山地齒軌旅游交通系統(tǒng)技術及應用研究

沈 健

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引言

2017年，國家六部門聯(lián)合出臺了《關于促進交通運輸與旅游融合發(fā)展的若干意見》，大力推動了精品鐵路旅游交通產品。山地(齒軌)軌道交通是定位于山地環(huán)境，服務于旅游景區(qū)內部、景區(qū)之間以及沿線主要城鎮(zhèn)客流的軌道交通系統(tǒng)，可滿足40‰～480‰坡度的低運量軌道交通系統(tǒng)[1-2]。齒軌交通契合了山地旅游以及大坡度地區(qū)對軌道交通的發(fā)展需求，在瑞士、德國、法國、澳大利亞等國家均有所應用[3-4]。國內尚無齒軌客運交通系統(tǒng)的使用先例，但是隨著服務國家新型城鎮(zhèn)化建設以及“交旅融合發(fā)展”戰(zhàn)略的實施，國內也規(guī)劃了多條旅游扶貧線路，例如都江堰至四姑娘山旅游扶貧線、張家界七星山齒軌項目等。該系統(tǒng)在國內具有廣闊的應用空間，為此，本文對山地齒軌旅游交通系統(tǒng)技術及應用現(xiàn)狀進行分析，以期為山地齒軌旅游交通系統(tǒng)的工程化應用提供理論依據。

1 山地齒軌旅游交通關鍵技術

山地齒軌旅游交通系統(tǒng)在傳統(tǒng)軌道之間增加齒條機構，在車輛上增加齒輪機構，通過齒輪與齒軌嚙合傳遞牽引力來滿足車輛大坡度運行的需求。該系統(tǒng)車輛、齒軌、齒軌道岔、入齒裝置等關鍵技術與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)有著較大的區(qū)別，本為將對上述關鍵技術進行系統(tǒng)分析[5]。

1.1 車輛系統(tǒng)

山地齒軌旅游交通車輛是一種采用輪軌黏著和齒軌嚙合驅動前行的軌道交通工具。其中黏著路段為僅通過鋼輪與鋼軌之間的黏著力實現(xiàn)車輛有效牽引驅動的路段；齒軌路段為車輛的鋼輪處于惰行狀態(tài)并通過齒輪—齒軌嚙合驅動的路段，車輛根據需要切換驅動方式，齒軌車輛轉向架原理示意圖如圖1所示。

圖1 齒軌車輛轉向架原理示意圖

1.2 齒輪齒軌系統(tǒng)

齒輪齒軌系統(tǒng)是新型齒軌旅游交通系統(tǒng)的重要組成部分。齒軌車輛轉向架上裝有一個或者多個齒輪，與安裝在地面上的齒軌嚙合，通過驅動系統(tǒng)帶動齒輪轉動，從而牽引車輛能夠在480‰最大坡度的線路上運行。該牽引方式可以克服普通輪軌車輛黏著不足的問題，目前常用的齒輪齒條系統(tǒng)有Riggenbach、Strub、Abt及Locher四種形式[6]，如圖2所示。

1.3 齒軌道岔系統(tǒng)

齒軌道岔系統(tǒng)是齒軌交通系統(tǒng)中的關鍵設備，其能保證車輛安全、平穩(wěn)、高效地從一股道轉入另一股道。根據結構形式的不同齒軌道岔也分為多種形式，如整體平移式道岔、齒軌覆蓋可分式道岔等。

整體平移式道岔如圖3所示，移動平臺上設置兩股不同方向的鋼軌和齒軌，通過平臺的整體移動實現(xiàn)不同方向的軌道對接。

齒軌覆蓋可分式道岔如圖4所示，該類型的道岔系統(tǒng)與傳統(tǒng)軌道道岔結構形式相似，在傳統(tǒng)道岔結構的基礎上增加了齒軌結構。在道岔區(qū)，齒軌應采用齒條型齒軌，為了保證齒軌車輛的驅動齒輪在過岔時可順利地通過齒軌與鋼軌的交叉處，齒軌齒槽底部應高于鋼軌頂面。

圖3 整體平移式齒軌道岔系統(tǒng)

圖4 齒軌覆蓋可分式道岔結構

1.4 入齒裝置

入齒裝置即輪軌與齒軌之間的過渡地段，一般采用三段緩沖式入齒裝置，如圖5所示。該裝置主要由線速度同步區(qū)、嚙合校正區(qū)以及齒軌嚙合區(qū)三部分組成。在裝置底部裝有橡膠件，可以避免在嚙合過程中齒輪與齒條之間發(fā)生頂齒現(xiàn)象；在線速度同步區(qū)，齒輪與過渡裝置間的相互作用力使得鋼輪相對鋼軌能進行縱向滑動，進而最終實現(xiàn)齒輪與齒軌的準確嚙合。

2 國外齒軌交通系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

2.1 瑞士

2.1.1 皮拉圖斯齒軌線路

皮拉圖斯齒軌線路坐落在瑞士皮拉圖斯雪山，是世界上最陡的鐵路，齒輪齒軌采用Locher形式，如圖6所示。皮拉圖斯齒軌線路全長4.27 km，線路攀越高度為1 629 m，全程最大坡度為480‰，平均坡度也在420‰，軌距為800 mm。

圖5 入齒裝置

2.1.2 瑞吉山齒軌線路

瑞吉山齒軌線路始建于1871年，是歐洲第一條登山鐵道，由VRB線和ARB線兩條線路組成。兩條線路可在瑞吉斯塔菲爾換乘，VRB線路總長5 km，攀升高度為1 313 m，最大坡度達到250‰，單程通勤時間約為30 min；ARB線路總長6.9 km，攀越高度為1 435 m,最大坡度達到200‰，該線路1907年實現(xiàn)了電氣化，是電動齒軌登山鐵路的先驅。兩條線路目前均采用1 500 V牽引直流電機，實現(xiàn)電氣化后，仍保留部分蒸汽機車在特殊的時間運營。該線路軌距為1 435 mm，齒軌系統(tǒng)采用Riggenbach形式。

2.1.3 少女峰齒軌線路

少女峰(Jungfrau)位于瑞士因特拉以南25 km處，海拔4 158 m，是瑞典著名的旅游觀光和戶外運動勝地，如圖7所示。少女峰齒軌線路由上層、中層及下層3段鐵路接力組成，分別由3個不同的公司負責運營。由于三段鐵路的軌距不同，使用不同的車輛，乘客需要在中途換乘。下層采用Riggenbach垂向嚙合方式，線路最大坡度為120‰，中層及上層采用Strub垂向嚙合方式，最大坡度為250‰。

2.1.4 冰川快線

冰川快線齒軌從瑞士的采爾馬特(Zermatt)開往圣莫里茨(St.Moritz),全程300 km，約7.5 h車程，因此獲稱“世界上最慢的景觀列車”，全線采用米軌，超過40‰的大坡道地段采用齒軌型式為豎向嚙合齒軌(Abt)，線路最大坡度為110‰。該線路實現(xiàn)了輪軌段與齒軌段不停車通過，提升了游客旅行的舒適感，冰川快線穿越瑞士的心臟區(qū)Alpine，這條自瑞士東部至瑞士西部的Apls的旅行線路給乘客帶來了精彩旅行。

2.1.5 黃金快線

黃金快線齒軌穿梭阿爾卑斯山，以位于瑞士心臟地帶的盧塞恩湖畔為端點，沿線將日內瓦湖、圖恩湖、布里恩茨湖和盧塞恩湖等瑞士風光最美的湖泊串聯(lián)在一起。該線路與冰川快線一樣，也能實現(xiàn)黏著段與齒軌段不停車通過。線路全長240 km，由三家私營鐵路公司經營的三條路段連接而成。線路軌距1 000 mm，齒軌路段最大坡度為120‰，黏著路段最大坡度為35‰。列車由瑞士Stadler公司提供，主要有3編組和7編組兩種，車廂連接采用搭接式結構。

2.2 德國

2.2.1 斯圖加特齒軌線路

齒軌列車主要應用于山地區(qū)域，應用到城市作為公共交通系統(tǒng)中的一種制式不常見，德國斯圖加特齒軌就是定位于城市公共交通的齒軌線路，這是德國境內唯一一條城市齒軌線路，該線路建于1884年，最先采用蒸汽動力驅動，現(xiàn)在采用電力驅動，線路的軌距為1 000 mm，線路的最大坡度為175‰，車輛的齒軌嚙合型式為Riggenbach垂向嚙合。

2.2.2 文德爾施泰因齒軌線路

文德爾施泰因是德國巴伐利亞州境內的一座1 838 m高的山峰，屬于阿爾卑斯山脈。文德爾施泰因的齒軌線路是1912年修造的，是巴伐利亞目前依然在運行中最古老的齒軌線路，如圖8所示。1990年初它被翻新，使用電氣化的現(xiàn)代齒軌列車，從山腳到山頂的時間由50 min縮短至30 min。德國文德爾施泰因齒軌線路全長7.66 km,其中齒軌6.15 km，列車軌距采用1 000 mm，牽引供電采用1 500 V直流電，行駛最大坡度為237‰，采用Strub齒條系統(tǒng)。

2.3 其他國家

此外在奧地利的施內山、英國的斯諾登山、法國蒙特維爾、美國華盛頓山、日本大井川、澳大利亞科修斯克國家公園及西海岸等地也建設有齒軌交通系統(tǒng)。

3 展望

山地齒軌交通系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢成為山區(qū)建設鐵路及旅游軌道交通的極佳選擇。該系統(tǒng)為國家實施精準扶貧和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供了極為重要的交通工具與解決方案，為山區(qū)旅游資源開發(fā)提供了全新途徑與重要載體，在國內具有廣闊的應用空間。

圖6 皮拉圖斯齒軌線路 圖7 少女峰齒軌線路 圖8 文德爾施泰因齒軌列車

山地齒軌交通系統(tǒng)在國內正處于起步階段，尚未對該系統(tǒng)基礎理論、工程應用進行系統(tǒng)的研究。為推動山地齒軌交通系統(tǒng)在國內的落地與應用，應根據其應用范圍與環(huán)境，圍繞“齒輪齒條牽引、極大坡度”兩個特點，系統(tǒng)開展基礎理論、工程建設、運營維護等關鍵技術問題的研究，以解決齒軌車輛總體、齒軌地段線路設計參數、軌道結構形式及關鍵參數、輪軌-齒軌不停車過渡裝置、線下基礎結構關鍵技術、綜合養(yǎng)護維修等關鍵技術問題，為國內山地齒軌交通工程的建設提供技術支撐。