不同軌距間列車不停車通行技術研究

張 航，于浩文，賀進帆，張作凱

（內蒙古大學，內蒙古 呼和浩特 010021）

1 引言

“一帶一路”倡議構想使中亞、歐洲等國之間的經(jīng)貿交流日益頻繁，推動了國際聯(lián)運和區(qū)域間運輸?shù)陌l(fā)展。根據(jù)報道，2019年中國同“一帶一路”沿線國家貿易額占中國總貿易額的29.4%。近年來“一帶一路”構想順利實踐，中國與世界聯(lián)系日益緊密，同“一帶一路”沿線國家往來更加頻繁：中歐班列開通、中哈霍爾果斯邊境合作中心項目實施、中巴經(jīng)濟走廊建設等一大批國家戰(zhàn)略重點工程都離不開交通設施的連通。與公路、水陸、航空和管道運輸方式相比，鐵路運輸以其運量大、能耗低、污染小、成本低、安全快捷等特點，成為國際聯(lián)運和區(qū)域間運輸方式的首選。

但是與中國絲綢之路經(jīng)濟帶密切相關的國家之間的鐵路軌距存在較大差異，其中歐洲大部分國家、土耳其、伊朗以及中國為標準軌距1 435 mm；俄羅斯以及其他前蘇聯(lián)國家采用的是軌距為1 520 mm的寬軌；孟加拉國、巴基斯坦等南亞國家多數(shù)采用1 676 mm的寬軌；東南亞地區(qū)的緬甸、越南等國則多數(shù)采用軌距為1 000 mm的窄軌。亞歐大陸橋上主要存在這4種不同軌距的線路，這些軌距差異嚴重阻礙了中國與絲綢之路經(jīng)濟帶沿線各國間的經(jīng)貿合作，所以解決不同軌距之間的運輸問題具有十分重大的意義。目前，世界上主要采取以下幾種措施來解決不同軌距之間的國際聯(lián)運問題：統(tǒng)一線路軌距、轉運、換裝或換乘、更換走行部、采用駝背運輸車及采用變軌距轉向架。相比其他類方法，采用變軌距轉向架具有過軌時間短、效率高、運營費用低的特點，因此采用變軌距轉向架技術來進行絲綢之路經(jīng)濟帶的鐵路聯(lián)運必然成為首選。但是目前在“一帶一路”跨國鐵路運輸中采用的主要是轉運換乘，更換行走部的方法，這種模式通關時間較長，變軌作業(yè)效率不高，影響物流貨運速度。為了更好地推進“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，必須要解決作為絲綢之路經(jīng)濟帶的交通紐帶——亞歐大陸橋鐵路軌距不同條件下的列車高效通行問題。而目前在國際聯(lián)運中，鑒于變軌距轉向架技術在運輸中省時便利的優(yōu)勢，采用此模式進行鐵路貿易運輸是十分行之有效的措施，因而研究高性能高速度的變軌距轉向架技術具有十分重要的現(xiàn)實意義。

改進后的新變軌距輪對模型可以完成不停車高速通過變軌段時變軌的任務。現(xiàn)有的變軌技術在利用傳統(tǒng)輪對的車輪能夠沿車軸移動，或者是獨立旋轉車輪隨軸承一起沿車軸移動這一變軌基本原理的基礎上，執(zhí)行的變軌過程如下：車輪或者輪對軸承被釋放—車輪向里或者向外移動（依賴于所需軌距）—車輪或者輪對軸承在相應的新軌距位置被鎖緊。變軌距輪對的操作能力依賴于車輛運行時鎖緊機構的可靠性，尤其是通過軌距變換裝置時的靈活性。通過各種技術考量，最終軌距變換過程是在車輛以不大于15 km/h速度通過固定的軌距變換設施時自動完成的。因此，為了打破變軌距階段車輛通行的速度限制，需要建立新的變軌理論，使用新的變軌方法建立變軌輪對模型。現(xiàn)存的變軌模型，軌距變換設施必須與特殊的輪對設計相一致。車輪必須在相應軌距位置鎖緊以防止軸向移動。在提出改進的變軌距輪對模型后，設計配套的地面變軌段，與上述新的變軌輪對一同組建成新的高速變軌距輪軌模型，對順利實現(xiàn)列車通過變軌段尤為重要。

2 改進方向及解決方案

在切實分析了現(xiàn)今“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展具體情況后，重點針對中外鐵路運輸軌距不兼容問題提出解決方案。目前中外鐵路聯(lián)運仍未使用自動變軌轉向架技術，而是在兩種鐵軌交界處設立轉換站，采用轉運換裝的方法。和高速自動變軌距技術相比，目前的方案效率低下，會消耗大量的時間金錢成本和人力成本。為改變這一現(xiàn)狀，在借鑒國內外研究成果的基礎上，設計可在高速行駛狀態(tài)下自動完成變軌任務的輪軌模型。具體可從下面幾個方面改進：①輪對位置調整方法及其與軌距適應技術的研究。研究現(xiàn)有軌距對應的輪對的結構體系及空間分布，基于現(xiàn)有變軌距技術，研究不同軌距差之間的輪對調整方法和裝置，研究不同輪對調整方法的結構差異和時耗差異。②變軌距過渡段結構布局研究。研究不同輪對位置調整方法下變軌矩過渡段的結構形式、幾何布局及通行方式等，研究不同變軌距過渡段結構形式等因素對通行速度的影響。③高效變軌模型理論研究。基于上述研究，找到制約變軌效率的因素，提出新的變軌思路，以此為指導設計新的變軌模型，使新建立的變軌模型克服現(xiàn)有變軌模式的不足。

對具體的邊軌問題提出解決方案。首先調研“一帶一路”沿線國家軌距分布情況，現(xiàn)采取的鐵路國際聯(lián)運措施、通關方式及鐵路運輸效率通關成本等現(xiàn)實條件，確立項目迫切需要研究解決哪些軌距的高速不停車變軌任務。然后對確立項目解決研究的目標變軌段進行相關數(shù)據(jù)收集，在采用自動變軌轉向架技術的通關關口對輪對型號、踏面類型、鋪設的鐵軌規(guī)格、地面變軌段鋪設方式、輪軌接觸面積、車軸伸縮變化長度、解鎖鎖緊裝置所受橫向力、變軌過程占用時間及現(xiàn)行列車變軌時最大允許通行速度和允許最大沉重載荷等基本物理指標進行數(shù)據(jù)收集。接著根據(jù)上述研究中得到的相關數(shù)據(jù)分析輪對調整方法、變軌軌道鋪設的幾何結構及前后變軌軌距差異與變軌速度（效率）之間的關系。基于以上研究，總結影響變軌速度的主要因素，為提高變軌效率、建立高速不停車通過變軌段的輪對軌道模型提供改進方向和優(yōu)化角度。現(xiàn)有的變軌距輪對的操作能力依賴于運行時鎖緊構件的可靠性，尤其是通過軌距變換裝置時的靈活性，目前軌距變換過程是在車輛以不大于15 km/h速度通過固定的軌距變換設施時自動完成的。因此具體分析如何改進輪對結構，設計配套的地面變軌段，提出更加高效簡便的變軌模型，擺脫鎖緊裝置對列車通過變軌段的速度限制，就會實現(xiàn)高速不停車變軌工作的目的。建立改進后的允許高速通過變軌段的可自動變軌的輪對軌道模型，通過理論分析、實驗驗證的方法，檢驗新的輪軌模型能否順利完成高速變軌過程，與原有的變軌過程進行對比，總結改進后變軌模型的優(yōu)勢及變軌工作原理的創(chuàng)新。

通過研究不同構件性能參數(shù)、地面配套變軌設施和列車變軌效率，找到影響列車變軌效率的“最大瓶頸”，從而找到項目研究的突破口。提出改進的變軌距輪對模型，保證列車運行安全穩(wěn)定的前提下高速通過變軌段，無需減速行駛，這一技術優(yōu)勢會提高鐵路通行效率，有效支持鐵路提速的大戰(zhàn)略，加強中國國際高效聯(lián)運的能力。配合改進的變軌距輪對順利實現(xiàn)變軌做業(yè)，本項目設置了新的軌道變化段地面配套設施，與輪對一同組成新的輪軌模型，這一變軌模型比現(xiàn)采用的轉運通關模式更加便利、高效、經(jīng)濟，有很好的應用前景。

通過前期研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的變軌方式下在列車通過變軌段時，要求列車以不大于15 km/h速度通過地面變軌裝置，自動完成變軌任務。而制約通過變軌段的最主要因素是解鎖——鎖緊裝置在變軌時對車輪間距要求很高。在設計新的變軌模型時，為了盡力擺脫制約條件、提高列車變軌效率，采用變更輪對形態(tài)、改變地面變軌段配套設施鋪設等方法。現(xiàn)以實際問題為背景提出幾種解決方法，用于解決中國（1 435 mm）與俄羅斯（1 520 mm）、中國（1 435 mm）與巴基斯坦（1 676 mm）列車通行問題。轉換段鐵軌關于同一條直線對稱重合鋪設，對應于車輛的中線。采用大小輪對的方法，在同心軸上鑄造2個直徑不同的輪對，直徑較大的放于內側，直徑較小的放在外側，內外側輪間距分別對應兩國境內不同的鐵路軌距，分別為中國1 435 mm、俄羅斯1520 mm。這樣在國境處，火車無需轉運，也無需減速至15 km/h，在不同軌距上不同的大小輪受力運行，解決了高效變軌距的問題。

3 結語

綜上，筆者們提出了一種具有普適性的解決辦法，來改善目前通關效率低下、邊軌運行速度緩慢的問題。重新鑄造輪對的形狀，使不同輪對可在中外不同的鐵軌軌距上不減速行駛通過，加快了通關的效率且解決方法成本較低，易于實現(xiàn)。