鐵路變軌距列車發展現狀及應用前景研究

孫梅玉、曹玥、李明高、李蘇、熊純

(1.中車工業研究院有限公司技術研究部，北京 100073；2.國家開放大學中職教學部，北京 100039；3.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044)

0 引言

2013 年“一帶一路”合作倡議的提出，旨在推動我國同“一帶一路”共建國家貿易發展，加強對外合作[1]。鐵路運輸是支撐絲綢之路經濟帶發展的重要交通運輸方式，并以其技術優勢成為亞歐大陸橋上跨國聯運和地區間運輸方式的首選[2]。隨著中歐班列開行數量的快速增長，作為班列重要節點的口岸站的通行能力越發緊張，各國軌距標準的不統一阻礙了中國同周邊國家貨物流通效率的提高。為了應對軌距差異帶來的限制，變軌距運輸技術勢在必行。

1 國際軌距及跨軌運輸方式

1.1 國際軌距情況

鐵路軌距是指鐵路線路鋼軌頭部頂面下16mm 范圍內兩股鋼軌作用邊之間的最小距離[3]。全世界鐵路軌距有一百多種，從600mm 到1676mm 不等，我國除個別地區外，均采用1435mm 標準軌距，歐美大部分國家、土耳其、伊朗和朝鮮半島也采用標準軌距，芬蘭、俄羅斯等采用1520mm 寬軌，印度、阿根廷、西班牙、葡萄牙、智利、斯里蘭卡等多采用1676mm 寬軌，東南亞國家則多采用1000mm 窄軌[4]。

1.2 跨軌運輸方式

盡管多數國家采用的是標準軌距，但仍需克服軌距標準不統一帶來的運輸難題，目前中歐班列主要是通過更換車底或轉向架的方法解決運輸途中軌距改變的問題。國際常見跨軌運輸方式有四種，其特點與優劣勢如表1 所示。

表1 國際常見跨軌運輸方式及其優劣勢

對比四種跨軌運輸方式，更換車底僅適用于運量較小的跨境鐵路線，如中蒙邊境的二連站；更換轉向架和輪對耗費時間長，常用于國際旅客列車，如歐洲大陸與東歐間的鐵路聯運；采用第三線的投入成本過高，建設周期也較長，且在改建期間口岸站將無法使用，如2016 年修建的中蒙策克口岸的跨境鐵路；采用變軌距列車是現階段最優的跨軌運輸方式，能充分適應各種線路條件，是我國乃至世界范圍內首選的跨軌運輸技術，具有廣闊的應用前景。

2 鐵路變軌距列車發展現狀

2.1 國外發展現狀

國外最早發展變軌距技術的國家是西班牙，生產有Talgo-RD 和CAF BRAVA 變軌距轉向架，皆采用了獨立旋轉的車輪，前者有自動鎖定輪對/解鎖裝置，后者的兩車輪是通過聯軸器耦合同步旋轉的[5-7]。Talgo 變軌距轉向架及地面變軌裝置如圖1 所示。

圖1 Talgo 變軌距轉向架以及地面變軌裝置

德國于1965 年開始研發貨車變軌距輪對，到20 世紀80 年代已經形成了第五代的Rafil V 型變軌距輪對。基于貨運列車經驗，Rafil V 變軌距轉向架逐漸被應用于客運，并由整體式車輪改進為分體結構，以適用于客運車型[8]。

波蘭的ZNTK Poznań 公司于20 世紀90 年代設計了軌距可變系統SUW2000，該系統只有拖車輪對，采用軸盤制動方式，軌距變化范圍為1435mm/1520mm、1435mm/1668mm、1435mm/1520mm/1668mm 等3 種，可用于貨車、客車、動車[9]。

2.2 國內發展現狀

我國鐵路由于統一采用標準軌距設計，因此對變軌距技術的研究至21 世紀初才啟動，我國最早的基于獨立旋轉輪對結構的變軌距轉向架如圖2 所示。為了滿足“一帶一路”共建國家跨國互聯互通的聯運需求，2016 年10 月中國中車宣布啟動“時速400km 可變軌距高速列車”項目，以期實現在600～1676mm 不同軌距的鐵路上運營。首個目標市場是莫斯科至北京高速鐵路，其可為實現“一帶一路”共建國家的互聯互通提供技術支撐。

圖2 獨立旋轉車輪變軌距轉向架

“時速400km 可變軌距高速列車”項目將根據“一帶一路”共建國家不同的運用需求，按照統一的技術平臺、不同的技術路線研制具有產品平臺特征的時速400km 跨國聯運高速列車[10-12]。項目的參與單位中車長客股份公司、中車四方股份公司、中車唐山公司將分別研制一列動車組，以滿足不同的運營環境。中車長客股份公司研發的變軌距輪對軸箱，解鎖/鎖緊裝置分布在車輪的兩側，便于對輪對進行解鎖/鎖緊運動；中車四方股份公司研發的變軌距輪對軸箱，該變軌輪對的解鎖桿結構安裝在車輪兩側的軸箱內，可實現相對獨立運作；中車唐山公司研發的變軌距輪對軸箱，其鎖緊槽均布在輪對輪轂位置，輪對的解鎖和鎖緊可通過鎖緊塊轉動實現。

3 鐵路變軌距列車發展趨勢與應用前景

3.1 鐵路變軌距列車發展趨勢

3.1.1 軌距適應技術

目前我國的變軌距技術研究主要適用于1435mm/1520mm 軌距間的轉換，然而不同軌距對應的輪對結構體系、空間分布以及它們之間的輪對調整方法和裝置都存在一定差異。

因此，研究不同輪對位置、不同軌距下變軌距過渡段的結構形式與通行方式，提出軌距適應范圍更廣的輪對結構模型，將為我國變軌距技術提供核心競爭力。

3.1.2 高速變軌技術

雖然目前列車可以通過地面輔助設施完成自動變軌過程，但在變軌時列車的通行速度受到很大限制（西班牙的Talgo RD 轉向架為不超過15km/h）。因此，總結影響變軌速度的主要因素，提高軌距變換裝置的靈活性，改進輪對以及地面輔助設施的結構，擺脫鎖緊裝置對列車變軌時的速度限制，將是我國變軌距技術的突破點。

3.1.3 變軌性能驗證

變軌距技術的核心在于列車在軌道交接時輪對間距的改變，而軌距的自動轉換是通過地面輔助設施來實現的。當列車通過地面變軌裝置時，輪對解鎖裝置實現解鎖，車輪沿車軸方向移動，車輪內側間距改變。輪距調整完成后，輪對鎖緊裝置完成輪對鎖緊，避免車輪的隨意移動。因此，輪對變軌過程的穩定性、準確性與及時性對車輛行駛安全有重要影響。

目前，國外對于變軌距技術的研究重點在于轉向架及輪對的關鍵性技術參數，對投產前的綜合性能試驗及研究論證卻有所不足。未來，開發通用性良好的變軌輪對試驗臺對變軌性能進行綜合研究驗證，是我國變軌距技術研究的重點。

3.2 鐵路變軌距列車應用前景

3.2.1 跨國班列

截至2022 年12 月底，中歐班列累計開行6.2 萬列，基本形成了對亞歐地區的全覆蓋，成為我國與“一帶一路”共建國家經濟增長的重要載體。雖然中歐班列整體表現優異，但軌距差異卻成了班列運量增長的瓶頸，這種壓力同時也轉嫁到了基礎設施配置上。若將變軌距轉向架應用于跨國班列，能大范圍解決由于軌道差異帶來的困境，減少口岸站基礎設施飽和導致的班列擁堵或限行，從而大幅度提升班列的通行效率，減輕口岸站的壓力。

3.2.2 國際旅客聯運

參照國際上知名的東方快車、歐洲之星旅客列車的聯運模式，我國于1951 年開始陸續辦理鐵路國際旅客聯運服務，先后在中俄、中越、中蒙、中朝、中哈間開通了國際列車。

但由于聯運列車老舊，舒適度和開行速度都遠低于國內旅客列車裝備水準；且由于各國軌距差異，聯運列車在跨境時必須在口岸站更換輪對，增加了運營成本與運輸時間，國際鐵路聯運市場競爭力較低。而高速變軌距列車的研發將極大程度地彌補現階段國際旅客聯運的不足，為“一帶一路”倡議背景下中歐國際鐵路運輸客運通道的構建作出貢獻。

4 結語

在“一帶一路”倡議的促進下，鐵路運輸將大幅帶動周邊國家的經濟增長，跨境鐵路上變軌距列車的普及應用能極大地提升跨境互聯互通的效率，幫助鐵路吸引貨源與客流。國外對變軌距技術的研究為我國變軌距轉向架及輪對研究提供了很好的借鑒，對軌距適應、高速變軌、性能驗證以及應用前景等方面的研究都提供了新思路。變軌距列車的應用還需要關注軌距的名義尺寸和限界尺寸、運用環境條件以及標準體系的構建等細節問題，從而保障變軌距列車運行的安全性與穩定性。同時，在繼承我國高鐵發展經驗的基礎上，保留運用成熟的結構，降低列車制造成本，也將為我國變軌距技術推廣創造條件。在未來全球化的大趨勢下，變軌距技術必將成為我國鐵路自主化的儲備技術，為我國鐵路技術的出口創造更有利的條件。