齿轨列车黏着与齿轨动力布局的研究

涂 旭 汪勇彪 李 刚

(资阳中车电力机车有限公司技术处 四川 资阳 641300)

0 引言

齿轨列车是一种在车辆走行部装有走行齿轮，通过与轨道中铺设的齿条相啮合克服黏着不足，能够在超大坡道上运行的轨道交通车辆，是山地轨道交通车辆的极佳选择。目前全球共有180多条齿轨线路，其中既有纯齿轨线路，又有黏着与齿轨组合线路，在组合线路运行的车辆需同时具备黏着和齿轨两种动力，可通过线路上的入齿过渡装置实现不停车出入齿轨段[1]。

1 国外齿轨车辆黏着与齿轨动力布局

瑞士的山地旅游交通发达，是世界上齿轨线路最多的国家。该国使用的齿轨列车既有动力集中的机车牵引方式，也有动力分散的电动车组牵引方式，线路既有纯齿轨线路，又有黏着与齿轨组合线路。

纯齿轨线路以少女峰上段运行的JB Bhe 4/8作为新技术的典型车辆(见图1)，该车是瑞士Stadler公司2016年制造的三编组分散动力电动车组，采用悬浮铰接方式，其轴式为1Az′1Az′1Az′1Az′，“1Az”表示一个转向架有两根轴，其中“1”代表1根随动轴(无动力)，“Az”代表1根带齿轨牵引电机的齿轨走行轴；“′”表示2个转向架之间无活节联结，意义与我国轴列式中的“-”相同。最大速度为33 km/h，轮周输出功率为1 400 kW，起动牵引力为280 kN，车辆空重61 t，定员数为182。该车运行线路起点为Kleine Scheidegg车站，终点为Jungfraujoch车站，线路长度约9.3 km，齿轨采用Strub形式，线路最大坡度为250‰，轨距为1 000 mm，供电方式采用AC 3×1 125 V接触网。

图1 瑞士JB Bhe 4/8型齿轨列车

齿轨与黏着混合线路以金色山口快线上运行的ABeh 160/161作为新技术的典型车辆(见图2)，该车是瑞士Stadler公司2012年制造的三编组分散动力电动车组，在2017年又新造了4列，采用悬浮铰接结构，其轴式为B0’1Az’B0’，“B0”表示一个转向架有两根轴，每根轴均带有黏着牵引电机，黏着路段最大速度120 km/h，120‰齿轨路段上坡最大速度40 km/h，下坡最大速度27.5 km/h，黏着输出功率1 400 kW，齿轨输出功率1 600 kW，黏着牵引力120 kN，齿轨牵引力220 kN，车辆空重93 t，定员数147。该车运行的线路起点为Lucerne车站，终点为Interlaken Ost车站，线路长度约80 km，齿轨采用Riggenbach形式，线路中黏着路段的最大坡度35‰，齿轨路段的最大坡度120‰，轨距为1 000 mm，供电方式采用AC15 kV接触网。

图2 瑞士ABeh 160/161型齿轨动车组

从上面两个典型车型来看，瑞士的新型齿轨车辆均采用了悬浮铰接方式。纯齿轨线路的车辆采用4个1Az齿轨转向架，其中带司机室的动车上各布置1个，中间动车上布置2个，每个转向架上均设置1个齿轨牵引动轴。齿轨与黏着混合线路的车辆采用2个B0黏着转向架和2个1Az齿轨转向架，其中带司机室的动车上各布置1个黏着转向架，中间动车上布置2个齿轨转向架。

从国外齿轨列车新型车辆来看，在黏着线路与齿轨线路混跑的车辆均采用了齿轨与黏着转向架分离布置的方案，但在国外调研中也发现制造年代更早的齿轨机车车辆也曾用过齿轨与黏着组合式转向架方案，如冰川快线上使用的制造于1986年的HGe 4/4 Ⅱ型机车。

2 齿轨与黏着动力同轴设置和分离设置优缺点分析

根据国外齿轨列车的调研情况，认为在黏着与齿轨组合线路的车辆可采用两种动力布置方案。一种是齿轨动力和黏着动力同轴布置的组合式转向架方式，在车轴外加空心轴，空心轴上装离合器、走行齿轮和带式制动装置，通过离合器的切换来实现牵引力的转换，即黏着线路将牵引动力传递到黏着车轮传动装置，齿轨线路将牵引动力传递到走行齿轮的传动装置；另一种是齿轨与黏着动力分离布置的独立转向架方式，即在一列车上布置两种转向架，一种是用于齿轨线路上运行的齿轨转向架，一种是用于黏着线路上运行的黏着转向架，通过牵引计算按一定比例布置到列车对应位置上。

从坡度适应能力来看，分离式转向架和组合式转向架方式均能满足40‰黏着坡度+120‰齿轨坡度线路的运用要求。但在相同编组下，采用组合式转向架的列车可以通过离合器将所有牵引电机输出力矩传递到黏着轮对或走行齿轮，使列车在各种工况下均具有更大的牵引力和牵引功率，对黏着系数的要求更低，适应更大坡度的运用要求和更严苛的故障运行和故障救援能力。

从技术难度来看，第一，因齿轨列车在黏着路段和齿轨路段起动牵引力和最大运行速度有较大差异，组合式转向架牵引电机与传动系统既要满足低速牵引特性要求，又需满足高速牵引特性要求，对牵引电机要求高，传动系统应具备多种传动比，结构相对复杂；第二，混合线路上因黏着路段和齿轨路段线路运行里程差异大，将导致齿轨列车的走行齿轮与轮对的磨耗差异较大，因此需要设置复杂的齿轮高度调整结构、偏心装置、锁紧装置等，以调整磨耗后齿轮与齿条的相对位置，在转向架空间受限的条件下，采用组合式转向架方案布置上述机构有很大难度；第三，由于组合式转向架结构复杂，簧下质量较大，会引起车辆动力学性能变差；第四，组合式转向架通过离合器来切换动力输出，驱动的切换控制技术难度相对更大。因此，认为分离式布置方式技术难度远小于组合式转向架方案技术难度。

从技术成熟度来看，组合式转向架核心部件离合器在国内还未有轨道交通车辆使用过，且国外新型齿轨列车也未再使用离合器方案，全新开发的离合器可靠性未知，技术成熟度较低，而国外新型齿轨列车均采用了齿轨转向架与黏着转向架分离式布置方案，其黏着转向架与普通城轨车辆的动力转向架相似，技术成熟度高。

从后期维护成本来看，一般线路上黏着路段比例远大于齿轨路段，因此推断黏着轮对踏面磨耗速度高于齿轨走行齿轮磨耗，采用分离式方案的齿轨转向架上可安装国外齿轨列车普遍使用的偏心调整机构，以调整齿轨走行齿轮中心线与轨面之间的高度，以此补偿钢轨走行齿轮磨耗后造成的齿轨轮中心位置下移；而组合式转向架上齿轨驱动制动装置复杂，无空间安装偏心机构，当轮轨磨耗较大时需更换齿轨走行齿轮，后期使用维护成本更高。

基于上述分析，在线路坡度相对较小的运用场合，建议采用分离式转向架布置方案。

3 齿轨列车动力分配计算方法

齿轨列车采用齿轨转向架和黏着转向架分离布置方式，需确定齿轨与黏着动力分配关系。黏着转向架数量可先通过牵引计算确定黏着路段的起动牵引力，并通过黏着定律确定黏着重量，再通过轴重确定黏着轮轴数；齿轨转向架数量可通过牵引计算确定齿轨路段的启动牵引力，再根据齿轨轮和齿条之间允许的最大受力来确定齿轨轮轴数，但目前国内没有试验数据提出齿轨轮与齿条之间最大受力要求，为尽量减小其受力，在黏着转向架外的其余位置均布置齿轨转向架，不考虑布置拖车转向架。

在确定黏齿比后，需反算车辆加速性能、故障运行能力、故障救援能力能否满足要求，判断是否需要设置高加速模式，用于特定条件下的故障运行或救援，从而论证黏齿比选取是否合适，齿轮-齿条之间的受力是否合理。

最后，根据黏齿比计算出轮周功率和牵引电机功率，并核实牵引电机能否满足要求。

动力分配计算方法流程如图3所示。

4 齿轨转向架、黏着转向架布置位置

无论是齿轨转向架还是黏着转向架，其分布均影响到车辆间联结装置的载荷大小。动轴分布越集中，联结装置载荷就越大。为了使车辆间联结装置受到的载荷尽量小且平均， 齿轨转向架和黏着转向架宜平均分布。

图3 动力分配方法计算流程

当齿轨列车在齿轨路段运行时，由于坡道较大，若动力过于集中易发生断钩事故，此时齿轨转向架还应承担车辆制动任务。若齿轨转向架分布过于集中，发生断钩事故后可能出现分离的车辆中因未配备齿轨转向架而无法提供制动的现象。

基于上述原因，建议齿轨列车首尾端带司机室的车辆应配备齿轨转向架。另外，为了尽可能平均列车的牵引力和制动力，建议在中部不带司机室的车辆中平均布置齿轨转向架，其余位置布置黏着转向架。

5 结束语

齿轨线路是一种适合山地地区的轨道交通方式，国外已有100多年的历史，近期我国部分地区也开始规划了山地轨道交通线路，如四川省的都江堰至四姑娘山山地轨道交通线。本文通过对国外齿轨列车情况的调研，对齿轨列车黏着和齿轨动力分配方式进行了研究，为齿轨列车的动力分布设计提供参考。