齒軌鐵路軌道系統(tǒng)技術(shù)研究

王正邦

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，710043，西安∥高級工程師)

齒軌鐵路靠齒輪與齒軌嚙合為列車提供爬坡驅(qū)動力，其最大爬坡坡度可達(dá)480‰[1]，因此最早作為礦區(qū)和景區(qū)等的運(yùn)輸線路使用[2]。德國于1884年在斯圖加特將齒軌鐵路用作城市軌道交通。該線路在斯圖加特市中心，輪軌及齒軌均低于路面，并設(shè)有專用車道，線路最大坡度200‰；法國于1891年開通了里昂地鐵C線，1974年由于線路改造形成175‰的大坡道，軌道結(jié)構(gòu)形式也隨之改造為齒軌鐵路，采用電力齒軌車輛并配備接觸網(wǎng)供電。

目前國內(nèi)的都江堰和張家界等地正在積極籌劃建設(shè)齒軌鐵路，并頒布了相應(yīng)的配套地方標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，但尚無齒軌鐵路設(shè)計(jì)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。齒軌鐵路制式不同于輪軌蠕滑，其受力復(fù)雜，對軌道部件要求高，因此需要對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專門研究。

本文基于Strub制式對齒軌尺寸及加工、齒軌固定方式、軌道錨固、道岔與交叉等齒軌關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究與歸納。

1 齒軌幾何尺寸

齒軌是齒條-齒輪嚙合系統(tǒng)的動力基礎(chǔ)。Strub型式齒軌制式的側(cè)壁形式為簡單的平面幾何形狀，相對于垂直基準(zhǔn)線具有1∶4(14.05°)的傾角。齒軌在與齒輪嚙合過程中，存在不同程度的磨損，為保證齒軌側(cè)壁形狀不隨磨損而產(chǎn)生較大變化而影響嚙合形態(tài)，每節(jié)齒在接觸側(cè)面都留有一定的磨損儲備，同時考慮齒根部位應(yīng)力集中。

Strub型式齒軌構(gòu)造如圖1所示。齒寬d和齒槽寬度l均根據(jù)車輪齒數(shù)、齒距和壓力角計(jì)算規(guī)定。

圖1 Strub型式齒軌構(gòu)造圖

隨著生產(chǎn)制造工藝和加工水平的提升，目前齒軌生產(chǎn)采用整體輪廓激光切割進(jìn)行粗加工，然后對齒頂和齒槽采用數(shù)控銑削方法加工，以達(dá)到精度要求。

2 齒軌連接及固定

受限于加工、制造和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，齒軌通常定尺長度為3～5 m，分節(jié)成段布置，并通過接頭部件連接，接頭處需預(yù)留軌縫。而預(yù)留軌縫將不可避免地引起齒節(jié)距誤差，增大后期的養(yǎng)護(hù)維修工作量。為此可以將齒軌單元進(jìn)行現(xiàn)場焊接，盡可能減少軌縫數(shù)量。

齒軌需要牢固穩(wěn)定地固定于軌枕上，目前采用較多的方式為緊固件固定，某些特殊構(gòu)造的齒軌也可使用扣件對其進(jìn)行固定。當(dāng)使用L型緊固件時，將緊固件一側(cè)通過螺栓與齒軌螺栓孔連接，另一側(cè)則通過螺栓固定于軌枕螺栓孔上，如圖2所示。因此，不同于國內(nèi)普通有縫線路鐵路采用相對懸空式固定，齒軌接頭需采用相對承接式固定。

圖2 齒軌軌縫

Strub型式齒軌對外形和固定方式進(jìn)行改進(jìn)之后，可采用如圖3所示的鋼軌扣件形式進(jìn)行固定，并可經(jīng)過焊接形成無縫齒條。

圖3 采用扣件的齒軌固定方式

3 軌道錨固

對于有砟線路，列車牽引力、制動力或溫度荷載等縱向力如果不能被道砟間咬合力所平衡，則需要通過錨固件固定軌道框架。尤其在齒軌道岔區(qū)域，需防止過大的齒軌位移造成道岔部件的卡阻。

錨固方式通常采用鋼釬或型鋼深入下部基礎(chǔ)中，如圖4所示。根據(jù)軌道坡度和下部基礎(chǔ)形式等線路狀態(tài)，按每50～200 m間隔設(shè)置錨固點(diǎn)。

圖4 齒軌地錨固定方式

對齒軌鐵路的錨固形式還有纜索式或拉桿式，即將纜索或拉桿的一端固定于軌枕兩側(cè)，另一端固定于線路兩側(cè)巖石或隧道壁上，也可固定在專門建立的錨錠上。纜索配有張拉設(shè)備，可精確調(diào)節(jié)錨固位置與錨固力。

除將錨固端固定于軌枕兩側(cè)之外，還可將拉桿直接固定于齒軌，拉桿借助夾板與齒軌相連接，如圖5所示。這種方式在新建的Strub齒軌線路中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

圖5 齒軌拉錨固定方式

國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，需對軌道坡度大于160‰的地段采取錨固措施，且在道岔區(qū)前后，必須布置錨固點(diǎn)。在坡度250‰的坡道上，每50 m左右設(shè)置一個錨點(diǎn)，大于此坡度的軌道需要相應(yīng)增加錨固點(diǎn)數(shù)量。在許多坡度小于160‰的線路上，已開始將最初鋪設(shè)的地錨拆除。拆除地錨之后的軌道結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)軌道爬行等病害。

除通過錨固手段增大軌道縱向阻力外，齒軌牢固的連接或焊接、采用質(zhì)量優(yōu)良且級配均衡的道砟、鋪設(shè)質(zhì)量較大且堅(jiān)固的軌枕、路基上略有潮濕且摩擦力等都可有效保證軌道幾何形位。對于錨固設(shè)置困難地段，可采用道砟膠將碎石道床固化，以增大道床整體穩(wěn)定性。

4 輪軌-齒軌過渡區(qū)

4.1 輪軌-齒軌過渡區(qū)作用

當(dāng)列車從輪軌蠕滑進(jìn)入嚙合地段時，齒輪上齒與齒軌上齒的相對位置是任意的，這樣有可能造成齒輪與齒軌接觸時嚙合形態(tài)不相匹配，極端情況下會出現(xiàn)“頂齒”的不利情況。因此需設(shè)計(jì)輪軌-齒軌過渡區(qū)來確保齒輪能夠正確地與齒軌嚙合，過渡區(qū)如圖6所示。

圖6 輪軌-齒軌過渡裝置

4.2 輪軌-齒軌過渡區(qū)形式

基于液壓彈簧和杠桿系統(tǒng)，在導(dǎo)入段設(shè)置一個彈簧滑動齒軌，如圖7所示。當(dāng)列車行駛至導(dǎo)入段時，如果存在不匹配的嚙合關(guān)系造成齒輪碾壓齒軌頂面，則齒軌受向下的作用力后高度降低，并同時進(jìn)行縱向位移，使齒輪能夠正確地進(jìn)入齒槽。車輛通行過后，在杠桿機(jī)構(gòu)的作用下，強(qiáng)大的彈簧回復(fù)力將齒軌恢復(fù)到初始位置。

圖7 杠桿機(jī)構(gòu)過渡裝置工作原理

氣壓可垂向放置于前端連桿的套筒之中，此時彈簧主要以施加垂向反彈力為主；也可將彈簧橫向至于齒軌杠桿支點(diǎn)的位置，如圖8所示，此時彈簧主要以施加縱向反彈力為主。

圖8 氣壓彈簧系統(tǒng)過渡裝置工作原理

為實(shí)現(xiàn)齒輪和齒軌盡早處于良好的嚙合狀態(tài)，減小對齒軌前端的沖擊和磨損，在過渡設(shè)備前可增設(shè)同步滾輪，其工作原理如圖9 a)所示。同步滾輪設(shè)置于導(dǎo)入段的前方，由橫向放置的橡膠輥構(gòu)成，如圖9 b)所示，這些橡膠輥形成了一個彈性齒軌。當(dāng)齒輪碾壓橡膠輥時，處于懸掛狀態(tài)的同步滾輪裝置將被壓下，從而改變下一滾輪的空間縱向位置，使得齒輪的下一個嚙合位置得到糾正，同步滾輪被其下方的彈簧彈回到初始狀態(tài)。同步滾輪的設(shè)置可以使齒輪在進(jìn)入齒軌前就實(shí)現(xiàn)良好嚙合，且光滑的齒輪與彈性橡膠之間的磨損量也相對較小，能夠大幅提高列車進(jìn)入過渡區(qū)的速度。

圖9 同步滾輪過渡裝置

同步滾輪裝置必須具有較好的彈性和一定的硬度，國外普遍使用橡膠合成材料以保證橡膠輥的良好性能，橡膠輥大多采用PUR材料，也可使用其他合成橡膠材料。

4.3 布置位置

為防止列車通過過渡區(qū)時對導(dǎo)入裝置造成過大的沖擊或因嚙合不良增大脫齒風(fēng)險，需要在過渡區(qū)降低列車牽引力及運(yùn)行速度，并應(yīng)將過渡區(qū)設(shè)計(jì)在小坡度地段，且不宜設(shè)置于曲線上，在過渡區(qū)之后應(yīng)存在一定距離的直線區(qū)段。

5 道岔

如今仍在服役的第一批齒軌鐵路通過轉(zhuǎn)盤變換股道，當(dāng)列車進(jìn)入轉(zhuǎn)盤后，通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)股道變換。

1876年至1878年，第一臺Klose道岔在Rorschach-Heiden鐵路投入使用，應(yīng)用于Riggenbach形式齒軌，如圖10所示，具備了如今齒軌道岔的所有特性。

圖10 Riggenbach形式齒軌道岔

在瑞士少女峰齒軌鐵路建設(shè)過程中，引入了Strub新型道岔，如圖11所示。這種新型道岔與早期道岔的不同之處在于，在鋼軌與齒軌交叉處，僅將齒軌轉(zhuǎn)換，而鋼軌保持連續(xù)。由于鋼軌頂面低于齒軌，在列車過岔過程中，鋼軌并沒有妨礙齒輪齒軌的嚙合，由此實(shí)現(xiàn)了岔區(qū)鋼軌的連續(xù)性。

圖11 少女峰Strub齒軌道岔

此外還可采用柔性框架進(jìn)行股道轉(zhuǎn)換，其工作原理如圖12所示。將道岔區(qū)域軌道設(shè)計(jì)為彈性可彎結(jié)構(gòu)，在車輛通過道岔時，利用轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)將軌道整體偏移，來實(shí)現(xiàn)股道的轉(zhuǎn)換。

圖12 齒軌柔性道岔原理圖

6 結(jié)語

國內(nèi)齒軌鐵路尚無設(shè)計(jì)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。特別是其軌道系統(tǒng)的嚙合不同于輪軌蠕滑，其受力復(fù)雜，對軌道要求高，因此需要對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專門研究。本文基于Strub制式對軌道系統(tǒng)的齒軌尺寸及加工、齒軌固定方式、軌道錨固和道岔等齒軌關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究與歸納，并提出無縫齒條和有砟固化等理念。