彈性車輪應用與現狀淺談

馬雁翔，劉春生

（1.智奇鐵路設備有限公司研發中心，山西 太原 030032；2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

彈性車輪應用與現狀淺談

馬雁翔1，2，劉春生1

（1.智奇鐵路設備有限公司研發中心，山西 太原 030032；2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

小運量的現代有軌電車作為地鐵線路的補充交通工具，在便利出行方面發揮著非常重要的作用。彈性車輪作為現在有軌低地板車輛的走形部件，在城市軌道交通系統中有明顯的優勢。彈性車輪作為車輛減振降噪的有效措施之一，能有效降低曲線尖叫、減小軌道沖擊等噪聲的出現。簡要介紹了彈性車輪的類型、彈性車輪目前在國內外的專利情況，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

彈性車輪；彈性元件；走形部件；降噪

1950年，美國的Herschfeld發明了第一個橡膠彈性車輪，1969年，四方車輛研究所為北京地鐵研制了我國第一個彈性車輪。隨著城市人流量的增加，越來越多的軌道車輛穿梭于城市之間，交通壓力越來越大，由城市軌道交通車輛引起的噪聲污染也引起了人們的高度關注，一方面，國家鼓勵發展和完善城市軌道交通系統；另一方面，需要解決越來越多的城市軌道車輛帶來的噪聲污染問題。為了解決現實中存在的矛盾，彈性車輪作為一種能降低噪聲的綠色、環保的行走部件發揮著非常重要的作用[1-4]。

1 彈性車輪結構與特點

彈性車輪主要是由輪心、輪箍、輪環和彈性橡膠塊四大主件通過連接螺栓連接而成的，彈性橡膠塊作為彈性元件安裝在輪心與輪箍之間，起緩沖、減振的作用。軌道車輛行走部件采用彈性車輪，與剛性車輪相比，彈性車輪改變了傳統的簧下質量的概念[5]。一般認為，軌道車輛采用實心鋼輪作為行走輪對時，輪對、軸箱和制動盤都是簧下質量，與鋼軌接觸為硬性沖擊，會產生較大的運動作用力和振動噪聲。當軌道車輛行走部件輪對采用彈性車輪后，只有輪箍是簧下質量，輪軌沖擊和振動大為減小[6]。理論上，線路的不平順性引起的輪軌作用力是隨著簧下質量的減小而降低的，使用彈性車輪是降低輕軌車輛運行產生的尖嘯噪聲和沖擊噪聲的有效措施之一。彈性車輪的使用有自身的限制性，彈性車輪行走部件不能采用閘瓦制動和踏面制動，這是由彈性車輪的結構特點決定的。由于彈性車輪的輪轂厚度比較小，踏面制動會產生大量的熱，高溫傳到橡膠圈會改變橡膠性能。

按照結構和彈性元件受力狀況劃分，彈性車輪有3種，即壓縮型、剪切型和剪壓復合型[6]。

1.1 壓縮型

圖1所示為德國BVV公司生產的Bochum54壓縮型彈性車輪。橡膠元件的軸向彈性比徑向彈性大很多，且徑向剛度比較大，但是，橡膠元件只能承受壓應力，難以滿足車輪軸向與徑向剛度合理匹配的要求。現在，純粹的壓縮型彈性車輪已很少使用。

圖1 Bochum54壓縮型彈性車輪[7]

1.2 剪切型

圖2為剪切型橡膠彈性車輪，該型車輪的軸向彈性比較小，但徑向彈性比較大，在沖擊載荷和垂向載荷的作用下，橡膠元件主要承受切向和徑向的剪切作用，軸向在壓縮載荷作用下產生壓縮變形。剪切型彈性車輪被應用于20世紀香港的有軌電車中。但是，剪切型彈性車輪具有使用成本高、車輪質量大、車輪運行阻尼大、維修不方便等缺點。

圖2 剪切型彈性車輪[7]

1.3 剪壓復合型

剪壓復合型彈性車輪的橡膠元件在沖擊載荷和垂向載荷的作用下，既能承受剪切應力，又能承受壓應力。圖3為剪壓復合新型彈性車輪，橡膠塊呈V形，可以通過調整V形橡膠塊的角度來選擇合適的徑向與軸向的剛度比。

圖3 剪壓復合新型彈性車輪

2 國內外彈性車輪專利情況

2.1 國外專利

圖4 幾種國外彈性車輪專利結構圖

圖5 幾種國內彈性車輪專利結構圖

國外彈性車輪發展比較早，產品較為豐富。要想研究國外彈性車輪的相關情況，可以從國外申請的彈性車輪專利入手，以了解國外彈性車輪的結構及其發展趨勢。由于剪壓復合型彈性車輪的軸向剛度和徑向剛度能通過調整彈性元件的角度獲得，因此，使用較為普遍。國外關于這種類型的車輪專利也比較多。圖4為4種國外彈性車輪專利的結構圖。圖4（a）為FLOEGEL在德國申請的彈性車輪專利，圖4（b）為GMT公司在美國申請的彈性車輪專利，圖4（c）為WABCOHOLDINGS公司在美國申請的彈性車輪專利。雖然這些彈性車輪的結構有區別，但它們都是由輪箍、彈性單元（橡膠塊）、輪環和輪心組成的。圖4（d）為ZDBAS公司在德國申請的彈性車輪專利，鎖緊環為該產品與其他產品的最大區別。以往的彈性車輪產品輪箍、輪心和輪環通過螺栓連接的方式將彈性元件壓縮到固定的位置，由于彈性車輪在行駛過程中受到不斷的震動和各種沖擊，螺栓很可能會出現松動的情況。為了避免這種情況的發生，GunterValJent針對這種車輪提出了改進方案，取消了螺栓連接，為緊固彈性車輪的輪箍和輪心，在壓力圈（輪環）與輪心之間使用一個圓形截面的鎖定環來定位V形單元和輪箍。

2.2 國內專利

國內彈性車輪發展比較晚，產品較為單一，申請的專利數量與國外相比要少很多。目前，國內應用比較多的是剪壓復合型彈性車輪。圖5為6種國內彈性車輪的專利結構圖，圖5（a）為中國北車集團大連機車研究所有限公司研制的彈性車輪，它是由輪轂、輪心、輪環、彈性元件（橡膠塊）和連接螺栓組成的。彈性元件橡膠塊的角度比較大，大角度結構的橡膠塊承受的徑向剛度比軸向剛度要大。圖5（b）為唐山軌道交通裝備有限責任公司研制的多層橡膠彈性輪對，該彈性車輪結構與其他彈性車輪結構差異比較大。圖5（c）（e）（f）為常州鐵馬科技實業有限公司申請的彈性車輪專利，這3種產品結構類似，彈性元件橡膠輪的結構有區別，即彈性車輪受到的徑向與軸向剛度比不一致。圖5（d）為哈特奇桑公司在中國申請的彈性車輪專利。分析國內外彈性車輪專利公布的情況，從中可以看出，歐美等國家對彈性車輪的研究很多，不斷采用新材料，提出新結構，改善彈性車輪的性能，以推廣其在軌道交通方面的應用。

U270.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.036

2095－6835（2017）17－0036－04