齒軌鐵路發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

牛悅丞,李 芾,丁軍君,楊 陽,李金城

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院,成都 610031)

引言

列車在經(jīng)過坡道區(qū)域比通過平路時(shí)需要更大的牽引力及制動能力。為了解決列車爬坡及列車在山區(qū)運(yùn)行困難的問題，科研人員采取了各種不同的嘗試，方法包括增加動力，例如列車兩端配上車頭，在途經(jīng)坡道時(shí)采用尾部補(bǔ)機(jī)輔助牽引；或增大黏著力，如采用橡膠輪胎等方法；還有不使用輪軌黏著力牽引，例如采用纜索鐵路、直線電機(jī)車輛及磁懸浮車輛等[1]。齒軌鐵路(Rack Railway，亦稱Cog Railway)屬于特例，通常在一般鐵路軌道之間增設(shè)一條齒條軌道，并在運(yùn)用車輛的轉(zhuǎn)向架上裝備齒輪裝置，補(bǔ)充車輛上坡時(shí)不足的輪軌黏著力或使用齒輪嚙合力替代輪軌黏著力[2]。齒軌鐵路早已在國外得到成功應(yīng)用，在國內(nèi)的都江堰、九寨溝以及張家界等地也正在準(zhǔn)備修齒軌鐵路。目前，四川省發(fā)改委已正式批復(fù)同意建設(shè)都江堰至四姑娘山的齒軌項(xiàng)目(以下簡稱“都四線”)。四川省標(biāo)準(zhǔn)《山地(齒軌)軌道交通技術(shù)規(guī)范》也已于2019年正式發(fā)布。

1 齒軌鐵路介紹

1.1 齒軌鐵路概況

齒軌鐵路構(gòu)想起源于1812年英國工程師John Blenkinsop的設(shè)計(jì)，在普通鐵軌一側(cè)的外部添加一條齒軌，與對應(yīng)車輛上的齒輪嚙合增加牽引力，牽引模式如圖1所示。由于在水平線路上齒輪牽引效率較低后來被停用。但齒軌鐵路牽引力強(qiáng)的特性被人們關(guān)注并應(yīng)用在了山區(qū)鐵路上。符合現(xiàn)代齒軌鐵路定義且最早成功應(yīng)用的是1869年投入運(yùn)營的美國華盛頓山齒軌鐵路[3]。歐洲開通的第一條齒軌鐵路是于1871年在瑞士瑞吉山開通的[4]。隨后的50年屬于齒軌鐵路的高速發(fā)展期，大量的齒軌鐵路在這個(gè)時(shí)期修建。目前共有近30個(gè)國家已經(jīng)開通180多條各式各樣的齒軌鐵路[5]。

圖1 Blenkinsop蒸汽齒軌車輛模型

1.2 齒軌鐵路特征

圖3 齒軌鐵路主要導(dǎo)向軌形式示意

齒軌鐵路較適合作為線路客流量較小的山區(qū)觀光旅游線路，也可以作為礦井內(nèi)運(yùn)輸線路[6]。其原因有以下幾點(diǎn)：第一是齒軌鐵路可以修建在較大坡度的環(huán)境下，因?yàn)辇X輪和齒條嚙合獲得的牽引力比黏著獲得的牽引力更大，也更不容易脫軌，世界上坡度最大的山區(qū)齒軌鐵路瑞士皮拉圖斯齒軌鐵路(圖2)的坡度可達(dá)480‰，除了纜索鐵路以外其他山區(qū)鐵路通常坡度不會超過60‰[7]，但齒軌鐵路擁有比纜索鐵路更快的運(yùn)行速度；第二是齒軌鐵路不適合在一般水平線路上推廣，因?yàn)樵谄铰愤\(yùn)行利用齒軌的牽引效率要遠(yuǎn)小于輪軌黏著的牽引效率，運(yùn)行速度也遠(yuǎn)低于一般輪軌車輛；第三是現(xiàn)有齒軌鐵路每小時(shí)運(yùn)量相對較小，齒軌車輛在齒軌段運(yùn)行時(shí)速度不大于40 km/h[8]，且車輛通常編組較短，早期齒軌鐵路車輛往往由車頭及1節(jié)客車車廂組成，或是只有1節(jié)動車，不適合大規(guī)模旅客運(yùn)輸，只適合小運(yùn)量的觀光旅游；第四是部分齒軌車輛可以在普通鐵路軌道上運(yùn)行，所以可以方便在原有鐵路的基礎(chǔ)上擴(kuò)建或改建齒軌鐵路。由于國內(nèi)目前還沒有投入運(yùn)營的實(shí)例，所以齒軌鐵路在前期車輛造價(jià)會相對一般鐵路車輛高。但在山區(qū)若采用一般鐵路車輛且要滿足觀光條件則需修建更長的鐵路，采用纜索鐵路或磁懸浮鐵路成本也會相應(yīng)增高，故采用齒軌鐵路更為適合[9-10]。

圖2 皮拉圖斯齒軌鐵路

1.3 齒軌鐵路模式1.3.1 軌道模式

齒軌鐵路在發(fā)展的過程中產(chǎn)生了多種形式的齒軌配合模式，典型的齒軌軌道示意如圖3所示，這些模式的命名都取自發(fā)明者的姓氏，在圖3(a)、圖3(b)、圖3(e)所示的模式中，對應(yīng)車輛轉(zhuǎn)向架軸上設(shè)有一個(gè)較大的驅(qū)動齒輪；圖3(c)所示的模式中對應(yīng)車輛轉(zhuǎn)向架中部設(shè)有一個(gè)由兩個(gè)或三個(gè)齒輪并列交錯(cuò)組成的驅(qū)動齒輪，運(yùn)行時(shí)齒輪與齒條嚙合程度高，運(yùn)行相對平穩(wěn)；圖3(d)所示模式對應(yīng)車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)有兩個(gè)水平并列的齒輪，爬坡能力是齒軌鐵路中最強(qiáng)的，但不方便列車換向。此外常見的齒軌軌道還有Marsh模式以及Lamella模式。其中Marsh模式與Riggenbach模式齒軌極為相似，區(qū)別在于Marsh模式的齒軌在兩側(cè)角鋼板中間鉚接圓柱形鋼材，而Riggenbach模式則在兩側(cè)角鋼板中間焊接梯形鋼材；Lamella模式又稱Von Roll模式，與Strub模式類似，但是軌道上的齒要比Strub模式寬。在齒形相同時(shí)車輛在Riggenbach模式、Strub模式及Lamella模式齒軌上通用。在齒軌發(fā)展過程中還存在類似于Locher模式驅(qū)動齒輪水平布置但齒條較窄的Peter模式，該模式在“一戰(zhàn)”后停止運(yùn)營。

1.3.2 齒軌車輛驅(qū)動模式

在驅(qū)動模式方面，通常齒軌車輛驅(qū)動可以分為四類[11]：第一類是完全由齒輪驅(qū)動的模式如圖4所示，這類車輛只能行駛在純齒軌鐵路上；第二類是通過離合器轉(zhuǎn)換齒輪驅(qū)動和輪軌驅(qū)動模式，如圖5所示；第三類為齒輪與輪對由不同動力源驅(qū)動的模式，在常規(guī)鐵路上只使用輪對驅(qū)動，在齒軌鐵路上行駛時(shí)則打開齒輪驅(qū)動；第四類為差分驅(qū)動，這種驅(qū)動方式的齒輪與輪軸之間使用差速齒輪連接，驅(qū)動扭矩按設(shè)定的比例分配到輪對及驅(qū)動齒輪上，原理如圖6所示。

圖4 完全齒輪驅(qū)動形式示意

圖5 齒輪與輪軌轉(zhuǎn)換驅(qū)動形式示意

圖6 差分驅(qū)動形式示意

國內(nèi)正在建設(shè)的都四線選用離合器轉(zhuǎn)換齒輪驅(qū)動和輪軌驅(qū)動的方式。這是因?yàn)槎妓木€包含純鐵軌部分路段，不能僅靠齒軌驅(qū)動。另外由于都四線是米軌線路，若使用齒輪與輪對雙動力源驅(qū)動方式在設(shè)備布置上具有一定難度，差分驅(qū)動形式對零件要求較高，故選用第二類驅(qū)動模式。

1.3.3 齒軌車輛制動模式

由于行駛坡度較大，故對于齒軌車輛而言制動十分重要。齒軌車輛的制動模式較為多樣，對于現(xiàn)代電力齒軌機(jī)車，制動通常包括電制動及機(jī)械制動兩部分，其中機(jī)械制動又包括黏著制動(盤形制動及踏面制動)和非黏著制動(齒軌車輛上常見的棘爪帶式制動器及部分車輛加裝的磁軌制動器)[12]。

棘爪帶式制動器是僅用于齒軌車輛的一種制動器，屬于非黏著制動，其原理如圖7所示。在車輛上坡時(shí)，棘爪制動器通過棘爪鎖機(jī)構(gòu)空轉(zhuǎn)并防止列車向后滾動。 在車輛下坡過程中，棘爪釋放，棘爪制動器可以隨時(shí)當(dāng)作普通制動器使用[13]。

圖7 棘爪制動器

2 各國齒軌鐵路應(yīng)用實(shí)例

2.1 美國華盛頓山齒軌鐵路(圖8、圖9)

華盛頓山齒軌鐵路是世界上第一條齒軌鐵路，由Sylvester Marsh設(shè)計(jì)，采用Marsh模式。在1868年正式載客，在1869年完成全線建設(shè)。鐵路全長4.8 km，平均坡度大于250‰，最大坡度為370‰。線路全線建立在支架上，軌距為1 422 mm，目前運(yùn)營車輛由2輛蒸汽機(jī)車和6輛柴油機(jī)車組成。

圖8 華盛頓山齒軌鐵路

圖9 Marsh模式齒軌嚙合

2.2 瑞士皮拉圖斯齒軌鐵路(圖10)

平均坡度380‰，最大坡度480‰的皮拉圖斯鐵路是世界上坡度最大的齒軌鐵路，也是世界上唯一一條采用Locher模式的齒軌鐵路。由于一般的齒軌鐵路運(yùn)用限制坡度在250‰，無法滿足皮拉圖斯山的線路要求，故德國工程師Eduard Locher采取一對水平驅(qū)動齒輪的設(shè)計(jì)使爬坡能力大大提升。鐵路于1889年6月正式運(yùn)營，總長4 618 m，高差為1 635 m。每小時(shí)運(yùn)量為340人。線路在開通時(shí)采用蒸汽機(jī)車，在1937年完成了線路電氣化后使用電力牽引。

圖10 Locher模式齒軌嚙合

2.3 瑞士施尼格普拉特齒軌鐵路(圖11)

施尼格普拉特鐵路位于瑞士伯爾尼高地，是一條旅游線路，線路總長7.26 km，包含四站，沿途可以看到阿爾卑斯山及伯爾尼高原的景色。采用Riggenbach模式，軌距為800 mm窄軌，最小曲線半徑60 m，最大坡度為250‰，在1893年正式向公眾開放。該線路上運(yùn)行車輛包括一臺由1893年至今仍在使用的蒸汽機(jī)車以及數(shù)輛電力動車。

圖11 施尼格普拉特齒軌鐵路

2.4 奧地利施內(nèi)山齒軌鐵路(圖12)

施內(nèi)山齒軌鐵路是奧地利現(xiàn)在仍在運(yùn)營的3條齒軌鐵路之一，采用Abt模式。其他兩條是采用Riggenbach模式的阿亨湖齒軌鐵路和采用Abt模式的沙夫山齒軌鐵路。施內(nèi)山齒軌鐵路為奧地利最長的齒軌鐵路，長度9.7 km，最高海拔1 795 m，線路高度差1 218 m，最大坡度197‰。鐵路自1897開始運(yùn)營，在2010年替換了大部分原有的蒸汽機(jī)車，目前運(yùn)營車輛為兩輛蒸汽機(jī)車以及多輛內(nèi)燃電力動車。這條線路起初是作為一條旅游線路，但在2006年后這條線路除了載客車輛以外也包含貨運(yùn)車輛。

圖12 施內(nèi)山齒軌鐵路

2.5 德國斯圖加特齒軌鐵路(圖13)

斯圖加特齒軌鐵路于1884年開放，是德國僅有的仍使用齒軌模式的4條鐵路之一[14]。該線路在斯圖加特市中心，區(qū)別于大多數(shù)齒軌線路該線路并不是一條旅游線路。由于是在市中心運(yùn)行，故輪軌及齒軌均低于路面，并設(shè)有專用車道。采用Riggenbach模式，軌距1 000 mm，線路最大坡度200‰。車輛由早期的蒸汽機(jī)車逐步被替換為有軌電車，車輛特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向架上驅(qū)動齒輪位置較高，可以僅靠黏著力前進(jìn)，車輛也可在普通米軌鐵路上運(yùn)行。

圖13 斯圖加特齒軌鐵路

2.6 英國斯諾登山齒軌鐵路(圖14、圖15)

斯諾登山齒軌鐵路位于威爾士西北部，是一條旅游鐵路，也是英國唯一的一條齒軌鐵路，每年客運(yùn)量超過13萬人次。鐵路于1896年開通，采用Abt模式，軌距800 mm，線路全長7.5 km。線路目前由4輛蒸汽機(jī)車和4輛內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)營。由于該線路曾經(jīng)發(fā)生過脫軌事故，為了增加列車運(yùn)行安全性，在線路大部分區(qū)域的齒軌兩側(cè)設(shè)置了類似走行軌的防護(hù)軌，這是唯一采取防護(hù)軌的Abt模式齒軌鐵路。

圖14 斯諾登山齒軌鐵路防護(hù)軌

圖15 斯諾登山齒軌鐵路

2.7 法國蒙特維爾齒軌鐵路(圖16)

蒙特維爾齒軌鐵路位于法國東部著名的旅游城市霞慕尼，在1909完成全線建設(shè)并投入運(yùn)營，僅在1909年5月29日開放到當(dāng)年的10月15日就運(yùn)送了47 480名乘客，在當(dāng)時(shí)取得巨大成功。為了提高運(yùn)量，線路在1953年安裝了接觸網(wǎng)并在隨后添置了柴油和電力動車。線路全長5.1 km，采用Strub模式，軌距為1 000 mm，最大坡度達(dá)到220‰，線路高度差871 m。2009年有超過80萬的游客乘坐此線路齒軌列車。

圖16 蒙特維爾齒軌鐵路

2.8 法國里昂地鐵C線(圖17)

里昂地鐵C線是世界上唯一一條應(yīng)用齒軌車輛的地鐵線路，該線路于1891年開通，本來是一條纜索鐵路。在1974年經(jīng)過地鐵改造，由于線路最大坡度達(dá)到175‰，即使采用膠輪地鐵也無法在這樣的線路通行，故采用齒軌形式。線路長2.4 km，采用Lamella模式，運(yùn)營車輛為5輛編組為M-M的電力齒軌車輛，載客量為252人。由于齒軌線路的原因，電力齒軌車輛采用接觸網(wǎng)而不是第三軌方式供電[15]。

圖17 里昂齒軌地鐵

2.9 澳大利亞科修斯克國家公園齒軌鐵路(圖18)

科修斯克( Kosciuszko)國家公園位于澳大利亞新南威爾士州，為方便滑雪者在1984年開始建設(shè)齒軌鐵路，線路在1988年開通，線長8.5 km，齒軌模式為Lamella，采用標(biāo)準(zhǔn)軌，最大傾斜度125‰，是一條環(huán)線鐵路[16]。相對于其他齒軌鐵路，該線路運(yùn)量較大，每小時(shí)運(yùn)量最大達(dá)到4 500人。

圖18 科修斯克國家公園齒軌鐵路

2.10 澳大利亞西海岸荒野鐵路(圖19)

西海岸荒野齒軌鐵路開通于1897年，本屬于當(dāng)?shù)氐牡V業(yè)公司，在當(dāng)時(shí)從皇后鎮(zhèn)銅礦到斯特拉恩港的唯一線路[17]。由于維護(hù)成本增加，鐵路在1963年停止運(yùn)營，但在2003年該線路被作為旅游景點(diǎn)而重新開放。線路長34.5 km，采用Abt模式，軌距1 067 mm，線路最大坡度67‰。運(yùn)行車輛包括3輛原有的礦業(yè)公司的蒸汽機(jī)車及2002年新投入的2輛內(nèi)燃機(jī)車。

圖19 西海岸荒野鐵路

2.11 日本井川線鐵路(圖20)

日本井川線全長25.5 km，其中包括1.5 km的齒軌路段。井川線始建于1935年，原來屬于井川電氣公司內(nèi)部專用線。在1990年擴(kuò)建了位于長島壩附近的最大坡度90‰的齒軌線路。井川線采用Abt模式，軌距1 067 mm，供電采用1 500 V直流電。車輛根據(jù)不同時(shí)間旅客人數(shù)采取2節(jié)至8節(jié)車編組。

圖20 井川線鐵路

2.12 巴拿馬運(yùn)河齒軌機(jī)車(圖21)

齒軌機(jī)車除了用作旅游或運(yùn)輸線路外，也可以作為牽引工具。在巴拿馬運(yùn)河船閘處，被稱作“騾子”的齒軌機(jī)車起到牽拉及導(dǎo)向的作用，使大型船舶可以安全通過。軌道為Riggenbach模式，最大坡度可以達(dá)到500‰。牽引船舶時(shí)最多可以用到8輛齒軌機(jī)車，船舶的前方及后方的兩側(cè)各布置2輛。

圖21 巴拿馬運(yùn)河齒軌機(jī)車

3 齒軌鐵路發(fā)展歷程及我國發(fā)展前景

3.1 齒軌鐵路發(fā)展歷程

齒軌鐵路的發(fā)展過程可以概括為發(fā)展—停滯—再發(fā)展三個(gè)階段。第一階段指從齒軌鐵路出現(xiàn)到20世紀(jì)初，因?yàn)辇X軌鐵路在有坡度的地段具有不可替代的優(yōu)勢而在這個(gè)階段脫穎而出；第二階段指20世紀(jì)中期，這一階段由于技術(shù)革新，部分原來建在坡度較小地段的齒軌鐵路被擁有較大牽引力且速度更快運(yùn)量更大的內(nèi)燃機(jī)車及電力機(jī)車所替代，另一方面由于兩次世界大戰(zhàn)導(dǎo)致許多齒軌鐵路停止運(yùn)營或被改造，這期間新建的齒軌鐵路數(shù)量也較少；第三階段是20世紀(jì)末期至今，在這一階段世界各地因齒軌鐵路作為山區(qū)旅游線路獨(dú)到的優(yōu)勢而新建或重新開放了許多齒軌鐵路。到現(xiàn)今為止齒軌鐵路已經(jīng)具備了150多年的歷史，從早期的蒸汽機(jī)車到現(xiàn)在主流的電力機(jī)車，齒軌鐵路及車輛已經(jīng)具有了足夠的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。

3.2 齒軌鐵路國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《山地(齒軌)軌道交通技術(shù)規(guī)范》于2018年12月起草，目前已正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)對山地齒軌鐵路各方面進(jìn)行了要求。該標(biāo)準(zhǔn)適用于新建的1 000 mm軌距齒軌，相應(yīng)的車輛容量也較小，但由于米軌本身不能與普通鐵路接軌，車輛無法通用。故未來還應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂增加普通軌距齒軌相關(guān)內(nèi)容。在國內(nèi)具有建設(shè)1 000 mm齒軌線路經(jīng)驗(yàn)后，可在客流量大及靠近其他鐵路的區(qū)域建設(shè)普通軌距齒軌。在該標(biāo)準(zhǔn)中，建議齒軌形式主要為Strub模式和Locher模式[18]。但實(shí)際上由于Locher模式只在皮拉圖斯鐵路上使用，不具備普適性，且造價(jià)相比其他齒軌形式要高很多，故不建議新建線路采用Locher模式齒軌，未來建設(shè)齒軌鐵路時(shí)應(yīng)主要采用普遍使用的Strub模式齒軌。

3.3 齒軌鐵路國內(nèi)發(fā)展前景

齒軌鐵路安全性好，建設(shè)成本低，十分適宜作為山區(qū)或旅游景區(qū)的觀光線路。特別是在近年來國內(nèi)環(huán)保要求更加嚴(yán)格的大環(huán)境下，在同樣的爬高條件下，齒軌鐵路較普通鐵線路路長度大大減少，這對旅游景區(qū)及環(huán)保要求高的地區(qū)的環(huán)境影響較小，對沿線植被及地質(zhì)環(huán)境能起到有效的保護(hù)作用[19]。我國不同地域環(huán)境差別較大，故在建設(shè)齒軌鐵路之前應(yīng)該詳細(xì)論證對應(yīng)的地質(zhì)及氣候等條件[20]。另一方面，國產(chǎn)齒軌車輛研發(fā)設(shè)計(jì)人員在參考借鑒其他國家現(xiàn)有的齒軌車輛同時(shí)，應(yīng)考慮將現(xiàn)代化的軌道交通設(shè)備及技術(shù)應(yīng)用在新式齒軌車輛上。在國內(nèi)成熟的軌道交通環(huán)境下齒軌鐵路不日將投入實(shí)際運(yùn)營。

4 結(jié)語

本文對齒軌鐵路的歷史及發(fā)展、車輛相關(guān)技術(shù)及部分國外典型齒軌線路進(jìn)行介紹，并對國內(nèi)齒軌鐵路的建設(shè)提出建議。齒軌鐵路作為觀光旅游線路早已在歐洲等地得到廣泛運(yùn)用，可以充分滿足乘客山地旅游的需要，成本較為經(jīng)濟(jì)，并且不會對環(huán)境造成較大破壞。國內(nèi)眾多的山區(qū)及景區(qū)具有建設(shè)齒軌鐵路的環(huán)境條件，齒軌鐵路也因其優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)具有較大的發(fā)展?jié)摿?。未來齒軌鐵路將會成為國內(nèi)建設(shè)山地觀光線路的主要選擇之一。