地面变轨装置的研究与设计

刘显录,刘 华,魏成杰,桑淑娟,高世卿,吕小宇,袁文华

(1.中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛266031)

随着全球经济一体化的飞速发展，跨国及跨地区的经济往来及文化交流日益频繁，铁路运输成为各国和各地区之间的经济纽带，成为国际联运中首选的运输工具。但由于政治、经济和技术等原因，各国各地区的铁路运输存在多种轨距的状况，不同轨距的线路严重影响了各国、各地区之间的铁路运输和经济往来。为了有效解决不同轨距线路的直通运行，可变轨距转向架(以下称“变轨转向架”)应运而生。变轨转向架有多种形式，无论其形式如何，都必须设置与之匹配的地面轨距调整控制装置(简称“地面变轨装置”)才能完成列车在动态下自动变轨的过程。研究地面变轨装置，实现变轨转向架轮对内侧距的改变，保证其在不同轨距线路上安全运行，对实现国际铁路高速、高效互联互通，推动国际经济合作及发展具有重大意义。本文设计了一种适用于1 435 mm和1 520 mm轨距的标准轨距地面变轨装置。

1 国内外地面变轨装置发展现状

国外研究变轨距技术最早的国家是西班牙，其他国家还有德国、波兰、瑞士、俄罗斯、日本、韩国等，每个国家的变轨转向架均有各自的技术体系。西班牙和日本已研发出300 km/h以上的高速变轨距转向架。

1.1 西班牙

西班牙有多年的变轨车辆(200 km/h)安全运营经验。西班牙地理位置特殊，其陆地通往欧洲大陆的唯一通道是经由法国，西班牙铁路的轨距为1 668 mm的宽轨，而法国则为1 435 mm的标准轨距。在此背景下，西班牙开始研究设计轮对内侧距可调的转向架，1966年Talgo公司设计出了TalgoRD变轨距系统并投入了使用，其中配备了Talgo平台地面变轨装置，这是第一代地面变轨装置。

90年代初期，Talgo公司优化了地面变轨装置，其具有质量轻、成本低的优点。同一时期，CAF公司也开发出了CAF变轨平台地面变轨装置，这两家公司的变轨装置共同构成了西班牙的第二代地面变轨装置。

21世纪，西班牙的Adif铁路管理机构希望列车能在国内所有轨道上运行，所以在2003年与2007年分别设计出了TCRS1和TCRS2变轨装置，这2种设备构成了第三代地面变轨装置。

在2009年与2010年，Adif又设计出了TCRS3和TCRS4变轨装置，前者为一体式变轨装置平台，适用于Talgo和CAF的2种车型；后者更为先进，囊括了前几家公司的所有优点。这2种设备构成了第四代地面变轨装置[1]。

1.2 日本

日本是一个包含有多种轨距的国家，其中90%为1 067 mm轨距的窄轨，10%为包括新干线1 435 mm轨距的标准轨、1 372 mm和762 mm轨距的窄轨。为解决标准轨(1 435 mm)与窄轨(1 067 mm)的联运问题，日本开始发展自动变轨技术，以实现列车在不同轨道上的运行。

日本在20世纪90年代提出了“Gauge Change Train”Project(“变轨列车”项目)，至今已经开发出三代产品。1998—2006年，开发出了采用独立旋转车轮的E30型电动车组的变轨距动力转向架，开始了第一代可变轨距动车组的调试，其对应的地面变轨装置可以实现独立轮轮对和传统轮对准轨/窄轨的轨距变换；2006—2013年，第二代可变轨距动车组在日本多地区线路试验成功；2014年至今，第三代动车组一直在进行可靠性试验，其对应的地面变轨装置与第一代地面变轨装置保持一致[2]。日本一直在进行变轨列车试验验证，尚未投入实际使用。

1.3 波兰

波兰铁路于20世纪90年代研制出SUW2000型变轨距轮对，这种轮对能够使客货车平稳地从1 435 mm轨距向1 520 mm轨距及相反方向过轨。波兰的23AN/S型客车转向架和4RS/N型货车转向架采用了SUW2000型变轨距轮对，可以不停车通过国境，从而避免现行换轮方法带来的不便。SUW2000型变轨距轮对结构主要由车轴、车轮、锁闭装置、标准轴托轴承、外防护盖、内防护盖、支撑环和保险螺母组成。正常运行时SUW2000型变轨距轮对的左右车轮以整体轮对形式运转[3]。

1.4 德国

德国RadsatzfabrikIlsenburg公司与德铁Minden研究中心共同开发了DBAG/Rafil V型变轨距轮对及对应的地面变轨装置[4]，其主要原理是两侧车轮沿轨道向前运行，轮缘在槽轨中运行，车轮无卸载，且地面变轨装置中也没有用于支撑轴箱的支撑轨。这样的地面变轨装置结构简单，不占用空间，但是滑动磨损较为严重，且不够灵活[5-6]。

1.5 中国

我国目前跨国联运采用的是更换转向架或整体换装的方式。自1998年以来，我国年进口量增长率在32%左右，这使得我国现有10处铁路口岸站的货物吞吐量压力日益增加，而我国关于地面变轨装置等变轨技术的研究才刚刚开始，变轨关键技术尚未掌握，仅限于一些高校的论文和专利，而与变轨车辆配套的地面轨距调整装置更是技术空白，还要专业技术人员的持续研究和开发。

2 地面变轨装置设计方案

地面变轨装置放置于不同轨距线路的结合处，当变轨转向架车辆以不大于15 km/h的速度通过变轨装置时，在地面变轨装置的作用下自动调整轮对内侧距，实现轨距的自动变换，使动车无需采用转运、交换走行部等方式实现变轨距运行，极大提高了轨距调整的效率。地面变轨装置主要技术参数见表1。

2.1 系统组成

地面变轨装置从系统划分主要由机械系统、变轨监测系统、伴热融雪系统、绝缘防护系统及电气控制系统组成。

2.1.1 机械系统

机械系统包括轨道接口装置、轴箱抬起装置、横向对中装置、解锁(锁闭)装置、轨距调整装置、枕梁装置以及防护轨道、下沉轨道等正常工作用附属装置。图1为地面变轨装置机械系统组成。

2.1.1.1轴箱抬起装置

轴箱抬起装置(图2)由垂向承载滚动轮、滚动轮支撑座和滚动轮固定盖板组成。轴箱抬起装置布置在变轨装置的整个区段，两侧对称设置。轴箱抬起装置上部承载面距列车正常走行钢轨轨面高度按转向架车轮最大磨耗时轴箱承载座距轨面的高度尺寸进行设计，并采用接口区倾斜下沉轨道的连续逐渐下降方式，避免列车进入地面变轨装置时产生瞬间动态冲击。

图2 轴箱抬起装置

2.1.1.2横向对中装置

横向对中装置(图3)由横向对中滚动轮、滚动轮支撑座和滚动轮固定盖板组成。横向对中装置设置在轴箱抬起装置的外侧，竖向布置，对称分布，在进出装置两端位置设有引入段。采用等边角钢加筋的方式将横向对中装置固定在底座上。在每段横向对中装置外侧安装顶丝，用于在横向对中装置安装和维护时进行横向调节和控制安装精度。

图3 横向对中装置

2.1.1.3解锁(锁闭)装置

解锁(锁闭)装置设置在轴箱抬起装置和横向对中装置之间，并在其纵向(变轨装置长度方向)两端分别设置一解锁(锁闭)导轨，呈对称分布。在解锁(锁闭)装置的起始位置和结束位置分别设置长度为100 mm、形状为喇叭口的引入段导轨。解锁(锁闭)导轨结构如图4所示，导轨为倾斜C形槽结构，开口方向朝向铁路线路中心。该结构满足列车空载/重载、新轮/旧轮等各种正常运行情况下变轨转向架车轮解锁和锁闭功能的使用需求。为了减少正常解锁、锁闭磨耗对其尺寸的影响，在解锁(锁闭)导轨槽内上下摩擦面设有耐磨层，同时保证变轨过程中解锁(锁闭)装置不与变轨距转向架发生干涉。

图4 解锁(锁闭)导轨

2.1.1.4轨距调整装置

轨距调整装置由导向及安全缓冲机构、轮辋内侧驱动轨距调大机构、轮辋外侧驱动轨距调小机构组成(图5)。轨距调整装置采用双侧平行“八”字形布置，内侧安装高强度非金属耐磨板，防止轨距调整时损伤车轮，安全缓冲机构兼顾导向定位功能，确保列车轨距调整结束后，每个轮对内侧距处于合理的尺寸范围，为下一步车轮锁闭做准备。

图5 轨距调整装置

2.1.2 其他系统

(1) 变轨监测系统用于车辆在行进时的在线检测，所以采用高精度激光位移传感器进行非接触式的测量。

(2) 伴热融雪系统是在地面变轨装置的关键部件上布置的电加热系统，主要由电加热元件、电压隔离器、温度传感器、控制系统及工装卡具等组成。伴热融雪系统用于防止积雪对设备运行的影响，使装置能够适用于低温环境。

(3) 绝缘防护系统的保护措施主要有接口处二次绝缘、涂刷绝缘漆以及设置绝缘垫；整个设备接地处理；在钢轨与设备连接处增加钢轨绝缘接头。

(4) 电气控制系统主要包括轮对内侧距监测系统、轮对变轨应变监测系统以及警示灯报警系统。

2.2 变轨工作过程

地面变轨装置设有1 435 mm标准轨接口区、轮对卸载(加载)区、车轮解锁(锁闭)区、轮对安全缓冲及轨距调整区、车轮锁闭(解锁)区、轮对加载(卸载)区、1 520 mm宽轨接口区等功能区段，满足变轨转向架轮对卸载、车轮解锁、轮对内侧距调整、车轮锁闭、轮对加载等变轨功能，同时满足变轨列车在1 435 mm标准轨和1 520 mm宽轨间双向自动变轨使用需求。图6为地面变轨装置功能区分布情况。

图6 地面变轨装置功能区分布

下面以列车从1 435 mm标准轨向1 520 mm宽轨变轨过程为例，对其工作过程进行说明。

(1) 列车低速(≤30 km/h)由1 435 mm标准轨区驶入地面变轨装置，前进过程中列车走行钢轨逐渐倾斜下沉，使变轨转向架轴箱承载座通过轴箱抬起装置引入段并逐渐落在轴箱抬起装置承载滚轮上，整车载荷逐渐由车轮向轴箱抬起装置上转移，直到车轮载荷完全卸掉，即车轮踏面脱离轨道，处于悬空状态，如图7所示。

图7 卸载示意图

(2) 变轨转向架进入解锁区段，通过解锁(锁闭)导轨倾斜凹槽与转向架锁闭机构密切配合，推动转向架锁闭机构轴销逐渐上移，直至轴销与车轮轴销准轨导槽完全脱离，使车轮横向位置处于自由状态，如图8所示。

(3) 变轨转向架进入轨距调整区，在轨距调整装置横向导向压力作用下，车轮被迫自动向外侧移动，车轮轴套跟随车轮向外侧移动，直至车轮轴销与轴销宽轨导槽对齐，如图9所示。

(4) 如图10所示，变轨转向架完成轨距调整并进入定位导向段，实现轴箱销口与插销准确对位，然后在解锁(锁闭)导轨倾斜凹槽的作用下，将转向架锁闭机构轴销逐渐下移，直至轴销完全进入车轮轴销宽轨导槽内，完成车轮锁闭动作，此时车轮横向位置固定，不可移动。

(5) 变轨转向架轨距变换完成，随着列车走行钢轨的逐渐抬升，整车载荷逐渐由轴箱抬起装置向车轮过渡和转移，并使列车可靠进入1 520 mm宽轨区段，完成整个轨距变换过程，驶出地面变轨装置。

同理，列车从1 520 mm宽轨区向1 435 mm标准轨区的变距过程与上述列车从1 435 mm标准轨区向1 520 mm宽轨区域的变轨原理相同，地面变轨装置具有双向通过性。

3 分析计算

3.1 垂向承载滚动轮承载可行性分析

垂向承载滚动轮是轴箱抬起装置的关键部件，主要由辊筒、辊轴和轴承组成。垂向承载滚动轮承载整车重量，并受冲击、摩擦和腐蚀等的影响，因此材料需具有一定的强度、刚性和抗腐蚀性。在轴承形式、密封方式、安装维护、尺寸精度、表面处理、加工工艺等方面对垂向承载滚动轮进行对比分析和结构优化，最终确定垂向承载滚动轮的结构如图11所示。

图11 垂向承载滚动轮结构示意图

变轨转向架每个轴箱承载座作用在垂向承载滚动轮上的垂向载荷为125 kN，为了提高整体承载能力和变轨平顺性，必须保证任何时刻每个轴箱承载座至少与3个滚动轮相接触，所以单个滚动轮上的垂向载荷设计为45 kN。为了真实模拟线面接触应力，便于加载荷分析，建立轴箱承载座与3个滚轮接触的等效有限元模型，将3个滚轮内的6处轴承安装面约束，模型采用六面体网格划分，单元尺寸为3 mm，单元数量为468 843，节点数量为523 097，如图12所示。

图12 加载与约束情况

图13是垂向承载滚动轮组成的应力云图和变形图。可以看出最大位移出现在辊筒处，为0.050 mm；最大应力出现在底座处，为178.3 MPa，底座采用的材质是Q345E，其屈服强度为345 MPa，安全系数为1.93，满足设计要求。

图13 垂向滚动轮承载组成应力云图和变形图

根据变轨过程中垂向滚动轮的实际受力情况专门设计制作了滚动轮综合性能试验台，经过承载能力试验和1×105次疲劳试验之后，垂向承载滚动轮无异常变形和不均匀磨损，运动过程中垂向承载滚动轮内部及与承载座之间接触无异常噪声，滚动轮转动灵活，与承载座之间可靠无松动，滚动轮表面、内部及承载座未发现缺陷。垂向承载滚动轮台架试验如图14所示。

图14 垂向承载滚动轮台架试验

综上所述，垂向承载滚动轮符合变轨承载及其使用要求。

3.2 列车通过性分析

地面变轨装置是按照车轮最大磨耗尺寸(直径850 mm)进行设计的。但在车轮磨损后，位于地面变轨装置上的转向架比处于正常走行轨道上的转向架相对位置低，转向架相对位置存在高度差(极限为35 mm)，导致车厢与车厢之间存在一定的角度，为保证列车具有安全的通过性，车厢之间的活动角度要在车钩活动角度的安全范围之内。

根据以上所述情况，可将转向架相对位置的变化分为2种工况。

工况1：单节车厢的2个转向架只有一个转向架在地面变轨装置上，另一个在正常走行轨道上。

工况2：单节车厢的2个转向架都在地面变轨装置上，相邻车厢的转向架在正常走行轨道上。

列车尺寸如图15所示。在通过性校核计算过程中，新车车轮直径为920 mm，车轮磨损极限状态车轮直径为850 mm。

图16为工况1的示意图。从图16可以看出，单节车厢前后转向架处于不同状态，一个位于正常走行钢轨之上，另一个位于地面变轨装置上，通过计算校核，车厢倾斜角度为0.26°。

图16 工况1示意图

图17为工况2的示意图。从图17可以看出，两节车厢的转向架处于不同状态，一节车厢位于正常走行钢轨之上，另一节车厢位于地面变轨装置上，通过计算校核，两节车厢连接处倾斜角度为4°。

图17 工况2示意图

动车组车钩活动范围是-6°～6°，所以，以上2种工况都满足车钩的活动范围要求。

4 变轨装置与转向架的线路变轨试验

2019年10月底完成了地面变轨装置的线路安装、调整及调试，11月底之前完成了变轨装置与变轨转向架配合试验验证，并顺利实现了接口功能、轮对卸载、车轮解锁、轮对内侧距调整、车轮定位锁闭、轮对加载等标准轨-宽轨双向动态自动变轨功能，变轨过程中转向架运行顺畅、平稳，接口匹配和各项功能转换良好，证明地面变轨装置设计方案及其结构满足变轨项目使用需求。变轨装置与转向架的线路变轨试验如图18所示。

图18 变轨装置与转向架的线路变轨试验

5 结束语

地面变轨装置是一种专为变轨距列车及其转向架实现自动轨距转换功能的关键装备，安装在不同轨距的轨道连接处，仅需列车以低速通过地面变轨装置便可实现轮对轨距的自动切换。

本文所设计的地面变轨装置适用于1 435 mm和1 520 mm铁路轨距。该装置可实现自动双向变轨功能，具有以下优点：

(1) 能够自动完成锁紧与解锁。

(2) 模块化设计，包装与运输快捷，安装效率高。

(3) 配置伴热融雪系统，高效清除冰雪，保护装置，提高试验效率，适用于-40～50 ℃的温度工作范围。

(4) 轴箱支撑导轨采用圆柱形支撑辊子结构，极大地减小了摩擦阻力与磨损。

(5) 通过更换不同的导向轨，该装置可适用于600 mm、760 mm、1 000 mm、1 435 mm和1 520 mm等多种轨距之间的转换，兼容性强。但地面变轨装置质量较大，稍显笨重，后续可通过精简优化结构、轻量化设计等进步优化，以更加节约成本。