孙梅玉、曹玥、李明高、李苏、熊纯
(1.中车工业研究院有限公司技术研究部，北京 100073；2.国家开放大学中职教学部，北京 100039；3.北京交通大学交通运输学院，北京 100044)
0 引言
2013 年“一带一路”合作倡议的提出，旨在推动我国同“一带一路”共建国家贸易发展，加强对外合作[1]。铁路运输是支撑丝绸之路经济带发展的重要交通运输方式，并以其技术优势成为亚欧大陆桥上跨国联运和地区间运输方式的首选[2]。随着中欧班列开行数量的快速增长，作为班列重要节点的口岸站的通行能力越发紧张，各国轨距标准的不统一阻碍了中国同周边国家货物流通效率的提高。为了应对轨距差异带来的限制，变轨距运输技术势在必行。
1 国际轨距及跨轨运输方式
1.1 国际轨距情况
铁路轨距是指铁路线路钢轨头部顶面下16mm 范围内两股钢轨作用边之间的最小距离[3]。全世界铁路轨距有一百多种，从600mm 到1676mm 不等，我国除个别地区外，均采用1435mm 标准轨距，欧美大部分国家、土耳其、伊朗和朝鲜半岛也采用标准轨距，芬兰、俄罗斯等采用1520mm 宽轨，印度、阿根廷、西班牙、葡萄牙、智利、斯里兰卡等多采用1676mm 宽轨，东南亚国家则多采用1000mm 窄轨[4]。
1.2 跨轨运输方式
尽管多数国家采用的是标准轨距，但仍需克服轨距标准不统一带来的运输难题，目前中欧班列主要是通过更换车底或转向架的方法解决运输途中轨距改变的问题。国际常见跨轨运输方式有四种，其特点与优劣势如表1 所示。
表1 国际常见跨轨运输方式及其优劣势
对比四种跨轨运输方式，更换车底仅适用于运量较小的跨境铁路线，如中蒙边境的二连站；更换转向架和轮对耗费时间长，常用于国际旅客列车，如欧洲大陆与东欧间的铁路联运；采用第三线的投入成本过高，建设周期也较长，且在改建期间口岸站将无法使用，如2016 年修建的中蒙策克口岸的跨境铁路；采用变轨距列车是现阶段最优的跨轨运输方式，能充分适应各种线路条件，是我国乃至世界范围内首选的跨轨运输技术，具有广阔的应用前景。
2 铁路变轨距列车发展现状
2.1 国外发展现状
国外最早发展变轨距技术的国家是西班牙，生产有Talgo-RD 和CAF BRAVA 变轨距转向架，皆采用了独立旋转的车轮，前者有自动锁定轮对/解锁装置，后者的两车轮是通过联轴器耦合同步旋转的[5-7]。Talgo 变轨距转向架及地面变轨装置如图1 所示。
图1 Talgo 变轨距转向架以及地面变轨装置
德国于1965 年开始研发货车变轨距轮对，到20 世纪80 年代已经形成了第五代的Rafil V 型变轨距轮对。基于货运列车经验，Rafil V 变轨距转向架逐渐被应用于客运，并由整体式车轮改进为分体结构，以适用于客运车型[8]。
波兰的ZNTK Poznań 公司于20 世纪90 年代设计了轨距可变系统SUW2000，该系统只有拖车轮对，采用轴盘制动方式，轨距变化范围为1435mm/1520mm、1435mm/1668mm、1435mm/1520mm/1668mm 等3 种，可用于货车、客车、动车[9]。
2.2 国内发展现状
我国铁路由于统一采用标准轨距设计，因此对变轨距技术的研究至21 世纪初才启动，我国最早的基于独立旋转轮对结构的变轨距转向架如图2 所示。为了满足“一带一路”共建国家跨国互联互通的联运需求，2016 年10 月中国中车宣布启动“时速400km 可变轨距高速列车”项目，以期实现在600～1676mm 不同轨距的铁路上运营。首个目标市场是莫斯科至北京高速铁路，其可为实现“一带一路”共建国家的互联互通提供技术支撑。
图2 独立旋转车轮变轨距转向架
“时速400km 可变轨距高速列车”项目将根据“一带一路”共建国家不同的运用需求，按照统一的技术平台、不同的技术路线研制具有产品平台特征的时速400km 跨国联运高速列车[10-12]。项目的参与单位中车长客股份公司、中车四方股份公司、中车唐山公司将分别研制一列动车组，以满足不同的运营环境。中车长客股份公司研发的变轨距轮对轴箱，解锁/锁紧装置分布在车轮的两侧，便于对轮对进行解锁/锁紧运动；中车四方股份公司研发的变轨距轮对轴箱，该变轨轮对的解锁杆结构安装在车轮两侧的轴箱内，可实现相对独立运作；中车唐山公司研发的变轨距轮对轴箱，其锁紧槽均布在轮对轮毂位置，轮对的解锁和锁紧可通过锁紧块转动实现。
3 铁路变轨距列车发展趋势与应用前景
3.1 铁路变轨距列车发展趋势
3.1.1 轨距适应技术
目前我国的变轨距技术研究主要适用于1435mm/1520mm 轨距间的转换，然而不同轨距对应的轮对结构体系、空间分布以及它们之间的轮对调整方法和装置都存在一定差异。
因此，研究不同轮对位置、不同轨距下变轨距过渡段的结构形式与通行方式，提出轨距适应范围更广的轮对结构模型，将为我国变轨距技术提供核心竞争力。
3.1.2 高速变轨技术
虽然目前列车可以通过地面辅助设施完成自动变轨过程，但在变轨时列车的通行速度受到很大限制（西班牙的Talgo RD 转向架为不超过15km/h）。因此，总结影响变轨速度的主要因素，提高轨距变换装置的灵活性，改进轮对以及地面辅助设施的结构，摆脱锁紧装置对列车变轨时的速度限制，将是我国变轨距技术的突破点。
3.1.3 变轨性能验证
变轨距技术的核心在于列车在轨道交接时轮对间距的改变，而轨距的自动转换是通过地面辅助设施来实现的。当列车通过地面变轨装置时，轮对解锁装置实现解锁，车轮沿车轴方向移动，车轮内侧间距改变。轮距调整完成后，轮对锁紧装置完成轮对锁紧，避免车轮的随意移动。因此，轮对变轨过程的稳定性、准确性与及时性对车辆行驶安全有重要影响。
目前，国外对于变轨距技术的研究重点在于转向架及轮对的关键性技术参数，对投产前的综合性能试验及研究论证却有所不足。未来，开发通用性良好的变轨轮对试验台对变轨性能进行综合研究验证，是我国变轨距技术研究的重点。
3.2 铁路变轨距列车应用前景
3.2.1 跨国班列
截至2022 年12 月底，中欧班列累计开行6.2 万列，基本形成了对亚欧地区的全覆盖，成为我国与“一带一路”共建国家经济增长的重要载体。虽然中欧班列整体表现优异，但轨距差异却成了班列运量增长的瓶颈，这种压力同时也转嫁到了基础设施配置上。若将变轨距转向架应用于跨国班列，能大范围解决由于轨道差异带来的困境，减少口岸站基础设施饱和导致的班列拥堵或限行，从而大幅度提升班列的通行效率，减轻口岸站的压力。
3.2.2 国际旅客联运
参照国际上知名的东方快车、欧洲之星旅客列车的联运模式，我国于1951 年开始陆续办理铁路国际旅客联运服务，先后在中俄、中越、中蒙、中朝、中哈间开通了国际列车。
但由于联运列车老旧，舒适度和开行速度都远低于国内旅客列车装备水准；且由于各国轨距差异，联运列车在跨境时必须在口岸站更换轮对，增加了运营成本与运输时间，国际铁路联运市场竞争力较低。而高速变轨距列车的研发将极大程度地弥补现阶段国际旅客联运的不足，为“一带一路”倡议背景下中欧国际铁路运输客运通道的构建作出贡献。
4 结语
在“一带一路”倡议的促进下，铁路运输将大幅带动周边国家的经济增长，跨境铁路上变轨距列车的普及应用能极大地提升跨境互联互通的效率，帮助铁路吸引货源与客流。国外对变轨距技术的研究为我国变轨距转向架及轮对研究提供了很好的借鉴，对轨距适应、高速变轨、性能验证以及应用前景等方面的研究都提供了新思路。变轨距列车的应用还需要关注轨距的名义尺寸和限界尺寸、运用环境条件以及标准体系的构建等细节问题，从而保障变轨距列车运行的安全性与稳定性。同时，在继承我国高铁发展经验的基础上，保留运用成熟的结构，降低列车制造成本，也将为我国变轨距技术推广创造条件。在未来全球化的大趋势下，变轨距技术必将成为我国铁路自主化的储备技术，为我国铁路技术的出口创造更有利的条件。
