小型化觀(guān)光旅游磁浮交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王大為 耿慶厚

(1.中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430060；2.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 河北唐山 063035)

1 引言

旅游業(yè)是當(dāng)今世界發(fā)展最快、前景最廣的新興產(chǎn)業(yè)之一，也是國(guó)家政策重點(diǎn)扶植和鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平逐年提升，我國(guó)旅游業(yè)展現(xiàn)出新的發(fā)展勢(shì)頭，發(fā)展宗旨從經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)橐月糜握邽橹行模l(fā)展模式從政府主導(dǎo)型轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)主導(dǎo)型，資源依賴(lài)從傳統(tǒng)生產(chǎn)要素轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣兀Y(jié)構(gòu)內(nèi)涵從偏“量”的積累轉(zhuǎn)變?yōu)橹亍百|(zhì)”的提升，與科技間的關(guān)系由松散的環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)[1]。面對(duì)日益增多的游客壓力及不斷提升的服務(wù)需求，為增強(qiáng)游客在景區(qū)的觀(guān)光體驗(yàn)，針對(duì)旅游觀(guān)光景區(qū)的軌道交通應(yīng)運(yùn)而生。

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)開(kāi)通以來(lái)，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外旅客、研究機(jī)構(gòu)、政府、社會(huì)團(tuán)體的廣泛興趣，乘客量不斷攀升，隨后廣東清遠(yuǎn)磁浮旅游線(xiàn)、湖南鳳凰磁浮旅游線(xiàn)相繼開(kāi)工，國(guó)內(nèi)很多景區(qū)、特色小鎮(zhèn)也想引進(jìn)磁浮軌道交通系統(tǒng)，形成“磁浮 +旅游”效應(yīng)[2-5]，但傳統(tǒng)中低速磁浮交通是針對(duì)城市通勤研制的城市軌道交通系統(tǒng)，因中運(yùn)量客流輸送要求，所以其車(chē)體較大，軌道及橋梁等結(jié)構(gòu)外觀(guān)略顯笨重，造價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)旅游軌道交通產(chǎn)品較高[6]，僅適用于年游客量過(guò)千萬(wàn)的大型景區(qū)。對(duì)于年游客量在百萬(wàn)人的大多景區(qū)，由于景區(qū)游客數(shù)量少，車(chē)輛很難滿(mǎn)載，經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法達(dá)到投資回報(bào)要求。

因此，為大多景區(qū)能引進(jìn)磁浮交通產(chǎn)品，形成“磁浮+旅游”效應(yīng)，需對(duì)傳統(tǒng)中低速磁浮交通進(jìn)行小型化、輕量化改進(jìn)，研究一種新型的小型化的磁浮交通[7-8]，該交通系統(tǒng)有別于低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，是應(yīng)用于景區(qū)內(nèi)部的游樂(lè)設(shè)施，具有輕巧、秀麗的外觀(guān)，適中的載客能力，較低的造價(jià)，可用于完善景區(qū)內(nèi)外交通，提升景區(qū)品質(zhì)。

2 國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的旅游軌道交通制式

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的旅游軌道交通制式，按照車(chē)輛的牽引、支撐及導(dǎo)向方式劃分，可分為普通輪軌制式、纜索牽引制式、齒軌制式、單軌制式和磁浮制式，各系統(tǒng)特點(diǎn)及分析如下[9]:

2.1 普通輪軌制式

普通輪軌制式交通在景區(qū)內(nèi)應(yīng)用較為普遍，俗稱(chēng)小火車(chē)，動(dòng)力牽引方式有蒸汽、內(nèi)燃、電力多種，軌距也有762 mm、900 mm、1 000 mm等多種。很多小火車(chē)項(xiàng)目都是利用廢棄的窄軌鐵路(邊境或礦山)結(jié)合旅游資源開(kāi)發(fā)而興建的，也有為解決景區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸而興建的，其特點(diǎn)是車(chē)體較小，造價(jià)較低。

2.2 纜索牽引制式

纜索牽引制式交通是一種介乎索道與鐵路之間的交通系統(tǒng)，最常在山區(qū)出現(xiàn)，因?yàn)榕榔履芰?qiáng)，可減少在山區(qū)的線(xiàn)路長(zhǎng)度，進(jìn)而減少項(xiàng)目投資。較為知名的有香港太平山纜索鐵路、重慶長(zhǎng)壽纜車(chē)等。

2.3 齒軌制式

齒軌制式交通是一種爬坡鐵路，和普通鐵路不同的是它在軌道中間鋪設(shè)有一條特殊的齒條，通過(guò)齒軌和齒條嚙合，克服了黏著力不足的問(wèn)題，使得最大限制坡度可至25%。較為知名的有瑞士少女峰齒軌鐵路，國(guó)內(nèi)在建的有四川省四姑娘山、湖南張家界七星山齒軌鐵路。其特點(diǎn)是制式新穎，山區(qū)選線(xiàn)時(shí)可縮短線(xiàn)路長(zhǎng)度節(jié)約投資。

2.4 單軌制式

單軌交通是一種軌道為帶形的梁體，車(chē)輛跨坐于其上或懸掛于其下行駛的交通工具。根據(jù)其典型結(jié)構(gòu)，又可以分為跨坐式和懸掛式。其特點(diǎn)是制式新穎，結(jié)合沿途景點(diǎn)介紹，成為了一個(gè)特有的旅游產(chǎn)品。

2.5 磁浮制式

磁浮交通系統(tǒng)是利用電磁力使列車(chē)懸浮于軌道上，通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的新型軌道交通系統(tǒng)。因?yàn)榱熊?chē)沒(méi)有車(chē)輪，懸浮運(yùn)行，其特有的科技感，對(duì)很多游客產(chǎn)生很強(qiáng)的吸引力。上海高速磁浮、長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)開(kāi)通以來(lái)每逢節(jié)假日都有很多慕名而來(lái)的乘客。

2.6 國(guó)內(nèi)旅游軌道交通市場(chǎng)產(chǎn)品特性總結(jié)

景區(qū)內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的旅游軌道交通，基本具有車(chē)體小(乘客隨到隨走)，造價(jià)較低(多為路基形式)，產(chǎn)品具有突出特點(diǎn)(單軌或磁浮)。

3 總體設(shè)計(jì)原則

3.1 景區(qū)內(nèi)旅游軌道交通特點(diǎn)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外旅游軌道交通功能區(qū)分，可分為兩類(lèi)，分別是連接景區(qū)與客流樞紐(車(chē)站、客流集散點(diǎn))，景區(qū)內(nèi)或景區(qū)間觀(guān)光。由于很多景區(qū)遠(yuǎn)離市區(qū)或鐵路，修建景區(qū)與客流樞紐的連接線(xiàn)成本較高，且大部分景區(qū)年客流量?jī)H在100～300萬(wàn)，故目前大多旅游軌道交通線(xiàn)是位于景區(qū)內(nèi)部或景區(qū)之間的觀(guān)光游覽線(xiàn)，以上線(xiàn)路具有車(chē)體小巧、載客量適中，小編組運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)組織靈活，線(xiàn)路長(zhǎng)度短，投資低等特點(diǎn)。

3.2 總體設(shè)計(jì)原則

(1)小型化、輕量化。進(jìn)一步縮減車(chē)輛的長(zhǎng)度、寬度，按全坐席布置進(jìn)行車(chē)廂內(nèi)部設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能減少車(chē)上機(jī)電設(shè)備，減輕車(chē)重。

(2)外觀(guān)美觀(guān)、和景區(qū)相協(xié)調(diào)。車(chē)輛需結(jié)合景區(qū)景觀(guān)進(jìn)行外觀(guān)及內(nèi)飾設(shè)計(jì)，同時(shí)橋梁、低置結(jié)構(gòu)等土建工程也應(yīng)盡量做到小巧、纖細(xì)，通過(guò)相應(yīng)的景觀(guān)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)土建工程與沿途景色相融合，做到車(chē)中有景、景中有車(chē)。

(3)造價(jià)較低。通過(guò)車(chē)輛小型化、輕量化設(shè)計(jì)，降低車(chē)輛荷載，減少土建工程費(fèi)用。同時(shí)，由于旅游產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中只需保證游客安全，不需要考慮故障條件下運(yùn)營(yíng)等方面，故可以對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用取消供電軌改用車(chē)載蓄電池供電等方式[10]，降低建設(shè)成本。

4 主要系統(tǒng)方案

4.1 車(chē)輛

4.1.1 總體設(shè)計(jì)參數(shù)

小型化觀(guān)光旅游磁浮車(chē)輛定義為旅游產(chǎn)品，適用于最高設(shè)計(jì)速度40 km/h，高峰小時(shí)斷面客流量5 000人以下的軌道交通線(xiàn)路。列車(chē)可進(jìn)行進(jìn)行2～6輛靈活編組，滿(mǎn)足不同時(shí)段的運(yùn)輸需求。

為保證舒適的乘車(chē)環(huán)境，同時(shí)盡量做到車(chē)輛小型化，列車(chē)采用全坐席布置方案，兩坐席間車(chē)體開(kāi)側(cè)門(mén)，見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)輛平面布置

每節(jié)車(chē)輛采用雙懸浮架方案，車(chē)輛通過(guò)車(chē)鉤連接不設(shè)置貫通道，車(chē)輛基本參數(shù)如表1。

表1 小型化觀(guān)光旅游磁浮車(chē)輛技術(shù)參數(shù)

4.1.2 走行結(jié)構(gòu)

小型化觀(guān)光旅游磁浮車(chē)輛的走行機(jī)構(gòu)是由2個(gè)懸浮架組成，為列車(chē)提供懸浮力、導(dǎo)向力和驅(qū)動(dòng)力，每個(gè)懸浮架縱向長(zhǎng)度為2 500 mm，前后懸浮架之間的定距為(相鄰懸浮架空簧縱向中心距)5 320 mm。兩個(gè)懸浮架均為固定滑臺(tái)形式，懸浮架與車(chē)體固定連接。

每個(gè)懸浮架呈“工”字形布置(見(jiàn)圖2)，由左右模塊組成，二者之間通過(guò)一套特殊設(shè)計(jì)的防側(cè)滾梁裝置耦合連接。該防側(cè)滾梁裝置的特殊之處在于既能防止左右模塊的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)還能實(shí)現(xiàn)左右模塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)解耦，即磁浮列車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中單側(cè)懸浮模塊遇到?jīng)_擊振動(dòng)等將不會(huì)影響到另一側(cè)懸浮模塊，從而提高了整個(gè)懸浮架的懸浮穩(wěn)定性，同時(shí)有利于提高磁浮列車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖2 懸浮架結(jié)構(gòu)

4.1.3 懸浮控制系統(tǒng)

采用電磁的F軌吸力型懸浮模式，可同時(shí)滿(mǎn)足懸浮和導(dǎo)向的功能。控制懸浮間隙在9 mm左右。懸浮控制器額定電壓為DC600V。

懸浮系統(tǒng)能適應(yīng)車(chē)輛從空載到滿(mǎn)載的負(fù)荷變化，單個(gè)懸浮電磁鐵額定懸浮能力≥3.25 t(單懸浮架懸浮能力≥6.5 t)。

每輛車(chē)布置有2個(gè)懸浮架，每個(gè)懸浮架之間機(jī)械解耦。每個(gè)懸浮架左右兩側(cè)各有4個(gè)電磁鐵線(xiàn)圈，分為2組控制，即每個(gè)懸浮架的懸浮由4組電磁鐵線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)，每個(gè)懸浮架有2個(gè)懸浮模塊，分為4個(gè)懸浮控制點(diǎn)，每一個(gè)懸浮模塊的控制由一套懸浮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一節(jié)車(chē)總共有4個(gè)懸浮模塊。懸浮系統(tǒng)原理，見(jiàn)圖3。

圖3 懸浮系統(tǒng)示意

4.1.4 牽引系統(tǒng)

列車(chē)推薦采用3輛編組，其編組型式為:Mc-TMc(其中Mc:動(dòng)車(chē)；T:拖車(chē))，每輛動(dòng)車(chē)配置一套獨(dú)立的動(dòng)力單元，牽引時(shí)從動(dòng)力蓄電池取電經(jīng)牽引逆變器帶動(dòng)直線(xiàn)電機(jī)運(yùn)行；電制動(dòng)時(shí)，直線(xiàn)電機(jī)回饋能量逆向輸送給動(dòng)力蓄電池。

高壓主回路電氣設(shè)備主要包括高壓分線(xiàn)箱、牽引逆變器箱、DC110V電源箱。其中高壓分線(xiàn)箱為高壓系統(tǒng)提供短路保護(hù)；牽引逆變器驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)為整車(chē)提供牽引力和電制動(dòng)力；DC110V電源箱為整車(chē)控制系統(tǒng)等提供電能；列車(chē)牽引系統(tǒng)配置如表2所示。

表2 列車(chē)牽引系統(tǒng)配置

4.1.5 車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)

列車(chē)采用車(chē)載儲(chǔ)能方式運(yùn)行，取消線(xiàn)路受流軌，降低線(xiàn)路造價(jià)，免去行車(chē)受流噪聲，進(jìn)一步體現(xiàn)磁浮車(chē)輛靜音舒適的特性，提升科技感，同時(shí)也免去受流軌后期維護(hù)，提升線(xiàn)路安全性。

目前，常見(jiàn)動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰電池，不同類(lèi)型蓄電池的特性對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同類(lèi)型蓄電池特性對(duì)比

從表3中可以看出，鋰電池能量和功率密度更高，在滿(mǎn)足車(chē)輛牽引性能需求的條件下，鋰電池系統(tǒng)的體積和質(zhì)量最小，低溫性能優(yōu)良，無(wú)污染，同時(shí)完全免維護(hù)，因而鋰離子動(dòng)力電池是車(chē)載儲(chǔ)能器件的最佳選擇。

不同類(lèi)型的鋰離子電池有不同的化學(xué)體系。目前的鋰離子電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池，參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同類(lèi)型鋰離子電池參數(shù)對(duì)比

鈦酸鋰電池具有安全可靠、充放電電流大、壽命長(zhǎng)和耐低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，輕型觀(guān)光旅游磁浮列車(chē)儲(chǔ)能單元采用鈦酸鋰動(dòng)力電池。

全列車(chē)設(shè)置兩個(gè)蓄電池單元，每個(gè)蓄電池單元分為兩個(gè)電池箱，分別布置在端車(chē)和中間車(chē)(中間車(chē)設(shè)置兩個(gè)蓄電池箱)。兩個(gè)電池單元并聯(lián)，通過(guò)供電母線(xiàn)向全列牽引及輔助設(shè)備(懸浮、空調(diào)、空壓機(jī)等)供電。

4.1.6 車(chē)體和車(chē)內(nèi)設(shè)備

車(chē)體可選用目前在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)，車(chē)輛主體結(jié)構(gòu)材料采用鋁合金大斷面組合式中空擠壓型材，該材料生產(chǎn)工藝成熟可靠，焊接成型后車(chē)輛密封性能好，同時(shí)，鋁合金材料可回收再利用，綠色環(huán)保。

車(chē)體也可采用底架承載的結(jié)構(gòu)，底架選用鋁合金或鋼材拼焊而成，承載車(chē)上、車(chē)下各種載荷，車(chē)體側(cè)墻、端墻和車(chē)頂采用鋼骨架+復(fù)合材料的組合形式，該結(jié)構(gòu)更有利于車(chē)輛輕量化，隔熱保溫性能好。

車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約大方，為游客提供輕松、舒適的乘車(chē)環(huán)境。車(chē)內(nèi)設(shè)備可根據(jù)景區(qū)具體特點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化定制，體現(xiàn)旅游主題。車(chē)輛布置大面積車(chē)窗，為游客提供良好觀(guān)景條件。

4.2 線(xiàn)路

由于列車(chē)的長(zhǎng)度縮短，而且懸浮架的長(zhǎng)度也減短至2.5 m，所以其通過(guò)小曲線(xiàn)半徑的能力更強(qiáng)。通過(guò)對(duì)部件運(yùn)動(dòng)空間的各種角度進(jìn)行懸浮能力檢算，計(jì)算得出最小通過(guò)曲線(xiàn)半徑為35 m，最大坡度為80‰。

同時(shí)，由于本系統(tǒng)車(chē)輛采用的是全坐席布置，所以可以選用更大的橫坡角。國(guó)內(nèi)中低速磁浮線(xiàn)路最大橫坡角規(guī)定不大于6°，但是日本大江試驗(yàn)線(xiàn)最大橫坡為8°，通過(guò)對(duì)列車(chē)懸浮及導(dǎo)向的穩(wěn)定性、乘坐舒適性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)控制因素是由站席的舒適性決定，因此最大橫坡角一般情況下取8°，困難條件下取10°[11-12]。列車(chē)在最小半徑35 m曲線(xiàn)上通過(guò)時(shí)，時(shí)速可達(dá)到25 km，與最高40 km/h相接近，選線(xiàn)時(shí)可以更加靈活。

4.3 軌道

由于本系統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行速度較低，故還是采用原有的中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)，但由于軌距縮短，且車(chē)輛荷載減輕，故對(duì)F型鋼、H型軌枕尺寸，及枕鋪設(shè)間距進(jìn)行了優(yōu)化，有效降低了軌排造價(jià)。

中低速磁浮對(duì)土建結(jié)構(gòu)精度要求高，一方面是對(duì)軌道的平順度的要求，另一方面是構(gòu)造軌縫的要求。構(gòu)造軌縫的設(shè)置必須滿(mǎn)足磁浮列車(chē)運(yùn)行能順利通過(guò)軌縫，確保不會(huì)出現(xiàn)吊點(diǎn)、砸軌等不良現(xiàn)象，其最大限值由磁浮列車(chē)的懸浮控制系統(tǒng)技術(shù)確定。在既有的中低速磁浮交通系統(tǒng)中，單個(gè)懸浮間隙傳感器設(shè)置3個(gè)間隙探頭，通過(guò)算法選取任意2個(gè)工作，進(jìn)行位移、加速度反饋數(shù)據(jù)的采集、交互及使用。該方案的懸浮傳感器過(guò)軌縫能力最大可達(dá)到40 mm。隨著電磁懸浮控制技術(shù)的改進(jìn)、提升，小型化磁浮旅游交通系統(tǒng)的單個(gè)懸浮傳感器設(shè)置了4個(gè)間隙探頭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試構(gòu)造軌縫最大限值可至70 mm。

4.4 低置結(jié)構(gòu)

由于車(chē)輛采用車(chē)載儲(chǔ)能方案，全線(xiàn)沒(méi)有設(shè)置接觸軌，低置結(jié)構(gòu)的承軌梁可簡(jiǎn)化成一塊混凝土基座，軌道結(jié)構(gòu)高度僅為500 mm，與傳統(tǒng)鐵路相近。同時(shí)由于列車(chē)荷載減輕，列車(chē)速度較低，經(jīng)研究基床表層厚度可由1.8 m優(yōu)化至1.2 m。以上優(yōu)化更有利于低置結(jié)構(gòu)的施工，降低工程造價(jià)，見(jiàn)圖4。

圖4 小型化旅游觀(guān)光磁浮承軌梁示意

4.5 橋梁

由于本系統(tǒng)不僅車(chē)輛荷載降低較多，同時(shí)車(chē)輛速度降低為40 km/h，因此給橋梁設(shè)計(jì)帶來(lái)了較多的優(yōu)化空間，具體如下:

(1)梁體高度降低。25 m標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁，采用工字形截面經(jīng)檢算梁高為1.5 m，較長(zhǎng)沙磁浮2.1 m梁高降低0.6 m。

(2)墩身變細(xì)。由于構(gòu)造軌縫增加到70 mm，墩頂位移可增大至25 m。經(jīng)初步研究，12 m墩高以下的橋墩墩身截面尺寸，可優(yōu)化為1.7 m×1.7 m矩形截面，長(zhǎng)沙磁浮為2.8 m×1.8 m。

5 結(jié)論

小型化觀(guān)光旅游磁浮交通是結(jié)合大多數(shù)景區(qū)的游客特征，在傳統(tǒng)中低速磁浮交通的基礎(chǔ)上優(yōu)化完成的，由于車(chē)輛小型化、輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用全坐席布置，大幅降低了車(chē)輛荷載，也降低了土建工程造價(jià)；采用了車(chē)載儲(chǔ)能設(shè)備，取消了供電軌，降低了供電系統(tǒng)造價(jià)；由于列車(chē)運(yùn)行速度較低，可取消列車(chē)控制系統(tǒng)，車(chē)輛由人工駕駛，以上辦法均能有效降低工程造價(jià)。經(jīng)測(cè)算，小型化觀(guān)光旅游磁浮交通系統(tǒng)若采用單線(xiàn)并以地面敷設(shè)為主，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可降低至5 000萬(wàn)/km，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，可在旅游景區(qū)、特色小鎮(zhèn)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。