齿轨试验线创新设计研究

黄志相 姜 梅 余浩伟

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031; 2. 中国中铁齿轨交通工程研究中心,成都 610031)

齿轨交通在国外起步较早,技术与产业已经发展了百余年,并成功应用于瑞士、德国、法国等国家的旅游交通中。 其中,瑞士少女峰齿轨铁路凭借出色的爬坡能力,把游客送到此前只有顶尖攀岩者才能抵达的“欧洲之巅”,名扬四海。 国内齿轨铁路最早仅运用于矿井内辅助运输,缺乏齿轨山地轨道交通领域的技术和产业,更无齿轨交通工程应用实践,且国内外齿轨交通建设需求、建设环境、客运量特征、地形地质等差异较大,难以简单套用国外齿轨技术。

目前,已有学者对齿轨应用,车辆、轨道、信号、标准规范、总体设计方面进行研究。 在齿轨技术应用方面,喜来介绍少女峰登山铁路的应用情况[1];冯帅对美国、瑞士、日本齿轨应用情况及齿轨系统在国内旅游观光铁路上的适应性进行分析[2];鄢红英等总结齿轨旅游轨道交通的工程特点,提出其工程化应用发展方向[3]。 在齿轨车辆研究方面,尚勤等提出齿轨车辆技术未来的发展趋势[4];张卓杰等探讨山地齿轨列车的选型[5];李发福等总结齿轨制式车辆在山地旅游项目工程化方面的要点[6];温炎丰等分析齿轨转向架特殊限界理论计算公式[7]。 在齿轨轨道方面,王正邦等提出无缝齿条和有砟固化理念[8];魏德豪等分析齿轨铁路的综合维修模式[9];邓友生等通过仿真计算对齿轨系统关键技术进行分析[10];梁强等设计连杆结构的新型道岔转换系统,经仿真分析满足要求[11];宋庆伟等对齿轨铁路标准体系、车辆动力学等技术进行研究[12]。 在信号方面,王怀松等提出一种齿轨出入齿的信号系统控制方案[13]。 在线路方面,王飞等提出齿轨线路平纵断面设计参数取值,包括圆曲线、缓和曲线、线间距、最大坡度、竖曲线、坡段长度等[14]。 在标准规范方面,余浩伟等对齿轨适用性、技术特点、规范编制应用等进行探讨[16-17]。 在总体设计方面,黄志相等阐述山地旅游景区齿轨铁路总体设计要点[18]。 以上研究主要基于齿轨技术现状调研、理论分析、仿真计算、归纳总结及相关预测展望,尚缺乏实际工程项目支撑和验证。

根据齿轨交通适宜山区旅游观光的特点,同时为促进成都平原经济区与川西北生态示范区协同发展需要,改善川西北生态示范区交通落后现状,带动沿线地区脱贫攻坚,相关单位针对齿轨动车组总体技术方案、轮轨-齿轨耦合振动特性、齿轨结构形式及关键参数等进行技术攻关和研发,依托齿轨列车试验线建设,对齿轨动车组的齿轮-齿轨啮合关系、齿轨道岔通过能力、出入齿过渡装置、120‰大坡道牵引和制动性能等进行试验,以验证齿轨技术和产品的可靠性、适应性、先进性,为国内齿轨交通领域的产业发展和商业化运营提供技术支撑和经验。

1 设计需求

试验线的设计需求是在满足齿轨列车试验功能总目标的前提下,利用车辆厂既有装备和线路资源,创新工艺试验流程和线路设计,精简工程配置,节省工程造价,以系统性、通用性、可靠性为原则,建设全国首个齿轨动车组及相关齿轨产品技术试验平台[19]。 为此,四川省专门出台《四川山地轨道交通规划》,规划明确提出,近期将建设10 条齿轨轨道交通,总里程575 km,总投资额686 亿元,远期达23 条,实现以山地轨道交通为骨干的川西高原交通体系。

2 设计方案概况

拟建场地现状地势开阔,交通方便;地面高程365~403 m,相对高差约38 m;地貌单元属丘陵斜坡地貌,场地内未见明显不良地质,无特殊岩土,适宜建设试验线。项目在资阳车辆厂附近建设一条齿轨试验线路,既能充分利用和发挥车辆厂区既有组装和制造资源,又能利用新建线路进行调试,满足齿轨车辆上线、编组、静调、动调等试验功能。 线路长710 m(含主线和侧线),采用“米轨+齿轨”新制式,主要技术指标见表1。

表1 试验线主要技术指标

(1)试验线设置1 条主线和1 条侧线,包括1 处400 m 曲线、线路最大坡度120‰,平坡段2 处、最小竖曲线半径500 m。

(2)设置1 组齿轨单开道岔、2 组出入齿过渡装置、2 处纯轮轨段、1 处“轮轨+齿轨”段。

(3)列车最大编组数为4 辆,1 处简易工艺作业区(供车辆上线、列车编组、静态调试、解编、维修等作业),以此计算试验线所需线路最小长度。

(4)全线均采用路基敷设,路基面宽5.1 m,路基排水沟和侧沟平台兼做应急步行疏散通道和维护通道。 在大坡道段路基设置消防器材存放区1 处。

(5)牵引供电制式为DC1500V 接触轨授流,新建牵引降压混合变电所1 座,负责齿轨列车静调、动调供电,同时为试验线所有动力照明负荷供电。

(6)信号系统主要由齿轨道岔转换及其控制系统构成。 在齿轨道岔处设置道岔控制柜1 套,实现道岔就地转换控制及道岔开向指示控制功能。

(7)设置列车运行噪声影响测试平台。

3 具体创新成果

3.1 畅通工艺流程

为畅通试验线工艺流程,在整合车辆厂房场地、设备及人员等资源基础上,总体规划布置、优化平面布局,形成紧凑、合理、低成本、短周期的工艺流程方案。工艺流程见图1。

图1 齿轨试验线工艺流程

经以上工艺流程反复调试,最终将符合需求的车辆外运至客户指定地点。

本套试验线工艺流程方案有效利用了厂房既有设备、设施,如淋雨台、限界试验台、称重试验台等,仅添置少量必要的工艺设备,有效降低了成本。

3.2 线路设计

(1)线路长度计算

依据齿轨车辆的平坡段、大坡段的加速度和减速度,计算试验线的线路长度,同时考虑一定富余系数,留够安全操作空间。

(2)试验内容整合

为节省线路长度,将上坡牵引和下坡制动试验整合到一个线路大坡段,上下坡试验分两次进行,可缩短线路300 m,节省工程投资1 737.96 万元。

(3)线路总体布局

根据地形特点和厂房场地平面布置情况,为缩短线路纵向长度和利用厂房横向操作空间,巧妙地设计了“1 主+1 侧”线路,空间上呈Y 形布局,见图2,分区域分步骤完成动调和静调试验。

图2 齿轨试验线线路总体布局示意

(4)纵坡设计

根据齿轨列车试验需要和地形起伏情况,设计了国内轨道交通线路最大纵坡120‰,试验线线路纵断面见图3。

图3 试验线线路纵断面(单位:m)

3.3 新型齿轨轨道技术

(1)Strub 齿轨系统

为满足最大坡度120‰要求,采用模数为100/π的齿条型Strub 齿轨系统,齿轨设于轨道中心线处,通过L 形专用齿轨扣件固定于钢枕中部。

(2)齿轨单开道岔

齿轨道岔采用齿轨覆盖可分式道岔系统,在既有道岔的基础上铺设齿轨结构。

(3)三段缓冲式出入齿过渡装置

为了进行齿轨列车不停车进出齿轨与轮轨试验,需要在齿轨与轮轨过渡地段设置出入齿装置,以保证列车柔和地进入齿轨地段,防止列车被抬高产生脱轨的危险,并实现牵引齿轮及齿轨结构的准确啮合。 入齿过渡装置的总长度为10 m,最大宽度为0.5 m,相对钢轨顶面的高度不大于75 mm。

(4)变轨器

既有厂区线路为标准轨,齿轨车辆为米轨轨距,故采用了在既有标准轨距两根钢轨内部单侧套1 根钢轨,形成准轨内的米轨。 为实现车辆上线时车辆中心线与轨道中心线对中,需要设置变轨器,实现在标准轨距两根钢轨内部单侧套1 根钢轨,渐变转为沿线路中心线套2 根钢轨。

(5)大坡道齿轨稳定性

为加强齿轨地段轨道结构纵横向防爬能力,齿轨地段采用纵横向防爬加强措施,在道床与基础间设置H 形钢防爬联结部件,H 形钢与齿轨段的齿条联结在一起,H 形钢纵向间隔按20 根轨枕距离(约11.4 m),H 形钢竖直插入路基基床约0.5 m。

(6)挡车器

主线及侧线尾部均需要布置挡车器,主线暂采用滑动式挡车器,侧线采用月牙形固定式挡车器,以防止车辆出现意外,起到缓冲作用,保障试验安全[20]。 既有厂区线路套轨起始点需要进行设置特制单根钢轨专用挡车器,且不影响准轨运行机车车辆的正常运行。

(7)轨道总体铺设方案

根据试验线“1 主+1 侧”和Y 形线路布局和工艺流程,主线轨道按照“纯轮轨+出入齿装置+齿轨”布置。 侧线为了完成车辆间半永久牵引杆的连挂作业,需要设置1 处地沟,地沟段采用纯轮轨段。 侧线从主线合适位置接出,按照“齿轨道岔+出入齿装置+纯轮轨”布置。

3.4 路基

(1)路基面宽度

路基面宽度和布置是影响填挖方工程量和土建投资的重要因素。 结合试验线路的功能特点、现场地形条件、道床结构和应急疏散要求,路基宽度取5.1 m,试验线路基标准断面见图4。 较《铁路路基设计规范》普速铁路中的单线标准路基面最小宽度7.7 m 缩减33.8%,全线路基工程费用节约213 万元。

图4 试验线路基标准断面

(2)路基纵向稳定性

路基最大纵坡高达120‰,车体自重会产生较大下滑分力,加之车辆制动力及牵引力作用,对路基的稳定性要求较高,在纵坡较大地段应沿线路纵向开挖台阶增强路基稳定性;填方大于6 m 的路段沿线路纵向间隔20 m 设置抗滑键,同时采用路基加筋(如抗剪锚杆、土工格栅、土工格室等)等方式予以补强。

(3)路基防灾救援工程

考虑试验线防灾救援要求,利用路堤地段排水沟平台和路堑地段侧沟盖板平台,作为应急步行疏散通道兼检维修通道;在大坡度中部区域设置1 处存放区堆放灭火器、沙袋等消防器材,可满足动调试验时意外起火要进行现场灭火的需要;在大坡度地段设置横向防滑键,供列车出现故障进行临时维修时拉住车体,防止车辆溜车伤害维修人员。

3.5 供电系统

(1)牵引供电系统新建牵引降压混合变电所1座,负责齿轨列车动调、静调供电,同时为试验线所有动力照明负荷供电。

(2)牵引供电制式采用DC1500V 接触轨下部授流、钢轨回流方式。

(3)侧线与主线第三轨之间设置接触轨隔离开关,分为2 个电分段,互不影响试验和供电。

(4)为满足试验线在厂区线路既要满足齿轨动车组的通行,又要满足既有准轨车辆通行技术要求,采用一种移动式接触轨技术,通过动态调整接触轨的位置,解决供电第三轨与准轨车辆通过时的干涉问题。

3.6 信号系统

根据试验线的实际需求和舍弃不需要的设备配置原则,信号系统采用了最简化的人工操作模式和设备。

(1)列车采用人工驾驶方式,道岔由司机或试验专职人员在轨旁通过道岔控制箱或机械设备人工控制道岔定反操作。 共涉及4 组道岔和1 组变轨器,其中1 组齿轨道岔采用轨旁控制柜电动控制,另外3 组套轨(标准轨+米轨)道岔和1 组变轨器采用机械手动控制。

(2)信号系统主要由齿轨道岔转换及其控制系统构成,包括道岔转换系统、现地道岔控制柜、道岔开向指示灯、防雷接地等设备,以实现齿轨道岔转换、齿轨道岔位置表示等设备的控制和监督,同时实现齿轨道岔可动齿轨与米轨尖轨联动控制,保证两者开通方向一致。

3.7 噪声测试平台

试验线设置了噪声测试平台,分别在路堑和路堤段设置噪声监测点各1 处,以对列车运行噪声影响进行测试,可为齿轨列车环境噪声专题研究和环境影响分析提供参考依据。

4 结语

(1)齿轨轨道交通工程是一种新型旅游轨道交通,环境适应性强,节能环保,爬坡能力极其出色,是困难山区旅游轨道交通的最佳选择,具有较高的应用价值。

(2)依托齿轨列车试验线建设,开展了齿轨试验线总体设计研究,其成果包括齿轨的工艺流程、线路设计、新型齿轨装置、大纵坡路基、供电、信号等,可为齿轨交通工程推广应用提供指导。