彈性車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用研究

高艷艷 邵敏

摘要：本文對城市軌道交通車輛中的應(yīng)用的彈性車輪進(jìn)行了分析及探討。彈性車輪由于內(nèi)部加入了彈性隔層，減小了簧下質(zhì)量，進(jìn)而降低了城市軌道交通車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)及噪音并提升旅客的舒適性。

Abstract： This paper analyzes and investigates the resilient wheel which is used in city rail transit vehicles. Resilient wheel internal has elastic barrier， decreased unsprung mass， reduced vibration and noise which is produced when the city rail transit vehicles running and Promoted comfort of passenger.

關(guān)鍵詞：彈性車輪;軌道交通;減振降噪

Key words： resilient wheel;rail transit;vibration and noise reduction

中圖分類號(hào)：U270.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0045-02

0? 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對出行需求的增加，傳統(tǒng)的公共交通方式已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展的要求，為緩解城市交通壓力，減少交通擁堵，越來越多的城市開始發(fā)展軌道交通。軌道交通具有方便、環(huán)保、節(jié)能、舒適、安全等特點(diǎn)。但是車輛運(yùn)行中所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音對線路附近居民的生活和工作帶來一定的困擾。因此，有效抑制城市軌道交通車輛的噪音和線路振動(dòng)至關(guān)重要。為了解決這一問題在歐洲、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家地區(qū)普遍采用彈性車輪。整體輾鋼輪是由踏面、輪輞、輪緣、輻板、輪轂及輪轂孔構(gòu)成，并成一體。與普通軌道交通車輛的整體輾鋼輪相對比，彈性車輪并不成一體，而是在輪箍與輪心之間加入了一層橡膠體，因此能夠有效的降低輪軌之間的作用力，減小輪軌噪聲及振動(dòng)，在國內(nèi)外很多城市軌道車輛上也逐漸開始采用[1]。

軌道交通車輛的輪對和軸箱裝置均屬于簧下質(zhì)量。如果簧下質(zhì)量過大，線路不平順?biāo)鸬妮嗆壷g作用力也會(huì)增加，在保證車輛安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)該盡可能地減少簧下質(zhì)量來降低輪軌作用力，對比機(jī)車及動(dòng)車組車輛采用的空心車軸方式來降低簧下質(zhì)量，軌道交通車輛采用彈性車輪來解決這一問題。彈性車輪內(nèi)部由于加入了彈性橡膠材料，可以明顯減少簧下質(zhì)量并提供阻尼特性。因此其彈性體能夠有效降低由線路不平順?biāo)a(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

1? 彈性車輪的特點(diǎn)

與整體輾鋼輪相對比，彈性車輪加入了橡膠材料后所表現(xiàn)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 優(yōu)點(diǎn)

①能夠降低車輛本身的振動(dòng)以及對軌道附近建筑物產(chǎn)生的噪聲。②能夠降低車輛與軌道之間產(chǎn)生的橫向和垂向的動(dòng)態(tài)載荷。③降低車輛的簧下質(zhì)量。④減小車輪之間的磨耗。⑤車輪磨耗到限后，對車輛進(jìn)行檢修時(shí)只需更換輪箍而不是替換整個(gè)車輪，降低了車輛的全生命周期運(yùn)用成本。⑥對輪對進(jìn)行檢修時(shí)，車輪不需要從車軸上退卸，只需通過分開輪箍、橡膠體及輪心即可對故障進(jìn)行相應(yīng)處理，避免由于退卸而導(dǎo)致的輪座損傷。

1.2 缺點(diǎn)

①由于不是整體輪，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，制造成本更高。制造流程及制造工藝更為復(fù)雜。②車輪整體強(qiáng)度將會(huì)降低。由于使用了橡膠元件的車輪不再是一個(gè)整體，并且各部件組成安裝時(shí)需要使用螺栓進(jìn)行緊固，導(dǎo)致孔邊的應(yīng)力容易集中，強(qiáng)度降低。所以在設(shè)計(jì)彈性車輪時(shí)對強(qiáng)度、剛度、安全性、可靠性和壽命的要求更高。③車輪容易偏心。如果車輛長時(shí)間停留不動(dòng)，而橡膠材料本省具有蠕變的特性，此時(shí)就會(huì)造成輪心相對輪箍下沉，造成車輪偏心[2]。④對軸重的要求更高。彈性車輪內(nèi)部加入的橡膠體的剛度與整體車輪的不同，因此它的發(fā)展和應(yīng)用受到的制約條件更多。

2? 彈性車輪的結(jié)構(gòu)

彈性車輪的結(jié)構(gòu)包括與軌道直接接觸的輪箍，提供阻尼特性的彈性體，與車軸直接接觸的輪心，將彈性體緊固在輪箍和輪心形成的腔體內(nèi)并提供一定預(yù)載壓力的壓環(huán)，起連接固定作用并提供一定預(yù)緊力的螺栓以及保持輪箍和輪對之間電流通路的接地導(dǎo)線。如圖1所示。

彈性車輪的主要結(jié)構(gòu)形式分類通常根據(jù)其內(nèi)部主要組成部件彈性體的受力狀況進(jìn)行分類?？蓪椥攒囕喎譃閴嚎s型、剪切型及壓剪復(fù)合型。如圖2所示。

①壓縮型彈性車輪。彈性體主要承受垂向壓力載荷，其徑向剛度遠(yuǎn)大于軸向剛度。這種彈性車輪曾經(jīng)應(yīng)用于非低地板有軌電車上，但其徑軸剛度比匹配性較差，現(xiàn)在已較少使用。②剪切型彈性車輪。在運(yùn)行過程中如果受到?jīng)_擊載荷作用，橡膠體主要承受徑向剪切載荷，軸向承受壓縮載荷產(chǎn)生壓縮變形，徑向剛度低，軸向剛度高。在70～80年代，這種彈性車輪應(yīng)用較多。但這種彈性車輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加大了制造及檢修成本高，同時(shí)也不利于組裝與分解[3]。③壓剪復(fù)合型彈性車輪。在承受剪力的同時(shí)又能承壓力作用。內(nèi)部的彈性體呈V字型，節(jié)約空間的同時(shí)，通過調(diào)整使徑軸剛度達(dá)到最佳匹配值。這種形式的彈性車輪兼?zhèn)湟陨蟽煞N車輪的優(yōu)點(diǎn)，目前使用比較普遍，它代表著彈性車輪的發(fā)展方向。

作為彈性車輪的核心部件彈性體的主要結(jié)構(gòu)形式包括以下四種：①分塊式：成本低，徑軸剛度比調(diào)整范圍寬，覆蓋面廣，抗遲緩性能差。②整體橡膠環(huán)式：徑、軸向剛度較大，徑軸剛度比調(diào)整范圍較寬，抗遲緩性能一般。③整體帶凸銷：徑向剛度小，徑軸剛度比調(diào)整范圍一般，抗遲緩性能優(yōu)，制造成本高。④分體帶凸銷：徑向剛度小，徑軸剛度比調(diào)整范圍一般，抗遲緩性能較好。

3? 國內(nèi)外彈性車輪的研究

3.1 國外彈性車輪的研究

美國、歐洲及日本等國是研究彈性車輪較早的國家并已取得了豐碩成果。1950年，美國的Herschfeld發(fā)明了第一個(gè)橡膠彈性車輪，并且后期對彈性車輪的減振及降噪性能進(jìn)行了全方位的深入研究。1998年，日本就彈性車輪與鋼之間的作用力做了大量的研究，結(jié)果表明彈性車輪與鋼軌之間的作用力比普通剛性車輪減小了20%。佐藤潔等研究者也對彈性車輪的振動(dòng)與噪聲性能進(jìn)行了整車線路上的試驗(yàn)。德國 BVV公司生產(chǎn)的壓縮型彈性車輪中彈性體的軸向剛度比徑向小。針對1998年發(fā)生的ICE高速列車事故，Masanobu Kubota等研究者對彈性車輪輪箍產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了研究，認(rèn)為橡膠元件與輪箍之間的摩擦系數(shù)會(huì)影響兩者之間的接觸應(yīng)力。并且裂紋的產(chǎn)生與疲勞有關(guān)。美國及歐洲已經(jīng)開始研究鋁制材料的彈性車輪，德國的ICE已研究采用高性能鋁制彈性車輪來進(jìn)一步減小簧下質(zhì)量。

3.2 國內(nèi)彈性車輪的研究

我國彈性車輪的研究相對國外較晚。1969年四方車輛研究所研制了我國第一個(gè)彈性車輪[4]。由于國內(nèi)彈性車輪的研究起步晚，應(yīng)用的種類也不多，應(yīng)用范圍也沒有國外廣泛。目前，壓剪復(fù)合型彈性車輪由于其兼具壓縮型及剪切型兩種彈性車輪的優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用。郭文浩等利用相應(yīng)軟件建立了彈性車輪整車模型，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能方面的分析，優(yōu)化了對彈性車輪徑向剛度以及軸向剛度，量化分析出彈性車輪在降低輪軌之間沖擊載荷方面的優(yōu)勢，計(jì)算得出不同線路情況下輪軌之間作用力的變化規(guī)律，得出彈性車輪能有效降低輪軌之間作用力[5]。劉玉霞等利用有限元分析法，建立了彈性車輪模型進(jìn)行滾動(dòng)噪聲的測試，通過仿真對彈性車輪應(yīng)用于軌道交通車輛時(shí)的噪聲輻射情況進(jìn)行測試，并分析彈性車輪內(nèi)部應(yīng)用的橡膠材料的參數(shù)對振動(dòng)噪聲輻射的影響效果[6]。石懷龍等在考慮了橡膠件的非線性特性情況下，基于Abaqus仿真軟件利用有限元方法對一種直徑是660mm的彈性車輪在其組裝過程中所受到的應(yīng)力變化情況進(jìn)行了研究分析[7]。周信建立了彈性車輪車輛與軌道耦合的動(dòng)力學(xué)模型并對瞬態(tài)滾動(dòng)接觸的有限元模型進(jìn)行分析，探究了彈性車輪徑向和橫向剛度對車輛動(dòng)力行為的影響規(guī)律及車輪滾動(dòng)接觸行為[8]。

4? 典型故障

對比普通軌道交通車輛的整體輾鋼輪，彈性車輪由于內(nèi)部加入了彈性體使輪箍與輪心分離，因此在軌道交通車輛運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一些典型的故障。

4.1 輪箍與輪心之間產(chǎn)生橫向偏移

軌道交通車輛的車輪屬于磨耗型，踏面具有一定的斜度，在軌道上運(yùn)行時(shí)，鋼軌對踏面的力可以分解成垂直軌道的力以及與軌道平行的橫向力，這個(gè)橫向力過大會(huì)使得輪箍與輪心之間產(chǎn)生橫向偏移。

4.2 輪箍與輪心之間產(chǎn)生相對滑動(dòng)

軌道交通車輛在起動(dòng)或者制動(dòng)過程中，車輪會(huì)受到圓周方向的扭轉(zhuǎn)力矩作用，由于輪箍與輪心之間增加了一層橡膠體，而橡膠件受到力的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，如果彈性車輪內(nèi)部元件之間的摩擦力不能完全抵抗這種變形時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)輪箍與輪心之間產(chǎn)生圓周方向的相對滑動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致車輛不能正常啟動(dòng)或者制動(dòng)，最終影響軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩玔9]。因此，在設(shè)計(jì)彈性車輪時(shí)應(yīng)從橡膠體的特性、車輪的結(jié)構(gòu)、線路的不平順情況、車輪試驗(yàn)情況等多方面進(jìn)行考慮，來避免事故的發(fā)生。

5? 結(jié)束語

本文對國內(nèi)外彈性車輪的研究進(jìn)行了闡述，并對比普通整體輾鋼輪分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及典型故障，為彈性車輪的進(jìn)一步研究提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[8]周信.地鐵彈性車輪的減振降噪及動(dòng)態(tài)特性研究[D].西南交通大學(xué)，2019.

[9]劉錫良，白翔.彈性車輪結(jié)構(gòu)及其典型故障研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018.