600/1 067 mm變軌距動車組轉(zhuǎn)向架研發(fā)可行性分析

劉曉妍，黃運華，許紅江，張隸新

(1.西南交通大學 機械工程學院， 四川 成都 610031； 2.中車唐山機車車輛有限公司 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重阻礙了跨國和跨地區(qū)的鐵路運輸及經(jīng)貿(mào)活動的發(fā)展[1]。600/1 067 mm變軌距動車組轉(zhuǎn)向架不同于傳統(tǒng)客車轉(zhuǎn)向架，其既是自帶動力的動車組轉(zhuǎn)向架，又是軌距可自動改變的變軌距轉(zhuǎn)向架，是基于國家重點研發(fā)計劃項目子課題“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”沿線國家不同軌距線路的運輸需求提供了核心技術(shù)支撐，同時可帶動窄軌國家的經(jīng)濟發(fā)展，形成滿足全球市場需求的國際化軌道交通體系。

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，當其通過不同軌距線路時，車輪可借助地面變軌裝置自動變換軌距。目前，國內(nèi)外對變軌距轉(zhuǎn)向架的研究已較多，本文將重點介紹國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)向架采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪，其變軌距結(jié)構(gòu)在動力和非動力轉(zhuǎn)向架上都有應用，左右兩側(cè)車輪分別在轉(zhuǎn)向架輪軸軸承座上轉(zhuǎn)動，車輪可左右移動，以適應不同的軌距[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型采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪，B型采用傳統(tǒng)輪對[4]。E30A型變軌距轉(zhuǎn)向架輪軸部件包括車輪、車軸、電機、制動盤、外套筒、鎖緊件、軸箱體、軸端梁及導銷等[5]，如圖2所示，其變軌距結(jié)構(gòu)在動力和非動力轉(zhuǎn)向架上都有應用。

德國于20世紀80年代研制出了運用于貨車的DBAG/Rafil V型變軌距輪對，可實現(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)計了從米軌(1 000 mm)到準軌(1 435 mm)自動變換的變軌距拖車轉(zhuǎn)向架(型號EV09)。車輛運行時只需更換準軌和米軌的機車就可以實現(xiàn)兩種軌距的互聯(lián)互通[7]。該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)獨特，采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪，變軌原理新穎，采用構(gòu)架移動車輪跟隨的模式。

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

對國外典型變軌距轉(zhuǎn)向架進行對比分析，如表1所示?？傮w上來看，為實現(xiàn)軌距變換，可通過移動左右車輪或移動左右側(cè)架來改變左右車輪的內(nèi)側(cè)距。當軌距變化范圍大于400 mm時，考慮到不同軌距下限界的要求，移動構(gòu)架相對于移動車輪改變軌距更容易實現(xiàn)。從600 mm到1 067 mm軌距變化差為467 mm，故要實現(xiàn)600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架應優(yōu)先考慮移動構(gòu)架模式。

表1 國外典型變軌距轉(zhuǎn)向架對比分析

2 車輛限界分析

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

國內(nèi)現(xiàn)存運營線路基本也沒有1 067 mm軌距，根據(jù)相關(guān)文獻及中車唐山機車車輛有限公司曾為國外設(shè)計制造相關(guān)軌距車輛，得到三個國家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軌距的限界標準差別很大，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，可通過移動側(cè)架來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架外形尺寸的改變，以適應不同的車輛限界。

1-中國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)

通過文獻檢索和實地調(diào)研可知，600 mm軌距現(xiàn)存數(shù)據(jù)非常有限。為了更好地進行分析對比，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。

個碧石鐵路軌距600 mm，全長177 km，設(shè)計時速25 km，上坡時速僅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)系的絕對大動脈[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87 km，軌距762 mm，原用28 t的蒸汽機車作牽引車，現(xiàn)用的仍是1978年產(chǎn)的120馬力的ZN120內(nèi)燃機車牽引，2014年該線路作為旅游小火車恢復通車。

通過實地考察云南600 mm軌距個碧石鐵路和江西762 mm軌距小火車及文獻調(diào)研762 mm軌距臺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)

國內(nèi)現(xiàn)存線路也基本沒有1 067 mm軌距，根據(jù)相關(guān)文獻及中車唐山機車車輛有限公司曾為國外設(shè)計制造的相關(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)向架的實現(xiàn)存在著很大的難度。若同時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)實地考察測繪，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)向架的車輪滾動圓直徑為650 mm，輪輞寬度為110 mm。根據(jù)GB4695—84《窄軌機車車輛車輪踏面形狀及尺寸》，窄軌機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為60 kg/m軌，同時1 067 mm軌距轉(zhuǎn)向架的車輪滾動圓直徑約為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

通過對比兩個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)標準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)鋼軌類型進行相應的修改從而完成輪軌匹配設(shè)計。因此，從軌道踏面方面來說，600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的實現(xiàn)是可能的，但兼顧兩種軌距可能會使600 mm/1 067 mm變軌距車輛的運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)計上做文章。

5 結(jié)論

當軌距從600 mm變化到1 067 mm時，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線路在中國乃至全世界進行載客運營已經(jīng)非常罕見，可參照的數(shù)據(jù)非常有限，這對于600/1 067 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的設(shè)計很不利。根據(jù)以上技術(shù)分析，可以得出以下結(jié)論：①從理論上來說，要從結(jié)構(gòu)上實現(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)向架的各項技術(shù)參數(shù)融于一個轉(zhuǎn)向架上，可能會導致轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性較差；③同時滿足兩種軌距的基本條件導致保證兩種軌距下的運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)計上下功夫。