齒軌車輛在山地旅游軌道交通中的應(yīng)用分析

張卓杰 李 梁 馬喜成 劉亞寧

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心 湖南 株洲 412001)

0 引言

旅游已成為當(dāng)代人衡量生活品質(zhì)的一大重要指標(biāo)，為了給游客提供便捷的服務(wù)和優(yōu)質(zhì)的旅游體驗(yàn)，國內(nèi)部分景區(qū)開始采用軌道車輛承擔(dān)旅游觀光運(yùn)輸工作，但受限于輪軌黏著不足問題，通常無法滿足超大坡道的運(yùn)行需求。在地勢陡峻，相對(duì)高度差較大的山地旅游景區(qū)仍多使用大巴或纜車進(jìn)行游客的往返運(yùn)輸，其舒適性和安全性往往難以保證，嚴(yán)重制約了國內(nèi)山地旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

齒軌車作為一種環(huán)境適應(yīng)能力極強(qiáng)的特種旅游軌道交通制式，在國內(nèi)旅游軌道交通中的運(yùn)用仍是空白，本文旨在探討齒軌車輛的發(fā)展歷程、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景，為我國山地旅游交通制式選型提供更多參考。

1 齒軌車輛的技術(shù)發(fā)展

1.1 技術(shù)起源

1812年，John Blenkinsop等人為英國北部的米德爾頓礦山設(shè)計(jì)制造了一款名為 “Salamanca”號(hào)的蒸汽機(jī)車[1]，如圖1所示。因擔(dān)心輪軌間的摩擦力不足以推動(dòng)機(jī)車運(yùn)動(dòng)，故在機(jī)車上增加了嵌齒輪，并在軌旁設(shè)計(jì)了與之嚙合的齒條，以提高車輛牽引力?！癝alamanca”因此成為人類歷史上最早的齒輪鐵軌機(jī)車。

圖1 “Salamanca ”號(hào)機(jī)車模型

1.2 技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

“Salamanca”號(hào)發(fā)明后的很長一段時(shí)間，齒軌車的運(yùn)用都僅限于礦山運(yùn)輸，直到1869年，美國人在新罕布什爾州華盛頓山修建了世界第一條載客登山齒軌鐵路，線路全長5.2 km，軌距1 422 mm，最大坡度37.4‰。20世紀(jì)，隨著發(fā)達(dá)國家山地旅游業(yè)的發(fā)展，客運(yùn)齒軌迎來了大發(fā)展，瑞士、日本等全球20多個(gè)國家建成通車齒軌鐵路180余條，總里程超過3 000 km，其中瑞士是齒軌運(yùn)營數(shù)量最多、里程最長的國家。國外主要齒軌車輛如表1所示[2]。

表1 國外主要齒軌車輛

2 齒軌鐵路的特點(diǎn)

2.1 齒輪齒條

齒軌技術(shù)發(fā)展至今，先后出現(xiàn)了多種齒輪和齒條配合模式，其中以Riggenbach、Abt、Strub、Locher系統(tǒng)最具代表性[3]，如圖2所示。

圖2 典型齒輪系統(tǒng)

Riggenbach、Strub、Abt采用豎齒輪形式，最大爬坡能力為250‰。其中Riggenbach和Strub系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架采用單驅(qū)動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)，而Abt由2～3個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪組成；Locher系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架有2個(gè)水平齒輪，可適應(yīng)480‰坡度。以上典型齒軌系統(tǒng)的具體特點(diǎn)如表2所示[4]。

表2 典型齒軌系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.2 道岔

齒軌鐵路軌道轉(zhuǎn)換與傳統(tǒng)鐵路大體相同，由于多了一根齒條，需設(shè)置與齒條軌道相匹配的軌道轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。齒條軌道換軌方法有以下3種[5]，如圖3所示。

圖3 齒軌道岔方案

(1)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿槽方案：與普通鐵軌道岔基本相同，只需在齒條上額外安裝轉(zhuǎn)轍機(jī)來實(shí)現(xiàn)齒條的換道功能。該方法設(shè)計(jì)簡單，對(duì)道岔結(jié)構(gòu)影響極小，但在換道后齒條和軌道存在間隙，不適合在大坡道采用該方法。

(2)翻轉(zhuǎn)尖軌方案：利用軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)原理實(shí)現(xiàn)軌道變換，尖軌和齒條繞鐵軌中心線旋轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)換方向，多用于 Y 形對(duì)稱道岔，不適用于普通單開道岔；該種換道方式需調(diào)整道岔結(jié)構(gòu)并設(shè)置專用翻轉(zhuǎn)設(shè)備，對(duì)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)精度和軌道下方結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求很高。

(3)雙輪軌和齒條同時(shí)轉(zhuǎn)換方案：軌尖和齒軌在轉(zhuǎn)轍機(jī)的作用下被同時(shí)拉動(dòng)平移，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)額定轉(zhuǎn)換力要求高，動(dòng)作桿動(dòng)程大、時(shí)間長，對(duì)基礎(chǔ)工程沉降、結(jié)構(gòu)精度要求高。

2.3 齒軌車輛

2.3.1走行方式

與常規(guī)機(jī)車相比，齒軌車轉(zhuǎn)向架多了1個(gè)或多個(gè)齒輪，鐵軌上相應(yīng)設(shè)置了1條或多條齒條軌道。黏著路段，齒軌車走行方式與傳統(tǒng)輪軌一致，通過黏著輪與軌道的相互作用實(shí)現(xiàn)走行；進(jìn)入齒軌段，齒軌輪在自由狀態(tài)下通過與入齒裝置的配合，讓車輛齒輪與軌道齒條進(jìn)行嚙合，待車輛的齒軌輪完全入齒軌后，依靠驅(qū)動(dòng)齒輪與地面上的齒條相互嚙合作用提供車輛牽引動(dòng)力和制動(dòng)力，如圖4所示。

圖4 齒軌車輪走行示意圖

2.3.2驅(qū)動(dòng)形式

齒軌車分為單齒軌驅(qū)動(dòng)和雙驅(qū)動(dòng)2種形式。單齒軌驅(qū)動(dòng)即車輛牽引力全部來源于齒軌驅(qū)動(dòng)力，輪軌起輔助作用，無動(dòng)力輸出，最高時(shí)速小于30 km/h；雙驅(qū)動(dòng)形式就是列車同時(shí)有齒軌和輪軌兩種驅(qū)動(dòng)方式，平直或小坡道采用輪軌驅(qū)動(dòng)方式，大坡道轉(zhuǎn)換為齒軌驅(qū)動(dòng)方式，最高運(yùn)行速度60～120 km/h，雙驅(qū)動(dòng)形式具有良好的線路兼容性，可提高車輛的運(yùn)輸效率。

(1)單齒軌驅(qū)動(dòng)形式

瑞士少女峰齒軌車(WAB)為典型單齒軌驅(qū)動(dòng)列車，由3輛全低地板動(dòng)車組成，主要參數(shù)如表3所示。配置4個(gè)齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，軸式為1A ′1 A′ 1A′1 A′，每個(gè)轉(zhuǎn)向架僅1根軸上安裝齒輪和驅(qū)動(dòng)裝置，無黏著輪驅(qū)動(dòng)裝置。列車全路段采用齒軌驅(qū)動(dòng)，最大速度為28 km/h。圖5為車輛編組圖。

圖5 WAB車輛編組

表3 車輛主要參數(shù)

(2)齒軌和輪軌雙驅(qū)動(dòng)形式

以希臘Diakofto齒軌車為例，采用1動(dòng)2拖3輛編組設(shè)計(jì)，主要參數(shù)如表3所示。配置齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、黏著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，車輛采用輪軌和齒軌雙驅(qū)動(dòng)形式。

黏著線路運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架軸式為2′B+2′2′+B′2′，即列車兩端頭車各配置1個(gè)帶動(dòng)力的黏著轉(zhuǎn)向架，牽引列車運(yùn)行, 其余轉(zhuǎn)向架不施加牽引力，該路段車輛最高速度60 km/h；在齒軌線路運(yùn)行時(shí)，軸式變?yōu)?2′2′+1A′1A′+2′2′，即中間車配置2個(gè)齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，但齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上僅1根軸上安裝有齒輪和驅(qū)動(dòng)裝置，走行時(shí)僅依靠齒軌輪提供牽引力，最大坡度為152‰。車輛編組圖如圖6所示。

圖6 Diakofto車輛編組

2.4 優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1優(yōu)點(diǎn)

(1)爬坡能力強(qiáng)

齒軌車因其獨(dú)特的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，具有超強(qiáng)線路適應(yīng)能力。齒輪與齒條嚙合走行，解決了輪軌黏著力不夠的問題，最大爬坡達(dá)480‰，這是其他公路和軌道交通所無法比擬的，齒軌車輛是超大坡度線路的最佳選擇。

(2)過曲線能力強(qiáng)

多數(shù)齒軌采用窄軌，其轉(zhuǎn)向架軸距較小，因而齒軌列車大多具有良好的過曲線能力，最小平面曲線半徑為50 m 甚至更小，大大減少了軌道線路規(guī)劃的難度，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)與景觀打造。

(3)運(yùn)營效率高

黏著路段可采用輪軌走行，最高運(yùn)行速度可達(dá)120 km/h，大大減少了發(fā)車間隔時(shí)間，提升了車輛的運(yùn)營效率，而同類型公路和軌道交通最高運(yùn)行速度通常不高于80 km/h。

(4)可與傳統(tǒng)輪軌鐵路“無縫對(duì)接”

由前文可知，齒軌車輛可通過入齒裝置在黏著線路和齒軌線路間切換，不需要全線鋪設(shè)齒條，可合理地選擇大坡道路段設(shè)置齒條，節(jié)約建設(shè)成本；在統(tǒng)一軌距、供電制式、信號(hào)等主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，可與既有支線鐵路貫通運(yùn)行[2]，在滿足游客快速通達(dá)的基礎(chǔ)上兼顧支線接駁載客和貨運(yùn)能力。

2.4.2缺點(diǎn)

(1)振動(dòng)噪聲大

齒軌列車高速運(yùn)行時(shí)，因齒輪齒條的傳動(dòng)特性，齒輪嚙合時(shí)的沖擊力和噪聲相比于傳統(tǒng)膠輪和輪軌車輛大，造成齒輪齒條磨損加快和乘客的不舒適感。

(2)后期維護(hù)費(fèi)用較高

根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，齒輪壽命為傳統(tǒng)鋼輪的1/3～1/2，增加了用戶的維護(hù)成本[4]；此外，齒軌較輪軌增加了齒輪驅(qū)動(dòng)裝置、入齒裝置、齒軌道岔等復(fù)雜設(shè)備，亦會(huì)增加維護(hù)難度和費(fèi)用。

3 山地旅游軌道交通選型分析

目前國內(nèi)外的旅游交通運(yùn)載工具主要有常規(guī)輪軌、單軌等，表4列出了齒軌車與國內(nèi)外主要旅游交通制式的技術(shù)特征對(duì)比，對(duì)其在山地旅游軌道交通中的運(yùn)用進(jìn)行了分析。

表4 主要旅游交通制式的對(duì)比

由表4可知：

(1)常規(guī)輪軌車輛經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性較好，但線路適應(yīng)能力差，不適合作為山地旅游軌道交通，建議在地勢平坦的景區(qū)使用。

(2)單軌和磁浮線路適應(yīng)能力一般，建設(shè)和維護(hù)成本較高。此外單軌還會(huì)帶來一定的環(huán)境污染，二者可作為城市干線或局部交通線與景區(qū)、游樂場、機(jī)場等場所的接駁線。

(3) 纜索和巴士有較強(qiáng)的線路適應(yīng)性，但其受氣候環(huán)境影響程度大，安全性不高，風(fēng)雨或冰雪天氣無法正常運(yùn)行，建議在氣候環(huán)境相對(duì)溫和，海拔較低的山區(qū)使用。

(4)齒軌車雖有一定的噪聲污染，但隨新型防振降噪技術(shù)的運(yùn)用，齒軌車振動(dòng)噪聲已經(jīng)大有改觀。齒軌的技術(shù)性能可以很好地適應(yīng)大坡道、多彎道線路，在山地區(qū)域運(yùn)行具有獨(dú)特的優(yōu)勢,雖然前期投入較大，但其帶來的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

4 應(yīng)用前景分析

由前文可知，傳統(tǒng)輪軌、單軌、磁浮等軌道交通車輛的技術(shù)性能不適合在山地旅游軌道交通中運(yùn)用，而纜索、巴士等傳統(tǒng)制式因其安全性及與環(huán)境適應(yīng)性較差的原因，嚴(yán)重制約了山地旅游業(yè)的發(fā)展。作為一種專為克服爬坡黏著力不足而設(shè)計(jì)的軌道車輛，齒軌技術(shù)在國外山地旅游運(yùn)用已逾百年，而其在國內(nèi)的運(yùn)用僅限于采礦領(lǐng)域，在山地旅游觀光領(lǐng)域尚屬空白，一些旅游愛好者需要遠(yuǎn)赴歐洲、日本等地體驗(yàn)。近年，國內(nèi)多個(gè)地區(qū)的旅游開發(fā)機(jī)構(gòu)意識(shí)到該市場空白，包括四姑娘山、七星山在內(nèi)的多個(gè)知名景區(qū)均在規(guī)劃建設(shè)旅游觀光齒軌線路，欲將齒軌交通與當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)相結(jié)合，打造具有特色的旅游項(xiàng)目，在解決景區(qū)交通問題的同時(shí)，又能開發(fā)增值旅游項(xiàng)目。

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，市民對(duì)旅游需求的個(gè)性化需求愈來愈多，齒軌山地旅游觀光鐵路作為一種新興的旅游形式，其環(huán)境適應(yīng)性、舒適性和安全性等相比于纜車和巴士更能被大眾所接受，國內(nèi)山地旅游市場對(duì)于齒軌旅游車的需求潛力巨大，發(fā)展前景遼闊；同時(shí)，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展，未來中國智造將會(huì)有更多產(chǎn)品和技術(shù)的輸出國際市場，國際市場對(duì)齒軌交通車輛的需求更是不容小覷，齒軌旅游車輛的未來發(fā)展空間相當(dāng)巨大。