山地齒軌鐵路發展現狀及國內應用前景研究

潘相楠，唐 嵐，寇峻瑜，林世金

(1.西華大學汽車與交通學院，成都 610039； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 齒軌鐵路概述

機車在經行坡道區域時，通常需要更大的牽引力及制動力。為解決機車山區運行困難的問題，人們進行了各種嘗試，如纜索鐵路、直線電機車及磁懸浮車輛等[1-2]。而山地齒軌是一種特殊鐵路，與普通鐵路相比，齒軌鐵路在軌道中間鋪設有一條特殊的齒條，相應地運行于齒軌鐵路上的機車或動車轉向架配備有一個或多個齒輪與軌道間的特殊齒條緊密嚙合在一起[3-5]。傳統的鐵路僅依靠摩擦來實現機車行進，而齒軌機車在爬坡時能借助齒輪咬合的力量穩步行進，使得列車能在200‰以上的大坡度上安全地行駛，具備良好的可靠性及安全性[6]。此外，齒輪齒條的增加為機車提供了額外制動方式，并減少冰雪對軌道的影響。

2 國內外齒軌鐵路發展現狀

2.1 國外齒軌鐵路發展現狀

國外已建成的齒軌鐵路達180條，在用較成熟的齒軌系統有Abt、Riggenbach、Strub、Locher和Von Roll系統等，總里程超3 000 km，分布于瑞士、法國、德國、日本和澳大利亞等國[7-9]。瑞士是齒軌鐵路技術最成熟、應用經驗最多的國家，其齒軌鐵路的數量和總里程均占到世界總數的一半以上。近年來，國外新建或改建的齒軌鐵路與普通鐵路混合在一起，實現了通勤運輸與旅游觀光的結合。

2.2 國內齒軌鐵路發展現狀

因齒軌鐵路對技術的高要求及高昂的建造成本，國內還沒有應用于旅游觀光的齒軌鐵路線。隨著我國經濟的快速發展，適用于山區觀光旅游線路的齒軌列車需求日益增加，加之我國采煤機礦井運輸技術逐步走向成熟，并構建一定的海外市場，為齒軌列車的應用發展創造了條件。目前，我國都江堰、九寨溝、張家界等地已計劃修建齒軌鐵路[10-11]。四川省發改委已正式批復，同意建設都江堰至四姑娘山的齒軌項目。四川省地方標準《山地(齒軌)軌道交通技術規范》已于2019年正式發布，相信國內首條景區齒軌鐵路將會很快出現在人們面前。

3 齒軌系統類別

3.1 Blenkinsop齒軌系統

Blenkinsop齒軌系統早在1812年由John Blenkinsop應用于米德爾頓鐵路。機車左側有一個20齒、直徑3英尺的齒輪，與軌道外側的齒條相嚙合(圖1)。該系統在米德爾頓鐵路上使用了25年之久，是齒軌鐵路的首次應用。

圖1 Blenkinsop齒軌系統Fig.1 Blenkinsop rack rail system

3.2 Marsh齒軌系統

Marsh齒軌系統首次應用于美國第一條齒軌鐵路——美國華盛頓山齒軌鐵路[12]。該系統由Sylvester Marsh于1861年和1867年分別獲得美國設計與實用專利授權。它的軌道結構(圖2)是由一對角剛對稱布置，中間間隔有鉚接的圓柱銷，并固定在路基上。機車上的小齒輪有很深的齒，確保了始終至少有兩個齒與齒條嚙合，這一措施有助于減小齒輪跳動的可能性，故其結構簡單可靠。

圖2 Marsh齒軌系統Fig.2 Marsh rack rail system

3.3 Riggenbach齒軌系統

Riggenbach齒軌系統于1871年首次運用于歐洲第一條齒軌鐵路——瑞吉山齒軌鐵路，而后在齒軌鐵路中得到了大量的應用，如德國楚格峰鐵路、瑞士黃金線等[13-14]。該系統由Niklaus Riggenbach于1863年獲得法國專利。其齒軌結構(圖3)是由若干梯形單齒沿線路方向鉚接在兩側槽型鋼板或槽鋼上，并由L型角鋼固定在軌枕上，其加工精度及系統穩定性好，但制作稍顯復雜，成本更高。

圖3 Riggenbach齒軌系統Fig.3 Riggenbach rack rail system

3.4 Abt齒軌系統

Abt齒軌系統是Riggenbach的改良，由瑞士工程師Carl RomanAbt于1882年設計。其軌道是垂直的鋼板，上面用機器銑割上準確的齒坑，機車上配有相應結構交錯布置并合為一體的數量相應的齒輪(圖4)，以確保至少有一個齒輪是嚙合上的。該結構齒輪嚙合的重合系數高，與其他齒軌系統相比，可更平滑實現嚙合，運行沖擊小，運用較多。瑞士的冰川快線和日本的大井川鐵路就是采用的Abt齒軌系統。

圖4 Abt齒軌系統結構Fig.4 Abt rack rail structure

3.5 Strub齒軌系統

Strub齒軌系統應用于著名的瑞士少女峰鐵路，該系統由Emil Strub于1896年所發明，其結構與Abt相似(圖5)，采用了一根帶齒條的滾壓平底導軌，齒條齒分別加工在約3.9英寸的頭部，頂部是平的，底部形狀類似普通鋼軌，并由兩側角剛壓裝于軌枕上。安裝在機車上的安全鉗與車頭下側嚙合，以防止脫軌[15]。strub是維護最簡單的齒軌系統，并且已變得越來越流行。

圖5 Strub齒軌結構Fig.5 Strub rack rail structure

3.6 Locher齒軌系統

Locher齒軌系統成功應用于世界最陡峭的皮拉特斯山，也是唯一仍在使用該系統的齒軌鐵路[16]。它的齒軌結構(圖6)最為特別，齒形銑割在鋼軌的兩旁而不是上方，機車車輛下部由一對水平布置的齒輪同時在左右兩側嚙合齒軌。這種系統提供了非常穩定的軌道連接，也保護機車即使在最嚴重的側向風下也不會翻倒，特別適合攀爬陡峭的斜坡。但由于結構限制，該系統道岔地段不能使用標準的鐵路道岔。

圖6 Locher齒軌結構Fig.6 Locher rack rail structure

3.7 Morgan齒軌系統

Morgan齒軌系統曾用于芝加哥的礦山鐵路，該系統由Edmund C.Morgan于1900年發明。它的齒軌結構(圖7)與Riggenbach系統結構比較類似，特點是在中間的條形軌道中央每隔一定距離沖方孔用于和機車上的齒輪嚙合，其條形軌道還可作為電力機車的第三根軌道。

圖7 Morgan齒軌結構Fig.7 Morgan rack rail structure

3.8 Von Roll齒軌系統

Von Roll系統(也稱Lamella)在20世紀40年代根據Strub系統進行改進設計而來(圖8)。齒軌一般采用扁鋼制，其承受力的大小寬度在30～80 mm，可連續焊接，主要特點是安裝方便，制造成本低。從20世紀后期開始建造的大部分齒軌鐵路都使用Von Roll系統，由于VonRoll、Strub、Riggenbach三種齒軌系統的齒形基本相同，故設計用于Riggenbach或Strub系統的機車也可在VonRoll系統齒軌上使用，如瑞士的圣加侖蓋斯鐵路有著VonRoll、Strub、Riggenbach三種齒軌段。

圖8 Von Roll齒軌結構Fig.8 Von Roll rack rail structure

4 齒軌鐵路在國內環境中的應用分析

4.1 應用前景

齒軌鐵路十分適宜作為山區或旅游景區的觀光線路，也可作為礦井內運輸線路[17-18]，如湖南省張家界，四川省峨眉山、青城山、九寨溝等我國5A級山地森林景區尤為適宜。張家界地層復雜多樣，山地、丘陵、巖溶、崗地等縱橫交錯，山地面積占據總面積的76%，且坐擁世界罕見的石英砂巖峰林地貌。四川處于第一級青藏高原和第二級長江中下游平原的過渡帶，地貌復雜，以山地為主。素有“天下名山”之稱的峨眉山地處四川盆地西南邊緣，地勢陡峭，風景秀麗。而與之齊名的“青城天下幽”的青城山有“三十六峰、八大洞、七十二小洞、一百零八景”之說，諸峰環繞狀如城廓。再有中國第一個以保護自然風景為主要目的的自然保護區——九寨溝，飛珠濺玉的瀑群，古穆幽深的林莽，連綿起伏的雪峰造就了其多種多樣的地貌。在這樣的環境下，齒軌鐵路較普通旅游路線長度大大縮減，建設成本低，游客觀光性好，安全可靠性高，并對沿線植被及地質環境起到有效的保護作用，國內應用潛力巨大。

4.2 齒軌系統

四川省地方標準《山地(齒軌)軌道交通技術規范》于2018年12月起草，目前已正式發布[19]。該標準對山地齒軌鐵路各方面進行了要求，其適用于新建的1 000 mm軌距齒軌，相應的車輛容量也較小，但由于齒軌本身不能與普通鐵路接軌，車輛無法通用，因此還應對標準進行修訂完善，增加普通齒軌的相關內容。在國內具有建設1 000 mm齒軌線路經驗后，便可在客流量大及靠近其他鐵路的區域建設普通軌距齒軌。該標準中，建議齒軌形式主要為Strub模式和Locher模式，但實際上由于Locher模式只在皮拉圖斯鐵路上使用，不具備普適性，且造價相比其他齒軌形式要高很多，因此不建議新建線路采用Locher模式齒軌。未來考慮建設齒軌鐵路時，應主要采用相對成熟且普遍使用的strub模式。

4.3 道岔結構

道岔是一種使機車能夠從一條軌道引導到另一條軌道的機械裝置，齒軌道岔與齒軌系統同樣是多種多樣的。如果齒軌是起輔助作用的坡上裝置，通常在不需要齒軌的平坦區域軌道上設置傳統道岔，如西海岸荒野鐵路。在依靠機車齒輪驅動且常規軌道車輪為惰輪的系統上，必須通過齒軌道岔使齒輪齒條連續。Doudbahn道岔通過彎曲所有三條鋼軌進行工作，每兩次列車交叉駛過時都需要進行一次操作。trbské和Schynige Platte的 Strub齒軌系統取而代之的是一組復雜的移動點，這些移動點在橫向裝配道岔，同時清楚交叉方向的常規軌道。在其他一些齒軌系統中，例如Morgan系統，機車總是有多個傳動齒輪，只要中斷齒軌的距離短于傳動齒輪間的間隔，就可以通過中斷齒軌來簡化道岔[20]。再如Locher系統，這種系統的特殊結構使其很難使用正常的道岔，而是使用橫移器(圖9)，如皮拉圖斯鐵路、華盛頓山鐵路。橫移器包含兩個不同布局的軌道，通過橫移器的側向移動，可使中心齒軌軌道對齊，以便機車穿過道岔時繼續驅動前進。

圖9 作道岔的雙軌橫移器Fig.9 Double track traverse device for turnout

4.4 關鍵參數

齒軌列車齒輪通過與齒條的嚙合提供行進動力。齒軌結構是齒軌列車的動力基礎，因此對于齒軌結構關鍵參數的確定尤為重要。在初步確定結構參數時，可將齒軌結構簡化為齒輪齒條結構，借鑒國外齒軌車輛關鍵技術參數的同時，結合國內煤礦機車在齒軌方面的成功應用經驗，并根據國內齒軌車輛以及線路參數，利用Ansys等有限元分析軟件開展齒軌結構的受力分析及仿真計算，并基于齒軌服役狀態的要求，確定齒軌結構形式及模數、壓力角、齒寬、頂隙系數、齒根系數與變位系數等關鍵參數的設計值，以滿足國內齒軌鐵路應用技術條件，實現結構技術參數的選取。

圖10 齒輪齒條結構Fig.10 Rack and pinion structure

5 結語

本研究對齒軌鐵路的概況及發展、齒軌鐵路系統模式進行了介紹，并對國內齒軌鐵路建設的關鍵項提出方法與建議，為國內齒軌鐵路的研究與應用提供參考。齒軌鐵路作為觀光旅游線路早已在歐洲等地得到廣泛運用，國內眾多的山地景區具有建設齒軌鐵路的環境條件，齒軌鐵路也因其特點在國內具有很大的發展潛力。隨著山地齒軌鐵路技術的應用研究，齒軌鐵路定會成為國內建設山地觀光線路的主要選擇。