山地齒軌旅游交通系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用研究

沈 健

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

0 引言

2017年，國(guó)家六部門聯(lián)合出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)交通運(yùn)輸與旅游融合發(fā)展的若干意見》，大力推動(dòng)了精品鐵路旅游交通產(chǎn)品。山地(齒軌)軌道交通是定位于山地環(huán)境，服務(wù)于旅游景區(qū)內(nèi)部、景區(qū)之間以及沿線主要城鎮(zhèn)客流的軌道交通系統(tǒng)，可滿足40‰～480‰坡度的低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)[1-2]。齒軌交通契合了山地旅游以及大坡度地區(qū)對(duì)軌道交通的發(fā)展需求，在瑞士、德國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家均有所應(yīng)用[3-4]。國(guó)內(nèi)尚無齒軌客運(yùn)交通系統(tǒng)的使用先例，但是隨著服務(wù)國(guó)家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)以及“交旅融合發(fā)展”戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)內(nèi)也規(guī)劃了多條旅游扶貧線路，例如都江堰至四姑娘山旅游扶貧線、張家界七星山齒軌項(xiàng)目等。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用空間，為此，本文對(duì)山地齒軌旅游交通系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為山地齒軌旅游交通系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 山地齒軌旅游交通關(guān)鍵技術(shù)

山地齒軌旅游交通系統(tǒng)在傳統(tǒng)軌道之間增加齒條機(jī)構(gòu)，在車輛上增加齒輪機(jī)構(gòu)，通過齒輪與齒軌嚙合傳遞牽引力來滿足車輛大坡度運(yùn)行的需求。該系統(tǒng)車輛、齒軌、齒軌道岔、入齒裝置等關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)有著較大的區(qū)別，本為將對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析[5]。

1.1 車輛系統(tǒng)

山地齒軌旅游交通車輛是一種采用輪軌黏著和齒軌嚙合驅(qū)動(dòng)前行的軌道交通工具。其中黏著路段為僅通過鋼輪與鋼軌之間的黏著力實(shí)現(xiàn)車輛有效牽引驅(qū)動(dòng)的路段；齒軌路段為車輛的鋼輪處于惰行狀態(tài)并通過齒輪—齒軌嚙合驅(qū)動(dòng)的路段，車輛根據(jù)需要切換驅(qū)動(dòng)方式，齒軌車輛轉(zhuǎn)向架原理示意圖如圖1所示。

圖1 齒軌車輛轉(zhuǎn)向架原理示意圖

1.2 齒輪齒軌系統(tǒng)

齒輪齒軌系統(tǒng)是新型齒軌旅游交通系統(tǒng)的重要組成部分。齒軌車輛轉(zhuǎn)向架上裝有一個(gè)或者多個(gè)齒輪，與安裝在地面上的齒軌嚙合，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而牽引車輛能夠在480‰最大坡度的線路上運(yùn)行。該牽引方式可以克服普通輪軌車輛黏著不足的問題，目前常用的齒輪齒條系統(tǒng)有Riggenbach、Strub、Abt及Locher四種形式[6]，如圖2所示。

1.3 齒軌道岔系統(tǒng)

齒軌道岔系統(tǒng)是齒軌交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其能保證車輛安全、平穩(wěn)、高效地從一股道轉(zhuǎn)入另一股道。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同齒軌道岔也分為多種形式，如整體平移式道岔、齒軌覆蓋可分式道岔等。

整體平移式道岔如圖3所示，移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置兩股不同方向的鋼軌和齒軌，通過平臺(tái)的整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同方向的軌道對(duì)接。

齒軌覆蓋可分式道岔如圖4所示，該類型的道岔系統(tǒng)與傳統(tǒng)軌道道岔結(jié)構(gòu)形式相似，在傳統(tǒng)道岔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了齒軌結(jié)構(gòu)。在道岔區(qū)，齒軌應(yīng)采用齒條型齒軌，為了保證齒軌車輛的驅(qū)動(dòng)齒輪在過岔時(shí)可順利地通過齒軌與鋼軌的交叉處，齒軌齒槽底部應(yīng)高于鋼軌頂面。

圖3 整體平移式齒軌道岔系統(tǒng)

圖4 齒軌覆蓋可分式道岔結(jié)構(gòu)

1.4 入齒裝置

入齒裝置即輪軌與齒軌之間的過渡地段，一般采用三段緩沖式入齒裝置，如圖5所示。該裝置主要由線速度同步區(qū)、嚙合校正區(qū)以及齒軌嚙合區(qū)三部分組成。在裝置底部裝有橡膠件，可以避免在嚙合過程中齒輪與齒條之間發(fā)生頂齒現(xiàn)象；在線速度同步區(qū)，齒輪與過渡裝置間的相互作用力使得鋼輪相對(duì)鋼軌能進(jìn)行縱向滑動(dòng)，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)齒輪與齒軌的準(zhǔn)確嚙合。

2 國(guó)外齒軌交通系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 瑞士

2.1.1 皮拉圖斯齒軌線路

皮拉圖斯齒軌線路坐落在瑞士皮拉圖斯雪山，是世界上最陡的鐵路，齒輪齒軌采用Locher形式，如圖6所示。皮拉圖斯齒軌線路全長(zhǎng)4.27 km，線路攀越高度為1 629 m，全程最大坡度為480‰，平均坡度也在420‰，軌距為800 mm。

圖5 入齒裝置

2.1.2 瑞吉山齒軌線路

瑞吉山齒軌線路始建于1871年，是歐洲第一條登山鐵道，由VRB線和ARB線兩條線路組成。兩條線路可在瑞吉斯塔菲爾換乘，VRB線路總長(zhǎng)5 km，攀升高度為1 313 m，最大坡度達(dá)到250‰，單程通勤時(shí)間約為30 min；ARB線路總長(zhǎng)6.9 km，攀越高度為1 435 m,最大坡度達(dá)到200‰，該線路1907年實(shí)現(xiàn)了電氣化，是電動(dòng)齒軌登山鐵路的先驅(qū)。兩條線路目前均采用1 500 V牽引直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電氣化后，仍保留部分蒸汽機(jī)車在特殊的時(shí)間運(yùn)營(yíng)。該線路軌距為1 435 mm，齒軌系統(tǒng)采用Riggenbach形式。

2.1.3 少女峰齒軌線路

少女峰(Jungfrau)位于瑞士因特拉以南25 km處，海拔4 158 m，是瑞典著名的旅游觀光和戶外運(yùn)動(dòng)勝地，如圖7所示。少女峰齒軌線路由上層、中層及下層3段鐵路接力組成，分別由3個(gè)不同的公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。由于三段鐵路的軌距不同，使用不同的車輛，乘客需要在中途換乘。下層采用Riggenbach垂向嚙合方式，線路最大坡度為120‰，中層及上層采用Strub垂向嚙合方式，最大坡度為250‰。

2.1.4 冰川快線

冰川快線齒軌從瑞士的采爾馬特(Zermatt)開往圣莫里茨(St.Moritz),全程300 km，約7.5 h車程，因此獲稱“世界上最慢的景觀列車”，全線采用米軌，超過40‰的大坡道地段采用齒軌型式為豎向嚙合齒軌(Abt)，線路最大坡度為110‰。該線路實(shí)現(xiàn)了輪軌段與齒軌段不停車通過，提升了游客旅行的舒適感，冰川快線穿越瑞士的心臟區(qū)Alpine，這條自瑞士東部至瑞士西部的Apls的旅行線路給乘客帶來了精彩旅行。

2.1.5 黃金快線

黃金快線齒軌穿梭阿爾卑斯山，以位于瑞士心臟地帶的盧塞恩湖畔為端點(diǎn)，沿線將日內(nèi)瓦湖、圖恩湖、布里恩茨湖和盧塞恩湖等瑞士風(fēng)光最美的湖泊串聯(lián)在一起。該線路與冰川快線一樣，也能實(shí)現(xiàn)黏著段與齒軌段不停車通過。線路全長(zhǎng)240 km，由三家私營(yíng)鐵路公司經(jīng)營(yíng)的三條路段連接而成。線路軌距1 000 mm，齒軌路段最大坡度為120‰，黏著路段最大坡度為35‰。列車由瑞士Stadler公司提供，主要有3編組和7編組兩種，車廂連接采用搭接式結(jié)構(gòu)。

2.2 德國(guó)

2.2.1 斯圖加特齒軌線路

齒軌列車主要應(yīng)用于山地區(qū)域，應(yīng)用到城市作為公共交通系統(tǒng)中的一種制式不常見，德國(guó)斯圖加特齒軌就是定位于城市公共交通的齒軌線路，這是德國(guó)境內(nèi)唯一一條城市齒軌線路，該線路建于1884年，最先采用蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在采用電力驅(qū)動(dòng)，線路的軌距為1 000 mm，線路的最大坡度為175‰，車輛的齒軌嚙合型式為Riggenbach垂向嚙合。

2.2.2 文德爾施泰因齒軌線路

文德爾施泰因是德國(guó)巴伐利亞州境內(nèi)的一座1 838 m高的山峰，屬于阿爾卑斯山脈。文德爾施泰因的齒軌線路是1912年修造的，是巴伐利亞目前依然在運(yùn)行中最古老的齒軌線路，如圖8所示。1990年初它被翻新，使用電氣化的現(xiàn)代齒軌列車，從山腳到山頂?shù)臅r(shí)間由50 min縮短至30 min。德國(guó)文德爾施泰因齒軌線路全長(zhǎng)7.66 km,其中齒軌6.15 km，列車軌距采用1 000 mm，牽引供電采用1 500 V直流電，行駛最大坡度為237‰，采用Strub齒條系統(tǒng)。

2.3 其他國(guó)家

此外在奧地利的施內(nèi)山、英國(guó)的斯諾登山、法國(guó)蒙特維爾、美國(guó)華盛頓山、日本大井川、澳大利亞科修斯克國(guó)家公園及西海岸等地也建設(shè)有齒軌交通系統(tǒng)。

3 展望

山地齒軌交通系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為山區(qū)建設(shè)鐵路及旅游軌道交通的極佳選擇。該系統(tǒng)為國(guó)家實(shí)施精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供了極為重要的交通工具與解決方案，為山區(qū)旅游資源開發(fā)提供了全新途徑與重要載體，在國(guó)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用空間。

圖6 皮拉圖斯齒軌線路 圖7 少女峰齒軌線路 圖8 文德爾施泰因齒軌列車

山地齒軌交通系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)正處于起步階段，尚未對(duì)該系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、工程應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為推動(dòng)山地齒軌交通系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的落地與應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用范圍與環(huán)境，圍繞“齒輪齒條牽引、極大坡度”兩個(gè)特點(diǎn)，系統(tǒng)開展基礎(chǔ)理論、工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，以解決齒軌車輛總體、齒軌地段線路設(shè)計(jì)參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵參數(shù)、輪軌-齒軌不停車過渡裝置、線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、綜合養(yǎng)護(hù)維修等關(guān)鍵技術(shù)問題，為國(guó)內(nèi)山地齒軌交通工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。