懸掛式單軌軌道梁及其附屬設施綜合維修技術方案研究

楊 陽,王孔明,錢科元,吳柯江

(中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院,成都 610031)

引言

懸掛式單軌交通系統(也稱為“空軌”)在我國是一種全新的中低運量軌道交通系統。該系統將地面交通移至空中，車輛懸吊在軌道梁下方，充分利用了城市空間，節約了寶貴的地面交通資源，緩堵效果明顯[1-3]。目前，昆明、樂山、成都等約20個城市和景區，已開展該系統的規劃和設計，懸掛式單軌在我國具有廣闊的應用空間。

該系統軌道梁兼做走行軌，軌道梁布置高價值設備設施，軌道梁及其附屬設施(以下簡稱軌道梁)需定期檢測維修，確保健康安全狀態[4-5]。軌道梁架空建設，距離地面高度一般約11 m，內部空間狹窄，不便于人工檢修[7]。此外，懸掛式單軌本身體量較小，不能沿用地鐵綜合維修模式，應建立適用于懸掛式單軌的低成本、快捷高效的綜合維修體系[8]。調研發現國內外還未有低成本、快捷、高效的軌道梁綜合維修體系，處于行業空白。本研究將針對懸掛式單軌交通系統軌道梁及其附屬設施綜合維修體系、技術方案展開研究，以期為懸掛式單軌工程應用提供指導。

1 懸掛式單軌交通系統特點

懸掛式單軌系統與地鐵系統相比在運量、建設規模、造價等方面都有較大的區別，應該根據其特點研究其綜合維修模式[9-11]。懸掛式單軌系統主要特點如下。

(1)空軌的客流和運量大幅低于地鐵：運量一般不大于0.8萬人/h，遠低于地鐵系統一般3～7萬人/h[12]。

(2)建設規模遠小于地鐵：建成或在建的空軌一般單條線路不高于15 km，遠低于國內各城市地鐵。

(3)系統體量和造價遠低于地鐵：空軌的體量較小，系統造價一般約1.4億元/km，遠低于地鐵一般7億～9億元/km。

(4)空軌難以支撐同地鐵水平的運營人數和專業素養：空軌作為低運量系統，客流、建設規模、運營收入等遠低于地鐵，難以鍛煉和支撐同地鐵水平的綜合維修保養隊伍和培養較高專業素養。

(5)空軌特殊結構造成疏散救援效率比地鐵低，對綜合維修提出更高要求：空軌車輛懸于軌道梁下方，緊急和故障情況下乘客疏散和應急救援極為不便，對空軌的綜合維修提出更高的要求。

(6)空軌的結構特點造成人工梁內巡檢極為不便：軌道梁空間極小，一般軌道梁內凈空約780 mm×1250 mm，人員基本無法在內部行走，不便于作業人員步行開展巡檢和維修作業。

(7)空軌的結構特點造成軌道梁外部及附屬設施人工巡檢較為不便：軌道梁的外底部、兩外側面、外頂面、強電線纜、弱電電纜、信號燈等附屬設備設施人工巡檢較為不便[13]。

因此，需結合空軌的系統特點研究建立適用于空軌的合理、經濟、高效的綜合維修體系，不能照搬地鐵維修模式。分析可知，懸掛式單軌軌道梁綜合維修體系應滿足以下兩點：線上檢測、巡檢作業應盡量提高自動化效率；維修作業應互換修、簡化配置、降低投資。

2 軌道梁綜合維修對象

軌道梁綜合維修即對軌道梁及其附屬設施的綜合檢測維修。檢測維修對象主要包括軌道梁及橋墩本身，以及安裝于軌道梁上的道岔、供電以及通信信號線纜設備等。

2.1 軌道梁

懸掛式單軌交通軌道梁，因車輛轉向架裝置在梁的內部，車體懸掛其下，故斷面形狀為下部開口的箱型梁，如圖1所示[14]。直線梁采用30 m簡支軌道梁作為常用跨度，梁內腔尺寸為780 mm×1250 mm；曲線梁區間采用25 m簡支軌道梁作為常用跨度，梁內腔尺寸為780 mm×1200 mm。

圖1 懸掛式單軌軌道梁(單位：mm)

2.2 道岔

懸掛式單軌道岔主要有移動式道岔梁、梯子形轍叉道岔、倒T形轍叉道岔等形式。倒T形轍叉道岔修正軌配合可動軌底板，為走行輪提供了連續的走行面，列車通過道岔時更為平穩，國內懸掛式單軌采用倒T形轍叉道岔方案[15]。道岔系統主要由道岔梁、修正軌、動力系統、可動軌、可動軌導向板、控制系統、鎖閉機構等組成，如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌道岔

2.3 橋墩

橋墩采用矩形截面鋼結構立柱，一般情況下，單線采用倒“L”形橋墩，雙線及連續梁采用“T”形橋墩，道岔梁采用門形框架橋墩，如圖3所示。

圖3 懸掛式單軌橋墩

2.4 供電、通信、信號線纜設備

懸掛式單軌軌道梁沿線主要布置供電、通信、信號線纜設備，布置方案如圖4所示。牽引供電電纜和信號、通信電纜設在軌道梁外頂部；計軸器感應板設在軌道梁內頂部；通信漏纜設在軌道梁外側壁；信標設在加勁肋底部；接觸軌設在軌道梁內部[16-17]。

圖4 線纜設備設置示意

3 軌道梁綜合維修內容及關鍵設備

3.1 軌道梁綜合維修內容及方案

對軌道梁、橋墩、道岔、軌旁線纜與設備主要組成及可能出現的問題進行系統性分析，確定軌道梁綜合維修的主要內容[18]。軌道梁綜合維修主要是針對軌道梁、道岔、軌旁線纜與設備的潛在問題工作及健康狀態進行檢測、必要時進行維修。根據維修內容、目前技術現狀以及設備狀態等檢測主要分為兩種形式，即：設備自動檢測、人工檢測。不同維修對象、檢測內容以及對應的檢測方式列于表1。

以往的檢測維修設備一般僅針對某一問題，例如梁內壁銹蝕、限界檢測分別為兩套設備，存在資源浪費，檢測效率低等問題。自動化綜合檢修設備應能夠最大限度地將檢測功能集成在一條檢測設備上，實現自動化檢測，提高綜合檢測效率降低人工成本。此外自動化綜合檢修設備還應為工作人員提供檢修平臺，并且作為相關人工維修檢測裝備的運輸平臺。結合懸掛式單軌特點及巡檢維修內容，研究提出軌道梁內部、外部各設置1個綜合檢測維修平臺，完成以下軌道梁綜合檢測維修內容。

(1)內部智能巡檢車——人工檢查檢修極為不便，突出“無人化、自動化、智能化”的低成本、快捷、高效目標；另外巡檢車還應載人進行人工核實和維修。

(2)外部綜合檢修車——在便于人工檢查維修作業基礎上，針對易于自動化檢測的內容，突出“自動化”，以提高效率。

內部智能巡檢車及外部綜合維修車自動化檢測或輔助人工完成的檢測內容見表1。

表1 軌道梁綜合維修內容及方式

由于軌道梁內部與外部的巡檢周期不同，若將內部與外部的巡檢設備整合成一個平臺，在進行內部巡檢時需要帶著較大的外部巡檢車，將會造成資源浪費，使用不便。此外，內部巡檢車在軌道梁內部行走，需要具有載人及相應維修工具運行，由于軌道梁內部空間有限，沒有足夠的空間整合成一個設備。因此，從節約資源及方便使用的角度出發，內部、外部各設置1個綜合檢測維修平臺。

3.2 軌道梁綜合維修關鍵設備

軌道梁內部采用無人化、自動化的智能巡檢，軌道梁外部采用綜合檢修車，實現內部、外部各一個平臺上，同時對工務、供電、通號3個傳統的地鐵主要車間檢測業務的全覆蓋，大幅提高檢測效率，平臺整合，通過對比分析綜合檢測效率提高30%。

3.2.1 內部智能巡檢車

內部智能巡檢車在圖1所示的軌道梁內部行駛，通過車輛基地內的檢修平臺進入軌道梁內部，使用機器圖像視覺技術對軌道梁內部缺陷進行識別。識別方案為通過調整安裝在巡檢車尾部的CCD工業相機及光源組件，對待檢測面進行拍照。對獲得的圖片進行圖像增強、濾波處理、二值化、圖像裁剪及圖像分割等預處理操作，再利用基于均值與方差粗檢和基于積分圖的Bayes似然細檢方法對圖像缺陷進行識別，根據圖片上標注的位置信息確定軌道梁缺陷位置[19-21]。

軌道梁內部智能巡檢車需滿足自動化、無人化、智能化的高效巡檢的要求，如圖5所示，其功能及總體要求如下。

圖5 內部智能巡檢車

(1)自動化檢測功能

具備裂紋檢測、銹跡檢測、內部限界、接觸軌等自動檢測與分析功能。

(2)搭載人員進行人工維修功能

能搭乘1名巡檢人員及相應的檢修工具。

(3)運行模式

人工駕駛模式、自動控制模式、遙控模式，3種控制方式無障礙切換。

(4)其他功能

巡檢車應當具備基礎功能，應自帶動力、照明已經配置獨立電源系統。在軌道內出現故障時，應有自救能力。發生災害時，需配置有緊急逃生口保障人員安全。配置人員狀況及設備狀態監控，保存時間，配置車載電臺，用于語音通訊。配置安全系統保障人員安全以及設備安全。

軌道梁內部智能巡檢車外形尺寸應根據軌道梁內部結構尺寸設計，根據實際工程確定巡檢車主要技術指標，列于表2。

表2 內部智能巡檢車主要指標

3.2.2 外部綜合檢修車

軌道梁外部綜合檢修車如圖6所示，其主要包括車體、智能檢測單元、驅動單元、行車控制單元、安全保護單元。轉向架位于軌道梁內部行駛，通過多功能升降平臺送工作人員到達工作平面，使用輪廓儀，CCD工業相機實現軌道梁的自動化檢測。其應能實現針對軌道梁、道岔、橋墩、供電、通信、信號設備設施的檢測維修。檢查車應具備以下功能。

圖6 外部綜合檢修車

(1)運輸功能

應能搭乘外部檢修人員、檢測檢查設備、維修工具及所需材料，滿足檢查及維修保養的功能需求。

(2)自動化檢測功能

應能實現箱型梁外側四角主焊縫裂紋、外表面銹跡自動檢測以及侵限自動檢測情況的自動檢查。

(3)輔助人工檢查及維護功能

信標及通信漏纜的檢查及維修更換；軌道梁連接處密封狀態的檢查及維護；軌道梁頂部線纜狀態的檢查及維護；道岔外部結構的目視檢查；接縫處過渡齒板外側狀態；對軌道梁側部和頂部外表面的檢查，人員登軌道梁頂的要求等。

(4)其他功能

軌道梁外部檢查維修車應自帶動力，使用蓄電池供電，自帶照明系統。軌道梁外部檢查維修車應配置獨立電源系統，支持對軌道梁的簡單維護、維修使用；軌道梁外部檢查維修車應配置有車載電臺，用于語音通訊。設備運行采用人工駕駛模式。

軌道梁外綜合作業車外形尺寸應根據線路限界參數設計，根據實際工程確定巡檢車主要技術指標，列于表3。

表3 外綜合作業車主要指標

4 軌道梁綜合維修體系工程應用

本研究相關成果在大邑空鐵試驗線項目得到了推廣應用。該項目線路全長約11 km，線路最高運營速度60 km/h；共設置4座車站，最小站間距3.3 km，最大站間距3.8 km；設置1座控制中心，1座車輛基地，控制中心位于車輛基地內。

軌道梁綜合維修中心組織架構如圖7所示。綜合維修中心設于車輛基地內，由綜合室、綜合維修車間和工程車隊等組成。由于懸掛式單軌系統本身體量較小，軌道梁綜合維修中心不再分專業設置獨立的綜合檢修車間，全線的綜合維修由一個綜合維修班組承擔。

圖7 軌道梁綜合維修中心組織架構

各部門職能如下。

(1)綜合室

綜合室負責生產計劃、組織管理工作；生產安全管理工作；設備計劃、固定資產管理工作；材料計劃、管理、倉儲工作；技術管理工作。

(2)綜合維修車間

負責全線軌道梁、橋墩、道岔、軌旁線纜與設備的檢測維修。

(3)工程車隊

工程車隊負責各種檢修設備的停放和維護保養工作，工程車隊配置工程車司機及檢維修人員。

大邑空軌綜合維修中心設計定員列于表4。

表4 綜合維修中心定員

將懸掛式單軌軌道梁綜合維修中心與地鐵綜合維修中心定員進行比較。某地鐵線路總長約36 km，其中一期總長28.886 km，設24座 地下車站，平均站間距1.24 m。綜合維修中心定員列于表5，懸掛式單軌綜合維修單公里定員指標相對于地鐵綜合維修中心定員降低約70%。雖然地鐵系統比懸掛式單軌系統復雜，但是依舊有一定的可比性。研究顯示使用軌道梁內部智能巡檢車和外部綜合作業車后，懸掛式單軌軌道梁綜合維修中心定員相對于地鐵系統大幅降低。

表5 地鐵綜合維修中心定員

5 結論

結合國內懸掛式單軌交通系統的特點及綜合維修需求，研究建立低成本、智能化、快速檢測及維修的空軌綜合維修有機體系，提出了采用軌道梁內部和外部智能巡檢維修車的空軌軌道梁自動化綜合維修技術方案，可實現對軌道梁及沿線設備的智能巡檢及維修作業。通過多專業人員及設備整合，懸掛式單軌軌道梁綜合維修有機體系相對于地鐵提高效率約30%、降低定員約70%，有效指導了工程設計，節省維修成本和提高效率。本研究相關成果在大邑空鐵試驗線項目、陜西韓城懸掛式單軌、石林空鐵旅游觀光線等國內多個項目等的推廣應用，效益顯著。