齿轨铁路发展及应用现状综述

牛悦丞,李 芾,丁军君,杨 阳,李金城

(1.西南交通大学机械工程学院,成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限公司科学技术研究院,成都 610031)

引言

列车在经过坡道区域比通过平路时需要更大的牵引力及制动能力。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(Rack Railway，亦称Cog Railway)属于特例，通常在一般铁路轨道之间增设一条齿条轨道，并在运用车辆的转向架上装备齿轮装置，补充车辆上坡时不足的轮轨黏着力或使用齿轮啮合力替代轮轨黏着力[2]。齿轨铁路早已在国外得到成功应用，在国内的都江堰、九寨沟以及张家界等地也正在准备修齿轨铁路。目前，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(以下简称“都四线”)。四川省标准《山地(齿轨)轨道交通技术规范》也已于2019年正式发布。

1 齿轨铁路介绍

1.1 齿轨铁路概况

齿轨铁路构想起源于1812年英国工程师John Blenkinsop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[3]。欧洲开通的第一条齿轨铁路是于1871年在瑞士瑞吉山开通的[4]。随后的50年属于齿轨铁路的高速发展期，大量的齿轨铁路在这个时期修建。目前共有近30个国家已经开通180多条各式各样的齿轨铁路[5]。

图1 Blenkinsop蒸汽齿轨车辆模型

1.2 齿轨铁路特征

图3 齿轨铁路主要导向轨形式示意

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[6]。其原因有以下几点：第一是齿轨铁路可以修建在较大坡度的环境下，因为齿轮和齿条啮合获得的牵引力比黏着获得的牵引力更大，也更不容易脱轨，世界上坡度最大的山区齿轨铁路瑞士皮拉图斯齿轨铁路(图2)的坡度可达480‰，除了缆索铁路以外其他山区铁路通常坡度不会超过60‰[7]，但齿轨铁路拥有比缆索铁路更快的运行速度；第二是齿轨铁路不适合在一般水平线路上推广，因为在平路运行利用齿轨的牵引效率要远小于轮轨黏着的牵引效率，运行速度也远低于一般轮轨车辆；第三是现有齿轨铁路每小时运量相对较小，齿轨车辆在齿轨段运行时速度不大于40 km/h[8]，且车辆通常编组较短，早期齿轨铁路车辆往往由车头及1节客车车厢组成，或是只有1节动车，不适合大规模旅客运输，只适合小运量的观光旅游；第四是部分齿轨车辆可以在普通铁路轨道上运行，所以可以方便在原有铁路的基础上扩建或改建齿轨铁路。由于国内目前还没有投入运营的实例，所以齿轨铁路在前期车辆造价会相对一般铁路车辆高。但在山区若采用一般铁路车辆且要满足观光条件则需修建更长的铁路，采用缆索铁路或磁悬浮铁路成本也会相应增高，故采用齿轨铁路更为适合[9-10]。

图2 皮拉图斯齿轨铁路

1.3 齿轨铁路模式1.3.1 轨道模式

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Von Roll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 齿轨车辆驱动模式

在驱动模式方面，通常齿轨车辆驱动可以分为四类[11]：第一类是完全由齿轮驱动的模式如图4所示，这类车辆只能行驶在纯齿轨铁路上；第二类是通过离合器转换齿轮驱动和轮轨驱动模式，如图5所示；第三类为齿轮与轮对由不同动力源驱动的模式，在常规铁路上只使用轮对驱动，在齿轨铁路上行驶时则打开齿轮驱动；第四类为差分驱动，这种驱动方式的齿轮与轮轴之间使用差速齿轮连接，驱动扭矩按设定的比例分配到轮对及驱动齿轮上，原理如图6所示。

图4 完全齿轮驱动形式示意

图5 齿轮与轮轨转换驱动形式示意

图6 差分驱动形式示意

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 齿轨车辆制动模式

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)[12]。

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[13]。

图7 棘爪制动器

2 各国齿轨铁路应用实例

2.1 美国华盛顿山齿轨铁路(图8、图9)

华盛顿山齿轨铁路是世界上第一条齿轨铁路，由Sylvester Marsh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4.8 km，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1 422 mm，目前运营车辆由2辆蒸汽机车和6辆柴油机车组成。

图8 华盛顿山齿轨铁路

图9 Marsh模式齿轨啮合

2.2 瑞士皮拉图斯齿轨铁路(图10)

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Eduard Locher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4 618 m，高差为1 635 m。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。

图10 Locher模式齿轨啮合

2.3 瑞士施尼格普拉特齿轨铁路(图11)

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7.26 km，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800 mm窄轨，最小曲线半径60 m，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。

图11 施尼格普拉特齿轨铁路

2.4 奥地利施内山齿轨铁路(图12)

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9.7 km，最高海拔1 795 m，线路高度差1 218 m，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。

图12 施内山齿轨铁路

2.5 德国斯图加特齿轨铁路(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[14]。该线路在斯图加特市中心，区别于大多数齿轨线路该线路并不是一条旅游线路。由于是在市中心运行，故轮轨及齿轨均低于路面，并设有专用车道。采用Riggenbach模式，轨距1 000 mm，线路最大坡度200‰。车辆由早期的蒸汽机车逐步被替换为有轨电车，车辆特点是转向架上驱动齿轮位置较高，可以仅靠黏着力前进，车辆也可在普通米轨铁路上运行。

图13 斯图加特齿轨铁路

2.6 英国斯诺登山齿轨铁路(图14、图15)

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800 mm，线路全长7.5 km。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。

图14 斯诺登山齿轨铁路防护轨

图15 斯诺登山齿轨铁路

2.7 法国蒙特维尔齿轨铁路(图16)

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47 480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5.1 km，采用Strub模式，轨距为1 000 mm，最大坡度达到220‰，线路高度差871 m。2009年有超过80万的游客乘坐此线路齿轨列车。

图16 蒙特维尔齿轨铁路

2.8 法国里昂地铁C线(图17)

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2.4 km，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[15]。

图17 里昂齿轨地铁

2.9 澳大利亚科修斯克国家公园齿轨铁路(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8.5 km，齿轨模式为Lamella，采用标准轨，最大倾斜度125‰，是一条环线铁路[16]。相对于其他齿轨铁路，该线路运量较大，每小时运量最大达到4 500人。

图18 科修斯克国家公园齿轨铁路

2.10 澳大利亚西海岸荒野铁路(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[17]。由于维护成本增加，铁路在1963年停止运营，但在2003年该线路被作为旅游景点而重新开放。线路长34.5 km，采用Abt模式，轨距1 067 mm，线路最大坡度67‰。运行车辆包括3辆原有的矿业公司的蒸汽机车及2002年新投入的2辆内燃机车。

图19 西海岸荒野铁路

2.11 日本井川线铁路(图20)

日本井川线全长25.5 km，其中包括1.5 km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1 067 mm，供电采用1 500 V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。

图20 井川线铁路

2.12 巴拿马运河齿轨机车(图21)

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。

图21 巴拿马运河齿轨机车

3 齿轨铁路发展历程及我国发展前景

3.1 齿轨铁路发展历程

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 齿轨铁路国内标准

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1 000 mm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1 000 mm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[18]。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，故不建议新建线路采用Locher模式齿轨，未来建设齿轨铁路时应主要采用普遍使用的Strub模式齿轨。

3.3 齿轨铁路国内发展前景

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，对沿线植被及地质环境能起到有效的保护作用[19]。我国不同地域环境差别较大，故在建设齿轨铁路之前应该详细论证对应的地质及气候等条件[20]。另一方面，国产齿轨车辆研发设计人员在参考借鉴其他国家现有的齿轨车辆同时，应考虑将现代化的轨道交通设备及技术应用在新式齿轨车辆上。在国内成熟的轨道交通环境下齿轨铁路不日将投入实际运营。

4 结语

本文对齿轨铁路的历史及发展、车辆相关技术及部分国外典型齿轨线路进行介绍，并对国内齿轨铁路的建设提出建议。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，可以充分满足乘客山地旅游的需要，成本较为经济，并且不会对环境造成较大破坏。国内众多的山区及景区具有建设齿轨铁路的环境条件，齿轨铁路也因其优点在国内具有较大的发展潜力。未来齿轨铁路将会成为国内建设山地观光线路的主要选择之一。