国外齿轨铁路车辆及轨道技术

国外齿轨铁路车辆及轨道技术

解决车在山区运行困难的问题在经过山坡的区域，列车的牵引和准备能力比平坦道路的提升能力要好得多。为了解决列车爬坡及列车在山区运行困难的问题,科研人员采取了各种不同的尝试,方法包括增加动力,例如列车两端配上车头,在途经坡道时采用尾部补机辅助牵引;或增大黏着力,如采用橡胶轮胎等方法;还有不使用轮轨黏着力牵引,例如采用缆索铁路、直线电机车辆及磁悬浮车辆等1齿轨铁路的介绍1.1齿轨铁路图1齿轨铁路构想起源于1812年英国工程师JohnBlenkinsop的设计,在普通铁轨一侧的外部添加一条齿轨,与对应车辆上的齿轮啮合增加牵引力,牵引模式如图1所示。由于在水平线路上齿轮牵引效率较低后来被停用。但齿轨铁路牵引力强的特性被人们关注并应用在了山区铁路上。符合现代齿轨铁路定义且最早成功应用的是1869年投入运营的美国华盛顿山齿轨铁路1.2齿轨铁路特征齿轨铁路较适合作为线路客流量较小的山区观光旅游线路,也可以作为矿井内运输线路1.3齿轨铁路模式1.3.1齿轨轨道d齿轨铁路在发展的过程中产生了多种形式的齿轨配合模式,典型的齿轨轨道示意如图3所示,这些模式的命名都取自发明者的姓氏,在图3(a)、图3(b)、图3(e)所示的模式中,对应车辆转向架轴上设有一个较大的驱动齿轮;图3(c)所示的模式中对应车辆转向架中部设有一个由两个或三个齿轮并列交错组成的驱动齿轮,运行时齿轮与齿条啮合程度高,运行相对平稳;图3(d)所示模式对应车辆转向架设有两个水平并列的齿轮,爬坡能力是齿轨铁路中最强的,但不方便列车换向。此外常见的齿轨轨道还有Marsh模式以及Lamella模式。其中Marsh模式与Riggenbach模式齿轨极为相似,区别在于Marsh模式的齿轨在两侧角钢板中间铆接圆柱形钢材,而Riggenbach模式则在两侧角钢板中间焊接梯形钢材;Lamella模式又称VonRoll模式,与Strub模式类似,但是轨道上的齿要比Strub模式宽。在齿形相同时车辆在Riggenbach模式、Strub模式及Lamella模式齿轨上通用。在齿轨发展过程中还存在类似于Locher模式驱动齿轮水平布置但齿条较窄的Peter模式,该模式在“一战”后停止运营。1.3.2齿轨驱动和齿轮驱动都线的转换在驱动模式方面,通常齿轨车辆驱动可以分为四类国内正在建设的都四线选用离合器转换齿轮驱动和轮轨驱动的方式。这是因为都四线包含纯铁轨部分路段,不能仅靠齿轨驱动。另外由于都四线是米轨线路,若使用齿轮与轮对双动力源驱动方式在设备布置上具有一定难度,差分驱动形式对零件要求较高,故选用第二类驱动模式。1.3.3车外紧急制动工况由于行驶坡度较大,故对于齿轨车辆而言制动十分重要。齿轨车辆的制动模式较为多样,对于现代电力齿轨机车,制动通常包括电制动及机械制动两部分,其中机械制动又包括黏着制动(盘形制动及踏面制动)和非黏着制动(齿轨车辆上常见的棘爪带式制动器及部分车辆加装的磁轨制动器)棘爪带式制动器是仅用于齿轨车辆的一种制动器,属于非黏着制动,其原理如图7所示。在车辆上坡时,棘爪制动器通过棘爪锁机构空转并防止列车向后滚动。在车辆下坡过程中,棘爪释放,棘爪制动器可以随时当作普通制动器使用2例如，齿轨道铁路在不同国家的应用2.1基于马思两种模式华盛顿山齿轨铁路是世界上第一条齿轨铁路,由SylvesterMarsh设计,采用Marsh模式。在1868年正式载客,在1869年完成全线建设。铁路全长4.8km,平均坡度大于250‰,最大坡度为370‰。线路全线建立在支架上,轨距为1422mm,目前运营车辆由2辆蒸汽机车和6辆柴油机车组成。2.2齿轨铁路图18平均坡度380‰,最大坡度480‰的皮拉图斯铁路是世界上坡度最大的齿轨铁路,也是世界上唯一一条采用Locher模式的齿轨铁路。由于一般的齿轨铁路运用限制坡度在250‰,无法满足皮拉图斯山的线路要求,故德国工程师EduardLocher采取一对水平驱动齿轮的设计使爬坡能力大大提升。铁路于1889年6月正式运营,总长4618m,高差为1635m。每小时运量为340人。线路在开通时采用蒸汽机车,在1937年完成了线路电气化后使用电力牵引。2.3“法律上的困难”r空间施尼格普拉特铁路位于瑞士伯尔尼高地,是一条旅游线路,线路总长7.26km,包含四站,沿途可以看到阿尔卑斯山及伯尔尼高原的景色。采用Riggenbach模式,轨距为800mm窄轨,最小曲线半径60m,最大坡度为250‰,在1893年正式向公众开放。该线路上运行车辆包括一台由1893年至今仍在使用的蒸汽机车以及数辆电力动车。2.4沙夫山齿轨铁路图18施内山齿轨铁路是奥地利现在仍在运营的3条齿轨铁路之一,采用Abt模式。其他两条是采用Riggenbach模式的阿亨湖齿轨铁路和采用Abt模式的沙夫山齿轨铁路。施内山齿轨铁路为奥地利最长的齿轨铁路,长度9.7km,最高海拔1795m,线路高度差1218m,最大坡度197‰。铁路自1897开始运营,在2010年替换了大部分原有的蒸汽机车,目前运营车辆为两辆蒸汽机车以及多辆内燃电力动车。这条线路起初是作为一条旅游线路,但在2006年后这条线路除了载客车辆以外也包含货运车辆。2.5德国特权齿轨铁路图13斯图加特齿轨铁路于1884年开放,是德国仅有的仍使用齿轨模式的4条铁路之一2.6abt蒸汽机车种类斯诺登山齿轨铁路位于威尔士西北部,是一条旅游铁路,也是英国唯一的一条齿轨铁路,每年客运量超过13万人次。铁路于1896年开通,采用Abt模式,轨距800mm,线路全长7.5km。线路目前由4辆蒸汽机车和4辆内燃机车运营。由于该线路曾经发生过脱轨事故,为了增加列车运行安全性,在线路大部分区域的齿轨两侧设置了类似走行轨的防护轨,这是唯一采取防护轨的Abt模式齿轨铁路。2.7安装接触网,布置柴油和电力动车组蒙特维尔齿轨铁路位于法国东部著名的旅游城市霞慕尼,在1909完成全线建设并投入运营,仅在1909年5月29日开放到当年的10月15日就运送了47480名乘客,在当时取得巨大成功。为了提高运量,线路在1953年安装了接触网并在随后添置了柴油和电力动车。线路全长5.1km,采用Strub模式,轨距为1000mm,最大坡度达到220‰,线路高度差871m。2009年有超过80万的游客乘坐此线路齿轨列车。2.8lamera齿轨车辆里昂地铁C线是世界上唯一一条应用齿轨车辆的地铁线路,该线路于1891年开通,本来是一条缆索铁路。在1974年经过地铁改造,由于线路最大坡度达到175‰,即使采用胶轮地铁也无法在这样的线路通行,故采用齿轨形式。线路长2.4km,采用Lamella模式,运营车辆为5辆编组为M-M的电力齿轨车辆,载客量为252人。由于齿轨线路的原因,电力齿轨车辆采用接触网而不是第三轨方式供电2.9新南威尔士州齿轨铁路图18科修斯克(Kosciuszko)国家公园位于澳大利亚新南威尔士州,为方便滑雪者在1984年开始建设齿轨铁路,线路在1988年开通,线长8.5km,齿轨模式为Lamella,采用标准轨,最大倾斜度125‰,是一条环线铁路2.10澳大利亚西部的沙漠铁路图19西海岸荒野齿轨铁路开通于1897年,本属于当地的矿业公司,在当时从皇后镇铜矿到斯特拉恩港的唯一线路2.11井川线1号日本井川线全长25.5km,其中包括1.5km的齿轨路段。井川线始建于1935年,原来属于井川电气公司内部专用线。在1990年扩建了位于长岛坝附近的最大坡度90‰的齿轨线路。井川线采用Abt模式,轨距1067mm,供电采用1500V直流电。车辆根据不同时间旅客人数采取2节至8节车编组。2.12齿轨客车ringhenbach齿轨机车除了用作旅游或运输线路外,也可以作为牵引工具。在巴拿马运河船闸处,被称作“骡子”的齿轨机车起到牵拉及导向的作用,使大型船舶可以安全通过。轨道为Riggenbach模式,最大坡度可以达到500‰。牵引船舶时最多可以用到8辆齿轨机车,船舶的前方及后方的两侧各布置2辆。3齿轨铁路的发展过程和中国的发展趋势3.1齿轨铁路发展阶段齿轨铁路的发展过程可以概括为发展—停滞—再发展三个阶段。第一阶段指从齿轨铁路出现到20世纪初,因为齿轨铁路在有坡度的地段具有不可替代的优势而在这个阶段脱颖而出;第二阶段指20世纪中期,这一阶段由于技术革新,部分原来建在坡度较小地段的齿轨铁路被拥有较大牵引力且速度更快运量更大的内燃机车及电力机车所替代,另一方面由于两次世界大战导致许多齿轨铁路停止运营或被改造,这期间新建的齿轨铁路数量也较少;第三阶段是20世纪末期至今,在这一阶段世界各地因齿轨铁路作为山区旅游线路独到的优势而新建或重新开放了许多齿轨铁路。到现今为止齿轨铁路已经具备了150多年的历史,从早期的蒸汽机车到现在主流的电力机车,齿轨铁路及车辆已经具有了足够的运用经验和技术积累。3.2中国标准第20条四川省地方标准《山地(齿轨)轨道交通技术规范》于2018年12月起草,目前已正式发布。该标准对山地齿轨铁路各方面进行了要求。该标准适用于新建的1000mm轨距齿轨,相应的车辆容量也较小,但由于米轨本身不能与普通铁路接轨,车辆无法通用。故未来还应对标准进行修订增加普通轨距齿轨相关内容。在国内具有建设1000mm齿轨线路经验后,可在客流量大及靠近其他铁路的区域建设普通轨距齿轨。在该标准中,建议齿轨形式主要为Strub模式和Locher模式3.3对当地的自然环境的影响齿轨铁路安全性好,建设成本低,十分适宜作为山区或旅游景区的观光线路。特别是在近年来国内环保要求更加严格的大环境下,在同样的爬高条件下,齿轨铁路较普通铁线路路长度大大减少,这对旅游景区及环保要求高的地区的环境影响较小,对沿线植被