懸掛式單軌列車掛車方案及其工藝設(shè)備的研究

周 亮

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430016）

懸掛式單軌交通（以下簡(jiǎn)稱“空軌”） 是一種新制式軌道交通，最突出的特點(diǎn)是車輛懸掛在軌道梁下方，具有地形適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)?？哲壸钤绯霈F(xiàn)在德國(guó)，并建成了烏珀塔爾運(yùn)營(yíng)線，在日本進(jìn)一步發(fā)展并建成了千葉線和湘南線。我國(guó)在2011 年開始研究空軌，目前已建成4條試驗(yàn)線，分別為武漢中鐵試驗(yàn)線、青島四方試驗(yàn)線、成都中唐試驗(yàn)線和開封中建空列試驗(yàn)線。其中武漢中鐵試驗(yàn)線于2019 年正式建成通車，現(xiàn)已完成車輛調(diào)試試驗(yàn)及安全認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛。

空軌車輛在組裝過程中需要將轉(zhuǎn)向架與車體連接，懸掛在軌道梁上，簡(jiǎn)稱掛車。由于空軌車輛結(jié)構(gòu)與地鐵等車輛結(jié)構(gòu)不同，需要針對(duì)空軌車輛結(jié)構(gòu)的特殊性規(guī)劃掛車的方案，并設(shè)計(jì)專用的設(shè)備，將車輛組裝完成。

1 空軌系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 空軌系統(tǒng)

空軌交通系統(tǒng)的軌道梁懸掛于立柱下部，車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)置于下部開口的軌道梁內(nèi)，車體懸吊在轉(zhuǎn)向架下部，車輛沿軌道梁內(nèi)腔走行。分為單線和雙線的線路，立柱常用的有倒“L”型、“Y”型及門型3 種結(jié)構(gòu)形式，一般都是鋼結(jié)構(gòu)的型式。

1.2 軌道梁

軌道梁是下部有開口的、半封閉的鋼結(jié)構(gòu)箱梁，以左右兩側(cè)的底板為車輛的走行面。線路的坡度、水平曲線、豎曲線等都是依靠軌道梁線型的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在廠內(nèi)按設(shè)計(jì)參數(shù)的要求制造好，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)與立柱組裝后，形成車輛走行的線路。

1.3 車輛結(jié)構(gòu)

空軌的車輛主要由轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、車體以及牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)向架位于車頂，前后各1 個(gè)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)有4 個(gè)走行輪，通過牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)走行輪牽引車輛走行，側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向輪，限制轉(zhuǎn)向架在箱梁內(nèi)走行時(shí)的位置，下部通過構(gòu)架等結(jié)構(gòu)與車體連接；車輛空調(diào)、輔助系統(tǒng)等設(shè)備均布置在車頂設(shè)備區(qū)[1-3]。

2 空軌車輛掛車方案

經(jīng)過分析調(diào)研地鐵車輛結(jié)構(gòu)及掛車方案，得出地鐵車輛掛車方案為：車體組裝時(shí)先將車體起吊后與下方鋼軌上的轉(zhuǎn)向架對(duì)位連接[4]。

空軌車輛與地鐵車輛最大的區(qū)別是車體懸掛在軌道梁下方，轉(zhuǎn)向架支撐在軌道梁上方，即軌道梁走行面處于車體與轉(zhuǎn)向架中間的位置。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空軌車輛無(wú)法像地鐵車輛一樣，從上方直接起吊，或者從下方直接頂升。

為解決這個(gè)問題，經(jīng)過廣泛地調(diào)研及分析，最終確定了兩個(gè)掛車步驟。

步驟1：轉(zhuǎn)向架起吊—轉(zhuǎn)向架進(jìn)入走行面—車體定位—轉(zhuǎn)向架與車體對(duì)位連接—車輛掛車完成。

步驟2：車體定位—轉(zhuǎn)向架起吊—轉(zhuǎn)向架與車體對(duì)位連接—走行面支撐走行輪—車輛掛車完成。

步驟1 中的關(guān)鍵步驟是轉(zhuǎn)向架起吊后如何進(jìn)入走行面內(nèi)，以及轉(zhuǎn)向架與車體連接時(shí)空間受限帶來(lái)的操作難度；步驟2 中的關(guān)鍵步驟是轉(zhuǎn)向架與車體對(duì)位連接后如何實(shí)現(xiàn)走行面支撐走行輪的需求?？紤]到結(jié)構(gòu)的可實(shí)施性，共有3 種方案可實(shí)現(xiàn)上述掛車步驟。

2.1 轉(zhuǎn)向架拖拉方案

本方案為解決轉(zhuǎn)向架掛在走行面的情況下與車輛對(duì)位連接的問題，從走行面尾部直接拖拉轉(zhuǎn)向架，同時(shí)將車頂與軌道梁底間距預(yù)留到最大，下層平臺(tái)抬高至可操作車頂區(qū)域高度，直接在間隙內(nèi)連接轉(zhuǎn)向架與車體，最后將車體連接在轉(zhuǎn)向架上。操作步驟如下。

1） 在車輛組裝區(qū)域?qū)④図斣O(shè)備安裝完畢，將車體運(yùn)輸至軌道梁下方。

2） 轉(zhuǎn)向架組裝完畢后，起吊至走行面上方，緩慢拖拉進(jìn)入走行腔體內(nèi)，然后拖拉轉(zhuǎn)向架與車體對(duì)位。

3） 頂升車體，轉(zhuǎn)向架與車體精確對(duì)位連接位置，將轉(zhuǎn)向架與車體連接緊固。

4） 車輛下降至走行面支撐輪組，掛車步驟完成。

2.2 整車運(yùn)輸方案

本方案為解決車體與轉(zhuǎn)向架對(duì)位連接后，走行面支撐走行輪的需求，將走行面設(shè)計(jì)為固定式，在臺(tái)架外的組裝區(qū)域?qū)⑥D(zhuǎn)向架與車體組裝固定完成后，通過運(yùn)輸小車從臺(tái)架尾部運(yùn)輸至中部，拆除固定支架后將走行輪掛在走行面上。操作步驟如下。

1） 在車輛組裝區(qū)域?qū)④図斣O(shè)備安裝完畢，轉(zhuǎn)向架與車體組裝完成。

2） 運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸組裝完的車輛，從走行腔體尾部縱向走行至車輛轉(zhuǎn)向架完全進(jìn)入走行腔體內(nèi)。

3） 車輛下降至走行面支撐輪組，掛車步驟完成。

2.3 軌道梁打開方案

本方案為解決車體與轉(zhuǎn)向架對(duì)位連接后，走行面支撐走行輪的需求，將走行面設(shè)計(jì)為活動(dòng)式。在車輛組裝時(shí)，走行面可以向兩側(cè)打開，轉(zhuǎn)向架從上方起吊與車體對(duì)位安裝，通過閉合走行面至設(shè)計(jì)位置，形成走行及導(dǎo)向面，支撐車輛的走行。操作步驟如下。

1） 走行面向兩側(cè)打開，露出車頂空間。

2） 在車輛組裝區(qū)域?qū)④図斣O(shè)備安裝完畢，將車體運(yùn)輸至已打開走行面的設(shè)備下方。

3） 將轉(zhuǎn)向架從上方起吊與車體對(duì)位連接。

4） 閉合走行面機(jī)構(gòu)，形成走行腔體，將車輛下降至走行面支撐輪組，掛車步驟完成。

3 懸掛式單軌列車掛車方案分析

對(duì)以上3 種方案，從掛車所需時(shí)間、操作難易度、對(duì)設(shè)備危險(xiǎn)性以及方案的兼容性4 個(gè)方面進(jìn)行分析，確定最佳掛車方案，具體方案分析見表1。

表1 方案分析表

經(jīng)分析對(duì)比可知，轉(zhuǎn)向架拖拉方案存在操作空間受限帶來(lái)的作業(yè)難度大、操作時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)；整體運(yùn)輸方案存在運(yùn)輸危害大的缺點(diǎn)；軌道梁打開方案優(yōu)點(diǎn)多，作業(yè)效率高，操作難度低，兼容性好。

因此，最終確定掛車方案為步驟2，設(shè)備方案為軌道梁打開式方案。

4 多功能臺(tái)架概述

以軌道梁打開式方案為基礎(chǔ)，細(xì)化后將車輛出廠前的靜調(diào)和稱重需求集成到臺(tái)架上，設(shè)計(jì)出多功能臺(tái)架。具體的功能需求如下。

1） 掛車功能：將轉(zhuǎn)向架與車體組裝在軌道梁上。

2） 靜調(diào)功能：車輛組裝完成后，對(duì)車輛及設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試。

3） 稱重功能：車輛組裝完成后，對(duì)車輛的輪重、軸重及總重偏差進(jìn)行檢查。

4） 維保功能：車輛運(yùn)營(yíng)后，對(duì)車輛進(jìn)行日檢、月檢及其他檢修維保工作。

多功能臺(tái)架由主體結(jié)構(gòu)、對(duì)開機(jī)構(gòu)、稱重系統(tǒng)、走臺(tái)欄桿及擋車器組成，共分為三跨，其中1號(hào)、3 號(hào)跨設(shè)有打開機(jī)構(gòu)，可以向兩側(cè)橫移打開，2 號(hào)跨為固定跨。

4.1 有限元分析

多功能臺(tái)架設(shè)計(jì)完成后，對(duì)臺(tái)架進(jìn)行建模。

按車輛走行輪組的不同位置來(lái)模擬車輛在臺(tái)架上的實(shí)際位置，對(duì)各工況進(jìn)行分析，通過有限元分析軟件計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)向架位于第一跨過渡梁端頭時(shí)，應(yīng)力最大，為92.3 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在對(duì)開機(jī)構(gòu)與橫梁連接處。

臺(tái)架選材為Q235B 鋼材，通過焊接或栓接的方式連接，最大許用應(yīng)力為120 MPa[2]，計(jì)算結(jié)果最大值為92.3 MPa，因此臺(tái)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

4.2 安全性分析

由于多功能臺(tái)架與軌道梁連接，軌道梁布設(shè)有DC750 V 高壓接觸軌，同時(shí)臺(tái)架作業(yè)面處于4 m 以上高度，對(duì)人員和設(shè)備危害極大。

因此，引入安全分析模式中的故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA） 法，由上往下的演繹式的失效分析用來(lái)分析系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和形成原因之間的相互關(guān)系，設(shè)備的安全隱患，確定影響安全的底層事件，然后制定相應(yīng)的措施，將安全風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受范圍。

經(jīng)分析，確定臺(tái)架的安全性體現(xiàn)為設(shè)備安全和人員安全，對(duì)設(shè)備安全和人員安全建模。經(jīng)FTA 法分析，確定安全相關(guān)的最終底層事件。

根據(jù)FTA 法分析的安全相關(guān)底層事件，逐項(xiàng)制定相應(yīng)的安全措施，在設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造過程中實(shí)施，以降低設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，表2 為安全措施及接受程度表。

表2 安全措施及接受程度表

針對(duì)軌道梁內(nèi)的750 V 高壓觸電的風(fēng)險(xiǎn)，在臺(tái)架上設(shè)置了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)充分利用了各種檢測(cè)手段和計(jì)算機(jī)邏輯處理、電器聯(lián)鎖等控制方法，嚴(yán)格記錄二層平臺(tái)上下的人員，將門鎖及報(bào)警裝置與高壓互鎖，防止由于工作人員的疏忽、精神疲倦、聯(lián)系不周等人為因素造成事故，實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)控確保安全的目的。

由表2 可知，針對(duì)危害安全的底層事件采取相應(yīng)措施后，基本都能將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受范圍，因此，臺(tái)架的安全性得到了保證。

經(jīng)過制造安裝，多功能臺(tái)架于2019 年在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后投入使用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的掛車靜調(diào)、稱重及維保的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)地鐵車輛與空軌車輛結(jié)構(gòu)分析，研究了空軌車輛的掛車工藝，并從兩個(gè)不同的掛車方案出發(fā)，通過不同的設(shè)備，確定了3 種掛車方案，經(jīng)過多角度的比選，確定最終的掛車方案，同時(shí)以此方案為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制造了關(guān)鍵工藝設(shè)備中的多功能臺(tái)架。通過對(duì)臺(tái)架的強(qiáng)度及安全性分析得出以下結(jié)論。

1） 通過對(duì)比地鐵車輛與空軌車輛的結(jié)構(gòu)及方案，確定最適用于空軌車輛的掛車方案。

2） 創(chuàng)新地設(shè)計(jì)出可開合的軌道梁，閉合狀態(tài)能用于空軌車輛的走行和導(dǎo)向支撐，打開狀態(tài)能用于車輛的掛車及維保工序，且極大降低了工序的耗時(shí)和難度，滿足車輛的需求。

3） 使用FTA 法分析出臺(tái)架的安全危害底層事件，并有針對(duì)性地制定安全措施，將各項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受范圍內(nèi)，確保臺(tái)架的使用安全。

4） 在后續(xù)的使用中實(shí)現(xiàn)了靜調(diào)、稱重及維保功能。

多功能臺(tái)架、運(yùn)輸小車以及天車的配合，極大降低了空軌車輛掛車的難度，集成了靜調(diào)、稱重及維保功能，是空軌系統(tǒng)中不可或缺的工藝設(shè)備。