山地齿轨铁路发展现状及国内应用前景研究

潘相楠，唐 岚，寇峻瑜，林世金

(1.西华大学汽车与交通学院，成都 610039； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 齿轨铁路概述

机车在经行坡道区域时，通常需要更大的牵引力及制动力。为解决机车山区运行困难的问题，人们进行了各种尝试，如缆索铁路、直线电机车及磁悬浮车辆等[1-2]。而山地齿轨是一种特殊铁路，与普通铁路相比，齿轨铁路在轨道中间铺设有一条特殊的齿条，相应地运行于齿轨铁路上的机车或动车转向架配备有一个或多个齿轮与轨道间的特殊齿条紧密啮合在一起[3-5]。传统的铁路仅依靠摩擦来实现机车行进，而齿轨机车在爬坡时能借助齿轮咬合的力量稳步行进，使得列车能在200‰以上的大坡度上安全地行驶，具备良好的可靠性及安全性[6]。此外，齿轮齿条的增加为机车提供了额外制动方式，并减少冰雪对轨道的影响。

2 国内外齿轨铁路发展现状

2.1 国外齿轨铁路发展现状

国外已建成的齿轨铁路达180条，在用较成熟的齿轨系统有Abt、Riggenbach、Strub、Locher和Von Roll系统等，总里程超3 000 km，分布于瑞士、法国、德国、日本和澳大利亚等国[7-9]。瑞士是齿轨铁路技术最成熟、应用经验最多的国家，其齿轨铁路的数量和总里程均占到世界总数的一半以上。近年来，国外新建或改建的齿轨铁路与普通铁路混合在一起，实现了通勤运输与旅游观光的结合。

2.2 国内齿轨铁路发展现状

因齿轨铁路对技术的高要求及高昂的建造成本，国内还没有应用于旅游观光的齿轨铁路线。随着我国经济的快速发展，适用于山区观光旅游线路的齿轨列车需求日益增加，加之我国采煤机矿井运输技术逐步走向成熟，并构建一定的海外市场，为齿轨列车的应用发展创造了条件。目前，我国都江堰、九寨沟、张家界等地已计划修建齿轨铁路[10-11]。四川省发改委已正式批复，同意建设都江堰至四姑娘山的齿轨项目。四川省地方标准《山地(齿轨)轨道交通技术规范》已于2019年正式发布，相信国内首条景区齿轨铁路将会很快出现在人们面前。

3 齿轨系统类别

3.1 Blenkinsop齿轨系统

Blenkinsop齿轨系统早在1812年由John Blenkinsop应用于米德尔顿铁路。机车左侧有一个20齿、直径3英尺的齿轮，与轨道外侧的齿条相啮合(图1)。该系统在米德尔顿铁路上使用了25年之久，是齿轨铁路的首次应用。

图1 Blenkinsop齿轨系统Fig.1 Blenkinsop rack rail system

3.2 Marsh齿轨系统

Marsh齿轨系统首次应用于美国第一条齿轨铁路——美国华盛顿山齿轨铁路[12]。该系统由Sylvester Marsh于1861年和1867年分别获得美国设计与实用专利授权。它的轨道结构(图2)是由一对角刚对称布置，中间间隔有铆接的圆柱销，并固定在路基上。机车上的小齿轮有很深的齿，确保了始终至少有两个齿与齿条啮合，这一措施有助于减小齿轮跳动的可能性，故其结构简单可靠。

图2 Marsh齿轨系统Fig.2 Marsh rack rail system

3.3 Riggenbach齿轨系统

Riggenbach齿轨系统于1871年首次运用于欧洲第一条齿轨铁路——瑞吉山齿轨铁路，而后在齿轨铁路中得到了大量的应用，如德国楚格峰铁路、瑞士黄金线等[13-14]。该系统由Niklaus Riggenbach于1863年获得法国专利。其齿轨结构(图3)是由若干梯形单齿沿线路方向铆接在两侧槽型钢板或槽钢上，并由L型角钢固定在轨枕上，其加工精度及系统稳定性好，但制作稍显复杂，成本更高。

图3 Riggenbach齿轨系统Fig.3 Riggenbach rack rail system

3.4 Abt齿轨系统

Abt齿轨系统是Riggenbach的改良，由瑞士工程师Carl RomanAbt于1882年设计。其轨道是垂直的钢板，上面用机器铣割上准确的齿坑，机车上配有相应结构交错布置并合为一体的数量相应的齿轮(图4)，以确保至少有一个齿轮是啮合上的。该结构齿轮啮合的重合系数高，与其他齿轨系统相比，可更平滑实现啮合，运行冲击小，运用较多。瑞士的冰川快线和日本的大井川铁路就是采用的Abt齿轨系统。

图4 Abt齿轨系统结构Fig.4 Abt rack rail structure

3.5 Strub齿轨系统

Strub齿轨系统应用于著名的瑞士少女峰铁路，该系统由Emil Strub于1896年所发明，其结构与Abt相似(图5)，采用了一根带齿条的滚压平底导轨，齿条齿分别加工在约3.9英寸的头部，顶部是平的，底部形状类似普通钢轨，并由两侧角刚压装于轨枕上。安装在机车上的安全钳与车头下侧啮合，以防止脱轨[15]。strub是维护最简单的齿轨系统，并且已变得越来越流行。

图5 Strub齿轨结构Fig.5 Strub rack rail structure

3.6 Locher齿轨系统

Locher齿轨系统成功应用于世界最陡峭的皮拉特斯山，也是唯一仍在使用该系统的齿轨铁路[16]。它的齿轨结构(图6)最为特别，齿形铣割在钢轨的两旁而不是上方，机车车辆下部由一对水平布置的齿轮同时在左右两侧啮合齿轨。这种系统提供了非常稳定的轨道连接，也保护机车即使在最严重的侧向风下也不会翻倒，特别适合攀爬陡峭的斜坡。但由于结构限制，该系统道岔地段不能使用标准的铁路道岔。

图6 Locher齿轨结构Fig.6 Locher rack rail structure

3.7 Morgan齿轨系统

Morgan齿轨系统曾用于芝加哥的矿山铁路，该系统由Edmund C.Morgan于1900年发明。它的齿轨结构(图7)与Riggenbach系统结构比较类似，特点是在中间的条形轨道中央每隔一定距离冲方孔用于和机车上的齿轮啮合，其条形轨道还可作为电力机车的第三根轨道。

图7 Morgan齿轨结构Fig.7 Morgan rack rail structure

3.8 Von Roll齿轨系统

Von Roll系统(也称Lamella)在20世纪40年代根据Strub系统进行改进设计而来(图8)。齿轨一般采用扁钢制，其承受力的大小宽度在30～80 mm，可连续焊接，主要特点是安装方便，制造成本低。从20世纪后期开始建造的大部分齿轨铁路都使用Von Roll系统，由于VonRoll、Strub、Riggenbach三种齿轨系统的齿形基本相同，故设计用于Riggenbach或Strub系统的机车也可在VonRoll系统齿轨上使用，如瑞士的圣加仑盖斯铁路有着VonRoll、Strub、Riggenbach三种齿轨段。

图8 Von Roll齿轨结构Fig.8 Von Roll rack rail structure

4 齿轨铁路在国内环境中的应用分析

4.1 应用前景

齿轨铁路十分适宜作为山区或旅游景区的观光线路，也可作为矿井内运输线路[17-18]，如湖南省张家界，四川省峨眉山、青城山、九寨沟等我国5A级山地森林景区尤为适宜。张家界地层复杂多样，山地、丘陵、岩溶、岗地等纵横交错，山地面积占据总面积的76%，且坐拥世界罕见的石英砂岩峰林地貌。四川处于第一级青藏高原和第二级长江中下游平原的过渡带，地貌复杂，以山地为主。素有“天下名山”之称的峨眉山地处四川盆地西南边缘，地势陡峭，风景秀丽。而与之齐名的“青城天下幽”的青城山有“三十六峰、八大洞、七十二小洞、一百零八景”之说，诸峰环绕状如城廓。再有中国第一个以保护自然风景为主要目的的自然保护区——九寨沟，飞珠溅玉的瀑群，古穆幽深的林莽，连绵起伏的雪峰造就了其多种多样的地貌。在这样的环境下，齿轨铁路较普通旅游路线长度大大缩减，建设成本低，游客观光性好，安全可靠性高，并对沿线植被及地质环境起到有效的保护作用，国内应用潜力巨大。

4.2 齿轨系统

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[19]。该标准对山地齿轨铁路各方面进行了要求，其适用于新建的1 000 mm轨距齿轨，相应的车辆容量也较小，但由于齿轨本身不能与普通铁路接轨，车辆无法通用，因此还应对标准进行修订完善，增加普通齿轨的相关内容。在国内具有建设1 000 mm齿轨线路经验后，便可在客流量大及靠近其他铁路的区域建设普通轨距齿轨。该标准中，建议齿轨形式主要为Strub模式和Locher模式，但实际上由于Locher模式只在皮拉图斯铁路上使用，不具备普适性，且造价相比其他齿轨形式要高很多，因此不建议新建线路采用Locher模式齿轨。未来考虑建设齿轨铁路时，应主要采用相对成熟且普遍使用的strub模式。

4.3 道岔结构

道岔是一种使机车能够从一条轨道引导到另一条轨道的机械装置，齿轨道岔与齿轨系统同样是多种多样的。如果齿轨是起辅助作用的坡上装置，通常在不需要齿轨的平坦区域轨道上设置传统道岔，如西海岸荒野铁路。在依靠机车齿轮驱动且常规轨道车轮为惰轮的系统上，必须通过齿轨道岔使齿轮齿条连续。Doudbahn道岔通过弯曲所有三条钢轨进行工作，每两次列车交叉驶过时都需要进行一次操作。trbské和Schynige Platte的 Strub齿轨系统取而代之的是一组复杂的移动点，这些移动点在横向装配道岔，同时清楚交叉方向的常规轨道。在其他一些齿轨系统中，例如Morgan系统，机车总是有多个传动齿轮，只要中断齿轨的距离短于传动齿轮间的间隔，就可以通过中断齿轨来简化道岔[20]。再如Locher系统，这种系统的特殊结构使其很难使用正常的道岔，而是使用横移器(图9)，如皮拉图斯铁路、华盛顿山铁路。横移器包含两个不同布局的轨道，通过横移器的侧向移动，可使中心齿轨轨道对齐，以便机车穿过道岔时继续驱动前进。

图9 作道岔的双轨横移器Fig.9 Double track traverse device for turnout

4.4 关键参数

齿轨列车齿轮通过与齿条的啮合提供行进动力。齿轨结构是齿轨列车的动力基础，因此对于齿轨结构关键参数的确定尤为重要。在初步确定结构参数时，可将齿轨结构简化为齿轮齿条结构，借鉴国外齿轨车辆关键技术参数的同时，结合国内煤矿机车在齿轨方面的成功应用经验，并根据国内齿轨车辆以及线路参数，利用Ansys等有限元分析软件开展齿轨结构的受力分析及仿真计算，并基于齿轨服役状态的要求，确定齿轨结构形式及模数、压力角、齿宽、顶隙系数、齿根系数与变位系数等关键参数的设计值，以满足国内齿轨铁路应用技术条件，实现结构技术参数的选取。

图10 齿轮齿条结构Fig.10 Rack and pinion structure

5 结语

本研究对齿轨铁路的概况及发展、齿轨铁路系统模式进行了介绍，并对国内齿轨铁路建设的关键项提出方法与建议，为国内齿轨铁路的研究与应用提供参考。齿轨铁路作为观光旅游线路早已在欧洲等地得到广泛运用，国内众多的山地景区具有建设齿轨铁路的环境条件，齿轨铁路也因其特点在国内具有很大的发展潜力。随着山地齿轨铁路技术的应用研究，齿轨铁路定会成为国内建设山地观光线路的主要选择。