齒軌試驗線創新設計研究

黃志相 姜 梅 余浩偉

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031; 2. 中國中鐵齒軌交通工程研究中心,成都 610031)

齒軌交通在國外起步較早,技術與產業已經發展了百余年,并成功應用于瑞士、德國、法國等國家的旅游交通中。 其中,瑞士少女峰齒軌鐵路憑借出色的爬坡能力,把游客送到此前只有頂尖攀巖者才能抵達的“歐洲之巔”,名揚四海。 國內齒軌鐵路最早僅運用于礦井內輔助運輸,缺乏齒軌山地軌道交通領域的技術和產業,更無齒軌交通工程應用實踐,且國內外齒軌交通建設需求、建設環境、客運量特征、地形地質等差異較大,難以簡單套用國外齒軌技術。

目前,已有學者對齒軌應用,車輛、軌道、信號、標準規范、總體設計方面進行研究。 在齒軌技術應用方面,喜來介紹少女峰登山鐵路的應用情況[1];馮帥對美國、瑞士、日本齒軌應用情況及齒軌系統在國內旅游觀光鐵路上的適應性進行分析[2];鄢紅英等總結齒軌旅游軌道交通的工程特點,提出其工程化應用發展方向[3]。 在齒軌車輛研究方面,尚勤等提出齒軌車輛技術未來的發展趨勢[4];張卓杰等探討山地齒軌列車的選型[5];李發福等總結齒軌制式車輛在山地旅游項目工程化方面的要點[6];溫炎豐等分析齒軌轉向架特殊限界理論計算公式[7]。 在齒軌軌道方面,王正邦等提出無縫齒條和有砟固化理念[8];魏德豪等分析齒軌鐵路的綜合維修模式[9];鄧友生等通過仿真計算對齒軌系統關鍵技術進行分析[10];梁強等設計連桿結構的新型道岔轉換系統,經仿真分析滿足要求[11];宋慶偉等對齒軌鐵路標準體系、車輛動力學等技術進行研究[12]。 在信號方面,王懷松等提出一種齒軌出入齒的信號系統控制方案[13]。 在線路方面,王飛等提出齒軌線路平縱斷面設計參數取值,包括圓曲線、緩和曲線、線間距、最大坡度、豎曲線、坡段長度等[14]。 在標準規范方面,余浩偉等對齒軌適用性、技術特點、規范編制應用等進行探討[16-17]。 在總體設計方面,黃志相等闡述山地旅游景區齒軌鐵路總體設計要點[18]。 以上研究主要基于齒軌技術現狀調研、理論分析、仿真計算、歸納總結及相關預測展望,尚缺乏實際工程項目支撐和驗證。

根據齒軌交通適宜山區旅游觀光的特點,同時為促進成都平原經濟區與川西北生態示范區協同發展需要,改善川西北生態示范區交通落后現狀,帶動沿線地區脫貧攻堅,相關單位針對齒軌動車組總體技術方案、輪軌-齒軌耦合振動特性、齒軌結構形式及關鍵參數等進行技術攻關和研發,依托齒軌列車試驗線建設,對齒軌動車組的齒輪-齒軌嚙合關系、齒軌道岔通過能力、出入齒過渡裝置、120‰大坡道牽引和制動性能等進行試驗,以驗證齒軌技術和產品的可靠性、適應性、先進性,為國內齒軌交通領域的產業發展和商業化運營提供技術支撐和經驗。

1 設計需求

試驗線的設計需求是在滿足齒軌列車試驗功能總目標的前提下,利用車輛廠既有裝備和線路資源,創新工藝試驗流程和線路設計,精簡工程配置,節省工程造價,以系統性、通用性、可靠性為原則,建設全國首個齒軌動車組及相關齒軌產品技術試驗平臺[19]。 為此,四川省專門出臺《四川山地軌道交通規劃》,規劃明確提出,近期將建設10 條齒軌軌道交通,總里程575 km,總投資額686 億元,遠期達23 條,實現以山地軌道交通為骨干的川西高原交通體系。

2 設計方案概況

擬建場地現狀地勢開闊,交通方便;地面高程365~403 m,相對高差約38 m;地貌單元屬丘陵斜坡地貌,場地內未見明顯不良地質,無特殊巖土,適宜建設試驗線。項目在資陽車輛廠附近建設一條齒軌試驗線路,既能充分利用和發揮車輛廠區既有組裝和制造資源,又能利用新建線路進行調試,滿足齒軌車輛上線、編組、靜調、動調等試驗功能。 線路長710 m(含主線和側線),采用“米軌+齒軌”新制式,主要技術指標見表1。

表1 試驗線主要技術指標

(1)試驗線設置1 條主線和1 條側線,包括1 處400 m 曲線、線路最大坡度120‰,平坡段2 處、最小豎曲線半徑500 m。

(2)設置1 組齒軌單開道岔、2 組出入齒過渡裝置、2 處純輪軌段、1 處“輪軌+齒軌”段。

(3)列車最大編組數為4 輛,1 處簡易工藝作業區(供車輛上線、列車編組、靜態調試、解編、維修等作業),以此計算試驗線所需線路最小長度。

(4)全線均采用路基敷設,路基面寬5.1 m,路基排水溝和側溝平臺兼做應急步行疏散通道和維護通道。 在大坡道段路基設置消防器材存放區1 處。

(5)牽引供電制式為DC1500V 接觸軌授流,新建牽引降壓混合變電所1 座,負責齒軌列車靜調、動調供電,同時為試驗線所有動力照明負荷供電。

(6)信號系統主要由齒軌道岔轉換及其控制系統構成。 在齒軌道岔處設置道岔控制柜1 套,實現道岔就地轉換控制及道岔開向指示控制功能。

(7)設置列車運行噪聲影響測試平臺。

3 具體創新成果

3.1 暢通工藝流程

為暢通試驗線工藝流程,在整合車輛廠房場地、設備及人員等資源基礎上,總體規劃布置、優化平面布局,形成緊湊、合理、低成本、短周期的工藝流程方案。工藝流程見圖1。

圖1 齒軌試驗線工藝流程

經以上工藝流程反復調試,最終將符合需求的車輛外運至客戶指定地點。

本套試驗線工藝流程方案有效利用了廠房既有設備、設施,如淋雨臺、限界試驗臺、稱重試驗臺等,僅添置少量必要的工藝設備,有效降低了成本。

3.2 線路設計

(1)線路長度計算

依據齒軌車輛的平坡段、大坡段的加速度和減速度,計算試驗線的線路長度,同時考慮一定富余系數,留夠安全操作空間。

(2)試驗內容整合

為節省線路長度,將上坡牽引和下坡制動試驗整合到一個線路大坡段,上下坡試驗分兩次進行,可縮短線路300 m,節省工程投資1 737.96 萬元。

(3)線路總體布局

根據地形特點和廠房場地平面布置情況,為縮短線路縱向長度和利用廠房橫向操作空間,巧妙地設計了“1 主+1 側”線路,空間上呈Y 形布局,見圖2,分區域分步驟完成動調和靜調試驗。

圖2 齒軌試驗線線路總體布局示意

(4)縱坡設計

根據齒軌列車試驗需要和地形起伏情況,設計了國內軌道交通線路最大縱坡120‰,試驗線線路縱斷面見圖3。

圖3 試驗線線路縱斷面(單位:m)

3.3 新型齒軌軌道技術

(1)Strub 齒軌系統

為滿足最大坡度120‰要求,采用模數為100/π的齒條型Strub 齒軌系統,齒軌設于軌道中心線處,通過L 形專用齒軌扣件固定于鋼枕中部。

(2)齒軌單開道岔

齒軌道岔采用齒軌覆蓋可分式道岔系統,在既有道岔的基礎上鋪設齒軌結構。

(3)三段緩沖式出入齒過渡裝置

為了進行齒軌列車不停車進出齒軌與輪軌試驗,需要在齒軌與輪軌過渡地段設置出入齒裝置,以保證列車柔和地進入齒軌地段,防止列車被抬高產生脫軌的危險,并實現牽引齒輪及齒軌結構的準確嚙合。 入齒過渡裝置的總長度為10 m,最大寬度為0.5 m,相對鋼軌頂面的高度不大于75 mm。

(4)變軌器

既有廠區線路為標準軌,齒軌車輛為米軌軌距,故采用了在既有標準軌距兩根鋼軌內部單側套1 根鋼軌,形成準軌內的米軌。 為實現車輛上線時車輛中心線與軌道中心線對中,需要設置變軌器,實現在標準軌距兩根鋼軌內部單側套1 根鋼軌,漸變轉為沿線路中心線套2 根鋼軌。

(5)大坡道齒軌穩定性

為加強齒軌地段軌道結構縱橫向防爬能力,齒軌地段采用縱橫向防爬加強措施,在道床與基礎間設置H 形鋼防爬聯結部件,H 形鋼與齒軌段的齒條聯結在一起,H 形鋼縱向間隔按20 根軌枕距離(約11.4 m),H 形鋼豎直插入路基基床約0.5 m。

(6)擋車器

主線及側線尾部均需要布置擋車器,主線暫采用滑動式擋車器,側線采用月牙形固定式擋車器,以防止車輛出現意外,起到緩沖作用,保障試驗安全[20]。 既有廠區線路套軌起始點需要進行設置特制單根鋼軌專用擋車器,且不影響準軌運行機車車輛的正常運行。

(7)軌道總體鋪設方案

根據試驗線“1 主+1 側”和Y 形線路布局和工藝流程,主線軌道按照“純輪軌+出入齒裝置+齒軌”布置。 側線為了完成車輛間半永久牽引桿的連掛作業,需要設置1 處地溝,地溝段采用純輪軌段。 側線從主線合適位置接出,按照“齒軌道岔+出入齒裝置+純輪軌”布置。

3.4 路基

(1)路基面寬度

路基面寬度和布置是影響填挖方工程量和土建投資的重要因素。 結合試驗線路的功能特點、現場地形條件、道床結構和應急疏散要求,路基寬度取5.1 m,試驗線路基標準斷面見圖4。 較《鐵路路基設計規范》普速鐵路中的單線標準路基面最小寬度7.7 m 縮減33.8%,全線路基工程費用節約213 萬元。

圖4 試驗線路基標準斷面

(2)路基縱向穩定性

路基最大縱坡高達120‰,車體自重會產生較大下滑分力,加之車輛制動力及牽引力作用,對路基的穩定性要求較高,在縱坡較大地段應沿線路縱向開挖臺階增強路基穩定性;填方大于6 m 的路段沿線路縱向間隔20 m 設置抗滑鍵,同時采用路基加筋(如抗剪錨桿、土工格柵、土工格室等)等方式予以補強。

(3)路基防災救援工程

考慮試驗線防災救援要求,利用路堤地段排水溝平臺和路塹地段側溝蓋板平臺,作為應急步行疏散通道兼檢維修通道;在大坡度中部區域設置1 處存放區堆放滅火器、沙袋等消防器材,可滿足動調試驗時意外起火要進行現場滅火的需要;在大坡度地段設置橫向防滑鍵,供列車出現故障進行臨時維修時拉住車體,防止車輛溜車傷害維修人員。

3.5 供電系統

(1)牽引供電系統新建牽引降壓混合變電所1座,負責齒軌列車動調、靜調供電,同時為試驗線所有動力照明負荷供電。

(2)牽引供電制式采用DC1500V 接觸軌下部授流、鋼軌回流方式。

(3)側線與主線第三軌之間設置接觸軌隔離開關,分為2 個電分段,互不影響試驗和供電。

(4)為滿足試驗線在廠區線路既要滿足齒軌動車組的通行,又要滿足既有準軌車輛通行技術要求,采用一種移動式接觸軌技術,通過動態調整接觸軌的位置,解決供電第三軌與準軌車輛通過時的干涉問題。

3.6 信號系統

根據試驗線的實際需求和舍棄不需要的設備配置原則,信號系統采用了最簡化的人工操作模式和設備。

(1)列車采用人工駕駛方式,道岔由司機或試驗專職人員在軌旁通過道岔控制箱或機械設備人工控制道岔定反操作。 共涉及4 組道岔和1 組變軌器,其中1 組齒軌道岔采用軌旁控制柜電動控制,另外3 組套軌(標準軌+米軌)道岔和1 組變軌器采用機械手動控制。

(2)信號系統主要由齒軌道岔轉換及其控制系統構成,包括道岔轉換系統、現地道岔控制柜、道岔開向指示燈、防雷接地等設備,以實現齒軌道岔轉換、齒軌道岔位置表示等設備的控制和監督,同時實現齒軌道岔可動齒軌與米軌尖軌聯動控制,保證兩者開通方向一致。

3.7 噪聲測試平臺

試驗線設置了噪聲測試平臺,分別在路塹和路堤段設置噪聲監測點各1 處,以對列車運行噪聲影響進行測試,可為齒軌列車環境噪聲專題研究和環境影響分析提供參考依據。

4 結語

(1)齒軌軌道交通工程是一種新型旅游軌道交通,環境適應性強,節能環保,爬坡能力極其出色,是困難山區旅游軌道交通的最佳選擇,具有較高的應用價值。

(2)依托齒軌列車試驗線建設,開展了齒軌試驗線總體設計研究,其成果包括齒軌的工藝流程、線路設計、新型齒軌裝置、大縱坡路基、供電、信號等,可為齒軌交通工程推廣應用提供指導。