城市輕軌車輛新型彈性車輪設(shè)計及振動特性分析

■ 周睿 周勁松

周 睿：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計部，教授級高級工程師，江蘇 南京，210031

周勁松：同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，教授，博士生導(dǎo)師，上海，201804

城市輕軌車輛在城市地面線路上運行，往往與其他交通形式共用路權(quán)，且距離居民區(qū)較近，其振動噪聲對通行線路附近的影響尤為突出，車輛運行時產(chǎn)生的振動噪聲已成為軌道交通迫切需要解決的問題之一。在諸多減振降噪措施中，彈性車輪是其中之一，不僅能降低軌道車輛振動與噪聲，提升車輛運行品質(zhì)并延長車輛使用壽命，還可以減小輪軌間的沖擊與磨耗，降低軌道損壞與大地振動傳遞率。德國曾在第一代ICE1型高速列車上采用彈性車輪，但在1998年由慕尼黑開往漢堡的ICE上發(fā)生了脫軌慘劇，造成了重大的人員傷亡。盡管出現(xiàn)了這一特大事故，但不能因此斷言彈性車輪不適用于城市輕軌車輛，相反應(yīng)投入更多的精力去研究，使其成為一種安全有效的軌道車輛車輪形式。

1 彈性車輪研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

1.1 國外彈性車輪的研究及運用

國外對彈性車輪的研究較早，也較為深入，目前處于領(lǐng)先地位的是歐洲、美國與日本。歐洲鐵路研究院（ERRI）利用TWINS模型及有限元方法研究彈性車輪性能，從而完善彈性車輪的建模，并對影響車輪性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、參數(shù)和材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。歐洲彈性車輪的研制中，較為著名的是德國波鴻交通技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Bochum 54、Bochum 84型彈性車輪和瑞典生產(chǎn)的SAB型彈性車輪（見圖1）。

Bochum 84型彈性車輪依據(jù)Bochum 54的設(shè)計原理改進(jìn)而成[1]，由輪轂、輪心、彈性元件及可卸環(huán)組成，其中壓環(huán)與輪心是錐形壓裝配合。輪心上設(shè)有注油孔，用高壓油泵注入高壓油即可拆卸。SAB型彈性車輪[2]輪心與輪毅的彈性連接采用許多圓柱狀墊塊，鋼軌對走行部分的作用傳遞都通過橡膠進(jìn)而傳向車體，因其能降低輪軌通過小曲線時的尖嘯聲而得到廣泛應(yīng)用。但SAB型彈性車輪在工作過程中曾出現(xiàn)過螺栓松動，因此德國專利提出了一種改進(jìn)方法，即取消螺栓連接，在輪心和壓環(huán)之間使用鎖緊定位環(huán)定位橡膠元件和輪轂。

日本也對彈性車輪進(jìn)行了較為深入的研究。日本鐵道綜合研究所（RTRI）[3]為降低輪軌滾動噪聲和減少線路維修量，對不同類型的彈性車輪進(jìn)行了研究。首先進(jìn)行了彈性車輪輪對落放試驗，得出彈性車輪的動載荷大致為剛性車輪的80%；然后建立了彈性車輪輪對軌道動力學(xué)模型，研究不同運行速度下彈性車輪和剛性車輪的軌道動態(tài)性能作用情況，提出了彈性車輪對于減少軌道損壞方面有一定作用的結(jié)論。此外，日本還對通過采用彈性車輪來降低高速轉(zhuǎn)向架噪聲和振動這一課題進(jìn)行了試驗研究，得出彈性車輪與普通車輪相比，無論對降低車內(nèi)、外噪聲還是轉(zhuǎn)向架及地板的振動與噪聲都具有較好效果。

圖1 國外較為著名的彈性車輪

1.2 國內(nèi)彈性車輪的研究及運用

截至目前，國內(nèi)機(jī)車車輛、地鐵車輛和輕軌車輛仍多數(shù)采用剛性車輪，在部分低地板車輛上彈性車輪已開始得到運用。剛性車輪剛度較大，對車輛振動沖擊大，輪軌磨耗和運行噪聲都較大，而采用橡膠彈性車輪和橡膠彈性軌道墊是減振降噪最有效的措施之一，但目前我國尚無一種定型橡膠彈性車輪。

我國在彈性車輪方面的研究起步較晚，1969年，四方車輛廠成功研制了第一輛地鐵彈性車輪試驗車（結(jié)構(gòu)見圖2），并對其進(jìn)行了為期半年的試驗。

理論研究方面，同濟(jì)大學(xué)[4]對彈性車輪減噪降噪機(jī)理進(jìn)行了充分研究。通過對比其自主研制的承剪型彈性車輪（見圖3）與整體車輪的聲學(xué)特性，在輪軌垂向動作用力、輪軌噪聲等方面通過數(shù)值仿真及實驗的方法進(jìn)行對比，證實了彈性車輪在降低輪軌振動噪聲方面具有優(yōu)勢。

北京交通大學(xué)[5]在基于有限元橡膠材料超彈性特性力學(xué)本構(gòu)關(guān)系建模方法研究的基礎(chǔ)上，模擬計算出彈性車輪在道岔沖擊載荷作用下的瞬態(tài)動力響應(yīng)。有限元仿真結(jié)果表明，彈性車輪在過道岔時輪軸處位移比剛性車輪減少21.4%，動載荷減小38%；橡膠硬度增加，輪軸處的位移與彈簧動載荷均有所增加。此研究為彈性車輪設(shè)計提供了新的思路和方法，但該模型還需要進(jìn)行大量彈性車輪橡膠材料特性的實驗研究、非線性本構(gòu)關(guān)系研究、彈性車輪非線性建模方法及有限元計算方法研究，以實現(xiàn)更加有效的彈性車輪動態(tài)性能的有限元仿真。

為推進(jìn)我國車輪減振降噪技術(shù)方面的研究[6]，南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所依托40多年材料工藝研究的經(jīng)驗，于2002年5月開始了彈性輪對的自主研發(fā)（見圖4）。2004年9月，產(chǎn)品研制成功并正式投產(chǎn)運用。

同時，戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所對100%低地板車用彈性車輪也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、材料研制及疲勞試驗。該100%低地板車用彈性車輪采用獨立輪耦合的傳統(tǒng)方式，需要連接專用傳動裝置。100%彈性車輪動輪的輪心和輪轂結(jié)構(gòu)見圖5。首例100%彈性車輪產(chǎn)品已于2009年4月通過首件鑒定，交付客戶裝車使用并正式運行。

2 新型彈性車輪外形設(shè)計

由于橡膠的壓縮剛度大、剪切剛度小，不能承受較大的拉伸載荷，因此彈性車輪的彈簧特性主要決定于橡膠元件的承載形式。彈性車輪的結(jié)構(gòu)有多種形式，按其承載方式的不同可分為剪切型、壓縮型和壓剪復(fù)合型三種。

本設(shè)計采用壓剪復(fù)合型彈性車輪形式，在確保彈性車輪功能的前提下，提供了一種可以有效降低車輛運行時螺栓承受的應(yīng)力、保證安全運行的結(jié)構(gòu)形式，而且這種彈性車輪結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便，其概念設(shè)計見圖6。

圖2 我國自主研發(fā)的彈性車輪結(jié)構(gòu)

圖3 承剪型彈性車輪

圖4 彈性車輪組裝示意

圖5 100%彈性車輪動輪的輪心與輪轂結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計包括具有中心孔的輪轂和輪心組件，通過車軸傳來的車輛載荷依次傳至輪心、橡膠元件和輪轂，最后傳至鋼軌。輪心組件位于輪轂中心孔內(nèi)，且輪心組件與輪轂之間具有允許輪轂與輪心在壓迫彈性元件后沿車輪徑向略微移動的間隙。輪心組件包括壓環(huán)和具有轂孔的輪心，輪心與壓環(huán)為壓裝配合，并采用盲孔螺栓連接形式，還有若干彈性元件，彈性元件位于輪心組件與輪轂之間，采用V形布置，且沿輪箍中心孔內(nèi)壁周向均布，可根據(jù)車輛軸重和設(shè)計剛度要求確定其夾角角度。輪心上設(shè)有注油孔，用高壓油泵注入高壓油即可拆卸。

3 車輛-軌道垂向動力學(xué)分析

3.1 剛性與彈性車輪對車輛-軌道耦合隨機(jī)振動影響

為了進(jìn)一步比較新型彈性車輪與剛性車輪對車輛-軌道動力學(xué)性能的影響，優(yōu)化彈性車輪橡膠元件參數(shù)，需要進(jìn)行彈性車輪振動特性分析，分別針對兩種車輛模型進(jìn)行計算。采用的參數(shù)見表1，彈性車輪分為兩個質(zhì)量塊與一組剛度阻尼單元，而剛性車輪僅為一質(zhì)量塊。彈性車輪車輛系統(tǒng)共14個自由度，采用車輛-軌道耦合隨機(jī)振動模型，運動微分方程為[7]：

式中：[ M ]為車輛系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；[C ]為車輛系統(tǒng)阻尼矩陣；[ K ]為車輛系統(tǒng)剛度矩陣；Z為系統(tǒng)位移自由度向量；{ F }為作用在車輛系統(tǒng)上的輪軌力。

依據(jù)隨機(jī)振動理論，車輛-軌道系統(tǒng)響應(yīng)功率譜可由下式[7]得到：

式中：Sω（ω，V）為軌道不平順功率譜，V是車輛運行速度；Hz*（ω）與HzT（ω）分別是相應(yīng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)Hz（ω）的共軛和簡單轉(zhuǎn)置矩陣。

圖6 彈性車輪概念設(shè)計

表1 車輛及軌道參數(shù)

圖7 剛性與彈性車輪輪軌振動響應(yīng)比較

圖7 所示為車速為60 km/h、采用美國軌道六級譜作為系統(tǒng)輸入時剛性與彈性車輪的輪軌垂向振動響應(yīng)比較，分別包括輪軌垂向力、軌道振動與車輪振動。

由圖7可見，彈性車輪模型的輪軌力作用與剛性車輪相比顯著下降，同時軌道振動加速度也降低，但車輪振動加速度在低頻時幾乎沒有變化，但在數(shù)百赫茲后其振動加速度也有所下降。

對車輛結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)也進(jìn)行了計算，結(jié)果見圖8。可見，由于一系、二系懸掛的隔振作用，彈性車輪相對剛性車輪而言，車體及構(gòu)架的減振效果并不顯著，低頻處彈性車輪與剛性車輪基本一致，在高頻100 Hz以上時彈性車輪才顯現(xiàn)出其減振效果。

結(jié)合圖7、圖8分析結(jié)果可知，彈性車輪主要對減小輪軌沖擊、輪軌減振降噪作用顯著。

3.2 不同速度彈性車輪車輛-軌道耦合振動影響

分別計算速度為30 km/h、60 km/h及80 km/h時的車輛軌道振動響應(yīng)（見圖9、圖10）。

由圖9可見，隨著速度的增加，由于軌道譜的輸入增加，其輪軌力、車輪及軌道振動響應(yīng)在整個頻域范圍內(nèi)均為線性增大。

圖8 剛性與彈性車輪車輛結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)比較

圖9 速度對輪軌振動的影響

圖10 速度對車輛振動的影響

由圖10可見，車體振動加速度變化較為復(fù)雜，并不是單純的速度增加就使車體響應(yīng)峰值增大，而是某些頻率點處振動峰值在速度較大時降低，車體振動響應(yīng)峰值一般出現(xiàn)在其自振頻率點處，由于軌道譜對車輛系統(tǒng)為多點隨機(jī)激勵，在車體與構(gòu)架上存在不同相位振動的疊加。車體振動響應(yīng)與車輛定距與軸距有關(guān)[8]，幾何濾波現(xiàn)象對車體振動的影響顯著。

4 結(jié)論

總結(jié)了國內(nèi)外彈性車輪發(fā)展現(xiàn)狀，并設(shè)計出一款新型城市輕軌車輛用彈性車輪外形，運用原型參數(shù)對安裝該型彈性車輪輕軌車輛的輪軌動作用力、車輛及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振動性能進(jìn)行分析。研究表明，所設(shè)計的彈性車輪對輪軌動作用力、鋼軌振動抑制效果明顯，對車體和轉(zhuǎn)向架高頻振動的抑制也有良好效果。由于該型車輪處于概念設(shè)計階段，下一步將通過有限元分析驗證其強(qiáng)度、疲勞性能，然后通過相應(yīng)的實驗室和裝車試驗進(jìn)一步驗證其性能。

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