本发明属轮轨铁路技术领域， 涉及一种在现有轮轨铁路中位线建立中间轨道 及辅助装置 以解决列车运行过程中的横向力、 竖向力、 启动、 制动和爬坡等技术问题。

背景技术

钢轨是轨道的重要组成部件， 它的主要功能是： 为车轮提供连续平顺的承重表面， 并引 导列车运行。 但是， 现有的钢轨在发挥它的功能方面确存在着以下 方面的不足：

1、 不能解决横向力问题。 说

A.列车在直线运行过程中； 由于轮 /轨的自明 1激作用， 迫使轮对作蛇行运动， 列车运行速度 越大， 横向加速度就越大， 即车轮轮缘对钢轨侧面书的冲击力也就越大， 车轮轮缘和钢轨侧面 的的横向作用力越大， 蛇行失稳的危险就越大。

B.列车作曲线运行时， 由于实际运行速度与设计速度的偏差， 导致外轨的欠超高或过超 高的存在， 这样列车运行产生的离心力和自身重量在轨道 平面的向心力就不能被完全平衡， 未被平衡的横向力主要靠车轮轮缘和钢轨侧面 的作用来完成。

C.列车运行进入曲线后， 车辆第 1轮对外侧轮缘与外轨有一个夹角 （冲角） 并与钢轨侧 面接触， 在曲线外轨形成一个轮缘力 （导向力） 促使机车车辆滑移到曲线内侧并迫使转向， 但就是这种轮缘力增加了车轮轮缘和钢轨侧面 的横向作用力。

D.列车运行过程中， 由于车轮轮缘和钢轨的冲角较大造成了车轮轮 缘对钢轨的横向冲击 力较大， 这样不仅给钢轨提供振动和噪声源， 还不利于列车运行的稳定性， 甚至随着横向冲 击力的增大， 轨头有被横向击溃的可能。

2、 不能解决竖向力问题。

列车运行过程中， 由于轮载过轻， 轨道纵向不平顺或风力等作用下列车车轮可能 会出现 跃起、 腾空现象。

3、 由于上述 1中轮 /轨的横向力作用会使列车发生爬轨、 越轨和轨头被横向击溃的可能 及 2中竖向力问题未得到解决使列车有失去平衡� �生倾覆的危险， 这些因素都为列车的运行 埋下了安全隐患。

4、 因列车的安全问题未得到充分解决， 加上列车曲线路段运行车轮与钢轨侧面的滑动 摩 擦力较大， 列车的运行速度因此而受到极大限制， 目前列车运行蛇行失稳临界速度为 500公 里 /小时左右， 线路安全运行最大速度为 350公里 /小时 （安全冗余 30%)， 这个速度成了难以 突破的至高点。

5、 列车作曲线运行时， 外轨的欠、 过超高主要靠车轮轮缘与钢轨侧面的横向作用 力来平 衡， 并且横向作用力会随欠、 过超高的增大而增大， 横向力的增大会导致车轮轮缘与钢轨侧 面滑动摩擦力增大， 这样不仅会加剧轮 /轨侧磨、 增大列车运行阻力和能耗， 而且列车轮对爬 轨的危险也越大， 这种情况不能解决在较大的速差范围内满足不 同速度的列车混跑。 另一方 面， 由于轮 /轨作用对于外轨欠、 过超高横向力的调节有限限制了曲线半径设计 的选择范围， 即在困难地段不利于曲线的小半径化。

6、 列车运行的横、 竖向力未能得到解决限制了列车的进一步轻量 化发展， 这种情况使 列车轴重在同比速度条件下不能得到进一步减 轻， 列车的运行阻力在这一环节上不能得到进 一步减小， 同时车轮对钢轨、 道床和桥梁的冲击力不能达到最小化。

7、 不能解决轮 /轨间游间过大会使轨头被横向击溃游间过小� �轮会被楔住以及车轮踏面 斜度或等效斜度过小会使列车曲线通过能力减 小斜度或等效斜度过大会加剧列车蛇行失稳之 间的矛盾。

8、 现有轮 /轨铁路因车轮踏面和轨道间摩擦力较小决定� �列车不能像汽车那样快速启动、 快速制动和大坡度爬坡。

发明内容

为了克服现有轮轨铁路不能解决横、 竖向作用力等问题。 本发明提供一种中间轨道及辅 助装置运输系统， 辅助装置由控制器装置、 启动装置和制动装置组成。 该运输系统能有效解 决列车运行的横向力、 竖向力、 启动、 制动和爬坡技术问题。

本发明要解决的技术问题采用的技术方案是： 在现有轮轨铁路左、 右两股钢轨的中位线 建立中间轨道与钢轨平行沿伸， 中间轨道由轨座、 轨腰和中柱组成， 横切面呈 "工"字型， 中柱通常为中央抽空， 横切面为长方形， 轨座用弹性适度的扣件或螺杆加垫片和弹簧后 固定 在左、 右钢轨中间轨道板、 混凝土轨枕或设置圆柱桩中上部， 圆拄桩固定在板式轨道轨道板 和缓冲层下面的混凝土中上部。 在过小半径曲线或道叉路段， 中间轨道轨腰、 中柱可设计为 非连续性状态。 并在机车车辆轮轴中下方垂直安装一控制器装 置， 控制器装置下端为垂直连 接一挂钩装置， 挂钩两侧端部口径较大， 两侧内壁及底部内边缘沿外为喇叭形即为相互 背对 的圆弧形， 以便在中间轨道非连续条件下起导引作用和减 小空气阻力及曲线道叉路段挂钩不 被中柱楔住， 挂钩下部及左、 右两侧中部为开槽状态且两侧下部向内有一段 延伸， 左右两侧 中部槽口位置各水平安装一导向轮， 导向轮由内圈、 外圈、 滚动体和保持架组成， 导向轮距 中柱的距离通常为 0.5-3MM, 挂钩可沿中间轨道作双向运行。 控制器上端为连接一外圆筒， 外圆筒内置一内圆柱， 内圆柱中上部在外圆筒槽口位置与连杆相连接 ， 连杆上端垂直固定在 安装在轮轴上的轴承的下部轮轴的中下方， 轴承两侧轮轴中部用销子固定， 内圆柱与外圆筒 两端空隙位置各设置一大小、 形状、 材料相同， 强度和韧性合适的弹性垫或复合弹簧（由橡 胶和金属弹簧组成）。

从动车转向架牵引电机转轴齿轮伸出的升降架 轮轴设置橡胶轮胎制作的启动轮， 升降架 轮轴设置有齿轮与电机转轴齿轮齿合， 启动轮位于中间轨道中上方， 可通过气动控制实现升 或降。

从动车转向架轮轴齿轮的另一侧和拖车转向架 轮轴齿轮伸出的升降架轮轴设置橡胶轮胎 制作的制动轮 1， 升降架轮轴设置有齿轮与动车转向架或拖车转 向架轮轴安装的齿轮齿合； 从拖车转向架轮轴链盘另一侧伸出的升降架轮 轴设置橡胶轮胎制作的制动轮 2 , 升降架轮轴 链盘设置有传动链条与拖车转向架轮轴安装的 链盘连接， 制动轮 1和制动轮 2位于中间轨道 中上方， 可通过气动控制实现升或降。

启运轮、 制动轮 1和制动轮 2踏面设置有齿状条纹， 以增大工作时摩擦力。

在启动轮或制动轮 2的前面或制动轮 1的后面设置一刹车钳装置， 刹车钳由气动控制， 应设计为直线路段保持位于列车中下方， 曲线路段可左、 右摆动， 并可实现上、 下升或降。

中间轨道上顶面设置有横向布置的条形凹槽， 轨腰两侧面设置有竖向布置互相平行的凸 形条纹。

当机车车辆在运行过程中轮对偏离钢轨中线达 设定值时， 轮对会对中柱侧面传递一横向 作用力， 横向作用力的传递过程为横向作用力由轴承、 连杆、 内圆柱经弹性垫或复合弹簧缓 冲后首先传递给外圆筒， 再经连杆、 挂钩、 导向轮轮轴、 导向轮传递给中柱， 由于作用力与 反作用力的关系， 同时中柱会对轮对产生一大小相等方向相反的 横向反作用力而起到限位作 用， 迫使轮对回到钢轨中线或设定中线附近， 使车轮轮缘和钢轨侧面没有接触的的机会。 安 装在挂钩两侧的导向轮不仅起到传递和转移横 向作用力和反作用力， 减少轮 /轨间的冲角和引 导列车运行， 还可改变车轮轮缘与钢轨侧面的滑动摩擦为导 向轮与中柱侧面的滚动摩擦， 从 而大大减少曲线路段轮 /轨间的摩擦力。 当机车车辆在运行过程中， 由于轮载过轻、 轨道纵向 不平顺、风力或横向扭力作用下， 机车车辆失去平衡而出现车轮跃起、腾空或爬 轨等动作时， 中间轨道会通过控制器装置对机车车辆产生一 足够大的向下的拉力， 迫使车轮踏面回到钢轨 上顶面。 ，

当列车启动时， 通过气动控制把启动轮降下压紧中间轨道上顶 面， 由于启动轮为橡胶轮 胎及中间轨道上顶面设置的条形凹槽， 启动轮与中间轨道之间的摩擦力较大， 可防止因启动 时加速度过大而出现轮 /轨打滑现象， 从而提高启动加速度。 .

当列车运行需要制动时， 可通过气动控制把刹车钳降下并钳紧中间轨道 轨腰中腹部，' 同 时降下启动轮和制动轮 2压紧中间轨道上顶面， 由于中间轨道轨腰预先设置的凸型条紋和中 间轨道上顶面设置的条形凹槽， 使刹车钳、 启动轮和制动轮 2与中间轨道表面的摩擦力较大 从而产生有利制动的阻力以卖现短距离制动； 当列车需要紧急制动时， 除刹车钳钳紧中间轨 道中腹部外， 同时把制动轮 1降下压紧中间轨道上顶面， 根据列车运行状态， 使制动轮 1与 中间轨道上顶面的摩擦力最大限度接近车轮与 钢轨之间的摩擦力， 由于制动轮 1与列车车轮 转动方向相反并处于拖滑状态而最大限度地阻 止车轮转动以实现超短距离制动。

当列车大坡度爬坡时， 通过气动控制降下启动轮压紧中间轨道上顶面 从而产生有利列车 爬坡的摩擦力而防止轮 /轨打滑。

本发明的有益效果是， 现有轮轨铁路通过建立中间轨道及辅助装置， 使钢轨和中间轨道 分工更合理， 钢轨主要分担承重任务， 中间轨道分担控制列车运行横向力、 竖向力、 启动、 加速、 制动和大坡度爬坡增大摩擦力等功能， 具体效果如下- 1、 限制和控制了列车直线运行的蛇行运动， 解决和转移了曲线路段车轮轮缘的导向力及 外轨欠、 过超高引起的轮 /轨横向作用力。

2、 导向轮与中柱之间的距离较车轮轮缘与钢轨侧 面的距离大幅减小， 距离的减小可大幅 减小轮 /轨之间因蛇行运动产生的冲角，冲角的减小� �防止轨道被横向击溃，减小轮 /轨因横向 力作用产生的轨道振动和噪声， 同时， 由于蛇行运动得到了改善， 列车运行的稳定性和旅客 旅行的舒适性就会得到提高。

3、使车轮轮缘与钢轨侧面之间游间的取值有� �大的选择空间， 游间的增大不再导致车轮 轮缘与钢轨侧面之间冲角增大而造成钢轨被横 向击溃的危险， 游间的增大进一步防止了车轮 轮缘和钢轨侧面接触的机会。 -

4、 解决了车轮踏面斜度或等效斜度过小会使列车 曲线通过能力减小,'斜度或等效斜度过 大会加剧蛇行失稳之间的矛盾，斜度或等效斜 度的选值不需要过多的考虑列车曲线通过能力 ， 可适当减小车轮踏面的斜度或等效斜度以进一 步改善列车的蛇行运动， 从而不仅可改善轮 /轨 磨耗以提高钢轨的使用寿命和进一步降低轮 /轨作用产生的噪声， 还可进一步提高列车运行的 速度、 稳定性和平稳性。

5、列车运行的竖向动力得到了解决， 可防止因山体滑坡掩埋线路及结冰等引起的轨 道不 平顺导致的列车脱轨和倾覆。

6、列车运行的横、 竖向力得到解决后， 不仅可使列车在现有速度条件下运行的安全性 大 副提高， 并且还为列车的进一步提速提供了足够的安全 空间， 只要增大牵引力， 就可大幅提 高列车运行临界速度， 列车的安全运行速度可由目前的 350公里 /小时提高到 500— 600公里 / 小时以上甚至更高。

7、导向轮转移了车轮和钢轨之间的横向作用� �， 这样就避免了车轮轮缘和钢轨侧面的接 触摩擦， 从而防止了轮 /轨间的侧磨。

8、 在曲线路段， 导向轮改变了轮 /轨间的滑动摩擦为滚动摩擦， 从而大大减小了轮 /轨间 的摩擦阻力， 摩擦阻力减小不仅可提高列车的运行速度， 还可减小列车运行能耗。

9、 由于列车运行的横、 竖向力得到了有效解决， 在曲线路段， 列车的爬轨、 倾覆等问 题就不可能再发生了， 这为在更大的速差范围内满足不同速度的列车 混跑提供了空间， 另一 方面， 在同比速度条件下， 困难地段可把曲线半径设计得更小一些， 以降低铁路建设费用。

10、 列车运行的竖向力得到解决后， 在同比速度条件下， 列车的进一步轻量化有了安全 保证， 列车轻量化后不仅有利于提高列 运行的速度， 降低能耗， 还可减小车轮对钢轨、 道 床和桥梁的冲击破坏。 '

11、 列车启动时启动轮的利用能大幅提高列车运行 的加速度、 加速度的提高有利于提高 列车全程运行的平均速度， 特别适用于地铁及列车多站点运行。

12、 列车制动时， 刹车钳、 启动轮、 制动轮的利用能使列车运行制动距离大幅缩短 ， 制 动距离的缩短不仅有利于提高列车运行的平均 速度， 还可提高列车运行的安全性和大密度运 行， 列车大密度运行有利于提高铁路通行能力和减 少铁路重复建设费用及土地资源占用。 13、 铁路大坡度条件下启动轮的利用， 有利于提高困难地段的坡度， 从而更多的避免列 车绕道运行而减少线路里程和建设费用。

14、 本发明解决了铁路运输的 "安全、 速度、 轮 /轨磨耗、 效益"等核心问题， 使铁路运 输在更大范围内替代航空、 公路运输， 将更具成为我们理想的集 "安全、 速度、 节能、 环保" 于一体的交通工具。

15、 本技术方案采用的中间轨道及辅助装置运输系 统构造简单， 性能可靠、 经济实用， 适用于所有板式轨道和混凝土轨枕铁路， 尤其适合于板式轨道和曲线路段， 既有线路易于改 造， 无须增加土地资源占用， 空间占用非常小， 具有和现有轨道、 机车车辆的兼容性。 其实， 建立中间轨道的费用并不高， 对于高速铁路来说， 只占整个线路的 0.15%~0.5%， 如果从动态 的角度考虑， 这一数宇可能为负值， 然而它产生的经济效益确是巨大的， 本技术方案的实施， 全球每年产生的经济效益将会至少在数千亿元 人民币以上。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本技术方案作进一步 说明。

图 1是建立中间轨道后轨道线路图。

图 2是本发明第 1个控制器装置实施例立体图。 本实施例控制器装置由挂钩 （3 )、 导向 轮 （4)、 导向轮轮轴 （5 )、 连杆 （6)、 保持控制器装置与列车垂直连杆 （11 )、 轴承 （15 )、 销子 （16) 和销子 （17) 组成。

图 3是本发明第 2个控制器装置实施例立体图。 本实施例控制器装置由挂钩 （3 )、 导向 轮 （4)、 导向轮轮轴 （5 )、 连杆 （6)、 外圆筒 （7)、 内圆柱 （8 )、 连杆 （9)、 保持控制器装 置与列车垂直连杆 （11 )、 弹性垫 （12)、 轴承 （15)、 销子 （16) 和销子 （17) 组成。

图 4是挂钩 （3 ) 横切面图。

图 5是挂钩 （3 ) A-A线剖视图。

图 6是中间轨道 （2)、 挂钩 （3 )、 导向轮 （4)、 导向轮轮轴 （5 ) 和销子 （16) 俯视图。 图 7是图 6 B-B线剖视图。

图 8是连杆 （6)、 外圆筒 （7)、 内圆柱 （8 )、 连杆 （9)、 轮轴 （10) 和弹性垫 （12) 简 易图。

图 9是图 8 C-C线剖视图。

图 10是图 8 D-D线剖视图。

图 11是动车转向架启动轮 （26) 启动装置和制动轮 1 (30) 制动装置简易二维图。 图 12是拖车转向架制动轮 1 (30) 和制动轮 2 (31 ) 制动装置简易二维图。

图中 1.钢轨、 2.中间轨道、 3.挂钩、 4.导向轮、 5.导向轮轮轴、 6.连杆、 7.外圆筒、 8.内圆 柱、 9..连杆、 10.转向架轮轴、 11.保持控制器装置与列车垂直连杆： 12.弹性垫、 13. 凸形条纹、 14. 条形凹槽、 15. 轴承、 16.销子、 17. 销子、 18. 转向架轮轴齿轮、 19. 轴承、 20. 牵引电 机、 21. 牵引电机转轴、 22. 牵引电机转轴齿轮、 23. 轴承、 24. 升降架轮轴、 25. 升降架轮 轴齿轮、 26.启动轮、 27. 轴承、 28. 连杆、 29. 升降架升降动力支撑点、 30. 制动轮 1、 31. 制 动轮 2、 32. 传动链条、 33. 升降架轮轴链盘、 34. 转向架轮轴链盘、 35. 刹车钳。 具体实施方式 - 挂钩 （3 ) 和导向轮轮轴 （5 ) 应使用强度较高的合金材料或碳纤维制作， 以保证足够的 机械性能和体积小型化。 中间轨道中柱 （2) 两侧面宽度应大于挂钩 （3 ) 内壁最下端与中间 轨道中柱 （2) 的竖向距离。

连杆 （9) 与外圆筒 （7) 槽口位置的横向距离通常为 4一 8mm， 这一距离对列车运行过 程中轮对横向位移起到限位作用。

启动轮 （26) 直径与启动轮对应升降架轮轴齿轮 （25 ) 直径的比应等于列车车轮直径与 转向架轮轴齿轮 （18) 直径的比。 以保证启动轮和列车车轮运行同步。

为了缩短列车运行的制动距离， 制动轮 2 (31 ) 的直径可设计为与对应升降架轮轴链盘 (33 ) 直径的比小于列车车轮直径与转向架轮轴链盘 （34) 直径的比， 制动轮 2 (3D 在制 动工作时由于转动滞后而产生蠕动运行， 蠕动运行使制动轮 2 (31 ) 与中间轨道上顶面 （2 ) 产生滚动摩擦阻力的同时附加一个更大的滑动 摩擦阻力。

为了满足列车制动时刹车钳能顺利通过中间轨 道接头位置， 中间轨道接头方法采用凸形 接头升入到凹形接头凹槽内， 紧固接头的螺钉采用内凹式， 其表面低于中间轨道表面或与中 间轨道齐平。

图 2是本发明的第 1个控制器装置实施例， 中间轨道（2)固定在左、右钢轨中间轨道板、 混凝土轨枕或设置圆柱桩中上部，连杆（6)上� ��接转向架轮轴（10)中下方对应的轴承（15 )， 下端接挂钩 （3 ) 中上部， 连杆 （6) 有一保持控制器装置与列车垂直连杆 （11 ) 连接， 连杆 ( 11 )另一端接转向架固定部位， 轴承（15)两侧轮轴中部用销子（17)固定， 挂钩（3 )左、 右两侧中部开槽位置各水平安装一导向轮 （4)。 当列车轮对偏离钢轨中线达设定值时会对中 间轨道（2)传递一横向力， 横向力由转向架轮轴 （10) 经轴承 （15 )、 连杆 （6)、 挂钩 （3 )、 导向轮轮轴 （5)、 导向轮（4)传递给中间轨道（2)， 由于作用力与反作用力的关系， 中间轨 道中柱（2)会对轮对产生一大小相等方向相反� ��反作用力而起到限位作用， 迫使轮对回到钢 轨中线或设定中线附近； 当列车在运行过程中失去平衡而出现车轮跳起 、 腾空或爬轨等动作 时， 中间轨道（2)会通过控制器装置对列车产生一� ��够大的向下的拉力， 迫使车轮踏面回到 钢轨上顶面。

图 3是本发明的第 2个控制器装置实施例， 与第 1个控制器装置实施例不同的是控制器 装置上端增设了一减振装置， 减振装置由外圆筒 （7)、 内圆柱 （8)、 弹性垫 （12) 组成。 连 杆 （9) 上端接转向架轮轴 （10) 中下方对应的轴承（15 ), 下端接内圆柱（8) 中上部， 内圆 柱 （8)外套一外圆筒 （7)、 内圆柱 （8) 与外圆筒 （7) 两端空隙位置各设置一弹性垫 （12)， 其余结构同图 2; 当列车轮对偏离钢轨中线达设定值时会对中间 轨道 （2) 传递一横向力， 横 向力由轮轴 （10) 经轴承 （15 )、 连杆 （9) 传递给内圆柱 （8 )， 再经弹性垫 （12) 缓冲后传 递给外圆筒 （7)， 然后再经连杆 （6)、 挂钩 （3 )、 导向轮轮轴 （5 )、 导向轮（4) 传递给中间 轨道中柱 （2)， 由于作用力与反作用力的关系，， 中间轨道中柱 （2) 会对轮对产生一大小相 等方向相反的反作用力而起到限位作用， 迫使轮对回到钢轨中线或设定中线附近。 竖向力控 制工作原理同第 1个控制器装置实施例。

图 11是动车转向架启动轮 （26) 启动装置和制动轮 1 (30) 制动装置简易二维图， 启动 轮 （26) 启动装置轮轴轴承 （27) 与牵引电机转轴轴承 （23 ) 通过连杆 （28) 相连接， 升降 架轮轴 （24) 设有齿轮 （25 ) 与牵引电机转轴齿轮 （22) 齿合， 并在升降架轮轴 （24) 安装 一启动轮 （26)， 启动轮 （26) 位于中间轨道 （2) 的中上方， 升降架轮轴靠中部位置设有升 降动力支撑点 （29); 制动轮 1 (30) 制动装置位于转向架轮轴 （10) 的另一侧， 升降架轮轴 (24) 两端安装的轴承 （27) 与转向架轮轴 （10) 安装的轴承 （19) 通过连杆（28)相连接， 升降架轮轴 （24) 设有齿轮 （25 ) 与转向架轮轴 （10) 安装的齿轮 （18) 齿合， 其余结构同 启动轮 （26) 启动装置。

图 12是拖车转向架制动轮 1 (30)和制动轮 2 (31 )制动装置简易二维图， 制动轮 1 (30) 制动装置结构同动车转向架制动轮 1 (30)制动装置， 制动轮 2 (31 )制动装置位于转向架轮 轴 （10) 另一侧， 升降架轮轴 （24) 安装的链盘 （33 ) 设置有传动链条 （32) 与转向架轮轴 ( 10) 安装的另一链盘 （34) 连接。

当列车启动时， 通过气动控制把启动轮（26) 降下压紧中间轨道（2)上顶面从而产生有 利加速的摩擦力。

当列车运行需要制动时， 可通过气动控制把刹车钳 （35 ) 降下并钳紧中间轨道轨腰 （2) 中腹部， 同时降下启动轮 （26) 和制动轮 2 (31 ) 以小于轴重的设定力压紧中间轨道 （2) 上 顶面从而产生有利制动的较大摩擦阻力； 当列车需要紧急制动时， 除刹车钳 （35 ) 钳紧中间 轨道 （2) 中腹部外， 同时把制动轮 1 (30) 降下以设定的力压紧中间轨道 （2) 上顶面， 由 于刹车钳 （35 ) 与中间轨道 （2) 的摩擦阻力和制动轮 1 (30) 与列车车轮转动方向相反而最 大限度地阻止车轮转动以实现超短距离制动。

当列车大坡度爬坡时， 通过气动控制放下启动轮（26)压紧中间轨道（ 2)上顶面从而产 生有利列车爬坡的摩擦力而防止轮 /轨打滑。