鐵路變軌距列車發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景研究

孫梅玉、曹玥、李明高、李蘇、熊純

(1.中車工業(yè)研究院有限公司技術(shù)研究部，北京 100073；2.國家開放大學中職教學部，北京 100039；3.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044)

0 引言

2013 年“一帶一路”合作倡議的提出，旨在推動我國同“一帶一路”共建國家貿(mào)易發(fā)展，加強對外合作[1]。鐵路運輸是支撐絲綢之路經(jīng)濟帶發(fā)展的重要交通運輸方式，并以其技術(shù)優(yōu)勢成為亞歐大陸橋上跨國聯(lián)運和地區(qū)間運輸方式的首選[2]。隨著中歐班列開行數(shù)量的快速增長，作為班列重要節(jié)點的口岸站的通行能力越發(fā)緊張，各國軌距標準的不統(tǒng)一阻礙了中國同周邊國家貨物流通效率的提高。為了應(yīng)對軌距差異帶來的限制，變軌距運輸技術(shù)勢在必行。

1 國際軌距及跨軌運輸方式

1.1 國際軌距情況

鐵路軌距是指鐵路線路鋼軌頭部頂面下16mm 范圍內(nèi)兩股鋼軌作用邊之間的最小距離[3]。全世界鐵路軌距有一百多種，從600mm 到1676mm 不等，我國除個別地區(qū)外，均采用1435mm 標準軌距，歐美大部分國家、土耳其、伊朗和朝鮮半島也采用標準軌距，芬蘭、俄羅斯等采用1520mm 寬軌，印度、阿根廷、西班牙、葡萄牙、智利、斯里蘭卡等多采用1676mm 寬軌，東南亞國家則多采用1000mm 窄軌[4]。

1.2 跨軌運輸方式

盡管多數(shù)國家采用的是標準軌距，但仍需克服軌距標準不統(tǒng)一帶來的運輸難題，目前中歐班列主要是通過更換車底或轉(zhuǎn)向架的方法解決運輸途中軌距改變的問題。國際常見跨軌運輸方式有四種，其特點與優(yōu)劣勢如表1 所示。

表1 國際常見跨軌運輸方式及其優(yōu)劣勢

對比四種跨軌運輸方式，更換車底僅適用于運量較小的跨境鐵路線，如中蒙邊境的二連站；更換轉(zhuǎn)向架和輪對耗費時間長，常用于國際旅客列車，如歐洲大陸與東歐間的鐵路聯(lián)運；采用第三線的投入成本過高，建設(shè)周期也較長，且在改建期間口岸站將無法使用，如2016 年修建的中蒙策克口岸的跨境鐵路；采用變軌距列車是現(xiàn)階段最優(yōu)的跨軌運輸方式，能充分適應(yīng)各種線路條件，是我國乃至世界范圍內(nèi)首選的跨軌運輸技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 鐵路變軌距列車發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外最早發(fā)展變軌距技術(shù)的國家是西班牙，生產(chǎn)有Talgo-RD 和CAF BRAVA 變軌距轉(zhuǎn)向架，皆采用了獨立旋轉(zhuǎn)的車輪，前者有自動鎖定輪對/解鎖裝置，后者的兩車輪是通過聯(lián)軸器耦合同步旋轉(zhuǎn)的[5-7]。Talgo 變軌距轉(zhuǎn)向架及地面變軌裝置如圖1 所示。

圖1 Talgo 變軌距轉(zhuǎn)向架以及地面變軌裝置

德國于1965 年開始研發(fā)貨車變軌距輪對，到20 世紀80 年代已經(jīng)形成了第五代的Rafil V 型變軌距輪對。基于貨運列車經(jīng)驗，Rafil V 變軌距轉(zhuǎn)向架逐漸被應(yīng)用于客運，并由整體式車輪改進為分體結(jié)構(gòu)，以適用于客運車型[8]。

波蘭的ZNTK Poznań 公司于20 世紀90 年代設(shè)計了軌距可變系統(tǒng)SUW2000，該系統(tǒng)只有拖車輪對，采用軸盤制動方式，軌距變化范圍為1435mm/1520mm、1435mm/1668mm、1435mm/1520mm/1668mm 等3 種，可用于貨車、客車、動車[9]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國鐵路由于統(tǒng)一采用標準軌距設(shè)計，因此對變軌距技術(shù)的研究至21 世紀初才啟動，我國最早的基于獨立旋轉(zhuǎn)輪對結(jié)構(gòu)的變軌距轉(zhuǎn)向架如圖2 所示。為了滿足“一帶一路”共建國家跨國互聯(lián)互通的聯(lián)運需求，2016 年10 月中國中車宣布啟動“時速400km 可變軌距高速列車”項目，以期實現(xiàn)在600～1676mm 不同軌距的鐵路上運營。首個目標市場是莫斯科至北京高速鐵路，其可為實現(xiàn)“一帶一路”共建國家的互聯(lián)互通提供技術(shù)支撐。

圖2 獨立旋轉(zhuǎn)車輪變軌距轉(zhuǎn)向架

“時速400km 可變軌距高速列車”項目將根據(jù)“一帶一路”共建國家不同的運用需求，按照統(tǒng)一的技術(shù)平臺、不同的技術(shù)路線研制具有產(chǎn)品平臺特征的時速400km 跨國聯(lián)運高速列車[10-12]。項目的參與單位中車長客股份公司、中車四方股份公司、中車唐山公司將分別研制一列動車組，以滿足不同的運營環(huán)境。中車長客股份公司研發(fā)的變軌距輪對軸箱，解鎖/鎖緊裝置分布在車輪的兩側(cè)，便于對輪對進行解鎖/鎖緊運動；中車四方股份公司研發(fā)的變軌距輪對軸箱，該變軌輪對的解鎖桿結(jié)構(gòu)安裝在車輪兩側(cè)的軸箱內(nèi)，可實現(xiàn)相對獨立運作；中車唐山公司研發(fā)的變軌距輪對軸箱，其鎖緊槽均布在輪對輪轂位置，輪對的解鎖和鎖緊可通過鎖緊塊轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。

3 鐵路變軌距列車發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景

3.1 鐵路變軌距列車發(fā)展趨勢

3.1.1 軌距適應(yīng)技術(shù)

目前我國的變軌距技術(shù)研究主要適用于1435mm/1520mm 軌距間的轉(zhuǎn)換，然而不同軌距對應(yīng)的輪對結(jié)構(gòu)體系、空間分布以及它們之間的輪對調(diào)整方法和裝置都存在一定差異。

因此，研究不同輪對位置、不同軌距下變軌距過渡段的結(jié)構(gòu)形式與通行方式，提出軌距適應(yīng)范圍更廣的輪對結(jié)構(gòu)模型，將為我國變軌距技術(shù)提供核心競爭力。

3.1.2 高速變軌技術(shù)

雖然目前列車可以通過地面輔助設(shè)施完成自動變軌過程，但在變軌時列車的通行速度受到很大限制（西班牙的Talgo RD 轉(zhuǎn)向架為不超過15km/h）。因此，總結(jié)影響變軌速度的主要因素，提高軌距變換裝置的靈活性，改進輪對以及地面輔助設(shè)施的結(jié)構(gòu)，擺脫鎖緊裝置對列車變軌時的速度限制，將是我國變軌距技術(shù)的突破點。

3.1.3 變軌性能驗證

變軌距技術(shù)的核心在于列車在軌道交接時輪對間距的改變，而軌距的自動轉(zhuǎn)換是通過地面輔助設(shè)施來實現(xiàn)的。當列車通過地面變軌裝置時，輪對解鎖裝置實現(xiàn)解鎖，車輪沿車軸方向移動，車輪內(nèi)側(cè)間距改變。輪距調(diào)整完成后，輪對鎖緊裝置完成輪對鎖緊，避免車輪的隨意移動。因此，輪對變軌過程的穩(wěn)定性、準確性與及時性對車輛行駛安全有重要影響。

目前，國外對于變軌距技術(shù)的研究重點在于轉(zhuǎn)向架及輪對的關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)，對投產(chǎn)前的綜合性能試驗及研究論證卻有所不足。未來，開發(fā)通用性良好的變軌輪對試驗臺對變軌性能進行綜合研究驗證，是我國變軌距技術(shù)研究的重點。

3.2 鐵路變軌距列車應(yīng)用前景

3.2.1 跨國班列

截至2022 年12 月底，中歐班列累計開行6.2 萬列，基本形成了對亞歐地區(qū)的全覆蓋，成為我國與“一帶一路”共建國家經(jīng)濟增長的重要載體。雖然中歐班列整體表現(xiàn)優(yōu)異，但軌距差異卻成了班列運量增長的瓶頸，這種壓力同時也轉(zhuǎn)嫁到了基礎(chǔ)設(shè)施配置上。若將變軌距轉(zhuǎn)向架應(yīng)用于跨國班列，能大范圍解決由于軌道差異帶來的困境，減少口岸站基礎(chǔ)設(shè)施飽和導(dǎo)致的班列擁堵或限行，從而大幅度提升班列的通行效率，減輕口岸站的壓力。

3.2.2 國際旅客聯(lián)運

參照國際上知名的東方快車、歐洲之星旅客列車的聯(lián)運模式，我國于1951 年開始陸續(xù)辦理鐵路國際旅客聯(lián)運服務(wù)，先后在中俄、中越、中蒙、中朝、中哈間開通了國際列車。

但由于聯(lián)運列車老舊，舒適度和開行速度都遠低于國內(nèi)旅客列車裝備水準；且由于各國軌距差異，聯(lián)運列車在跨境時必須在口岸站更換輪對，增加了運營成本與運輸時間，國際鐵路聯(lián)運市場競爭力較低。而高速變軌距列車的研發(fā)將極大程度地彌補現(xiàn)階段國際旅客聯(lián)運的不足，為“一帶一路”倡議背景下中歐國際鐵路運輸客運通道的構(gòu)建作出貢獻。

4 結(jié)語

在“一帶一路”倡議的促進下，鐵路運輸將大幅帶動周邊國家的經(jīng)濟增長，跨境鐵路上變軌距列車的普及應(yīng)用能極大地提升跨境互聯(lián)互通的效率，幫助鐵路吸引貨源與客流。國外對變軌距技術(shù)的研究為我國變軌距轉(zhuǎn)向架及輪對研究提供了很好的借鑒，對軌距適應(yīng)、高速變軌、性能驗證以及應(yīng)用前景等方面的研究都提供了新思路。變軌距列車的應(yīng)用還需要關(guān)注軌距的名義尺寸和限界尺寸、運用環(huán)境條件以及標準體系的構(gòu)建等細節(jié)問題，從而保障變軌距列車運行的安全性與穩(wěn)定性。同時，在繼承我國高鐵發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，保留運用成熟的結(jié)構(gòu)，降低列車制造成本，也將為我國變軌距技術(shù)推廣創(chuàng)造條件。在未來全球化的大趨勢下，變軌距技術(shù)必將成為我國鐵路自主化的儲備技術(shù)，為我國鐵路技術(shù)的出口創(chuàng)造更有利的條件。