悬挂式单轨列车挂车方案及其工艺设备的研究

周 亮

（中铁工程机械研究设计院有限公司，湖北 武汉 430016）

悬挂式单轨交通（以下简称“空轨”） 是一种新制式轨道交通，最突出的特点是车辆悬挂在轨道梁下方，具有地形适应性强、造价低、安全性好等优点。空轨最早出现在德国，并建成了乌珀塔尔运营线，在日本进一步发展并建成了千叶线和湘南线。我国在2011 年开始研究空轨，目前已建成4条试验线，分别为武汉中铁试验线、青岛四方试验线、成都中唐试验线和开封中建空列试验线。其中武汉中铁试验线于2019 年正式建成通车，现已完成车辆调试试验及安全认证，并实现了无人驾驶。

空轨车辆在组装过程中需要将转向架与车体连接，悬挂在轨道梁上，简称挂车。由于空轨车辆结构与地铁等车辆结构不同，需要针对空轨车辆结构的特殊性规划挂车的方案，并设计专用的设备，将车辆组装完成。

1 空轨系统的特点

1.1 空轨系统

空轨交通系统的轨道梁悬挂于立柱下部，车辆转向架设置于下部开口的轨道梁内，车体悬吊在转向架下部，车辆沿轨道梁内腔走行。分为单线和双线的线路，立柱常用的有倒“L”型、“Y”型及门型3 种结构形式，一般都是钢结构的型式。

1.2 轨道梁

轨道梁是下部有开口的、半封闭的钢结构箱梁，以左右两侧的底板为车辆的走行面。线路的坡度、水平曲线、竖曲线等都是依靠轨道梁线型的变化来实现。在厂内按设计参数的要求制造好，运输到现场与立柱组装后，形成车辆走行的线路。

1.3 车辆结构

空轨的车辆主要由转向架、车顶设备、车体以及牵引系统、制动系统等其他子系统组成。转向架位于车顶，前后各1 个，每个转向架设有4 个走行轮，通过牵引电机驱动走行轮牵引车辆走行，侧面设有导向轮，限制转向架在箱梁内走行时的位置，下部通过构架等结构与车体连接；车辆空调、辅助系统等设备均布置在车顶设备区[1-3]。

2 空轨车辆挂车方案

经过分析调研地铁车辆结构及挂车方案，得出地铁车辆挂车方案为：车体组装时先将车体起吊后与下方钢轨上的转向架对位连接[4]。

空轨车辆与地铁车辆最大的区别是车体悬挂在轨道梁下方，转向架支撑在轨道梁上方，即轨道梁走行面处于车体与转向架中间的位置。这种结构导致空轨车辆无法像地铁车辆一样，从上方直接起吊，或者从下方直接顶升。

为解决这个问题，经过广泛地调研及分析，最终确定了两个挂车步骤。

步骤1：转向架起吊—转向架进入走行面—车体定位—转向架与车体对位连接—车辆挂车完成。

步骤2：车体定位—转向架起吊—转向架与车体对位连接—走行面支撑走行轮—车辆挂车完成。

步骤1 中的关键步骤是转向架起吊后如何进入走行面内，以及转向架与车体连接时空间受限带来的操作难度；步骤2 中的关键步骤是转向架与车体对位连接后如何实现走行面支撑走行轮的需求。考虑到结构的可实施性，共有3 种方案可实现上述挂车步骤。

2.1 转向架拖拉方案

本方案为解决转向架挂在走行面的情况下与车辆对位连接的问题，从走行面尾部直接拖拉转向架，同时将车顶与轨道梁底间距预留到最大，下层平台抬高至可操作车顶区域高度，直接在间隙内连接转向架与车体，最后将车体连接在转向架上。操作步骤如下。

1） 在车辆组装区域将车顶设备安装完毕，将车体运输至轨道梁下方。

2） 转向架组装完毕后，起吊至走行面上方，缓慢拖拉进入走行腔体内，然后拖拉转向架与车体对位。

3） 顶升车体，转向架与车体精确对位连接位置，将转向架与车体连接紧固。

4） 车辆下降至走行面支撑轮组，挂车步骤完成。

2.2 整车运输方案

本方案为解决车体与转向架对位连接后，走行面支撑走行轮的需求，将走行面设计为固定式，在台架外的组装区域将转向架与车体组装固定完成后，通过运输小车从台架尾部运输至中部，拆除固定支架后将走行轮挂在走行面上。操作步骤如下。

1） 在车辆组装区域将车顶设备安装完毕，转向架与车体组装完成。

2） 运输设备运输组装完的车辆，从走行腔体尾部纵向走行至车辆转向架完全进入走行腔体内。

3） 车辆下降至走行面支撑轮组，挂车步骤完成。

2.3 轨道梁打开方案

本方案为解决车体与转向架对位连接后，走行面支撑走行轮的需求，将走行面设计为活动式。在车辆组装时，走行面可以向两侧打开，转向架从上方起吊与车体对位安装，通过闭合走行面至设计位置，形成走行及导向面，支撑车辆的走行。操作步骤如下。

1） 走行面向两侧打开，露出车顶空间。

2） 在车辆组装区域将车顶设备安装完毕，将车体运输至已打开走行面的设备下方。

3） 将转向架从上方起吊与车体对位连接。

4） 闭合走行面机构，形成走行腔体，将车辆下降至走行面支撑轮组，挂车步骤完成。

3 悬挂式单轨列车挂车方案分析

对以上3 种方案，从挂车所需时间、操作难易度、对设备危险性以及方案的兼容性4 个方面进行分析，确定最佳挂车方案，具体方案分析见表1。

表1 方案分析表

经分析对比可知，转向架拖拉方案存在操作空间受限带来的作业难度大、操作时间长的缺点；整体运输方案存在运输危害大的缺点；轨道梁打开方案优点多，作业效率高，操作难度低，兼容性好。

因此，最终确定挂车方案为步骤2，设备方案为轨道梁打开式方案。

4 多功能台架概述

以轨道梁打开式方案为基础，细化后将车辆出厂前的静调和称重需求集成到台架上，设计出多功能台架。具体的功能需求如下。

1） 挂车功能：将转向架与车体组装在轨道梁上。

2） 静调功能：车辆组装完成后，对车辆及设备进行静态调试。

3） 称重功能：车辆组装完成后，对车辆的轮重、轴重及总重偏差进行检查。

4） 维保功能：车辆运营后，对车辆进行日检、月检及其他检修维保工作。

多功能台架由主体结构、对开机构、称重系统、走台栏杆及挡车器组成，共分为三跨，其中1号、3 号跨设有打开机构，可以向两侧横移打开，2 号跨为固定跨。

4.1 有限元分析

多功能台架设计完成后，对台架进行建模。

按车辆走行轮组的不同位置来模拟车辆在台架上的实际位置，对各工况进行分析，通过有限元分析软件计算，当转向架位于第一跨过渡梁端头时，应力最大，为92.3 MPa，最大应力出现在对开机构与横梁连接处。

台架选材为Q235B 钢材，通过焊接或栓接的方式连接，最大许用应力为120 MPa[2]，计算结果最大值为92.3 MPa，因此台架结构强度满足使用要求。

4.2 安全性分析

由于多功能台架与轨道梁连接，轨道梁布设有DC750 V 高压接触轨，同时台架作业面处于4 m 以上高度，对人员和设备危害极大。

因此，引入安全分析模式中的故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA） 法，由上往下的演绎式的失效分析用来分析系统风险和形成原因之间的相互关系，设备的安全隐患，确定影响安全的底层事件，然后制定相应的措施，将安全风险降低至可接受范围。

经分析，确定台架的安全性体现为设备安全和人员安全，对设备安全和人员安全建模。经FTA 法分析，确定安全相关的最终底层事件。

根据FTA 法分析的安全相关底层事件，逐项制定相应的安全措施，在设备的设计及制造过程中实施，以降低设备的安全风险，表2 为安全措施及接受程度表。

表2 安全措施及接受程度表

针对轨道梁内的750 V 高压触电的风险，在台架上设置了安全联锁系统。安全联锁系统充分利用了各种检测手段和计算机逻辑处理、电器联锁等控制方法，严格记录二层平台上下的人员，将门锁及报警装置与高压互锁，防止由于工作人员的疏忽、精神疲倦、联系不周等人为因素造成事故，实现人机联控确保安全的目的。

由表2 可知，针对危害安全的底层事件采取相应措施后，基本都能将风险降低至可接受范围，因此，台架的安全性得到了保证。

经过制造安装，多功能台架于2019 年在现场安装调试后投入使用，实现了设计的挂车静调、称重及维保的功能。

5 结束语

本文通过对地铁车辆与空轨车辆结构分析，研究了空轨车辆的挂车工艺，并从两个不同的挂车方案出发，通过不同的设备，确定了3 种挂车方案，经过多角度的比选，确定最终的挂车方案，同时以此方案为基础，设计制造了关键工艺设备中的多功能台架。通过对台架的强度及安全性分析得出以下结论。

1） 通过对比地铁车辆与空轨车辆的结构及方案，确定最适用于空轨车辆的挂车方案。

2） 创新地设计出可开合的轨道梁，闭合状态能用于空轨车辆的走行和导向支撑，打开状态能用于车辆的挂车及维保工序，且极大降低了工序的耗时和难度，满足车辆的需求。

3） 使用FTA 法分析出台架的安全危害底层事件，并有针对性地制定安全措施，将各项安全风险降低至可接受范围内，确保台架的使用安全。

4） 在后续的使用中实现了静调、称重及维保功能。

多功能台架、运输小车以及天车的配合，极大降低了空轨车辆挂车的难度，集成了静调、称重及维保功能，是空轨系统中不可或缺的工艺设备。