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本文原载于《机车电传动》 2022年第4期 页码:77-82
作者/中车长客 宋庆伟，王云朋，王士强，聂显鹏，于春洋，徐石磊
DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2022.04.011
山地(齿轨)轨道交通
0 引言
近年来，随着基建政策红利的投入，城市轨道交通具有运量大、能耗低、效率高、污染小、准点率高及舒适可靠等优势，发展城市轨道交通已成为解决城市交通拥堵的主要手段。但是，传统城市轨道交通线路坡度较小，一般情况下不超过35‰，最恶劣情况下不超过40‰，既有的轨道车辆性能也仅能满足此要求，无法满足山体坡度陡峭、地势高差较大的环境需要。另外，随着人们生活水平和经济条件的提高，山区旅游出行多样化和新型化，为克服“旅长游短”问题，需加强交通基础设施对旅游业的带动作用。
根据国内轨道交通发展现状以及应用要求，积极推进山区“旅游+交通+扶贫”融合发展思路，研发山地齿轨铁路系统符合当前市场需求和未来发展愿景。齿轨铁路将来主要集中运用在旅游线路和山区铁路支线两个领域，其具有易于控制工程体量，降低工程成本和难度，兼顾旅游观光新兴体态的特点，有利于实现地势陡峭、高差大的山地旅游交通目标[1-2]。
1 齿轨铁路特点及发展
1.1 齿轨铁路概念
齿轨铁路是一种登山铁路，具有较强的的爬坡能力，是在普通铁路轨道中间铺设一条或者多条特殊的齿形轨道，相应地在运行于齿轨铁路上的机车车辆转向架配备一个或多个齿轨轮，当列车在齿轨线路上爬山运行时，通过齿轨轮与齿条的啮合来传递牵引力和制动力，从而克服普通机车车辆在较大坡道线路上黏着力不足的问题，实现安全运行。齿轨线路如图1 所示[3]。
齿轨车辆就是一种通过转向架上齿轨轮与线路齿条啮合传递牵引力或制动力的车辆。
1.2 齿轨铁路的特点
与普通传统铁路、单轨、缆索铁路、磁悬浮铁路等相比，齿轨铁路有如下特点：
①爬坡能力强。通常依靠轮轨黏着牵引的传统铁路最大坡度为60‰，单轨和磁悬浮铁路最大坡度通常不超过80‰，而齿轨铁路通常情况下坡度为120‰，最大坡度可到250‰，极个别坡度达到480‰。
②爬坡速度快。在坡度较大的山区线路，齿轨系统爬坡速度远高于缆索铁路，爬坡速度可达40km/h。
③爬坡线路长。在坡度较大的山区线路，缆索铁路受自身动力库限制，爬坡线路长度通常约为2km，而齿轨铁路不受线路长度限制。
④与传统铁路互联互通。通过修建普通传统铁路和齿轨铁路的混合线路，实现其互联互通、无缝衔接、跨线运行，换乘方便、运量较大、节约旅行时间。
⑤铁路建设成本低。在坡度较大的山区线路，采用齿轨铁路可缩短坡道展线长度；正线转弯半径最小可达50m，可沿山区地形修建，缩短建设周期，节约建设成本。
1.3 齿轨铁路的发展历程
1868年，世界上第一条齿轨铁路美国华盛顿山齿轨铁路首次载客。1871年，欧洲第一条齿轨铁路，瑞士瑞吉山齿轨铁路开始运行。目前，国外已建成的齿轨铁路约为180条，总里程超过3000 km，主要分布在瑞士、德国、法国、奥地利、日本和澳大利亚等国，其中以瑞士的齿轨铁路最多，其齿轨铁路数量和总里程占世界的一半以上[4-6]。
经过150多年的不断发展，随着齿轨铁路技术不断更替，齿轨铁路已形成7 种典型齿轨系统，目前在用的成熟齿轨系统主要有 5 种：Abt系统（约占30%，如图2所示），Riggenbach系统（约占28%，如图3所示），Strub系统（约占27%，如图4所示），Locher系统（约占2.3%，如图5所示）和Von Roll系统（约占12.7%）[7]。其中，仅有Locher系统的最大限制坡度可高达480‰，其余系统最大限制坡度均为250‰。
近年来，新修建的齿轨铁路或基于Riggenbach系统、Strub系统改建的齿轨铁路均采用了VonRoll系统技术。
1.4 齿轨铁路应用
齿轨铁路根据需求不同可分为3类：
①工业用齿轨铁路。巴拿马运河采用矿山井齿轨机车，在运河船闸处起到牵拉和导向作用，使大型船舶安全通过。最大坡度为250‰，齿轨类型为Riggenbach。
②旅游观光齿轨铁路。瑞士少女峰采用旅游观光齿轨铁路，于1912年8月1日开通，从山脚海拔567m的因特卡肯车站，只需2h20min爬升2887m的巨大高差，直抵“欧洲之巅”[8]。少女峰齿轨铁路由下层/中层/上层铁路组成，坡度分别为120‰/250‰/250‰，齿轨类型分别为Riggenbach/Strub/Strub[9]。
③作为公共轨道交通的齿轨铁路。瑞士黄金快线采用普通黏着轮轨和齿轨的混合线路，其齿轨线路最大坡度为120‰，齿轨类型为Riggenbach。
综上可知，齿轨铁路已在瑞士、德国、日本等国家有成熟的应用经验，齿轨车辆具有牵引力大、爬坡能力强、旅行速度高、安全性好、载客量大、用地省、对环境污染小等优点，是山地景区的最佳交通工具。
在同样的爬高条件下，齿轨铁路具有可在短距离内克服巨大的地势起伏高差、大幅缩短展线长度、降低工程成本以及与既有普通线路互联互通、跨线运行的优势，齿轨铁路在大坡度地区具有不可替代性，有望成为继高速铁路、重载铁路之后国内发展又一重点领域。
国内众多的山地景区具有建设齿轨铁路的环境条件，齿轨铁路也因其特点在国内具有很大的发展潜力。国内的张家界、九寨沟、神龙架和恩施大峡谷等景区已开始规划建设齿轨旅游观光铁路。随着山地齿轨铁路技术应用研究的深入，齿轨铁路定会成为国内建设山地观光线路的主要选择。
2 齿轨铁路关键技术
齿轨铁路历经百余年的发展，需求不断多样化，技术不断更新迭代，实现了将交通运输和旅游观光的紧密结合，因此，齿轨技术创新和发展应符合山地交通旅游需要，如小运量、小轴重、高环保、地形适应能力强，考虑到旅游观景无遮挡、沿线景观无分隔的需求，车辆配置大通透观景窗；海拔3000 m以上运营条件，应配备应急供氧设备等特点。
以下将介绍齿轨铁路关键技术。
2.1 齿轨铁路标准体系
由于齿轨铁路运行线路以及齿轨车辆的特殊性，与传统铁路及传统车辆相比，齿轨铁路执行标准体系完全不同。
在动力学、强度方面，齿轨车辆要额外承受坡道引起的附加力和齿轨间啮合作用力，因此，齿轨车辆的动力学系统仿真、关键零部件强度计算涉及到载荷条件不同，尤其要重点关注附加力的影响。
在结构设计方面，齿轨车辆集成技术、制动系统技术、牵引系统技术以及转向架系统技术需求也完全不同，需要充分考虑车辆轮重均衡性、制动响应时间、牵引控制策略以及转向架固定轴距、车辆重心等。
目前，瑞士是齿轨铁路技术最成熟、应用经验最丰富的国家，因此，瑞士与齿轨铁路相关的国家标准在其国内、外齿轨铁路上被广泛采用。瑞士联邦交通局颁布的AB-EBV“铁路规则实施条例”作为齿轨铁路认证要求的国家法规，涵盖了线路铺设、车辆设计、车辆试验以及后期运营要求，被认定为齿轨铁路系统设计准则[10]。
2.2 齿轨铁路动力学
在传统黏着车辆项目中，线路坡度小、竖曲线半径大，首要考虑横向稳定性。在齿轨车辆项目中，由于其受到坡道和啮合力影响，动力学性能更加关注纵向稳定性，尤其在重载下坡时，列车受到的自身重力分力和系统间载荷力会产生弯矩，引起车辆倾翻和齿轨轮爬轨。齿轨车辆受力如图6所示[11]。
按照AB-EBV“铁路规范实施条例”规定，纵向稳定性主要取决于齿轨车辆下坡时的安全性。通常采用Sq来评价车辆防脱轨性能，计算公式为：
式中：Qeff为下坡制动时黏着车轮轮重；Qo为静置水平轨道时黏着车轮轮重。
在上坡时，Sq应不小于1.10；在下坡时，Sq应不小于1.25。
2.3 齿轨铁路驱动技术
按照齿轨铁路应用目的及用途，工业用齿轨铁路和旅游观光用齿轨铁路均为仅在齿轨线路上运行的纯齿轨列车，由齿轨系统传递牵引力和制动力，传统黏着轮对只承担支撑列车本身重量和起运行导向作用。公共轨道交通用齿轨铁路车辆既可在黏着轮轨线路上运行，又可在齿轨线路上运行，从而列车既具备轮轨黏着驱动，又具备齿轨驱动。
公共交通齿轨铁路同时配置黏着转向架和齿轨转向架，在黏着轮轨线路上由黏着动力车轴驱动，在齿轨线路上由齿轨动力车轴驱动。在牵引性能苛刻条件下，为了增加动力车轴数量，在齿轨动力车轴齿轮传动装置上设置离合器或者拨叉机构，实现黏着驱动和齿轨驱动转化，增加整车牵引能力。离合器驱动系统原理如图7所示。
按照齿轨铁路驱动结构型式，齿轨铁路驱动方式又可分为永久耦合传动、黏着解耦传动以及差速走行传动。
2.4 齿轨铁路制动技术
由于齿轨铁路行车坡度大，展线短，坡道运行工况下齿轨系统制动技术尤为重要。
按照AB-EBV“铁路规范实施条例”要求，“机械制动中至少有一个是纯齿轨轮制动器，其制动力直接传递给齿轨轮，从而传递给齿条”，因此，机械制动通常包括2套独立的机械制动装置：黏着制动（盘形制动及踏面制动）和非黏着制动（齿轨车辆上常见的带式制动）。
在齿轨车辆重载下坡时，黏着制动和带式制动控制模式需要时刻适应载荷和坡道变化，确保齿轨车辆以限速条件匀速运行。带式制动零部件如图8 所示。
2.5 齿轨铁路减振降噪技术
在齿轨轮与齿轨啮合时，为了消除齿轨轮与齿轨啮合时产生的冲击和噪声，除了齿条和齿轨轮高精度匹配外[12]，齿轨轮还采用分体式结构，内部设置螺旋钢弹簧或高强度弹性橡胶实现减振降噪。分体式弹簧齿轨轮结构如图9所示。
分体式齿轨轮一侧设有与车轴过盈配合的轴座，另一侧设有套装在车轴上的压盖，齿轨轮端面交替设有多个安装弹性元件的通孔和止挡槽，轴座上都设计有相应的凸起受力止挡，弹簧组件补偿齿轨和齿轨轮啮合中的节距误差，受力止挡用来传递转矩。
2.6 齿轨列车齿轨轮高度调整技术
由于齿轨列车的齿轨轮安装于车轴中部，在车轮踏面磨耗后，车轴距轨面的距离变小，势必会影响齿轨轮与齿条的啮合尺寸。国外的普通齿轨列车的齿轨轮只能适应车辆踏面单边15mm的磨耗量，限制了正常车轮使用寿命。齿轨轮高度调整机构结构如图10所示。
采用齿轨列车齿轨轮高度调整技术，可延长车轮的使用寿命，降低运营维护成本。齿轨轮高度调整技术采用偏心安装机构，齿轨轮及齿轨传动机构不直接安装在车轴上，而是安装在带有空心轴套的偏心安装机构上，当车轮磨耗或镟修后，通过调节孔，偏心轮带动空心轴套相对车轴偏转，实现齿轨轮高度调节。
2.7 齿轨铁路啮合技术
在齿轨转向架驱动系统中，齿轨轮和齿条的结构参数和啮合特性最为重要。齿轨系统除了考虑传统啮合参数（如齿数、模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数和变位系数等）外[13]，还需要进一步考虑车辆运用环境对啮合特性的影响，如齿条节线距轨面高度范围，各齿条间齿距公差限度值，齿条与齿轨轮压入比和啮合比，列车的不同车轴上齿轨轮中心距，黏着车轮镟修间隔及限度，入齿机构齿条长度。
2.8 齿轨铁路齿轨润滑技术
在齿轨啮合过程中，为了减小齿面磨损，降低啮合作用力，减小啮合噪声，需要在列车上设置齿轨轮、齿条润滑系统，它们可集成在同一套系统中。上坡行驶时，需要润滑齿轨轮的活动齿面，润滑原理如图11所示；下坡行驶时，需要润滑齿条的活动齿面。通常每列车仅对运行方向头车的第一个齿轨轮进行润滑即可。
为了减小黏着车轮轮缘磨耗，通常列车上也设置轮缘润滑装置。由于齿轨路段轮缘磨耗远高于黏着路段，运行于齿轨路段上时轮缘润滑系统喷射频率要高于运行于黏着路段时。
与此同时，除了上述齿轨关键技术外，齿轨列车系统还将配置相关辅助系统，以保证齿轨车辆运营安全，如超速释放系统、扭矩限制系统、防回滚系统等。为了防止齿轨车辆在上坡时，由于牵引系统部分失效导致牵引力不足，无法满足上坡需要，或者在上坡段进行停放，需要在齿轨车辆中设置防回滚功能，防止齿轨车辆溜车。为了防止出现扭矩过大情况下齿轨车辆从齿条抬起或者防止齿轨传动系统材料应力超限，需要在牵引电机和齿轮传动系统间设置防过载联轴节。
3 结束语
由于齿轨铁路对技术的高要求以及国内市场发展需求，齿轨技术在国内公共轨道交通发展中仍处于空白[14]。在将来，结合齿轨铁路上述一系列优点，加强齿轨旅游列车的技术研究，加大齿轨铁路专业标准和规范的制定，结合现有的轨道交通设备及技术，推动我国齿轨铁路的建设、促进齿轨车辆运用，将轨道交通和旅游观光紧密结合，更好地满足乘客安全、快捷、舒适的交通运输需求。四川省已于2019年颁布了《山地（齿轨）轨道交通技术规范》，四川省发改委已正式同意建设都江堰至四姑娘山的齿轨项目，期待国内首条山地齿轨铁路将会展现在世人面前[15]。
参考文献
1李艳, 钱科元, 魏德豪, 等. 山地旅游轨道交通车辆设计需求研究[J]. 工程技术研究, 2020, 5(20): 202-203.
2余浩伟, 章玉伟, 陈粒. 齿轨铁路技术特点与应用展望研究[J]. 铁道工程学报, 2020, 37(10): 6-10.
3冯帅. 山地旅游观光铁路车辆选型探讨[J]. 铁道建筑技术, 2017(2): 4.
4牛悦丞, 李芾, 丁军君, 等. 齿轨铁路发展及应用现状综述[J]. 铁道设计标准, 2019, 63(12): 37-43.
5喜来. 历经百年的齿轨铁路[J]. 交通与运输, 2014, 20(1): 26.
6贠虎. 观光列车的分类与特点[J]. 铁道车辆, 2015, 53(8): 38-40.
7尚勤, 李廉枫, 涂旭. 国外齿轨铁路技术的发展及运用[J]. 机车电传动, 2019(2): 9-15.
8喜来. 征服 “欧洲之巅” 的登山铁路[J]. 交通与运输, 2017, 33(6): 48.
9冯帅. 对齿轨铁路在旅游观光铁路上的适用性分析[J]. 交通企业管理, 2015, 30(1): 66-68.
10瑞士联邦交通局. 铁路规则实施条例: AB-EBV—2020[S]. 瑞士: 瑞士联邦交通局, 2020.
11马春泉. 齿轨机车的动态稳定性分析[J]. 煤矿自动化, 1997(4): 46-49.
12蔡向辉, 张乾, 贺天龙. 张家界七星山齿轨铁路轨道技术研究[J]. 铁道标准设计, 2020, 64(7): 76-81.
13潘相楠, 唐岚, 寇峻瑜, 等. 山地齿轨铁路发展现状及国内应用前景研究[J]. 黑龙江科学, 2020, 11(4): 10-14.
14李发福, 刘梦汝. 关于齿轨制式车辆的特点及应用于山地旅游项目工程化的要点[J]. 科学技术创新, 2019(18): 15-16.
15四川省交通运输厅. 山地（齿轨）轨道交通技术规范: DB51/T 2542—2018[S]. 成都: 四川省市场监督管理局, 2018.
素材来源：中车株洲所主办的行业杂志《机车电传动》
