重庆单轨是怎样的存在?既能上天入地又能跨江穿楼

subtitle 了不起的中国制造02-06 07:03 跟贴 5277 条
重庆单轨有三大核心,转向架是它的“脚”,通过多个轮胎的配合保证列车行驶的稳定性;轨道梁是它的“路”,梁轨合一,道岔既是车辆运行的轨道,也是转线的道岔,制造工艺要求高;控制系统是“大脑”,在防止列车超速或追尾、缩小行车间隔方面有极大的作用。

  出品| 网易新闻

  作者| Dwing,城市规划在读、轨道交通爱好者

  无论是在电影《疯狂的石头》还是《从你的全世界路过》里,重庆的单轨总是十分吸引眼球。近日,重庆市3号线跨座式单轨交通工程更是从60多个国家的上百个项目中脱颖而出,一举夺得FIDIC(国际咨询工程师联合会)全球优秀工程项目奖。

  图:重庆轨道交通3号线

  单轨交通究竟是怎样的存在?它和我们日常看到的地铁有什么区别?重庆的单轨系统有何过人之处?我们一一了解。

  (一)山多坡陡的重庆,地铁就像坐过山车

  重庆又称山城,整个城市建在山地丘陵之上,主城区沿长江、嘉陵江呈组团式分布格局,人口密度大、道路高低起伏、弯道极多,这样的地理条件,对于轨道交通建设来说无疑是巨大的考验。因此,20多年前,业内专家曾断言,重庆“建轨道交通几乎不可能”。

  图:重庆地形图

  不过,重庆并没有因此而放弃,经过对不同制式轨道交通的长期调研,重庆选定了跨座式单轨。

  我们日常见到的轨道交通一般都有两条平衡路轨,而单轨铁路,顾名思义,就是只有一条轨道的铁路系统。其中,跨座式单轨,是轨道为一条带形梁体,车辆跨坐于其上行驶的交通系统。

  它通过竖向的行走轮和水平的导向轮、稳定轮行驶在轨道梁上。与传统的地铁列车相比,它占地小、转弯半径小、噪音低、爬坡能力强、造价低,很好地适应了重庆这一类山城的自然条件。而实现这一目标的,首先就是单轨列车特殊的转向架。

  (二)转向架:“上天入地”最灵活

  转向架是轨道车辆的走行部,相当于人的“腿脚”,是轨道车辆最核心的部件之一。转向架由电机牵引,通过齿轮传动装置驱动。

  跨座式单轨列车的结构与普通铁路列车及地铁列车相比,主要的区别就是转向架结构和所依据的力学原理的不同。

  图:普通铁路列车与单轨列车比较

  普通铁道车辆一般为钢轮双轨制式,车辆重心始终处于两个车轮之间,只要作用于转向架的合力落在双轮间距1493毫米之内,车辆运行就是稳定的。因此,属于“随遇稳定”模式。

  而跨座式单轨的转向架,两轮间距仅为400毫米左右,这就很容易失稳,属于“随遇不稳定”模式。那么,如何才能保证列车行驶的稳定性呢?

  重庆跨座式单轨采用双轴转向架,轨道梁上方为行走轮胎和导向轮胎,侧边设置水平稳定轮胎,行走轮、导向轮、稳定轮都分别配有辅助车轮,因此,每个转向架的轮胎共有10个之多,保证了列车不会侧翻。

  图:重庆单轨采用的双轴转向架

  单轨列车不同于普通铁道车辆的钢制车轮,采用的是橡胶轮胎,行驶过程中噪音更低,爬坡能力更强。例如2号线正线最大限坡60‰,总高程落差达115米,创下世界城市轨道交通之最。

  经过国产化攻关的转向架能使列车最小平面转弯半径可达到100米,能够显著提高线路设计灵活性,减少沿线拆迁、降低项目投资。

  图:重庆跨座式单轨转向架构件

  (三)轨道梁和道岔:铺就坚实的“道路”

  在单轨系统中,轨道梁系统是三大核心之一。项目团队通过多年努力,最终实现PC轨道梁系统关键技术自主创新并获得多项国家专利,该项技术可使轨道梁振动、噪音更小,乘客舒适度显著提高,其整体技术已输出国外,先后承接了韩国、印尼等单轨项目。

  国外的PC轨道梁的架设 , 一般采用汽车吊装方式 。重庆地理环境复杂 , 不全适合汽车吊架设 , 而且汽车吊架设对城市交通影响较大 。2号线PC轨道梁一般跨度20~22米 、最重梁片约62吨 、曲线半径最小R =75米 、最大纵坡为6% 、最大横坡为12% , 且大多数线路在城市既有道路的上方 , 其施工难度国内外少见。

  经过研究比选,最终2号线采用了自行研制的JQ60型架桥机和YL60型运梁车架设安装PC轨道梁,在架设好的PC轨道梁上运输和架设下一片梁,按此顺序依次向前推进,可解决地面交通问题,也不受地面场地影响。架设顺序采用单机单架,即架桥机和运梁车沿左线或右线架设,架设一定区段后再换到另一条线上架设,能够大大提高架设效率。

  采用特制的架桥机和运梁车架设PC梁,借鉴了铁路桥梁架设中的架运技术,为国内外的PC轨道梁的架设提供了新的模式。

  图:采用架桥机架设跨嘉陵江轨道梁

  跨座式单轨道岔系统是一种梁轨合一的道岔系统,即道岔既是车辆运行的轨道,也是车辆转线的道岔,因此制造工艺要求高。

  重庆3号线已开通里程67.09公里,是全世界最长的单轨线路。因为运营里程过长,3号线采取了多个大小交路运营:鱼洞~江北机场T2航站楼、九公里~龙头寺、四公里~江北机场T2航站楼和鱼洞~龙头寺,这就对轨道道岔提出了极高的要求。

  2016年3月,重庆市自主研发生产的全国首台跨座式单轨交通平移式渡线道岔设备下线,并在3号线碧津站安装。平移式渡线道岔设备可以道岔梁与需要的相邻轨道梁衔接形成岔道、转换列车的行驶线路,能使列车以较高速度平稳通过道岔。

  图:平移式渡线道岔

  图:3号线碧津站卫星图

  这是目前世界上体量最大的跨座式单轨交通平移式渡线道岔,重达220吨。针对双岛四线的碧津站研发生产的这台轨道转线设备,由四节直线梁和两节曲线梁组成,道岔沿固定方向平行移动,使道岔梁与需要对接的轨道梁衔接而形成道岔,实现列车行驶线路转换。别看它又大又重,但衔接误差在正负3毫米内。正因为灵活精准的道岔,才实现了各个大小交路之间的灵活转换,满足了不同目的地乘客的需求,提高了运营组织水平。

  (四)CBTC控制系统:“最强大脑”保障运营安全

  如果说转向架是单轨的“脚”,轨道梁(道岔)是单轨的“路”,那么控制系统则可以说是单轨的“大脑”了。

  重庆单轨虽然源起于日本,但日本国内和重庆2号线的信号系统均采用基于TD(Train Detect)环线的列车控制系统,而重庆3号线信号系统采用了目前在钢轮钢轨制式中广泛采用的基于通信的列车控制系统(CBTC),在跨座式单轨线路中采用该系统为全球首创。

  CBTC的主要特点为:一是列车定位技术不依赖于轨道电路,二是适用于连续的、大容量的列车轨旁双向数据通信技术。

  CBTC在单轨交通制式中的应用原理与钢轮钢轨的控制原理完全一致,功能需求也基本相同。但单轨交通制式与钢轮钢轨制式的车辆及轨旁环境完全不同,大多数在钢轮钢轨制式中广泛应用的信号设备在单轨制式中都不能直接应用,或者根本不能应用,比如轨道电路。因此,CBTC在单轨应用中主要面对的是车载、轨旁设备选型及安装等工程应用方面的问题。

  钢轮钢轨中一般采用计轴作为列车辅助位置检测设备,因此还没有适用于单轨制式的计轴产品。在研究了各种检测方式后,对计轴进行了再开发改造,采用固定支架将发送磁头安装于轨道梁下部,利用预埋固定套筒将接收磁头安装于轨道梁中部凹面的斜面上,跨座式单轨车辆的稳定轮的应急钢轮在此间运行来切割磁力线,使磁场的相位发生改变,以达到检测目标。

  图:计轴的安装位置及实际安装部位

  其中,无线子系统是CBTC的重要组成部分。重庆3号线单轨CBTC无线系统主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文,而这些子系统大部分是移动的。无线系统对于报文传送是完全透明的。整个系统为双网结构,在5个设备集中站(二塘站、四公里站、两路口站、郑家院子站和龙头寺站),每个设备集中站安装两个AP主单元和两台网络交换机。地面的每个点有两台AP(接入点)。

  图:CBTC子系统无线系统网络结构

  CBTC系统在防止列车超速或追尾、缩小行车间隔方面有极大的作用。将CBTC系统引入跨座式单轨之后,大大提高了运营在可靠性、安全性、可用性、可维护性、运行间隔、精确定点停车和可扩展性等方面的性能。目前3号线日均客流量已突破80万乘次,最小发车间隔缩短至2分30秒,高峰时段定员运能可达到2.7万人次/小时,超员运能则可达到3.7万人次/小时,已成为世界上运量最大的单轨线路。

  结语

  目前,重庆不仅成功编制了单轨设计、施工、车辆技术等国家标准,对车辆、轨道梁、道岔系统、车辆转向架等核心技术展开国产化科研攻关,还形成了一条轨道交通产业链,95%以上的设备已经实现了国产化,并取得了百余项专利,成为这座3D魔幻立体城市最有个性的名片。

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  参考文献:

  1. 刘绍勇,重庆跨坐式单轨转向架的研制,铁道车辆41卷第9期

  2. 重庆轻轨pc轨道梁的运架施工技术

  3. 赵鑫 蒋先进,单轨交通CBTC信号系统国产无线子系统,城轨交通

  4. 厉害!重庆轨道3号线创下多个“世界之最”http://mp.weixin.qq.com/s/JQ8wnuZRsZeUtyre9fJ9Gg

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  编辑| 史文慧

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