齒軌岔區(qū)可動(dòng)齒條轉(zhuǎn)換方案探討

王堅(jiān)強(qiáng)，盧劍鋒，陳志輝，楊吉忠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

齒軌鐵路主要服務(wù)于山區(qū)鐵路、以觀光旅游為主的鐵路客運(yùn)或煤礦井下輔助設(shè)備運(yùn)輸鐵路[1-2]，是一種在傳統(tǒng)輪軌的基礎(chǔ)上增加齒條，車(chē)輛配置齒盤(pán)，通過(guò)齒條和齒盤(pán)嚙合行走的軌道交通制式，爬坡能力強(qiáng)，相對(duì)于我國(guó)山地非常廣的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。而齒軌道岔是一種使齒軌列車(chē)從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備，也是齒軌軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一，相對(duì)于傳統(tǒng)的輪軌道岔，齒軌道岔結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而齒軌道岔能否可靠地轉(zhuǎn)動(dòng)到位，會(huì)直接影響到齒軌列車(chē)的行車(chē)效率和安全，因此，齒軌道岔轉(zhuǎn)換方案的可靠性、安全性及可維護(hù)性等，也直接關(guān)系著齒軌制式的應(yīng)用與推廣。

1 齒軌岔區(qū)結(jié)構(gòu)及原理

齒軌岔區(qū)如圖1所示，主要包括傳統(tǒng)輪軌道岔和岔區(qū)齒條，而岔區(qū)齒條又由岔區(qū)固定齒條和岔區(qū)可動(dòng)齒條（含聯(lián)接桿）組成，岔區(qū)可動(dòng)齒條包含4根可動(dòng)齒條（可動(dòng)齒條1、可動(dòng)齒條2、可動(dòng)齒條3和可動(dòng)齒條4）、一根長(zhǎng)聯(lián)接桿和一根短聯(lián)接桿，可動(dòng)齒條1和4通過(guò)長(zhǎng)聯(lián)接桿連接，動(dòng)作方向一致，可動(dòng)齒條2和3通過(guò)短聯(lián)接桿連接，動(dòng)作方向一致，可動(dòng)齒條1和4與可動(dòng)齒條2和3動(dòng)作方向相反，齒軌岔區(qū)狀態(tài)與傳統(tǒng)輪軌道岔、可動(dòng)齒條狀態(tài)關(guān)系，如表1所示。

表1 齒軌道岔關(guān)系表Tab.1 Rack rail turnout relationship table

圖1 齒軌岔區(qū)Fig.1 Rack rail turnout section

2 國(guó)外現(xiàn)狀

山地（齒軌）軌道交通在國(guó)外有著較為廣泛的應(yīng)用。早在1869年，美國(guó)在新罕布什州華盛頓山建成了世界上第一條齒軌鐵路，至今已安全運(yùn)營(yíng)了140余年。目前，以瑞士、德國(guó)及美國(guó)為代表，世界范圍現(xiàn)已有20多個(gè)國(guó)家建成齒軌鐵路線路180余條[4]。國(guó)外齒軌岔區(qū)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要包括一臺(tái)轉(zhuǎn)轍設(shè)備和連接桿件構(gòu)成。其轉(zhuǎn)轍設(shè)備與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)完全不一樣，采用雙動(dòng)作桿且無(wú)表示桿，雙動(dòng)作桿動(dòng)作方向相反，一根動(dòng)作桿與可動(dòng)齒條1連接，通過(guò)長(zhǎng)聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條4動(dòng)作；一根動(dòng)作桿與齒條2連接，通過(guò)短聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條3動(dòng)作，具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便維護(hù)；轉(zhuǎn)轍器采用雙動(dòng)作桿，兩動(dòng)作桿作用方向相反，且兩動(dòng)作桿作用線存在一定夾角，可動(dòng)齒條到位情況通過(guò)動(dòng)作桿位置確定；轉(zhuǎn)轍器無(wú)表示桿，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可動(dòng)齒條是否轉(zhuǎn)動(dòng)到位的閉環(huán)監(jiān)測(cè)。

目前此道岔轉(zhuǎn)換方案在國(guó)內(nèi)并未應(yīng)用，同時(shí)，在國(guó)內(nèi)軌道交通道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)具備相應(yīng)的安全認(rèn)證，國(guó)外的齒軌道岔轉(zhuǎn)換方案并不適應(yīng)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文提出了以下兩種齒軌岔區(qū)轉(zhuǎn)換方案。

3 齒軌岔區(qū)轉(zhuǎn)換方案

3.1 三點(diǎn)牽引方案

1）轉(zhuǎn)換方案

齒軌道岔區(qū)牽引道岔采用三機(jī)三點(diǎn)牽引，其中傳統(tǒng)輪軌道岔處采用一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引，岔區(qū)齒條處采用兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)對(duì)兩組可動(dòng)軌條單獨(dú)牽引。本文對(duì)傳統(tǒng)輪軌道岔的轉(zhuǎn)換方案不再描述，僅對(duì)岔區(qū)齒條處轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

三點(diǎn)牽引齒軌岔區(qū)可動(dòng)齒條轉(zhuǎn)換方案如圖2所示，齒軌道岔兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)，一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作桿與臨近的外側(cè)齒條（可動(dòng)齒條1或4）連接，表示桿與另一側(cè)的外側(cè)齒條連接，若采用雙表示桿，則兩根表示桿分別與兩側(cè)的外側(cè)齒條連接；另一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作桿與臨近的內(nèi)側(cè)齒條（可動(dòng)齒條2或3）連接，表示桿與另一側(cè)的內(nèi)側(cè)齒條連接，若采用雙表示桿，則兩根表示桿分別與兩側(cè)的內(nèi)側(cè)齒條連接。三點(diǎn)牽引齒軌岔區(qū)可動(dòng)齒條動(dòng)作原理采用兩套閉環(huán)動(dòng)力傳遞方式，轉(zhuǎn)轍機(jī)1通過(guò)動(dòng)作桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條1，可動(dòng)齒條1通過(guò)長(zhǎng)聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條4，可動(dòng)齒條4通過(guò)表示桿將位置信息反饋至轉(zhuǎn)轍機(jī)1；同時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)2通過(guò)動(dòng)作桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條2，可動(dòng)齒條2通過(guò)短聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條3，可動(dòng)齒條4通過(guò)表示桿將位置信息反饋至轉(zhuǎn)轍機(jī)2。

圖2 三點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換方案Fig.2 Three-point traction conversion scheme

2） 設(shè)計(jì)方案

道岔轉(zhuǎn)換采用輪軌、齒軌同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換方式。其中，輪軌、齒軌采用轉(zhuǎn)轍機(jī)順序啟動(dòng)，以錯(cuò)開(kāi)電機(jī)啟動(dòng)電流峰值[5]。3臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)在控制距離允許的情況下，由5芯電纜芯線控制，芯線數(shù)不包括監(jiān)測(cè)和電話芯線。除滿足《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)要求外，還應(yīng)滿足下列要求[6]：室外控制、表示電路采用五線制設(shè)計(jì)；在三相電源缺相的情況下，具有自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)控制電路的功能；多機(jī)牽引的道岔控制電路，其中任一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)切斷該道岔的控制電路[7]；多機(jī)牽引一組道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)應(yīng)按順序錯(cuò)峰啟動(dòng)；在30 s內(nèi)道岔未轉(zhuǎn)換到位時(shí)，自動(dòng)切斷控制電路，此條可根據(jù)實(shí)際需要考慮設(shè)置與否；電路采用組合化設(shè)計(jì)。

3）特點(diǎn)

采用軌道交通轉(zhuǎn)換設(shè)備，技術(shù)成熟；兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)分動(dòng)控制，可靠性高；每臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)采用閉環(huán)控制，安全性高。可動(dòng)齒條處需要在線路雙側(cè)安裝兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)，對(duì)岔區(qū)工程條件要求高。

3.2 兩點(diǎn)牽引方案

1）轉(zhuǎn)換方案

齒軌道岔區(qū)牽引道岔采用雙機(jī)兩點(diǎn)牽引，其中傳統(tǒng)輪軌道岔和岔區(qū)齒條處各采用一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引，并在岔區(qū)齒條設(shè)置一臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置[8]。

兩點(diǎn)牽引齒軌道岔區(qū)可動(dòng)齒條轉(zhuǎn)換方案如圖3所示。齒軌道岔一側(cè)設(shè)置一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作桿和表示桿同時(shí)與臨近的外側(cè)齒條（可動(dòng)齒條1或4）連接。轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置于道岔另一側(cè)，與另一側(cè)的外側(cè)齒條和內(nèi)側(cè)齒條連接。密貼檢查器與轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)置于同側(cè)，其表示桿與就近的內(nèi)側(cè)齒條連接。兩點(diǎn)牽引齒軌岔區(qū)可動(dòng)齒條動(dòng)作原理采用一套閉環(huán)動(dòng)力傳遞方式，轉(zhuǎn)轍機(jī)通過(guò)動(dòng)作桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條1，同時(shí)通過(guò)表示桿實(shí)時(shí)反饋可動(dòng)齒條1位置。可動(dòng)齒條1通過(guò)長(zhǎng)聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條4，可動(dòng)齒條4通過(guò)外側(cè)聯(lián)接桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)將作用力反向，再通過(guò)內(nèi)側(cè)聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條3，可動(dòng)齒條3通過(guò)短聯(lián)接桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條2，可動(dòng)齒條2通過(guò)密貼檢查器表示桿將位置信息反饋至密貼檢查器，密貼檢查器通過(guò)電氣接口將可動(dòng)齒條2的位置信息實(shí)時(shí)反饋至轉(zhuǎn)轍機(jī)。

圖3 兩點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換方案示意Fig.3 Two-point traction conversion scheme

2）設(shè)計(jì)方案

道岔轉(zhuǎn)換采用輪軌、齒軌同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換方式。其中，輪軌、齒軌采用轉(zhuǎn)轍機(jī)順序啟動(dòng)，以錯(cuò)開(kāi)電機(jī)啟動(dòng)電流峰值。兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)在控制距離允許的情況下，由5芯電纜芯線控制，芯線數(shù)不包括監(jiān)測(cè)和電話芯線。除滿足《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)要求外，還應(yīng)滿足下列要求。

室外控制、表示電路采用五線制設(shè)計(jì)；在三相電源缺相的情況下，具有自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)控制電路的功能；多機(jī)牽引的道岔控制電路，其中任一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)切斷該道岔的控制電路；多機(jī)牽引一組道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)應(yīng)按順序錯(cuò)峰啟動(dòng)；電路采用組合化設(shè)計(jì)。

3）特點(diǎn)

轉(zhuǎn)撤機(jī)、密貼檢查器和轉(zhuǎn)換裝置機(jī)箱分別設(shè)于軌道的兩側(cè)，便于維護(hù)；轉(zhuǎn)換裝置無(wú)成熟產(chǎn)品，需要?jiǎng)?chuàng)新研發(fā)；串聯(lián)的形式相連接，作用力逐級(jí)傳遞，若某一可動(dòng)齒條發(fā)生斷裂或變形，作用力不會(huì)繼續(xù)傳遞下去；轉(zhuǎn)轍機(jī)、密貼檢查器表示桿分別反饋第一級(jí)和最后一級(jí)所述可動(dòng)齒軌位置，實(shí)現(xiàn)了位置狀態(tài)的閉環(huán)反饋，提高了位置狀態(tài)反饋的可靠性、可用性和安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)山地軌道交通齒軌制式的工程實(shí)際應(yīng)用，因此更是缺乏針對(duì)道岔等關(guān)鍵軌道設(shè)備的研究，相關(guān)產(chǎn)業(yè)總體水平較為滯后。因而，亟待開(kāi)展山地軌道交通齒軌道岔及其轉(zhuǎn)換系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成完備的齒軌道岔所需的理論依據(jù)與技術(shù)體系，其成果也將推動(dòng)新制式軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，構(gòu)建山地軌道交通品牌工程。