齿轨车辆在山地旅游轨道交通中的应用分析

张卓杰 李 梁 马喜成 刘亚宁

(中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心 湖南 株洲 412001)

0 引言

旅游已成为当代人衡量生活品质的一大重要指标，为了给游客提供便捷的服务和优质的旅游体验，国内部分景区开始采用轨道车辆承担旅游观光运输工作，但受限于轮轨黏着不足问题，通常无法满足超大坡道的运行需求。在地势陡峻，相对高度差较大的山地旅游景区仍多使用大巴或缆车进行游客的往返运输，其舒适性和安全性往往难以保证，严重制约了国内山地旅游产业的发展。

齿轨车作为一种环境适应能力极强的特种旅游轨道交通制式，在国内旅游轨道交通中的运用仍是空白，本文旨在探讨齿轨车辆的发展历程、技术特点及应用前景，为我国山地旅游交通制式选型提供更多参考。

1 齿轨车辆的技术发展

1.1 技术起源

1812年，John Blenkinsop等人为英国北部的米德尔顿矿山设计制造了一款名为 “Salamanca”号的蒸汽机车[1]，如图1所示。因担心轮轨间的摩擦力不足以推动机车运动，故在机车上增加了嵌齿轮，并在轨旁设计了与之啮合的齿条，以提高车辆牵引力。“Salamanca”因此成为人类历史上最早的齿轮铁轨机车。

图1 “Salamanca ”号机车模型

1.2 技术发展及应用

“Salamanca”号发明后的很长一段时间，齿轨车的运用都仅限于矿山运输，直到1869年，美国人在新罕布什尔州华盛顿山修建了世界第一条载客登山齿轨铁路，线路全长5.2 km，轨距1 422 mm，最大坡度37.4‰。20世纪，随着发达国家山地旅游业的发展，客运齿轨迎来了大发展，瑞士、日本等全球20多个国家建成通车齿轨铁路180余条，总里程超过3 000 km，其中瑞士是齿轨运营数量最多、里程最长的国家。国外主要齿轨车辆如表1所示[2]。

表1 国外主要齿轨车辆

2 齿轨铁路的特点

2.1 齿轮齿条

齿轨技术发展至今，先后出现了多种齿轮和齿条配合模式，其中以Riggenbach、Abt、Strub、Locher系统最具代表性[3]，如图2所示。

图2 典型齿轮系统

Riggenbach、Strub、Abt采用竖齿轮形式，最大爬坡能力为250‰。其中Riggenbach和Strub系统转向架采用单驱动齿轮设计，而Abt由2～3个驱动齿轮组成；Locher系统转向架有2个水平齿轮，可适应480‰坡度。以上典型齿轨系统的具体特点如表2所示[4]。

表2 典型齿轨系统的特点

2.2 道岔

齿轨铁路轨道转换与传统铁路大体相同，由于多了一根齿条，需设置与齿条轨道相匹配的轨道转换系统。齿条轨道换轨方法有以下3种[5]，如图3所示。

图3 齿轨道岔方案

(1)转辙机拉杆槽方案：与普通铁轨道岔基本相同，只需在齿条上额外安装转辙机来实现齿条的换道功能。该方法设计简单，对道岔结构影响极小，但在换道后齿条和轨道存在间隙，不适合在大坡道采用该方法。

(2)翻转尖轨方案：利用轴对称旋转原理实现轨道变换，尖轨和齿条绕铁轨中心线旋转180°转换方向，多用于 Y 形对称道岔，不适用于普通单开道岔；该种换道方式需调整道岔结构并设置专用翻转设备，对翻转结构精度和轨道下方结构强度的要求很高。

(3)双轮轨和齿条同时转换方案：轨尖和齿轨在转辙机的作用下被同时拉动平移，对转辙机额定转换力要求高，动作杆动程大、时间长，对基础工程沉降、结构精度要求高。

2.3 齿轨车辆

2.3.1走行方式

与常规机车相比，齿轨车转向架多了1个或多个齿轮，铁轨上相应设置了1条或多条齿条轨道。黏着路段，齿轨车走行方式与传统轮轨一致，通过黏着轮与轨道的相互作用实现走行；进入齿轨段，齿轨轮在自由状态下通过与入齿装置的配合，让车辆齿轮与轨道齿条进行啮合，待车辆的齿轨轮完全入齿轨后，依靠驱动齿轮与地面上的齿条相互啮合作用提供车辆牵引动力和制动力，如图4所示。

图4 齿轨车轮走行示意图

2.3.2驱动形式

齿轨车分为单齿轨驱动和双驱动2种形式。单齿轨驱动即车辆牵引力全部来源于齿轨驱动力，轮轨起辅助作用，无动力输出，最高时速小于30 km/h；双驱动形式就是列车同时有齿轨和轮轨两种驱动方式，平直或小坡道采用轮轨驱动方式，大坡道转换为齿轨驱动方式，最高运行速度60～120 km/h，双驱动形式具有良好的线路兼容性，可提高车辆的运输效率。

(1)单齿轨驱动形式

瑞士少女峰齿轨车(WAB)为典型单齿轨驱动列车，由3辆全低地板动车组成，主要参数如表3所示。配置4个齿轨动力转向架，轴式为1A ′1 A′ 1A′1 A′，每个转向架仅1根轴上安装齿轮和驱动装置，无黏着轮驱动装置。列车全路段采用齿轨驱动，最大速度为28 km/h。图5为车辆编组图。

图5 WAB车辆编组

表3 车辆主要参数

(2)齿轨和轮轨双驱动形式

以希腊Diakofto齿轨车为例，采用1动2拖3辆编组设计，主要参数如表3所示。配置齿轨动力转向架、黏着动力转向架和拖车转向架，车辆采用轮轨和齿轨双驱动形式。

黏着线路运行时，转向架轴式为2′B+2′2′+B′2′，即列车两端头车各配置1个带动力的黏着转向架，牵引列车运行, 其余转向架不施加牵引力，该路段车辆最高速度60 km/h；在齿轨线路运行时，轴式变为 2′2′+1A′1A′+2′2′，即中间车配置2个齿轨动力转向架，但齿轨动力转向架上仅1根轴上安装有齿轮和驱动装置，走行时仅依靠齿轨轮提供牵引力，最大坡度为152‰。车辆编组图如图6所示。

图6 Diakofto车辆编组

2.4 优缺点

2.4.1优点

(1)爬坡能力强

齿轨车因其独特的转向架设计，具有超强线路适应能力。齿轮与齿条啮合走行，解决了轮轨黏着力不够的问题，最大爬坡达480‰，这是其他公路和轨道交通所无法比拟的，齿轨车辆是超大坡度线路的最佳选择。

(2)过曲线能力强

多数齿轨采用窄轨，其转向架轴距较小，因而齿轨列车大多具有良好的过曲线能力，最小平面曲线半径为50 m 甚至更小，大大减少了轨道线路规划的难度，有利于生态环境保护与景观打造。

(3)运营效率高

黏着路段可采用轮轨走行，最高运行速度可达120 km/h，大大减少了发车间隔时间，提升了车辆的运营效率，而同类型公路和轨道交通最高运行速度通常不高于80 km/h。

(4)可与传统轮轨铁路“无缝对接”

由前文可知，齿轨车辆可通过入齿装置在黏着线路和齿轨线路间切换，不需要全线铺设齿条，可合理地选择大坡道路段设置齿条，节约建设成本；在统一轨距、供电制式、信号等主要技术标准后，可与既有支线铁路贯通运行[2]，在满足游客快速通达的基础上兼顾支线接驳载客和货运能力。

2.4.2缺点

(1)振动噪声大

齿轨列车高速运行时，因齿轮齿条的传动特性，齿轮啮合时的冲击力和噪声相比于传统胶轮和轮轨车辆大，造成齿轮齿条磨损加快和乘客的不舒适感。

(2)后期维护费用较高

根据国外经验，齿轮寿命为传统钢轮的1/3～1/2，增加了用户的维护成本[4]；此外，齿轨较轮轨增加了齿轮驱动装置、入齿装置、齿轨道岔等复杂设备，亦会增加维护难度和费用。

3 山地旅游轨道交通选型分析

目前国内外的旅游交通运载工具主要有常规轮轨、单轨等，表4列出了齿轨车与国内外主要旅游交通制式的技术特征对比，对其在山地旅游轨道交通中的运用进行了分析。

表4 主要旅游交通制式的对比

由表4可知：

(1)常规轮轨车辆经济性和环保性较好，但线路适应能力差，不适合作为山地旅游轨道交通，建议在地势平坦的景区使用。

(2)单轨和磁浮线路适应能力一般，建设和维护成本较高。此外单轨还会带来一定的环境污染，二者可作为城市干线或局部交通线与景区、游乐场、机场等场所的接驳线。

(3) 缆索和巴士有较强的线路适应性，但其受气候环境影响程度大，安全性不高，风雨或冰雪天气无法正常运行，建议在气候环境相对温和，海拔较低的山区使用。

(4)齿轨车虽有一定的噪声污染，但随新型防振降噪技术的运用，齿轨车振动噪声已经大有改观。齿轨的技术性能可以很好地适应大坡道、多弯道线路，在山地区域运行具有独特的优势,虽然前期投入较大，但其带来的经济效益相当可观。

4 应用前景分析

由前文可知，传统轮轨、单轨、磁浮等轨道交通车辆的技术性能不适合在山地旅游轨道交通中运用，而缆索、巴士等传统制式因其安全性及与环境适应性较差的原因，严重制约了山地旅游业的发展。作为一种专为克服爬坡黏着力不足而设计的轨道车辆，齿轨技术在国外山地旅游运用已逾百年，而其在国内的运用仅限于采矿领域，在山地旅游观光领域尚属空白，一些旅游爱好者需要远赴欧洲、日本等地体验。近年，国内多个地区的旅游开发机构意识到该市场空白，包括四姑娘山、七星山在内的多个知名景区均在规划建设旅游观光齿轨线路，欲将齿轨交通与当地旅游产业相结合，打造具有特色的旅游项目，在解决景区交通问题的同时，又能开发增值旅游项目。

随着国民经济水平的提高，市民对旅游需求的个性化需求愈来愈多，齿轨山地旅游观光铁路作为一种新兴的旅游形式，其环境适应性、舒适性和安全性等相比于缆车和巴士更能被大众所接受，国内山地旅游市场对于齿轨旅游车的需求潜力巨大，发展前景辽阔；同时，随着国家“一带一路”战略发展，未来中国智造将会有更多产品和技术的输出国际市场，国际市场对齿轨交通车辆的需求更是不容小觑，齿轨旅游车辆的未来发展空间相当巨大。