山地齒軌鐵路發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)應(yīng)用前景研究

潘相楠，唐 嵐，寇峻瑜，林世金

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都 610039； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 齒軌鐵路概述

機(jī)車在經(jīng)行坡道區(qū)域時，通常需要更大的牽引力及制動力。為解決機(jī)車山區(qū)運(yùn)行困難的問題，人們進(jìn)行了各種嘗試，如纜索鐵路、直線電機(jī)車及磁懸浮車輛等[1-2]。而山地齒軌是一種特殊鐵路，與普通鐵路相比，齒軌鐵路在軌道中間鋪設(shè)有一條特殊的齒條，相應(yīng)地運(yùn)行于齒軌鐵路上的機(jī)車或動車轉(zhuǎn)向架配備有一個或多個齒輪與軌道間的特殊齒條緊密嚙合在一起[3-5]。傳統(tǒng)的鐵路僅依靠摩擦來實現(xiàn)機(jī)車行進(jìn)，而齒軌機(jī)車在爬坡時能借助齒輪咬合的力量穩(wěn)步行進(jìn)，使得列車能在200‰以上的大坡度上安全地行駛，具備良好的可靠性及安全性[6]。此外，齒輪齒條的增加為機(jī)車提供了額外制動方式，并減少冰雪對軌道的影響。

2 國內(nèi)外齒軌鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外齒軌鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

國外已建成的齒軌鐵路達(dá)180條，在用較成熟的齒軌系統(tǒng)有Abt、Riggenbach、Strub、Locher和Von Roll系統(tǒng)等，總里程超3 000 km，分布于瑞士、法國、德國、日本和澳大利亞等國[7-9]。瑞士是齒軌鐵路技術(shù)最成熟、應(yīng)用經(jīng)驗最多的國家，其齒軌鐵路的數(shù)量和總里程均占到世界總數(shù)的一半以上。近年來，國外新建或改建的齒軌鐵路與普通鐵路混合在一起，實現(xiàn)了通勤運(yùn)輸與旅游觀光的結(jié)合。

2.2 國內(nèi)齒軌鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

因齒軌鐵路對技術(shù)的高要求及高昂的建造成本，國內(nèi)還沒有應(yīng)用于旅游觀光的齒軌鐵路線。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，適用于山區(qū)觀光旅游線路的齒軌列車需求日益增加，加之我國采煤機(jī)礦井運(yùn)輸技術(shù)逐步走向成熟，并構(gòu)建一定的海外市場，為齒軌列車的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，我國都江堰、九寨溝、張家界等地已計劃修建齒軌鐵路[10-11]。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目。四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《山地(齒軌)軌道交通技術(shù)規(guī)范》已于2019年正式發(fā)布，相信國內(nèi)首條景區(qū)齒軌鐵路將會很快出現(xiàn)在人們面前。

3 齒軌系統(tǒng)類別

3.1 Blenkinsop齒軌系統(tǒng)

Blenkinsop齒軌系統(tǒng)早在1812年由John Blenkinsop應(yīng)用于米德爾頓鐵路。機(jī)車左側(cè)有一個20齒、直徑3英尺的齒輪，與軌道外側(cè)的齒條相嚙合(圖1)。該系統(tǒng)在米德爾頓鐵路上使用了25年之久，是齒軌鐵路的首次應(yīng)用。

圖1 Blenkinsop齒軌系統(tǒng)Fig.1 Blenkinsop rack rail system

3.2 Marsh齒軌系統(tǒng)

Marsh齒軌系統(tǒng)首次應(yīng)用于美國第一條齒軌鐵路——美國華盛頓山齒軌鐵路[12]。該系統(tǒng)由Sylvester Marsh于1861年和1867年分別獲得美國設(shè)計與實用專利授權(quán)。它的軌道結(jié)構(gòu)(圖2)是由一對角剛對稱布置，中間間隔有鉚接的圓柱銷，并固定在路基上。機(jī)車上的小齒輪有很深的齒，確保了始終至少有兩個齒與齒條嚙合，這一措施有助于減小齒輪跳動的可能性，故其結(jié)構(gòu)簡單可靠。

圖2 Marsh齒軌系統(tǒng)Fig.2 Marsh rack rail system

3.3 Riggenbach齒軌系統(tǒng)

Riggenbach齒軌系統(tǒng)于1871年首次運(yùn)用于歐洲第一條齒軌鐵路——瑞吉山齒軌鐵路，而后在齒軌鐵路中得到了大量的應(yīng)用，如德國楚格峰鐵路、瑞士黃金線等[13-14]。該系統(tǒng)由Niklaus Riggenbach于1863年獲得法國專利。其齒軌結(jié)構(gòu)(圖3)是由若干梯形單齒沿線路方向鉚接在兩側(cè)槽型鋼板或槽鋼上，并由L型角鋼固定在軌枕上，其加工精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但制作稍顯復(fù)雜，成本更高。

圖3 Riggenbach齒軌系統(tǒng)Fig.3 Riggenbach rack rail system

3.4 Abt齒軌系統(tǒng)

Abt齒軌系統(tǒng)是Riggenbach的改良，由瑞士工程師Carl RomanAbt于1882年設(shè)計。其軌道是垂直的鋼板，上面用機(jī)器銑割上準(zhǔn)確的齒坑，機(jī)車上配有相應(yīng)結(jié)構(gòu)交錯布置并合為一體的數(shù)量相應(yīng)的齒輪(圖4)，以確保至少有一個齒輪是嚙合上的。該結(jié)構(gòu)齒輪嚙合的重合系數(shù)高，與其他齒軌系統(tǒng)相比，可更平滑實現(xiàn)嚙合，運(yùn)行沖擊小，運(yùn)用較多。瑞士的冰川快線和日本的大井川鐵路就是采用的Abt齒軌系統(tǒng)。

圖4 Abt齒軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Abt rack rail structure

3.5 Strub齒軌系統(tǒng)

Strub齒軌系統(tǒng)應(yīng)用于著名的瑞士少女峰鐵路，該系統(tǒng)由Emil Strub于1896年所發(fā)明，其結(jié)構(gòu)與Abt相似(圖5)，采用了一根帶齒條的滾壓平底導(dǎo)軌，齒條齒分別加工在約3.9英寸的頭部，頂部是平的，底部形狀類似普通鋼軌，并由兩側(cè)角剛壓裝于軌枕上。安裝在機(jī)車上的安全鉗與車頭下側(cè)嚙合，以防止脫軌[15]。strub是維護(hù)最簡單的齒軌系統(tǒng)，并且已變得越來越流行。

圖5 Strub齒軌結(jié)構(gòu)Fig.5 Strub rack rail structure

3.6 Locher齒軌系統(tǒng)

Locher齒軌系統(tǒng)成功應(yīng)用于世界最陡峭的皮拉特斯山，也是唯一仍在使用該系統(tǒng)的齒軌鐵路[16]。它的齒軌結(jié)構(gòu)(圖6)最為特別，齒形銑割在鋼軌的兩旁而不是上方，機(jī)車車輛下部由一對水平布置的齒輪同時在左右兩側(cè)嚙合齒軌。這種系統(tǒng)提供了非常穩(wěn)定的軌道連接，也保護(hù)機(jī)車即使在最嚴(yán)重的側(cè)向風(fēng)下也不會翻倒，特別適合攀爬陡峭的斜坡。但由于結(jié)構(gòu)限制，該系統(tǒng)道岔地段不能使用標(biāo)準(zhǔn)的鐵路道岔。

圖6 Locher齒軌結(jié)構(gòu)Fig.6 Locher rack rail structure

3.7 Morgan齒軌系統(tǒng)

Morgan齒軌系統(tǒng)曾用于芝加哥的礦山鐵路，該系統(tǒng)由Edmund C.Morgan于1900年發(fā)明。它的齒軌結(jié)構(gòu)(圖7)與Riggenbach系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較類似，特點(diǎn)是在中間的條形軌道中央每隔一定距離沖方孔用于和機(jī)車上的齒輪嚙合，其條形軌道還可作為電力機(jī)車的第三根軌道。

圖7 Morgan齒軌結(jié)構(gòu)Fig.7 Morgan rack rail structure

3.8 Von Roll齒軌系統(tǒng)

Von Roll系統(tǒng)(也稱Lamella)在20世紀(jì)40年代根據(jù)Strub系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計而來(圖8)。齒軌一般采用扁鋼制，其承受力的大小寬度在30～80 mm，可連續(xù)焊接，主要特點(diǎn)是安裝方便，制造成本低。從20世紀(jì)后期開始建造的大部分齒軌鐵路都使用Von Roll系統(tǒng)，由于VonRoll、Strub、Riggenbach三種齒軌系統(tǒng)的齒形基本相同，故設(shè)計用于Riggenbach或Strub系統(tǒng)的機(jī)車也可在VonRoll系統(tǒng)齒軌上使用，如瑞士的圣加侖蓋斯鐵路有著VonRoll、Strub、Riggenbach三種齒軌段。

圖8 Von Roll齒軌結(jié)構(gòu)Fig.8 Von Roll rack rail structure

4 齒軌鐵路在國內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用前景

齒軌鐵路十分適宜作為山區(qū)或旅游景區(qū)的觀光線路，也可作為礦井內(nèi)運(yùn)輸線路[17-18]，如湖南省張家界，四川省峨眉山、青城山、九寨溝等我國5A級山地森林景區(qū)尤為適宜。張家界地層復(fù)雜多樣，山地、丘陵、巖溶、崗地等縱橫交錯，山地面積占據(jù)總面積的76%，且坐擁世界罕見的石英砂巖峰林地貌。四川處于第一級青藏高原和第二級長江中下游平原的過渡帶，地貌復(fù)雜，以山地為主。素有“天下名山”之稱的峨眉山地處四川盆地西南邊緣，地勢陡峭，風(fēng)景秀麗。而與之齊名的“青城天下幽”的青城山有“三十六峰、八大洞、七十二小洞、一百零八景”之說，諸峰環(huán)繞狀如城廓。再有中國第一個以保護(hù)自然風(fēng)景為主要目的的自然保護(hù)區(qū)——九寨溝，飛珠濺玉的瀑群，古穆幽深的林莽，連綿起伏的雪峰造就了其多種多樣的地貌。在這樣的環(huán)境下，齒軌鐵路較普通旅游路線長度大大縮減，建設(shè)成本低，游客觀光性好，安全可靠性高，并對沿線植被及地質(zhì)環(huán)境起到有效的保護(hù)作用，國內(nèi)應(yīng)用潛力巨大。

4.2 齒軌系統(tǒng)

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[19]。該標(biāo)準(zhǔn)對山地齒軌鐵路各方面進(jìn)行了要求，其適用于新建的1 000 mm軌距齒軌，相應(yīng)的車輛容量也較小，但由于齒軌本身不能與普通鐵路接軌，車輛無法通用，因此還應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂完善，增加普通齒軌的相關(guān)內(nèi)容。在國內(nèi)具有建設(shè)1 000 mm齒軌線路經(jīng)驗后，便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。該標(biāo)準(zhǔn)中，建議齒軌形式主要為Strub模式和Locher模式，但實際上由于Locher模式只在皮拉圖斯鐵路上使用，不具備普適性，且造價相比其他齒軌形式要高很多，因此不建議新建線路采用Locher模式齒軌。未來考慮建設(shè)齒軌鐵路時，應(yīng)主要采用相對成熟且普遍使用的strub模式。

4.3 道岔結(jié)構(gòu)

道岔是一種使機(jī)車能夠從一條軌道引導(dǎo)到另一條軌道的機(jī)械裝置，齒軌道岔與齒軌系統(tǒng)同樣是多種多樣的。如果齒軌是起輔助作用的坡上裝置，通常在不需要齒軌的平坦區(qū)域軌道上設(shè)置傳統(tǒng)道岔，如西海岸荒野鐵路。在依靠機(jī)車齒輪驅(qū)動且常規(guī)軌道車輪為惰輪的系統(tǒng)上，必須通過齒軌道岔使齒輪齒條連續(xù)。Doudbahn道岔通過彎曲所有三條鋼軌進(jìn)行工作，每兩次列車交叉駛過時都需要進(jìn)行一次操作。trbské和Schynige Platte的 Strub齒軌系統(tǒng)取而代之的是一組復(fù)雜的移動點(diǎn)，這些移動點(diǎn)在橫向裝配道岔，同時清楚交叉方向的常規(guī)軌道。在其他一些齒軌系統(tǒng)中，例如Morgan系統(tǒng)，機(jī)車總是有多個傳動齒輪，只要中斷齒軌的距離短于傳動齒輪間的間隔，就可以通過中斷齒軌來簡化道岔[20]。再如Locher系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)使其很難使用正常的道岔，而是使用橫移器(圖9)，如皮拉圖斯鐵路、華盛頓山鐵路。橫移器包含兩個不同布局的軌道，通過橫移器的側(cè)向移動，可使中心齒軌軌道對齊，以便機(jī)車穿過道岔時繼續(xù)驅(qū)動前進(jìn)。

圖9 作道岔的雙軌橫移器Fig.9 Double track traverse device for turnout

4.4 關(guān)鍵參數(shù)

齒軌列車齒輪通過與齒條的嚙合提供行進(jìn)動力。齒軌結(jié)構(gòu)是齒軌列車的動力基礎(chǔ)，因此對于齒軌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的確定尤為重要。在初步確定結(jié)構(gòu)參數(shù)時，可將齒軌結(jié)構(gòu)簡化為齒輪齒條結(jié)構(gòu)，借鑒國外齒軌車輛關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的同時，結(jié)合國內(nèi)煤礦機(jī)車在齒軌方面的成功應(yīng)用經(jīng)驗，并根據(jù)國內(nèi)齒軌車輛以及線路參數(shù)，利用Ansys等有限元分析軟件開展齒軌結(jié)構(gòu)的受力分析及仿真計算，并基于齒軌服役狀態(tài)的要求，確定齒軌結(jié)構(gòu)形式及模數(shù)、壓力角、齒寬、頂隙系數(shù)、齒根系數(shù)與變位系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計值，以滿足國內(nèi)齒軌鐵路應(yīng)用技術(shù)條件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的選取。

圖10 齒輪齒條結(jié)構(gòu)Fig.10 Rack and pinion structure

5 結(jié)語

本研究對齒軌鐵路的概況及發(fā)展、齒軌鐵路系統(tǒng)模式進(jìn)行了介紹，并對國內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的關(guān)鍵項提出方法與建議，為國內(nèi)齒軌鐵路的研究與應(yīng)用提供參考。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，國內(nèi)眾多的山地景區(qū)具有建設(shè)齒軌鐵路的環(huán)境條件，齒軌鐵路也因其特點(diǎn)在國內(nèi)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。隨著山地齒軌鐵路技術(shù)的應(yīng)用研究，齒軌鐵路定會成為國內(nèi)建設(shè)山地觀光線路的主要選擇。