(1)軌道梁設計。

軌道梁為箱型直線或曲線桿件,材質為Q345D,線路軌道梁最小半徑為35 m。箱梁跨徑為11.64～22 m不等,標準軌道梁跨中高度為1 000 mm。其中箱梁上蓋板寬度870 mm不變,兩腹板外皮間距610 mm不變。根據全線孔跨布置情況2～3跨設置一道伸縮縫。

線路平曲線上軌道梁在曲線上曲梁曲做,曲線段軌道梁不設超高。線路豎曲線上軌道梁,梁體曲梁曲做,梁體與線路線形應完全吻合。軌道梁預拱度按恒載+1/2活載組合撓度進行反向設置。

(2)軌道梁分段。

為了便于軌道梁的廠內制造和運輸,在每聯軌道梁支點的后端附近將軌道梁分段制造。軌道梁分段制造完成后運輸至安裝地點,吊裝后現場對接組焊。

(3)軌道伸縮縫。

為了滿足觀光小火車在線路上平順的行車要求,軌道梁接頭處全部設計為伸縮縫結構,該伸縮縫的功能在于:①滿足鋼梁在極端低溫條件下車輛不會出現明顯的跳動與噪聲,車輛平順通行;②在極端高溫狀態下相鄰鋼梁不致頂死,影響支座部位的受力。

軌道梁伸縮縫采用斜接口與半梳齒結構兩種相結合的形式,具體為走行、導向輪部位采用斜接口形式,穩定輪部位采用半梳齒結構。

3.3.3 立柱

試驗線共需立柱21根,其中偏心立柱3根(1根偏心1 m,兩根偏心0.6 m),立柱直徑750 mm。立柱高度為5.2～7.8 m不等。立柱材質均為Q345D。

鋼立柱采用鉸軸鉸座形式,如圖6所示。立柱由鋼管柱、鉸軸及鉸軸支座組成,鉸軸支座通過鉸軸和鋼管柱鉸接。軌道梁下蓋板與鉸軸支座采用高強螺栓或特殊設計的鋼支座連接,立柱下端采用外露式柱腳與基礎連接。

3.3.4 支座

(1)支座型式。

依據試驗線梁跨布置方案和軌道梁的結構形式,支座采用雙支承支座和單支承支座兩種形式。

(2)支座結構設計。

支座一為雙支承支座,主要由支撐塊組件、壓板組件及扣壓螺栓等構成,主要用來承受離心力、風力等荷載對軌道梁的傾覆力矩,還用于抵抗離心力、橫向搖擺力及橫向風力等產生的橫向剪切力。承壓板材質為高力黃銅,分別鑲嵌粘貼在壓板和支撐塊相應部位。小里程端支撐塊上的承壓板采用小面積接觸方式,能夠實現一定程度的轉動,可以有效地釋放一部分溫度變化和不均勻沉降對軌道梁產生的作用力。大里程端支撐塊上的承壓板采用大面積接觸方式,與軌道梁底的滑移板共同形成平面滑移副,與該立柱的鉸軸系統共同實現軌道梁的滑移和轉動要求。

支座二安裝在試驗線路兩端,均采用單支承支座,另一支點處預留。支座二中的滑動單元采用平面滑移副,與立柱的鉸軸系統共同實現軌道梁的滑移和轉動。

3.4 車輛設計

試驗車輛采用我公司研制的BD161型電力單軌架空游覽車。車輛采用電力驅動,橡膠輪運行,由車體底盤、車廂和電氣控制等部分組成。

(1)結構組成。

試驗車輛由五組驅動組件和四節車廂組成,在導向輪和穩定輪的約束下,通過電控系統讓電機工作,從而驅動走行輪帶動列車沿軌道運行。

每列車由4節車廂組成,車頭車廂乘坐10人,后三節車廂每車16人,共58人(含司機2人)。

(2)技術參數。

表1 車輛技術參數

(3)車輛電氣設計。

車輛采用額定電壓為DC 630 V的直流供電,DC 630 V經過變頻器的逆變單元后輸出交流380 V給電機,電機通過減速機驅動傳動軸從而使輪胎轉動。列車的控制系統由PLC控制+操作臺組成。第一節車廂設PLC主站,第二、三、四節車廂分別設PLC分站,全車PLC系統和變頻器構成環型網絡。

車輛制動方式采用變頻器耗能制動+電動機抱閘組成。列車設置獨立的操作系統,由逆變器將DC 630 V變送為AC 380 V,給照明和控制電路供電。

車輛的操控系統采用軟、硬結合的雙系統設計。駕駛室操作臺上設置了控制列車行駛的基本操作按鈕、觸摸屏、車載顯示器和車載播放器。列車相關的各種信息可在觸摸屏上顯示。車載顯示器可顯示每節車廂內的監控內容,每節車廂內有兩個揚聲器和顯示器由車載播放器控制。

3.5 電氣控制設計

(1)供電。

試驗線設置牽引箱變一臺,布置在線路中部,在13號立柱處接入軌道供電安全滑觸線。

車輛供電制式為:DC 630 V±10%,除車輛外其余輔助設備用電采用AC 380 V/220 V,接地型式采用TN-S系統。

①牽引箱變。

牽引箱變電源:AC 10 kV,引自公司總配電站10 kV配電。

整流機組容量:500 kVA,輸出為DC 630 V,600 A。

直流供電設備設置有:過壓、過流、短路及框架泄露保護。

②AC 380 V/220 V電源:采用TN-S三相五線制供電,由箱變附件降壓變電所引入,主要用于箱變自用電和平臺照明、檢修等供電電源。

③車輛采用安全滑觸線供電,安全滑觸線耐流值1 000 A。

(2)線路電氣防撞設置。

本試驗線長度范圍內同時運行車輛僅有1列,設計中只需在線路起點和終點設置安全防撞設施。防撞采用軌道光電開關檢測停車和牽引斷電緊急停車兩級防撞的方式。即在車頭和車尾分別安裝停車光電開關,用于前進和倒車時在線路端部電氣自動停車(變頻器制動停車)。若停車檢測失效,則在車輛通過供電斷電點后供電軌斷電,車輛緊急制動(制動器制動)停車。

3.6 安全設施設計

(1)疏散平臺。

列車發生故障或運行中突然停電、火災、災害天氣等事故時,通過疏散平臺將乘客疏散至地面或安全區域。疏散平臺采用懸臂式結構固定于軌道梁下蓋板。疏散平臺底部采用型鋼作為支撐,格柵板作為鋪面,疏散平臺外側加設防護欄桿,內側利用軌道梁作為防護,以保證乘客安全。

(2)安全車擋。

安全車擋是一種防護設備,其主要功能是避免列車意外失控時沖出線路,防止人員傷害及車輛和其他設施損壞。在試驗線路兩端設置固定式擋車器,車擋可承受空車速度5 km/h的撞擊。

(3)防墜物裝置。

為了防止車輛在運行過程中意外掉落墜物,依據大型游樂設施相關法規及安全規范要求,在線路下方有行人通過的區域設置防墜物裝置。

(4)維修試驗平臺。

在線路起點位置設置維修試驗平臺一座,主要為車輛靜態調試、車輛檢修使用,兼顧登車功能和簡易站臺功能。維修試驗平臺設置在線路平直區段,長度不小于列車長度。

3.7 主要創新點

試驗線建成后累計進行了約10 000 km的行車試驗,開展了車輛空載、偏載、滿載狀態運行試驗,車輛轉向架應力測試,軌道結構應力、剛度測試等專題研究,取得了一系列科研成果和創新,主要有以下幾方面。

(1)研制了一列新型電力單軌架空游覽車,開發了新型轉向架,可以有效承擔上車在彎道或偏載時產生的傾覆力矩,并確保車輛的平穩運行;開發了空氣懸架裝置,降低車體震動頻率,有效提高懸架舒適性。

(2)攻克了電力單軌架空游覽車電控系統的自主設計、程序開發及調試等技術難點。

(3)建成了一條完全由公司自主研發設計、制造及安裝調試的電力單軌架空游覽車試驗線,填補了國內此類產品的空白。

(4)依托電力單軌架空游覽車試驗線,公司取得中國中鐵股份有限公司系統內首個大型游樂設施制造(含安裝、修理、改造)滑行和旋轉類A級資質,對新業務的延伸、新領域的開拓、影響力的提高都起到積極的作用。

4 結 論

作為國內首條電力單軌架空游覽車試驗線,通過產學研科研攻關,解決了總體設計中的一系列技術難題,為后續電力單軌架空游覽車和跨座式旅游觀光輕軌項目的建設積累了經驗。