齒軌鐵路軌道系統技術研究

王正邦

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，710043，西安∥高級工程師)

齒軌鐵路靠齒輪與齒軌嚙合為列車提供爬坡驅動力，其最大爬坡坡度可達480‰[1]，因此最早作為礦區和景區等的運輸線路使用[2]。德國于1884年在斯圖加特將齒軌鐵路用作城市軌道交通。該線路在斯圖加特市中心，輪軌及齒軌均低于路面，并設有專用車道，線路最大坡度200‰；法國于1891年開通了里昂地鐵C線，1974年由于線路改造形成175‰的大坡道，軌道結構形式也隨之改造為齒軌鐵路，采用電力齒軌車輛并配備接觸網供電。

目前國內的都江堰和張家界等地正在積極籌劃建設齒軌鐵路，并頒布了相應的配套地方標準[5-6]，但尚無齒軌鐵路設計與運營經驗。齒軌鐵路制式不同于輪軌蠕滑，其受力復雜，對軌道部件要求高，因此需要對其關鍵技術進行專門研究。

本文基于Strub制式對齒軌尺寸及加工、齒軌固定方式、軌道錨固、道岔與交叉等齒軌關鍵技術進行了系統研究與歸納。

1 齒軌幾何尺寸

齒軌是齒條-齒輪嚙合系統的動力基礎。Strub型式齒軌制式的側壁形式為簡單的平面幾何形狀，相對于垂直基準線具有1∶4(14.05°)的傾角。齒軌在與齒輪嚙合過程中，存在不同程度的磨損，為保證齒軌側壁形狀不隨磨損而產生較大變化而影響嚙合形態，每節齒在接觸側面都留有一定的磨損儲備，同時考慮齒根部位應力集中。

Strub型式齒軌構造如圖1所示。齒寬d和齒槽寬度l均根據車輪齒數、齒距和壓力角計算規定。

圖1 Strub型式齒軌構造圖

隨著生產制造工藝和加工水平的提升，目前齒軌生產采用整體輪廓激光切割進行粗加工，然后對齒頂和齒槽采用數控銑削方法加工，以達到精度要求。

2 齒軌連接及固定

受限于加工、制造和運輸等環節，齒軌通常定尺長度為3～5 m，分節成段布置，并通過接頭部件連接，接頭處需預留軌縫。而預留軌縫將不可避免地引起齒節距誤差，增大后期的養護維修工作量。為此可以將齒軌單元進行現場焊接，盡可能減少軌縫數量。

齒軌需要牢固穩定地固定于軌枕上，目前采用較多的方式為緊固件固定，某些特殊構造的齒軌也可使用扣件對其進行固定。當使用L型緊固件時，將緊固件一側通過螺栓與齒軌螺栓孔連接，另一側則通過螺栓固定于軌枕螺栓孔上，如圖2所示。因此，不同于國內普通有縫線路鐵路采用相對懸空式固定，齒軌接頭需采用相對承接式固定。

圖2 齒軌軌縫

Strub型式齒軌對外形和固定方式進行改進之后，可采用如圖3所示的鋼軌扣件形式進行固定，并可經過焊接形成無縫齒條。

圖3 采用扣件的齒軌固定方式

3 軌道錨固

對于有砟線路，列車牽引力、制動力或溫度荷載等縱向力如果不能被道砟間咬合力所平衡，則需要通過錨固件固定軌道框架。尤其在齒軌道岔區域，需防止過大的齒軌位移造成道岔部件的卡阻。

錨固方式通常采用鋼釬或型鋼深入下部基礎中，如圖4所示。根據軌道坡度和下部基礎形式等線路狀態，按每50～200 m間隔設置錨固點。

圖4 齒軌地錨固定方式

對齒軌鐵路的錨固形式還有纜索式或拉桿式，即將纜索或拉桿的一端固定于軌枕兩側，另一端固定于線路兩側巖石或隧道壁上，也可固定在專門建立的錨錠上。纜索配有張拉設備，可精確調節錨固位置與錨固力。

除將錨固端固定于軌枕兩側之外，還可將拉桿直接固定于齒軌，拉桿借助夾板與齒軌相連接，如圖5所示。這種方式在新建的Strub齒軌線路中得到了較為廣泛的應用。

圖5 齒軌拉錨固定方式

國外應用經驗表明，需對軌道坡度大于160‰的地段采取錨固措施，且在道岔區前后，必須布置錨固點。在坡度250‰的坡道上，每50 m左右設置一個錨點，大于此坡度的軌道需要相應增加錨固點數量。在許多坡度小于160‰的線路上，已開始將最初鋪設的地錨拆除。拆除地錨之后的軌道結構沒有出現軌道爬行等病害。

除通過錨固手段增大軌道縱向阻力外，齒軌牢固的連接或焊接、采用質量優良且級配均衡的道砟、鋪設質量較大且堅固的軌枕、路基上略有潮濕且摩擦力等都可有效保證軌道幾何形位。對于錨固設置困難地段，可采用道砟膠將碎石道床固化，以增大道床整體穩定性。

4 輪軌-齒軌過渡區

4.1 輪軌-齒軌過渡區作用

當列車從輪軌蠕滑進入嚙合地段時，齒輪上齒與齒軌上齒的相對位置是任意的，這樣有可能造成齒輪與齒軌接觸時嚙合形態不相匹配，極端情況下會出現“頂齒”的不利情況。因此需設計輪軌-齒軌過渡區來確保齒輪能夠正確地與齒軌嚙合，過渡區如圖6所示。

圖6 輪軌-齒軌過渡裝置

4.2 輪軌-齒軌過渡區形式

基于液壓彈簧和杠桿系統，在導入段設置一個彈簧滑動齒軌，如圖7所示。當列車行駛至導入段時，如果存在不匹配的嚙合關系造成齒輪碾壓齒軌頂面，則齒軌受向下的作用力后高度降低，并同時進行縱向位移，使齒輪能夠正確地進入齒槽。車輛通行過后，在杠桿機構的作用下，強大的彈簧回復力將齒軌恢復到初始位置。

圖7 杠桿機構過渡裝置工作原理

氣壓可垂向放置于前端連桿的套筒之中，此時彈簧主要以施加垂向反彈力為主；也可將彈簧橫向至于齒軌杠桿支點的位置，如圖8所示，此時彈簧主要以施加縱向反彈力為主。

圖8 氣壓彈簧系統過渡裝置工作原理

為實現齒輪和齒軌盡早處于良好的嚙合狀態，減小對齒軌前端的沖擊和磨損，在過渡設備前可增設同步滾輪，其工作原理如圖9 a)所示。同步滾輪設置于導入段的前方，由橫向放置的橡膠輥構成，如圖9 b)所示，這些橡膠輥形成了一個彈性齒軌。當齒輪碾壓橡膠輥時，處于懸掛狀態的同步滾輪裝置將被壓下，從而改變下一滾輪的空間縱向位置，使得齒輪的下一個嚙合位置得到糾正，同步滾輪被其下方的彈簧彈回到初始狀態。同步滾輪的設置可以使齒輪在進入齒軌前就實現良好嚙合，且光滑的齒輪與彈性橡膠之間的磨損量也相對較小，能夠大幅提高列車進入過渡區的速度。

圖9 同步滾輪過渡裝置

同步滾輪裝置必須具有較好的彈性和一定的硬度，國外普遍使用橡膠合成材料以保證橡膠輥的良好性能，橡膠輥大多采用PUR材料，也可使用其他合成橡膠材料。

4.3 布置位置

為防止列車通過過渡區時對導入裝置造成過大的沖擊或因嚙合不良增大脫齒風險，需要在過渡區降低列車牽引力及運行速度，并應將過渡區設計在小坡度地段，且不宜設置于曲線上，在過渡區之后應存在一定距離的直線區段。

5 道岔

如今仍在服役的第一批齒軌鐵路通過轉盤變換股道，當列車進入轉盤后，通過轉盤旋轉實現股道變換。

1876年至1878年，第一臺Klose道岔在Rorschach-Heiden鐵路投入使用，應用于Riggenbach形式齒軌，如圖10所示，具備了如今齒軌道岔的所有特性。

圖10 Riggenbach形式齒軌道岔

在瑞士少女峰齒軌鐵路建設過程中，引入了Strub新型道岔，如圖11所示。這種新型道岔與早期道岔的不同之處在于，在鋼軌與齒軌交叉處，僅將齒軌轉換，而鋼軌保持連續。由于鋼軌頂面低于齒軌，在列車過岔過程中，鋼軌并沒有妨礙齒輪齒軌的嚙合，由此實現了岔區鋼軌的連續性。

圖11 少女峰Strub齒軌道岔

此外還可采用柔性框架進行股道轉換，其工作原理如圖12所示。將道岔區域軌道設計為彈性可彎結構，在車輛通過道岔時，利用轉轍機構將軌道整體偏移，來實現股道的轉換。

圖12 齒軌柔性道岔原理圖

6 結語

國內齒軌鐵路尚無設計與運營經驗。特別是其軌道系統的嚙合不同于輪軌蠕滑，其受力復雜，對軌道要求高，因此需要對其關鍵技術進行專門研究。本文基于Strub制式對軌道系統的齒軌尺寸及加工、齒軌固定方式、軌道錨固和道岔等齒軌關鍵技術進行了系統研究與歸納，并提出無縫齒條和有砟固化等理念。