彈性車輪的結構特點及應用研究

高艷艷 邵敏

摘要：本文對城市軌道交通車輛中的應用的彈性車輪進行了分析及探討。彈性車輪由于內部加入了彈性隔層，減小了簧下質量，進而降低了城市軌道交通車輛運行過程中產生的振動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：U270.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0045-02

0? 引言

隨著城市經濟的快速發展，人們對出行需求的增加，傳統的公共交通方式已經不能滿足城市發展的要求，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展軌道交通。軌道交通具有方便、環保、節能、舒適、安全等特點。但是車輛運行中所產生的振動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至關重要。為了解決這一問題在歐洲、澳大利亞等發達國家地區普遍采用彈性車輪。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，在國內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量。如果簧下質量過大，線路不平順所引起的輪軌之間作用力也會增加，在保證車輛安全運行的前提下，應該盡可能地減少簧下質量來降低輪軌作用力，對比機車及動車組車輛采用的空心車軸方式來降低簧下質量，軌道交通車輛采用彈性車輪來解決這一問題。彈性車輪內部由于加入了彈性橡膠材料，可以明顯減少簧下質量并提供阻尼特性。因此其彈性體能夠有效降低由線路不平順所產生的振動和噪聲。

1? 彈性車輪的特點

與整體輾鋼輪相對比，彈性車輪加入了橡膠材料后所表現的特點主要體現在以下幾個方面：

1.1 優點

①能夠降低車輛本身的振動以及對軌道附近建筑物產生的噪聲。②能夠降低車輛與軌道之間產生的橫向和垂向的動態載荷。③降低車輛的簧下質量。④減小車輪之間的磨耗。⑤車輪磨耗到限后，對車輛進行檢修時只需更換輪箍而不是替換整個車輪，降低了車輛的全生命周期運用成本。⑥對輪對進行檢修時，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行相應處理，避免由于退卸而導致的輪座損傷。

1.2 缺點

①由于不是整體輪，結構更加復雜，制造成本更高。制造流程及制造工藝更為復雜。②車輪整體強度將會降低。由于使用了橡膠元件的車輪不再是一個整體，并且各部件組成安裝時需要使用螺栓進行緊固，導致孔邊的應力容易集中，強度降低。所以在設計彈性車輪時對強度、剛度、安全性、可靠性和壽命的要求更高。③車輪容易偏心。如果車輛長時間停留不動，而橡膠材料本省具有蠕變的特性，此時就會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。彈性車輪內部加入的橡膠體的剛度與整體車輪的不同，因此它的發展和應用受到的制約條件更多。

2? 彈性車輪的結構

彈性車輪的結構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并提供一定預載壓力的壓環，起連接固定作用并提供一定預緊力的螺栓以及保持輪箍和輪對之間電流通路的接地導線。如圖1所示。

彈性車輪的主要結構形式分類通常根據其內部主要組成部件彈性體的受力狀況進行分類。可將彈性車輪分為壓縮型、剪切型及壓剪復合型。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，其徑向剛度遠大于軸向剛度。這種彈性車輪曾經應用于非低地板有軌電車上，但其徑軸剛度比匹配性較差，現在已較少使用。②剪切型彈性車輪。在運行過程中如果受到沖擊載荷作用，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，這種彈性車輪應用較多。但這種彈性車輪內部結構較為復雜，加大了制造及檢修成本高，同時也不利于組裝與分解[3]。③壓剪復合型彈性車輪。在承受剪力的同時又能承壓力作用。內部的彈性體呈V字型，節約空間的同時，通過調整使徑軸剛度達到最佳匹配值。這種形式的彈性車輪兼備以上兩種車輪的優點，目前使用比較普遍，它代表著彈性車輪的發展方向。

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

3? 國內外彈性車輪的研究

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發明了第一個橡膠彈性車輪，并且后期對彈性車輪的減振及降噪性能進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與噪聲性能進行了整車線路上的試驗。德國 BVV公司生產的壓縮型彈性車輪中彈性體的軸向剛度比徑向小。針對1998年發生的ICE高速列車事故，Masanobu Kubota等研究者對彈性車輪輪箍產生的裂紋進行了研究，認為橡膠元件與輪箍之間的摩擦系數會影響兩者之間的接觸應力。并且裂紋的產生與疲勞有關。美國及歐洲已經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一步減小簧下質量。

3.2 國內彈性車輪的研究

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彈性車輪[4]。由于國內彈性車輪的研究起步晚，應用的種類也不多，應用范圍也沒有國外廣泛。目前，壓剪復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點在國內被廣泛應用。郭文浩等利用相應軟件建立了彈性車輪整車模型，進行了動力學性能方面的分析，優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勢，計算得出不同線路情況下輪軌之間作用力的變化規律，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行滾動噪聲的測試，通過仿真對彈性車輪應用于軌道交通車輛時的噪聲輻射情況進行測試，并分析彈性車輪內部應用的橡膠材料的參數對振動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力變化情況進行了研究分析[7]。周信建立了彈性車輪車輛與軌道耦合的動力學模型并對瞬態滾動接觸的有限元模型進行分析，探究了彈性車輪徑向和橫向剛度對車輛動力行為的影響規律及車輪滾動接觸行為[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行過程中會產生一些典型的故障。

4.1 輪箍與輪心之間產生橫向偏移

軌道交通車輛的車輪屬于磨耗型，踏面具有一定的斜度，在軌道上運行時，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，這個橫向力過大會使得輪箍與輪心之間產生橫向偏移。

4.2 輪箍與輪心之間產生相對滑動

軌道交通車輛在起動或者制動過程中，車輪會受到圓周方向的扭轉力矩作用，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會產生彈性變形，如果彈性車輪內部元件之間的摩擦力不能完全抵抗這種變形時，就會出現輪箍與輪心之間產生圓周方向的相對滑動，進而導致車輛不能正常啟動或者制動，最終影響軌道交通運輸的安全[9]。因此，在設計彈性車輪時應從橡膠體的特性、車輪的結構、線路的不平順情況、車輪試驗情況等多方面進行考慮，來避免事故的發生。

5? 結束語

本文對國內外彈性車輪的研究進行了闡述，并對比普通整體輾鋼輪分析了其結構特點及典型故障，為彈性車輪的進一步研究提供一定的參考。

參考文獻：

[1]桑平.彈性車輪滾動接觸行為分析[D].西南交通大學，2018.

[2]楊陽.壓剪復合彈性車輪作用下輪軌動態特性研究[D].西南交通大學，2018.

[3]范蓉平，孟光，崔銀會.彈性車輪的發展與研究現狀[J].機車電傳動，2005.

[4]馬雁翔，劉春生.彈性車輪應用與現狀淺談[J].科技與創新，2017.

[5]郭文浩，池茂儒，楊飛，孟憲全.彈性輪對對輪軌動作用力的影響[J].機械，2011.

[6]劉玉霞，韓健，周信，彭金方，肖新標，金學松.彈性車輪減振降噪特性分析[J].鐵道學報，2015.

[7]石懷龍，戚援，黃彪，王建斌，郭金瑩.彈性車輪壓裝過程仿真計算[J].大連交通大學學報，2013.

[8]周信.地鐵彈性車輪的減振降噪及動態特性研究[D].西南交通大學，2019.

[9]劉錫良，白翔.彈性車輪結構及其典型故障研究[J].科學技術創新，2018.