劉曉妍，黃運(yùn)華，許紅江，張隸新

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心， 河北 唐山 063035)

0 引言

由于政治、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)等多方面原因，目前世界上存在著上百種不同的軌距，它們都在381 mm～2 134 mm之間，這些不同軌距的線路嚴(yán)重阻礙了跨國(guó)和跨地區(qū)的鐵路運(yùn)輸及經(jīng)貿(mào)活動(dòng)的發(fā)展[1]。600/1 067 mm變軌距動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架不同于傳統(tǒng)客車轉(zhuǎn)向架，其既是自帶動(dòng)力的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，又是軌距可自動(dòng)改變的變軌距轉(zhuǎn)向架，是基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題“變結(jié)構(gòu)走行系統(tǒng)列車關(guān)鍵技術(shù)研究”提出的，它為滿足“一帶一路”沿線國(guó)家不同軌距線路的運(yùn)輸需求提供了核心技術(shù)支撐，同時(shí)可帶動(dòng)窄軌國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，形成滿足全球市場(chǎng)需求的國(guó)際化軌道交通體系。

1 現(xiàn)有變軌距技術(shù)分析

變軌距轉(zhuǎn)向架區(qū)別于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，當(dāng)其通過(guò)不同軌距線路時(shí)，車輪可借助地面變軌裝置自動(dòng)變換軌距。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架的研究已較多，本文將重點(diǎn)介紹國(guó)外較典型的變軌距轉(zhuǎn)向架。

西班牙TALGO用于客車的變軌距轉(zhuǎn)向架可實(shí)現(xiàn)1 668 mm和1 435 mm軌距之間的變換[2]，該轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，其變軌距結(jié)構(gòu)在動(dòng)力和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上都有應(yīng)用，左右兩側(cè)車輪分別在轉(zhuǎn)向架輪軸軸承座上轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪可左右移動(dòng)，以適應(yīng)不同的軌距[3]，如圖1所示。

日本的變軌距轉(zhuǎn)向架用于新干線(1 435 mm)和既有線(1 067 mm)間的軌距變換，E30型可變軌距轉(zhuǎn)向架包括A型、B型兩種，A型采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，B型采用傳統(tǒng)輪對(duì)[4]。E30A型變軌距轉(zhuǎn)向架輪軸部件包括車輪、車軸、電機(jī)、制動(dòng)盤、外套筒、鎖緊件、軸箱體、軸端梁及導(dǎo)銷等[5]，如圖2所示，其變軌距結(jié)構(gòu)在動(dòng)力和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上都有應(yīng)用。

德國(guó)于20世紀(jì)80年代研制出了運(yùn)用于貨車的DBAG/Rafil V型變軌距輪對(duì)，可實(shí)現(xiàn)1 435 mm到1 520 mm軌距的變換[6]，其變軌距裝置采用齒形嚙合裝置，安裝在傳統(tǒng)輪對(duì)上，如圖3所示，圖中左側(cè)車輪處于解鎖狀態(tài)，右側(cè)車輪處于鎖緊狀態(tài)。

瑞士PROSE公司在2011年設(shè)計(jì)了從米軌(1 000 mm)到準(zhǔn)軌(1 435 mm)自動(dòng)變換的變軌距拖車轉(zhuǎn)向架(型號(hào)EV09)。車輛運(yùn)行時(shí)只需更換準(zhǔn)軌和米軌的機(jī)車就可以實(shí)現(xiàn)兩種軌距的互聯(lián)互通[7]。該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)獨(dú)特，采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，變軌原理新穎，采用構(gòu)架移動(dòng)車輪跟隨的模式。

圖1西班牙TALGO變軌距轉(zhuǎn)向架圖2 E30 A型變軌距轉(zhuǎn)向架圖3 DBAG/Rafil V型貨車變軌距輪對(duì)

對(duì)國(guó)外典型變軌距轉(zhuǎn)向架進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示?？傮w上來(lái)看，為實(shí)現(xiàn)軌距變換，可通過(guò)移動(dòng)左右車輪或移動(dòng)左右側(cè)架來(lái)改變左右車輪的內(nèi)側(cè)距。當(dāng)軌距變化范圍大于400 mm時(shí)，考慮到不同軌距下限界的要求，移動(dòng)構(gòu)架相對(duì)于移動(dòng)車輪改變軌距更容易實(shí)現(xiàn)。從600 mm到1 067 mm軌距變化差為467 mm，故要實(shí)現(xiàn)600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架應(yīng)優(yōu)先考慮移動(dòng)構(gòu)架模式。

表1 國(guó)外典型變軌距轉(zhuǎn)向架對(duì)比分析

2 車輛限界分析

目前我國(guó)600 mm軌距的線路已不存在，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失，600 mm軌距限界標(biāo)準(zhǔn)亟待完善，而與之較接近的現(xiàn)存運(yùn)營(yíng)線路主要是762 mm軌距，因此，以GB188—63《762 mm鐵路機(jī)車車輛限界和建筑接近限界分類及基本尺寸》作為參考進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)存運(yùn)營(yíng)線路基本也沒(méi)有1 067 mm軌距，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及中車唐山機(jī)車車輛有限公司曾為國(guó)外設(shè)計(jì)制造相關(guān)軌距車輛，得到三個(gè)國(guó)家1 067 mm軌距的車輛限界，如圖4所示。由圖4可知，762 mm和1 067 mm軌距的限界標(biāo)準(zhǔn)差別很大，所以，600 mm和1 067 mm軌距的限界差異也很大，因此，600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的實(shí)現(xiàn)有較大的技術(shù)難度，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析，可通過(guò)移動(dòng)側(cè)架來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架外形尺寸的改變，以適應(yīng)不同的車輛限界。

1-中國(guó)762 mm軌距限界；2-蘇丹1 067 mm軌距限界；3-坦贊1 067 mm軌距限界；4-菲律賓1 067 mm軌距限界

3 車輛主要技術(shù)參數(shù)分析

3.1 600 mm軌距車輛技術(shù)參數(shù)

通過(guò)文獻(xiàn)檢索和實(shí)地調(diào)研可知，600 mm軌距現(xiàn)存數(shù)據(jù)非常有限。為了更好地進(jìn)行分析對(duì)比，給出比較接近的762 mm軌距部分車輛技術(shù)參數(shù)作為參考。

個(gè)碧石鐵路軌距600 mm，全長(zhǎng)177 km，設(shè)計(jì)時(shí)速25 km，上坡時(shí)速僅10 km，其作為滇越鐵路重要的組成部分，曾經(jīng)是云南和外界聯(lián)系的絕對(duì)大動(dòng)脈[8]，該線路現(xiàn)已全部拆除，部分車輛現(xiàn)存于云南鐵路博物館；江西贛南森林小火車全長(zhǎng)87 km，軌距762 mm，原用28 t的蒸汽機(jī)車作牽引車，現(xiàn)用的仍是1978年產(chǎn)的120馬力的ZN120內(nèi)燃機(jī)車牽引，2014年該線路作為旅游小火車恢復(fù)通車。

通過(guò)實(shí)地考察云南600 mm軌距個(gè)碧石鐵路和江西762 mm軌距小火車及文獻(xiàn)調(diào)研762 mm軌距臺(tái)灣阿里山森林小火車[9]，其現(xiàn)存的車輛技術(shù)參數(shù)已經(jīng)十分有限，如表2所示。

3.2 1 067 mm軌距車輛技術(shù)參數(shù)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)存線路也基本沒(méi)有1 067 mm軌距，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及中車唐山機(jī)車車輛有限公司曾為國(guó)外設(shè)計(jì)制造的相關(guān)軌距車輛，得到如表3所示的1 067 mm軌距車輛的部分參數(shù)。

表2 600/762 mm軌距車輛的部分技術(shù)參數(shù)

表3 1 067 mm軌距車輛的部分技術(shù)參數(shù)

比較表 2和表3的技術(shù)參數(shù)，顯然600 mm軌距和1 067 mm軌距的轉(zhuǎn)向架和車輛參數(shù)都存在著很大的差距，就軸距而言，600 mm軌距轉(zhuǎn)向架軸距為950 mm，762 mm軌距轉(zhuǎn)向架軸距在1 000 mm左右，而1 067 mm軌距轉(zhuǎn)向架的軸距均為2 200 mm，這樣差異懸殊的軸距也表明了兩者轉(zhuǎn)向架的零部件之間差異很大，因此600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的實(shí)現(xiàn)存在著很大的難度。若同時(shí)滿足兩種軌距的要求，可能使600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的整體性能較差。

4 軌道踏面分析

根據(jù)實(shí)地考察測(cè)繪，600 mm和762 mm軌距鋼軌大致外形尺寸如圖5和圖6所示，根據(jù)GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》，600 mm和762 mm軌距鋼軌分別約等同于18 kg/m和15 kg/m軌。

由表2可知，600 mm軌距轉(zhuǎn)向架的車輪滾動(dòng)圓直徑為650 mm，輪輞寬度為110 mm。根據(jù)GB4695—84《窄軌機(jī)車車輛車輪踏面形狀及尺寸》，窄軌機(jī)車車輛的踏面類型有A、B兩種。而1 067 mm軌距轉(zhuǎn)向架采用的鋼軌型號(hào)為60 kg/m軌，同時(shí)1 067 mm軌距轉(zhuǎn)向架的車輪滾動(dòng)圓直徑約為860 mm，采用LM或S1002型踏面，輪輞寬度為135 mm。

圖5 600 mm軌距鋼軌軌頭圖6 762 mm軌距鋼軌軌頭

通過(guò)對(duì)比兩個(gè)軌距下的軌道和踏面參數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較大的差距，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT/T2—1995 《窄軌鐵路道岔》可知，600 mm可用的鋼軌類型有15 kg/m、22 kg/m、30 kg/m、 38 kg/m、43 kg/m等，為保證輪軌匹配，車輪的參數(shù)可根據(jù)鋼軌類型進(jìn)行相應(yīng)的修改從而完成輪軌匹配設(shè)計(jì)。因此，從軌道踏面方面來(lái)說(shuō)，600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的實(shí)現(xiàn)是可能的，但兼顧兩種軌距可能會(huì)使600 mm/1 067 mm變軌距車輛的運(yùn)行性能難以控制到最佳，故需要在懸掛參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上做文章。

5 結(jié)論

當(dāng)軌距從600 mm變化到1 067 mm時(shí)，不論是限界、車輛技術(shù)參數(shù)還是軌道踏面，均發(fā)生了巨大變化，600 mm線路在中國(guó)乃至全世界進(jìn)行載客運(yùn)營(yíng)已經(jīng)非常罕見(jiàn)，可參照的數(shù)據(jù)非常有限，這對(duì)于600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)很不利。根據(jù)以上技術(shù)分析，可以得出以下結(jié)論：①?gòu)睦碚撋蟻?lái)說(shuō)，要從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)600/1 067 mm軌距變換是可能的；②要將差別較大的不同軌距轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)融于一個(gè)轉(zhuǎn)向架上，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性較差；③同時(shí)滿足兩種軌距的基本條件導(dǎo)致保證兩種軌距下的運(yùn)行性能最佳有一定難度，這既要在結(jié)構(gòu)上做文章，又要在懸掛參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)上下功夫。