城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置輕量化設(shè)計(jì)

王 磊

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引言

城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置(救援運(yùn)載小車)是在地鐵發(fā)生輪對(duì)固死故障時(shí)采用的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)臨時(shí)替代裝置，一旦正線發(fā)生轉(zhuǎn)向架輪對(duì)固死，救援人員立刻使用救援運(yùn)載小車，將故障輪對(duì)托起，替代車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使故障列車盡快駛出現(xiàn)場(chǎng)，迅速恢復(fù)地鐵線路的運(yùn)行[1-2]。

目前，多數(shù)地鐵運(yùn)營(yíng)公司使用的救援運(yùn)載小車主要由支撐板、滾動(dòng)輪、滾動(dòng)輪聯(lián)接軸、故障輪對(duì)支撐軸等零部件組成，其總體質(zhì)量在165～268 kg。正線列車發(fā)生輪對(duì)固死故障時(shí)，救援人員應(yīng)立刻從出、入站口人工搬運(yùn)救援小車至列車停靠區(qū)間進(jìn)行救援，其應(yīng)急救援處置是否迅速、合理關(guān)系到是否會(huì)造成列車脫軌、傾覆等次生災(zāi)害事故及正線是否會(huì)造成大面積晚點(diǎn)甚至停運(yùn)事件[3-4]。城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置(救援運(yùn)載小車)的輕量化，可以大大減輕救援人員對(duì)救援裝備搬運(yùn)的壓力，也就大大縮短了輪對(duì)固死故障處理的時(shí)間，有效提高了救援效率，從而減少給乘客帶來(lái)的不便。

1 救援運(yùn)載裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置須適用當(dāng)前主流A、B型地鐵，其需要滿足的技術(shù)參數(shù)主要有：承載力按軸重16 t來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]；救援運(yùn)載裝置運(yùn)行速度大于等于10 km/h；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單占用空間小，方便存放在救援車輛，總體質(zhì)量不大于100 kg，便于搬運(yùn)；救援時(shí)，易拆裝。

2 救援運(yùn)載裝置輕量化設(shè)計(jì)

城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置輕量化設(shè)計(jì)主要從其結(jié)構(gòu)和零部件材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，兼顧易拆卸、方便搬運(yùn)、易安裝方便保存的特點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的城軌車輛救援運(yùn)載裝置通常采用整體式結(jié)構(gòu)類似于“日”字型的轉(zhuǎn)向架，主要由支撐板、滾動(dòng)輪、長(zhǎng)滾動(dòng)輪連接軸、支撐軸、托輪、間隔套，以及若干螺栓、螺母等零部件組成[1]。使用時(shí)通過(guò)組裝將故障輪對(duì)左右車輪同時(shí)托起。 通過(guò)分析及對(duì)地鐵公司調(diào)研，本文的設(shè)計(jì)采用單個(gè)輪對(duì)獨(dú)立安裝形式的結(jié)構(gòu)，主要由外立板、車輪組裝、支撐銷、內(nèi)立板組成，其三維模型和二維圖如圖1～2所示。單個(gè)輪對(duì)獨(dú)立安裝的救援運(yùn)載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于搬運(yùn)，拆卸后占用的存放空間小，安裝時(shí)可以對(duì)故障輪對(duì)的左、右車輪同時(shí)進(jìn)行安裝，節(jié)約了安裝時(shí)間，提高了救援效率。

圖1 城軌車輛救援運(yùn)載裝置三維模型

1—外立板；2—車輪組裝；3—支撐銷；4—內(nèi)立板。

2.2 材料選型

城軌車輛救援運(yùn)載裝置輕量化設(shè)計(jì)除了對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，還可以對(duì)其零部件材料進(jìn)行優(yōu)化。本文選取合適的零部件材料實(shí)現(xiàn)了城軌車輛救援運(yùn)載裝置輕量化設(shè)計(jì)，其質(zhì)量為48.6 kg一套(2套為一對(duì)進(jìn)行使用)，材質(zhì)見表1。其中，內(nèi)立板、外立板和支撐銷采用添加了微量鈧及其他稀土元素的7A48高強(qiáng)鋁合金，具有高強(qiáng)度、高延展性、優(yōu)良焊接性和可擠壓成型等特點(diǎn)[6]。

表1 城軌車輛救援運(yùn)載組成及質(zhì)量

支撐銷車輪踏面支撐部分形狀采用60 kg/m型號(hào)軌頭輪廓，具有與地鐵車輪踏面相適應(yīng)的外形，可以在提供足夠支撐的同時(shí)改善車輪和救援運(yùn)載裝置的接觸條件。車輪組裝由車輪、車軸、軸承組成，如圖3所示。其中，車輪為整體鍛造合金鋼車輪，滾動(dòng)圓為φ160 mm，輪輞寬度為130 mm，踏面形狀采用磨耗型踏面，車軸采用高強(qiáng)度合金鋼EA1N[7]，軸承采用自密封結(jié)構(gòu)的雙列圓錐滾子軸承，可以承受徑向力和軸向力，其基本額定載荷及極限轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計(jì)載重和速度要求。

圖3 車輪組裝

2.3 安裝運(yùn)用

城軌車輛救援運(yùn)載裝置主要由內(nèi)外立板、車輪組裝、支撐銷、螺母墊片等組成。不使用時(shí)，分解存放在救援設(shè)備車輛的專用存放箱內(nèi)；使用時(shí)，由救援人員按零部件分開搬運(yùn)至救援現(xiàn)場(chǎng)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件質(zhì)量輕，可以大大提高搬運(yùn)效率。安裝時(shí)，首先將被救援車輛的故障輪對(duì)進(jìn)行頂升，使救援運(yùn)載裝置有足夠的安裝空間，然后將外立板和支撐銷組裝起來(lái)，并和車輪組裝在一起放置在故障輪對(duì)(以單個(gè)車輛車輪為例)下方，接著安裝內(nèi)立板，最后安裝螺母墊片并檢查緊固，如圖4所示。

圖4 城軌車輛救援運(yùn)載裝置安裝

3 救援運(yùn)載裝置強(qiáng)度校核

3.1 有限元模型

城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置強(qiáng)度校核載荷工況主要依據(jù)其承載地鐵車輛軸重和實(shí)際運(yùn)用工況來(lái)確定。綜合考慮城軌車輛救援運(yùn)載裝置實(shí)際情況、計(jì)算精度以及計(jì)算量，將城軌車輛救援運(yùn)載裝置模型整體離散成實(shí)體單元，螺栓聯(lián)接采用梁?jiǎn)卧M，具體如圖5所示。

圖5 城軌車輛救援運(yùn)載裝置有限元模型

3.2 強(qiáng)度校核

對(duì)于強(qiáng)度分析，城軌車輛救援運(yùn)載裝置各點(diǎn)Von Mises應(yīng)力均不得大于材料的屈服強(qiáng)度極限。計(jì)算結(jié)果見表2。城軌車輛救援運(yùn)載裝置最大von Mises應(yīng)力為294.71 MPa，出現(xiàn)在車軸端部，沒有超過(guò)EA1N材質(zhì)的屈服極限550 MPa[7]，應(yīng)力分布如圖6所示。

表2 城軌車輛救援運(yùn)載裝置計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

圖6 城軌車輛救援運(yùn)載裝置應(yīng)力云圖

立板的最大von Mises應(yīng)力為105.847 MPa，支撐銷的最大von Mises應(yīng)力為220.206 MPa，均沒有超出高強(qiáng)度鋁合金的屈服極限480 MPa[6]。城軌車輛救援運(yùn)載裝置強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車輛救援運(yùn)載裝置通過(guò)改善其結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化零部件材料可以得到輕量化設(shè)計(jì)，整體重量約為100 kg(2套為一對(duì))，輕量化的城軌車輛救援裝置可以很大程度上減小救援人員對(duì)救援裝備搬運(yùn)的壓力，縮短了故障處理的時(shí)間，有效提高救援效率，減少了故障影響。