不同轨距间列车不停车通行技术研究

2021-11-28于浩文贺进帆张作凯

科技与创新 2021年15期

张航，于浩文，贺进帆，张作凯

（内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010021）

1 引言

“一带一路”倡议构想使中亚、欧洲等国之间的经贸交流日益频繁，推动了国际联运和区域间运输的发展。根据报道，2019年中国同“一带一路”沿线国家贸易额占中国总贸易额的29.4%。近年来“一带一路”构想顺利实践，中国与世界联系日益紧密，同“一带一路”沿线国家往来更加频繁：中欧班列开通、中哈霍尔果斯边境合作中心项目实施、中巴经济走廊建设等一大批国家战略重点工程都离不开交通设施的连通。与公路、水陆、航空和管道运输方式相比，铁路运输以其运量大、能耗低、污染小、成本低、安全快捷等特点，成为国际联运和区域间运输方式的首选。

但是与中国丝绸之路经济带密切相关的国家之间的铁路轨距存在较大差异，其中欧洲大部分国家、土耳其、伊朗以及中国为标准轨距1 435 mm；俄罗斯以及其他前苏联国家采用的是轨距为1 520 mm的宽轨；孟加拉国、巴基斯坦等南亚国家多数采用1 676 mm的宽轨；东南亚地区的缅甸、越南等国则多数采用轨距为1 000 mm的窄轨。亚欧大陆桥上主要存在这4种不同轨距的线路，这些轨距差异严重阻碍了中国与丝绸之路经济带沿线各国间的经贸合作，所以解决不同轨距之间的运输问题具有十分重大的意义。目前，世界上主要采取以下几种措施来解决不同轨距之间的国际联运问题：统一线路轨距、转运、换装或换乘、更换走行部、采用驼背运输车及采用变轨距转向架。相比其他类方法，采用变轨距转向架具有过轨时间短、效率高、运营费用低的特点，因此采用变轨距转向架技术来进行丝绸之路经济带的铁路联运必然成为首选。但是目前在“一带一路”跨国铁路运输中采用的主要是转运换乘，更换行走部的方法，这种模式通关时间较长，变轨作业效率不高，影响物流货运速度。为了更好地推进“一带一路”战略的实施，必须要解决作为丝绸之路经济带的交通纽带——亚欧大陆桥铁路轨距不同条件下的列车高效通行问题。而目前在国际联运中，鉴于变轨距转向架技术在运输中省时便利的优势，采用此模式进行铁路贸易运输是十分行之有效的措施，因而研究高性能高速度的变轨距转向架技术具有十分重要的现实意义。

改进后的新变轨距轮对模型可以完成不停车高速通过变轨段时变轨的任务。现有的变轨技术在利用传统轮对的车轮能够沿车轴移动，或者是独立旋转车轮随轴承一起沿车轴移动这一变轨基本原理的基础上，执行的变轨过程如下：车轮或者轮对轴承被释放—车轮向里或者向外移动（依赖于所需轨距）—车轮或者轮对轴承在相应的新轨距位置被锁紧。变轨距轮对的操作能力依赖于车辆运行时锁紧机构的可靠性，尤其是通过轨距变换装置时的灵活性。通过各种技术考量，最终轨距变换过程是在车辆以不大于15 km/h速度通过固定的轨距变换设施时自动完成的。因此，为了打破变轨距阶段车辆通行的速度限制，需要建立新的变轨理论，使用新的变轨方法建立变轨轮对模型。现存的变轨模型，轨距变换设施必须与特殊的轮对设计相一致。车轮必须在相应轨距位置锁紧以防止轴向移动。在提出改进的变轨距轮对模型后，设计配套的地面变轨段，与上述新的变轨轮对一同组建成新的高速变轨距轮轨模型，对顺利实现列车通过变轨段尤为重要。

2 改进方向及解决方案

在切实分析了现今“一带一路”战略发展具体情况后，重点针对中外铁路运输轨距不兼容问题提出解决方案。目前中外铁路联运仍未使用自动变轨转向架技术，而是在两种铁轨交界处设立转换站，采用转运换装的方法。和高速自动变轨距技术相比，目前的方案效率低下，会消耗大量的时间金钱成本和人力成本。为改变这一现状，在借鉴国内外研究成果的基础上，设计可在高速行驶状态下自动完成变轨任务的轮轨模型。具体可从下面几个方面改进：①轮对位置调整方法及其与轨距适应技术的研究。研究现有轨距对应的轮对的结构体系及空间分布，基于现有变轨距技术，研究不同轨距差之间的轮对调整方法和装置，研究不同轮对调整方法的结构差异和时耗差异。②变轨距过渡段结构布局研究。研究不同轮对位置调整方法下变轨矩过渡段的结构形式、几何布局及通行方式等，研究不同变轨距过渡段结构形式等因素对通行速度的影响。③高效变轨模型理论研究。基于上述研究，找到制约变轨效率的因素，提出新的变轨思路，以此为指导设计新的变轨模型，使新建立的变轨模型克服现有变轨模式的不足。

对具体的边轨问题提出解决方案。首先调研“一带一路”沿线国家轨距分布情况，现采取的铁路国际联运措施、通关方式及铁路运输效率通关成本等现实条件，确立项目迫切需要研究解决哪些轨距的高速不停车变轨任务。然后对确立项目解决研究的目标变轨段进行相关数据收集，在采用自动变轨转向架技术的通关关口对轮对型号、踏面类型、铺设的铁轨规格、地面变轨段铺设方式、轮轨接触面积、车轴伸缩变化长度、解锁锁紧装置所受横向力、变轨过程占用时间及现行列车变轨时最大允许通行速度和允许最大沉重载荷等基本物理指标进行数据收集。接着根据上述研究中得到的相关数据分析轮对调整方法、变轨轨道铺设的几何结构及前后变轨轨距差异与变轨速度（效率）之间的关系。基于以上研究，总结影响变轨速度的主要因素，为提高变轨效率、建立高速不停车通过变轨段的轮对轨道模型提供改进方向和优化角度。现有的变轨距轮对的操作能力依赖于运行时锁紧构件的可靠性，尤其是通过轨距变换装置时的灵活性，目前轨距变换过程是在车辆以不大于15 km/h速度通过固定的轨距变换设施时自动完成的。因此具体分析如何改进轮对结构，设计配套的地面变轨段，提出更加高效简便的变轨模型，摆脱锁紧装置对列车通过变轨段的速度限制，就会实现高速不停车变轨工作的目的。建立改进后的允许高速通过变轨段的可自动变轨的轮对轨道模型，通过理论分析、实验验证的方法，检验新的轮轨模型能否顺利完成高速变轨过程，与原有的变轨过程进行对比，总结改进后变轨模型的优势及变轨工作原理的创新。

通过研究不同构件性能参数、地面配套变轨设施和列车变轨效率，找到影响列车变轨效率的“最大瓶颈”，从而找到项目研究的突破口。提出改进的变轨距轮对模型，保证列车运行安全稳定的前提下高速通过变轨段，无需减速行驶，这一技术优势会提高铁路通行效率，有效支持铁路提速的大战略，加强中国国际高效联运的能力。配合改进的变轨距轮对顺利实现变轨做业，本项目设置了新的轨道变化段地面配套设施，与轮对一同组成新的轮轨模型，这一变轨模型比现采用的转运通关模式更加便利、高效、经济，有很好的应用前景。

通过前期研究发现，现有的变轨方式下在列车通过变轨段时，要求列车以不大于15 km/h速度通过地面变轨装置，自动完成变轨任务。而制约通过变轨段的最主要因素是解锁——锁紧装置在变轨时对车轮间距要求很高。在设计新的变轨模型时，为了尽力摆脱制约条件、提高列车变轨效率，采用变更轮对形态、改变地面变轨段配套设施铺设等方法。现以实际问题为背景提出几种解决方法，用于解决中国（1 435 mm）与俄罗斯（1 520 mm）、中国（1 435 mm）与巴基斯坦（1 676 mm）列车通行问题。转换段铁轨关于同一条直线对称重合铺设，对应于车辆的中线。采用大小轮对的方法，在同心轴上铸造2个直径不同的轮对，直径较大的放于内侧，直径较小的放在外侧，内外侧轮间距分别对应两国境内不同的铁路轨距，分别为中国1 435 mm、俄罗斯1520 mm。这样在国境处，火车无需转运，也无需减速至15 km/h，在不同轨距上不同的大小轮受力运行，解决了高效变轨距的问题。