地面變軌裝置的研究與設計

劉顯錄,劉 華,魏成杰,桑淑娟,高世卿,呂小宇,袁文華

(1.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島266031)

隨著全球經濟一體化的飛速發展，跨國及跨地區的經濟往來及文化交流日益頻繁，鐵路運輸成為各國和各地區之間的經濟紐帶，成為國際聯運中首選的運輸工具。但由于政治、經濟和技術等原因，各國各地區的鐵路運輸存在多種軌距的狀況，不同軌距的線路嚴重影響了各國、各地區之間的鐵路運輸和經濟往來。為了有效解決不同軌距線路的直通運行，可變軌距轉向架(以下稱“變軌轉向架”)應運而生。變軌轉向架有多種形式，無論其形式如何，都必須設置與之匹配的地面軌距調整控制裝置(簡稱“地面變軌裝置”)才能完成列車在動態下自動變軌的過程。研究地面變軌裝置，實現變軌轉向架輪對內側距的改變，保證其在不同軌距線路上安全運行，對實現國際鐵路高速、高效互聯互通，推動國際經濟合作及發展具有重大意義。本文設計了一種適用于1 435 mm和1 520 mm軌距的標準軌距地面變軌裝置。

1 國內外地面變軌裝置發展現狀

國外研究變軌距技術最早的國家是西班牙，其他國家還有德國、波蘭、瑞士、俄羅斯、日本、韓國等，每個國家的變軌轉向架均有各自的技術體系。西班牙和日本已研發出300 km/h以上的高速變軌距轉向架。

1.1 西班牙

西班牙有多年的變軌車輛(200 km/h)安全運營經驗。西班牙地理位置特殊，其陸地通往歐洲大陸的唯一通道是經由法國，西班牙鐵路的軌距為1 668 mm的寬軌，而法國則為1 435 mm的標準軌距。在此背景下，西班牙開始研究設計輪對內側距可調的轉向架，1966年Talgo公司設計出了TalgoRD變軌距系統并投入了使用，其中配備了Talgo平臺地面變軌裝置，這是第一代地面變軌裝置。

90年代初期，Talgo公司優化了地面變軌裝置，其具有質量輕、成本低的優點。同一時期，CAF公司也開發出了CAF變軌平臺地面變軌裝置，這兩家公司的變軌裝置共同構成了西班牙的第二代地面變軌裝置。

21世紀，西班牙的Adif鐵路管理機構希望列車能在國內所有軌道上運行，所以在2003年與2007年分別設計出了TCRS1和TCRS2變軌裝置，這2種設備構成了第三代地面變軌裝置。

在2009年與2010年，Adif又設計出了TCRS3和TCRS4變軌裝置，前者為一體式變軌裝置平臺，適用于Talgo和CAF的2種車型；后者更為先進，囊括了前幾家公司的所有優點。這2種設備構成了第四代地面變軌裝置[1]。

1.2 日本

日本是一個包含有多種軌距的國家，其中90%為1 067 mm軌距的窄軌，10%為包括新干線1 435 mm軌距的標準軌、1 372 mm和762 mm軌距的窄軌。為解決標準軌(1 435 mm)與窄軌(1 067 mm)的聯運問題，日本開始發展自動變軌技術，以實現列車在不同軌道上的運行。

日本在20世紀90年代提出了“Gauge Change Train”Project(“變軌列車”項目)，至今已經開發出三代產品。1998—2006年，開發出了采用獨立旋轉車輪的E30型電動車組的變軌距動力轉向架，開始了第一代可變軌距動車組的調試，其對應的地面變軌裝置可以實現獨立輪輪對和傳統輪對準軌/窄軌的軌距變換；2006—2013年，第二代可變軌距動車組在日本多地區線路試驗成功；2014年至今，第三代動車組一直在進行可靠性試驗，其對應的地面變軌裝置與第一代地面變軌裝置保持一致[2]。日本一直在進行變軌列車試驗驗證，尚未投入實際使用。

1.3 波蘭

波蘭鐵路于20世紀90年代研制出SUW2000型變軌距輪對，這種輪對能夠使客貨車平穩地從1 435 mm軌距向1 520 mm軌距及相反方向過軌。波蘭的23AN/S型客車轉向架和4RS/N型貨車轉向架采用了SUW2000型變軌距輪對，可以不停車通過國境，從而避免現行換輪方法帶來的不便。SUW2000型變軌距輪對結構主要由車軸、車輪、鎖閉裝置、標準軸托軸承、外防護蓋、內防護蓋、支撐環和保險螺母組成。正常運行時SUW2000型變軌距輪對的左右車輪以整體輪對形式運轉[3]。

1.4 德國

德國RadsatzfabrikIlsenburg公司與德鐵Minden研究中心共同開發了DBAG/Rafil V型變軌距輪對及對應的地面變軌裝置[4]，其主要原理是兩側車輪沿軌道向前運行，輪緣在槽軌中運行，車輪無卸載，且地面變軌裝置中也沒有用于支撐軸箱的支撐軌。這樣的地面變軌裝置結構簡單，不占用空間，但是滑動磨損較為嚴重，且不夠靈活[5-6]。

1.5 中國

我國目前跨國聯運采用的是更換轉向架或整體換裝的方式。自1998年以來，我國年進口量增長率在32%左右，這使得我國現有10處鐵路口岸站的貨物吞吐量壓力日益增加，而我國關于地面變軌裝置等變軌技術的研究才剛剛開始，變軌關鍵技術尚未掌握，僅限于一些高校的論文和專利，而與變軌車輛配套的地面軌距調整裝置更是技術空白，還要專業技術人員的持續研究和開發。

2 地面變軌裝置設計方案

地面變軌裝置放置于不同軌距線路的結合處，當變軌轉向架車輛以不大于15 km/h的速度通過變軌裝置時，在地面變軌裝置的作用下自動調整輪對內側距，實現軌距的自動變換，使動車無需采用轉運、交換走行部等方式實現變軌距運行，極大提高了軌距調整的效率。地面變軌裝置主要技術參數見表1。

2.1 系統組成

地面變軌裝置從系統劃分主要由機械系統、變軌監測系統、伴熱融雪系統、絕緣防護系統及電氣控制系統組成。

2.1.1 機械系統

機械系統包括軌道接口裝置、軸箱抬起裝置、橫向對中裝置、解鎖(鎖閉)裝置、軌距調整裝置、枕梁裝置以及防護軌道、下沉軌道等正常工作用附屬裝置。圖1為地面變軌裝置機械系統組成。

2.1.1.1軸箱抬起裝置

軸箱抬起裝置(圖2)由垂向承載滾動輪、滾動輪支撐座和滾動輪固定蓋板組成。軸箱抬起裝置布置在變軌裝置的整個區段，兩側對稱設置。軸箱抬起裝置上部承載面距列車正常走行鋼軌軌面高度按轉向架車輪最大磨耗時軸箱承載座距軌面的高度尺寸進行設計，并采用接口區傾斜下沉軌道的連續逐漸下降方式，避免列車進入地面變軌裝置時產生瞬間動態沖擊。

圖2 軸箱抬起裝置

2.1.1.2橫向對中裝置

橫向對中裝置(圖3)由橫向對中滾動輪、滾動輪支撐座和滾動輪固定蓋板組成。橫向對中裝置設置在軸箱抬起裝置的外側，豎向布置，對稱分布，在進出裝置兩端位置設有引入段。采用等邊角鋼加筋的方式將橫向對中裝置固定在底座上。在每段橫向對中裝置外側安裝頂絲，用于在橫向對中裝置安裝和維護時進行橫向調節和控制安裝精度。

圖3 橫向對中裝置

2.1.1.3解鎖(鎖閉)裝置

解鎖(鎖閉)裝置設置在軸箱抬起裝置和橫向對中裝置之間，并在其縱向(變軌裝置長度方向)兩端分別設置一解鎖(鎖閉)導軌，呈對稱分布。在解鎖(鎖閉)裝置的起始位置和結束位置分別設置長度為100 mm、形狀為喇叭口的引入段導軌。解鎖(鎖閉)導軌結構如圖4所示，導軌為傾斜C形槽結構，開口方向朝向鐵路線路中心。該結構滿足列車空載/重載、新輪/舊輪等各種正常運行情況下變軌轉向架車輪解鎖和鎖閉功能的使用需求。為了減少正常解鎖、鎖閉磨耗對其尺寸的影響，在解鎖(鎖閉)導軌槽內上下摩擦面設有耐磨層，同時保證變軌過程中解鎖(鎖閉)裝置不與變軌距轉向架發生干涉。

圖4 解鎖(鎖閉)導軌

2.1.1.4軌距調整裝置

軌距調整裝置由導向及安全緩沖機構、輪輞內側驅動軌距調大機構、輪輞外側驅動軌距調小機構組成(圖5)。軌距調整裝置采用雙側平行“八”字形布置，內側安裝高強度非金屬耐磨板，防止軌距調整時損傷車輪，安全緩沖機構兼顧導向定位功能，確保列車軌距調整結束后，每個輪對內側距處于合理的尺寸范圍，為下一步車輪鎖閉做準備。

圖5 軌距調整裝置

2.1.2 其他系統

(1) 變軌監測系統用于車輛在行進時的在線檢測，所以采用高精度激光位移傳感器進行非接觸式的測量。

(2) 伴熱融雪系統是在地面變軌裝置的關鍵部件上布置的電加熱系統，主要由電加熱元件、電壓隔離器、溫度傳感器、控制系統及工裝卡具等組成。伴熱融雪系統用于防止積雪對設備運行的影響，使裝置能夠適用于低溫環境。

(3) 絕緣防護系統的保護措施主要有接口處二次絕緣、涂刷絕緣漆以及設置絕緣墊；整個設備接地處理；在鋼軌與設備連接處增加鋼軌絕緣接頭。

(4) 電氣控制系統主要包括輪對內側距監測系統、輪對變軌應變監測系統以及警示燈報警系統。

2.2 變軌工作過程

地面變軌裝置設有1 435 mm標準軌接口區、輪對卸載(加載)區、車輪解鎖(鎖閉)區、輪對安全緩沖及軌距調整區、車輪鎖閉(解鎖)區、輪對加載(卸載)區、1 520 mm寬軌接口區等功能區段，滿足變軌轉向架輪對卸載、車輪解鎖、輪對內側距調整、車輪鎖閉、輪對加載等變軌功能，同時滿足變軌列車在1 435 mm標準軌和1 520 mm寬軌間雙向自動變軌使用需求。圖6為地面變軌裝置功能區分布情況。

圖6 地面變軌裝置功能區分布

下面以列車從1 435 mm標準軌向1 520 mm寬軌變軌過程為例，對其工作過程進行說明。

(1) 列車低速(≤30 km/h)由1 435 mm標準軌區駛入地面變軌裝置，前進過程中列車走行鋼軌逐漸傾斜下沉，使變軌轉向架軸箱承載座通過軸箱抬起裝置引入段并逐漸落在軸箱抬起裝置承載滾輪上，整車載荷逐漸由車輪向軸箱抬起裝置上轉移，直到車輪載荷完全卸掉，即車輪踏面脫離軌道，處于懸空狀態，如圖7所示。

圖7 卸載示意圖

(2) 變軌轉向架進入解鎖區段，通過解鎖(鎖閉)導軌傾斜凹槽與轉向架鎖閉機構密切配合，推動轉向架鎖閉機構軸銷逐漸上移，直至軸銷與車輪軸銷準軌導槽完全脫離，使車輪橫向位置處于自由狀態，如圖8所示。

(3) 變軌轉向架進入軌距調整區，在軌距調整裝置橫向導向壓力作用下，車輪被迫自動向外側移動，車輪軸套跟隨車輪向外側移動，直至車輪軸銷與軸銷寬軌導槽對齊，如圖9所示。

(4) 如圖10所示，變軌轉向架完成軌距調整并進入定位導向段，實現軸箱銷口與插銷準確對位，然后在解鎖(鎖閉)導軌傾斜凹槽的作用下，將轉向架鎖閉機構軸銷逐漸下移，直至軸銷完全進入車輪軸銷寬軌導槽內，完成車輪鎖閉動作，此時車輪橫向位置固定，不可移動。

(5) 變軌轉向架軌距變換完成，隨著列車走行鋼軌的逐漸抬升，整車載荷逐漸由軸箱抬起裝置向車輪過渡和轉移，并使列車可靠進入1 520 mm寬軌區段，完成整個軌距變換過程，駛出地面變軌裝置。

同理，列車從1 520 mm寬軌區向1 435 mm標準軌區的變距過程與上述列車從1 435 mm標準軌區向1 520 mm寬軌區域的變軌原理相同，地面變軌裝置具有雙向通過性。

3 分析計算

3.1 垂向承載滾動輪承載可行性分析

垂向承載滾動輪是軸箱抬起裝置的關鍵部件，主要由輥筒、輥軸和軸承組成。垂向承載滾動輪承載整車重量，并受沖擊、摩擦和腐蝕等的影響，因此材料需具有一定的強度、剛性和抗腐蝕性。在軸承形式、密封方式、安裝維護、尺寸精度、表面處理、加工工藝等方面對垂向承載滾動輪進行對比分析和結構優化，最終確定垂向承載滾動輪的結構如圖11所示。

圖11 垂向承載滾動輪結構示意圖

變軌轉向架每個軸箱承載座作用在垂向承載滾動輪上的垂向載荷為125 kN，為了提高整體承載能力和變軌平順性，必須保證任何時刻每個軸箱承載座至少與3個滾動輪相接觸，所以單個滾動輪上的垂向載荷設計為45 kN。為了真實模擬線面接觸應力，便于加載荷分析，建立軸箱承載座與3個滾輪接觸的等效有限元模型，將3個滾輪內的6處軸承安裝面約束，模型采用六面體網格劃分，單元尺寸為3 mm，單元數量為468 843，節點數量為523 097，如圖12所示。

圖12 加載與約束情況

圖13是垂向承載滾動輪組成的應力云圖和變形圖。可以看出最大位移出現在輥筒處，為0.050 mm；最大應力出現在底座處，為178.3 MPa，底座采用的材質是Q345E，其屈服強度為345 MPa，安全系數為1.93，滿足設計要求。

圖13 垂向滾動輪承載組成應力云圖和變形圖

根據變軌過程中垂向滾動輪的實際受力情況專門設計制作了滾動輪綜合性能試驗臺，經過承載能力試驗和1×105次疲勞試驗之后，垂向承載滾動輪無異常變形和不均勻磨損，運動過程中垂向承載滾動輪內部及與承載座之間接觸無異常噪聲，滾動輪轉動靈活，與承載座之間可靠無松動，滾動輪表面、內部及承載座未發現缺陷。垂向承載滾動輪臺架試驗如圖14所示。

圖14 垂向承載滾動輪臺架試驗

綜上所述，垂向承載滾動輪符合變軌承載及其使用要求。

3.2 列車通過性分析

地面變軌裝置是按照車輪最大磨耗尺寸(直徑850 mm)進行設計的。但在車輪磨損后，位于地面變軌裝置上的轉向架比處于正常走行軌道上的轉向架相對位置低，轉向架相對位置存在高度差(極限為35 mm)，導致車廂與車廂之間存在一定的角度，為保證列車具有安全的通過性，車廂之間的活動角度要在車鉤活動角度的安全范圍之內。

根據以上所述情況，可將轉向架相對位置的變化分為2種工況。

工況1：單節車廂的2個轉向架只有一個轉向架在地面變軌裝置上，另一個在正常走行軌道上。

工況2：單節車廂的2個轉向架都在地面變軌裝置上，相鄰車廂的轉向架在正常走行軌道上。

列車尺寸如圖15所示。在通過性校核計算過程中，新車車輪直徑為920 mm，車輪磨損極限狀態車輪直徑為850 mm。

圖16為工況1的示意圖。從圖16可以看出，單節車廂前后轉向架處于不同狀態，一個位于正常走行鋼軌之上，另一個位于地面變軌裝置上，通過計算校核，車廂傾斜角度為0.26°。

圖16 工況1示意圖

圖17為工況2的示意圖。從圖17可以看出，兩節車廂的轉向架處于不同狀態，一節車廂位于正常走行鋼軌之上，另一節車廂位于地面變軌裝置上，通過計算校核，兩節車廂連接處傾斜角度為4°。

圖17 工況2示意圖

動車組車鉤活動范圍是-6°～6°，所以，以上2種工況都滿足車鉤的活動范圍要求。

4 變軌裝置與轉向架的線路變軌試驗

2019年10月底完成了地面變軌裝置的線路安裝、調整及調試，11月底之前完成了變軌裝置與變軌轉向架配合試驗驗證，并順利實現了接口功能、輪對卸載、車輪解鎖、輪對內側距調整、車輪定位鎖閉、輪對加載等標準軌-寬軌雙向動態自動變軌功能，變軌過程中轉向架運行順暢、平穩，接口匹配和各項功能轉換良好，證明地面變軌裝置設計方案及其結構滿足變軌項目使用需求。變軌裝置與轉向架的線路變軌試驗如圖18所示。

圖18 變軌裝置與轉向架的線路變軌試驗

5 結束語

地面變軌裝置是一種專為變軌距列車及其轉向架實現自動軌距轉換功能的關鍵裝備，安裝在不同軌距的軌道連接處，僅需列車以低速通過地面變軌裝置便可實現輪對軌距的自動切換。

本文所設計的地面變軌裝置適用于1 435 mm和1 520 mm鐵路軌距。該裝置可實現自動雙向變軌功能，具有以下優點：

(1) 能夠自動完成鎖緊與解鎖。

(2) 模塊化設計，包裝與運輸快捷，安裝效率高。

(3) 配置伴熱融雪系統，高效清除冰雪，保護裝置，提高試驗效率，適用于-40～50 ℃的溫度工作范圍。

(4) 軸箱支撐導軌采用圓柱形支撐輥子結構，極大地減小了摩擦阻力與磨損。

(5) 通過更換不同的導向軌，該裝置可適用于600 mm、760 mm、1 000 mm、1 435 mm和1 520 mm等多種軌距之間的轉換，兼容性強。但地面變軌裝置質量較大，稍顯笨重，后續可通過精簡優化結構、輕量化設計等進步優化，以更加節約成本。