齒軌試驗(yàn)線創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

黃志相 姜 梅 余浩偉

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031; 2. 中國(guó)中鐵齒軌交通工程研究中心,成都 610031)

齒軌交通在國(guó)外起步較早,技術(shù)與產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展了百余年,并成功應(yīng)用于瑞士、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的旅游交通中。 其中,瑞士少女峰齒軌鐵路憑借出色的爬坡能力,把游客送到此前只有頂尖攀巖者才能抵達(dá)的“歐洲之巔”,名揚(yáng)四海。 國(guó)內(nèi)齒軌鐵路最早僅運(yùn)用于礦井內(nèi)輔助運(yùn)輸,缺乏齒軌山地軌道交通領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè),更無齒軌交通工程應(yīng)用實(shí)踐,且國(guó)內(nèi)外齒軌交通建設(shè)需求、建設(shè)環(huán)境、客運(yùn)量特征、地形地質(zhì)等差異較大,難以簡(jiǎn)單套用國(guó)外齒軌技術(shù)。

目前,已有學(xué)者對(duì)齒軌應(yīng)用,車輛、軌道、信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、總體設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究。 在齒軌技術(shù)應(yīng)用方面,喜來介紹少女峰登山鐵路的應(yīng)用情況[1];馮帥對(duì)美國(guó)、瑞士、日本齒軌應(yīng)用情況及齒軌系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)旅游觀光鐵路上的適應(yīng)性進(jìn)行分析[2];鄢紅英等總結(jié)齒軌旅游軌道交通的工程特點(diǎn),提出其工程化應(yīng)用發(fā)展方向[3]。 在齒軌車輛研究方面,尚勤等提出齒軌車輛技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)[4];張卓杰等探討山地齒軌列車的選型[5];李發(fā)福等總結(jié)齒軌制式車輛在山地旅游項(xiàng)目工程化方面的要點(diǎn)[6];溫炎豐等分析齒軌轉(zhuǎn)向架特殊限界理論計(jì)算公式[7]。 在齒軌軌道方面,王正邦等提出無縫齒條和有砟固化理念[8];魏德豪等分析齒軌鐵路的綜合維修模式[9];鄧友生等通過仿真計(jì)算對(duì)齒軌系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析[10];梁強(qiáng)等設(shè)計(jì)連桿結(jié)構(gòu)的新型道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng),經(jīng)仿真分析滿足要求[11];宋慶偉等對(duì)齒軌鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系、車輛動(dòng)力學(xué)等技術(shù)進(jìn)行研究[12]。 在信號(hào)方面,王懷松等提出一種齒軌出入齒的信號(hào)系統(tǒng)控制方案[13]。 在線路方面,王飛等提出齒軌線路平縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)取值,包括圓曲線、緩和曲線、線間距、最大坡度、豎曲線、坡段長(zhǎng)度等[14]。 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面,余浩偉等對(duì)齒軌適用性、技術(shù)特點(diǎn)、規(guī)范編制應(yīng)用等進(jìn)行探討[16-17]。 在總體設(shè)計(jì)方面,黃志相等闡述山地旅游景區(qū)齒軌鐵路總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)[18]。 以上研究主要基于齒軌技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研、理論分析、仿真計(jì)算、歸納總結(jié)及相關(guān)預(yù)測(cè)展望,尚缺乏實(shí)際工程項(xiàng)目支撐和驗(yàn)證。

根據(jù)齒軌交通適宜山區(qū)旅游觀光的特點(diǎn),同時(shí)為促進(jìn)成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)與川西北生態(tài)示范區(qū)協(xié)同發(fā)展需要,改善川西北生態(tài)示范區(qū)交通落后現(xiàn)狀,帶動(dòng)沿線地區(qū)脫貧攻堅(jiān),相關(guān)單位針對(duì)齒軌動(dòng)車組總體技術(shù)方案、輪軌-齒軌耦合振動(dòng)特性、齒軌結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和研發(fā),依托齒軌列車試驗(yàn)線建設(shè),對(duì)齒軌動(dòng)車組的齒輪-齒軌嚙合關(guān)系、齒軌道岔通過能力、出入齒過渡裝置、120‰大坡道牽引和制動(dòng)性能等進(jìn)行試驗(yàn),以驗(yàn)證齒軌技術(shù)和產(chǎn)品的可靠性、適應(yīng)性、先進(jìn)性,為國(guó)內(nèi)齒軌交通領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)需求

試驗(yàn)線的設(shè)計(jì)需求是在滿足齒軌列車試驗(yàn)功能總目標(biāo)的前提下,利用車輛廠既有裝備和線路資源,創(chuàng)新工藝試驗(yàn)流程和線路設(shè)計(jì),精簡(jiǎn)工程配置,節(jié)省工程造價(jià),以系統(tǒng)性、通用性、可靠性為原則,建設(shè)全國(guó)首個(gè)齒軌動(dòng)車組及相關(guān)齒軌產(chǎn)品技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)[19]。 為此,四川省專門出臺(tái)《四川山地軌道交通規(guī)劃》,規(guī)劃明確提出,近期將建設(shè)10 條齒軌軌道交通,總里程575 km,總投資額686 億元,遠(yuǎn)期達(dá)23 條,實(shí)現(xiàn)以山地軌道交通為骨干的川西高原交通體系。

2 設(shè)計(jì)方案概況

擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀地勢(shì)開闊,交通方便;地面高程365~403 m,相對(duì)高差約38 m;地貌單元屬丘陵斜坡地貌,場(chǎng)地內(nèi)未見明顯不良地質(zhì),無特殊巖土,適宜建設(shè)試驗(yàn)線。項(xiàng)目在資陽(yáng)車輛廠附近建設(shè)一條齒軌試驗(yàn)線路,既能充分利用和發(fā)揮車輛廠區(qū)既有組裝和制造資源,又能利用新建線路進(jìn)行調(diào)試,滿足齒軌車輛上線、編組、靜調(diào)、動(dòng)調(diào)等試驗(yàn)功能。 線路長(zhǎng)710 m(含主線和側(cè)線),采用“米軌+齒軌”新制式,主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)線主要技術(shù)指標(biāo)

(1)試驗(yàn)線設(shè)置1 條主線和1 條側(cè)線,包括1 處400 m 曲線、線路最大坡度120‰,平坡段2 處、最小豎曲線半徑500 m。

(2)設(shè)置1 組齒軌單開道岔、2 組出入齒過渡裝置、2 處純輪軌段、1 處“輪軌+齒軌”段。

(3)列車最大編組數(shù)為4 輛,1 處簡(jiǎn)易工藝作業(yè)區(qū)(供車輛上線、列車編組、靜態(tài)調(diào)試、解編、維修等作業(yè)),以此計(jì)算試驗(yàn)線所需線路最小長(zhǎng)度。

(4)全線均采用路基敷設(shè),路基面寬5.1 m,路基排水溝和側(cè)溝平臺(tái)兼做應(yīng)急步行疏散通道和維護(hù)通道。 在大坡道段路基設(shè)置消防器材存放區(qū)1 處。

(5)牽引供電制式為DC1500V 接觸軌授流,新建牽引降壓混合變電所1 座,負(fù)責(zé)齒軌列車靜調(diào)、動(dòng)調(diào)供電,同時(shí)為試驗(yàn)線所有動(dòng)力照明負(fù)荷供電。

(6)信號(hào)系統(tǒng)主要由齒軌道岔轉(zhuǎn)換及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。 在齒軌道岔處設(shè)置道岔控制柜1 套,實(shí)現(xiàn)道岔就地轉(zhuǎn)換控制及道岔開向指示控制功能。

(7)設(shè)置列車運(yùn)行噪聲影響測(cè)試平臺(tái)。

3 具體創(chuàng)新成果

3.1 暢通工藝流程

為暢通試驗(yàn)線工藝流程,在整合車輛廠房場(chǎng)地、設(shè)備及人員等資源基礎(chǔ)上,總體規(guī)劃布置、優(yōu)化平面布局,形成緊湊、合理、低成本、短周期的工藝流程方案。工藝流程見圖1。

圖1 齒軌試驗(yàn)線工藝流程

經(jīng)以上工藝流程反復(fù)調(diào)試,最終將符合需求的車輛外運(yùn)至客戶指定地點(diǎn)。

本套試驗(yàn)線工藝流程方案有效利用了廠房既有設(shè)備、設(shè)施,如淋雨臺(tái)、限界試驗(yàn)臺(tái)、稱重試驗(yàn)臺(tái)等,僅添置少量必要的工藝設(shè)備,有效降低了成本。

3.2 線路設(shè)計(jì)

(1)線路長(zhǎng)度計(jì)算

依據(jù)齒軌車輛的平坡段、大坡段的加速度和減速度,計(jì)算試驗(yàn)線的線路長(zhǎng)度,同時(shí)考慮一定富余系數(shù),留夠安全操作空間。

(2)試驗(yàn)內(nèi)容整合

為節(jié)省線路長(zhǎng)度,將上坡牽引和下坡制動(dòng)試驗(yàn)整合到一個(gè)線路大坡段,上下坡試驗(yàn)分兩次進(jìn)行,可縮短線路300 m,節(jié)省工程投資1 737.96 萬(wàn)元。

(3)線路總體布局

根據(jù)地形特點(diǎn)和廠房場(chǎng)地平面布置情況,為縮短線路縱向長(zhǎng)度和利用廠房橫向操作空間,巧妙地設(shè)計(jì)了“1 主+1 側(cè)”線路,空間上呈Y 形布局,見圖2,分區(qū)域分步驟完成動(dòng)調(diào)和靜調(diào)試驗(yàn)。

圖2 齒軌試驗(yàn)線線路總體布局示意

(4)縱坡設(shè)計(jì)

根據(jù)齒軌列車試驗(yàn)需要和地形起伏情況,設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)軌道交通線路最大縱坡120‰,試驗(yàn)線線路縱斷面見圖3。

圖3 試驗(yàn)線線路縱斷面(單位:m)

3.3 新型齒軌軌道技術(shù)

(1)Strub 齒軌系統(tǒng)

為滿足最大坡度120‰要求,采用模數(shù)為100/π的齒條型Strub 齒軌系統(tǒng),齒軌設(shè)于軌道中心線處,通過L 形專用齒軌扣件固定于鋼枕中部。

(2)齒軌單開道岔

齒軌道岔采用齒軌覆蓋可分式道岔系統(tǒng),在既有道岔的基礎(chǔ)上鋪設(shè)齒軌結(jié)構(gòu)。

(3)三段緩沖式出入齒過渡裝置

為了進(jìn)行齒軌列車不停車進(jìn)出齒軌與輪軌試驗(yàn),需要在齒軌與輪軌過渡地段設(shè)置出入齒裝置,以保證列車柔和地進(jìn)入齒軌地段,防止列車被抬高產(chǎn)生脫軌的危險(xiǎn),并實(shí)現(xiàn)牽引齒輪及齒軌結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確嚙合。 入齒過渡裝置的總長(zhǎng)度為10 m,最大寬度為0.5 m,相對(duì)鋼軌頂面的高度不大于75 mm。

(4)變軌器

既有廠區(qū)線路為標(biāo)準(zhǔn)軌,齒軌車輛為米軌軌距,故采用了在既有標(biāo)準(zhǔn)軌距兩根鋼軌內(nèi)部單側(cè)套1 根鋼軌,形成準(zhǔn)軌內(nèi)的米軌。 為實(shí)現(xiàn)車輛上線時(shí)車輛中心線與軌道中心線對(duì)中,需要設(shè)置變軌器,實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)軌距兩根鋼軌內(nèi)部單側(cè)套1 根鋼軌,漸變轉(zhuǎn)為沿線路中心線套2 根鋼軌。

(5)大坡道齒軌穩(wěn)定性

為加強(qiáng)齒軌地段軌道結(jié)構(gòu)縱橫向防爬能力,齒軌地段采用縱橫向防爬加強(qiáng)措施,在道床與基礎(chǔ)間設(shè)置H 形鋼防爬聯(lián)結(jié)部件,H 形鋼與齒軌段的齒條聯(lián)結(jié)在一起,H 形鋼縱向間隔按20 根軌枕距離(約11.4 m),H 形鋼豎直插入路基基床約0.5 m。

(6)擋車器

主線及側(cè)線尾部均需要布置擋車器,主線暫采用滑動(dòng)式擋車器,側(cè)線采用月牙形固定式擋車器,以防止車輛出現(xiàn)意外,起到緩沖作用,保障試驗(yàn)安全[20]。 既有廠區(qū)線路套軌起始點(diǎn)需要進(jìn)行設(shè)置特制單根鋼軌專用擋車器,且不影響準(zhǔn)軌運(yùn)行機(jī)車車輛的正常運(yùn)行。

(7)軌道總體鋪設(shè)方案

根據(jù)試驗(yàn)線“1 主+1 側(cè)”和Y 形線路布局和工藝流程,主線軌道按照“純輪軌+出入齒裝置+齒軌”布置。 側(cè)線為了完成車輛間半永久牽引桿的連掛作業(yè),需要設(shè)置1 處地溝,地溝段采用純輪軌段。 側(cè)線從主線合適位置接出,按照“齒軌道岔+出入齒裝置+純輪軌”布置。

3.4 路基

(1)路基面寬度

路基面寬度和布置是影響填挖方工程量和土建投資的重要因素。 結(jié)合試驗(yàn)線路的功能特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)地形條件、道床結(jié)構(gòu)和應(yīng)急疏散要求,路基寬度取5.1 m,試驗(yàn)線路基標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖4。 較《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》普速鐵路中的單線標(biāo)準(zhǔn)路基面最小寬度7.7 m 縮減33.8%,全線路基工程費(fèi)用節(jié)約213 萬(wàn)元。

圖4 試驗(yàn)線路基標(biāo)準(zhǔn)斷面

(2)路基縱向穩(wěn)定性

路基最大縱坡高達(dá)120‰,車體自重會(huì)產(chǎn)生較大下滑分力,加之車輛制動(dòng)力及牽引力作用,對(duì)路基的穩(wěn)定性要求較高,在縱坡較大地段應(yīng)沿線路縱向開挖臺(tái)階增強(qiáng)路基穩(wěn)定性;填方大于6 m 的路段沿線路縱向間隔20 m 設(shè)置抗滑鍵,同時(shí)采用路基加筋(如抗剪錨桿、土工格柵、土工格室等)等方式予以補(bǔ)強(qiáng)。

(3)路基防災(zāi)救援工程

考慮試驗(yàn)線防災(zāi)救援要求,利用路堤地段排水溝平臺(tái)和路塹地段側(cè)溝蓋板平臺(tái),作為應(yīng)急步行疏散通道兼檢維修通道;在大坡度中部區(qū)域設(shè)置1 處存放區(qū)堆放滅火器、沙袋等消防器材,可滿足動(dòng)調(diào)試驗(yàn)時(shí)意外起火要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滅火的需要;在大坡度地段設(shè)置橫向防滑鍵,供列車出現(xiàn)故障進(jìn)行臨時(shí)維修時(shí)拉住車體,防止車輛溜車傷害維修人員。

3.5 供電系統(tǒng)

(1)牽引供電系統(tǒng)新建牽引降壓混合變電所1座,負(fù)責(zé)齒軌列車動(dòng)調(diào)、靜調(diào)供電,同時(shí)為試驗(yàn)線所有動(dòng)力照明負(fù)荷供電。

(2)牽引供電制式采用DC1500V 接觸軌下部授流、鋼軌回流方式。

(3)側(cè)線與主線第三軌之間設(shè)置接觸軌隔離開關(guān),分為2 個(gè)電分段,互不影響試驗(yàn)和供電。

(4)為滿足試驗(yàn)線在廠區(qū)線路既要滿足齒軌動(dòng)車組的通行,又要滿足既有準(zhǔn)軌車輛通行技術(shù)要求,采用一種移動(dòng)式接觸軌技術(shù),通過動(dòng)態(tài)調(diào)整接觸軌的位置,解決供電第三軌與準(zhǔn)軌車輛通過時(shí)的干涉問題。

3.6 信號(hào)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)線的實(shí)際需求和舍棄不需要的設(shè)備配置原則,信號(hào)系統(tǒng)采用了最簡(jiǎn)化的人工操作模式和設(shè)備。

(1)列車采用人工駕駛方式,道岔由司機(jī)或試驗(yàn)專職人員在軌旁通過道岔控制箱或機(jī)械設(shè)備人工控制道岔定反操作。 共涉及4 組道岔和1 組變軌器,其中1 組齒軌道岔采用軌旁控制柜電動(dòng)控制,另外3 組套軌(標(biāo)準(zhǔn)軌+米軌)道岔和1 組變軌器采用機(jī)械手動(dòng)控制。

(2)信號(hào)系統(tǒng)主要由齒軌道岔轉(zhuǎn)換及其控制系統(tǒng)構(gòu)成,包括道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、現(xiàn)地道岔控制柜、道岔開向指示燈、防雷接地等設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)齒軌道岔轉(zhuǎn)換、齒軌道岔位置表示等設(shè)備的控制和監(jiān)督,同時(shí)實(shí)現(xiàn)齒軌道岔可動(dòng)齒軌與米軌尖軌聯(lián)動(dòng)控制,保證兩者開通方向一致。

3.7 噪聲測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)線設(shè)置了噪聲測(cè)試平臺(tái),分別在路塹和路堤段設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)各1 處,以對(duì)列車運(yùn)行噪聲影響進(jìn)行測(cè)試,可為齒軌列車環(huán)境噪聲專題研究和環(huán)境影響分析提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)齒軌軌道交通工程是一種新型旅游軌道交通,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),節(jié)能環(huán)保,爬坡能力極其出色,是困難山區(qū)旅游軌道交通的最佳選擇,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

(2)依托齒軌列車試驗(yàn)線建設(shè),開展了齒軌試驗(yàn)線總體設(shè)計(jì)研究,其成果包括齒軌的工藝流程、線路設(shè)計(jì)、新型齒軌裝置、大縱坡路基、供電、信號(hào)等,可為齒軌交通工程推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。