城市軌道車輛彈性車輪研究

1、軌道交通郵編116028黃河路794號(hào)394信箱大連鐵道學(xué)院交通運(yùn)輸分院史和平郭立軍城市軌道車輛彈性車輪研究摘要本文介紹彈性車輪在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況,并對(duì)彈性車輪的減振降噪原理、結(jié)構(gòu)型式、彈性車輪設(shè)計(jì)要點(diǎn)和降噪效果進(jìn)行了分析和研究。關(guān)鍵詞城市軌道車輛彈性車輪軌道車輛在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲對(duì)周圍環(huán)境影響很大,為了降低輪軌噪聲早在十九世紀(jì)末外國(guó)就開展彈性車輪的研究,主要應(yīng)用于城市有軌電車上,以降低輪軌噪聲。到了二十世紀(jì)六十年代,法國(guó)、西德、美國(guó)、蘇聯(lián)、日本等國(guó)家對(duì)彈性車輪進(jìn)行了廣泛的研究。近十幾年來(lái)許多國(guó)家對(duì)噪聲對(duì)人類的危害有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),現(xiàn)在已經(jīng)把彈性車輪應(yīng)用到城市輕軌、地下鐵道、電力機(jī)車和高速列車

2、上。通常軌道車輛的輪對(duì)和軸箱的重量屬于簧下重量,由于線路不平,車輛在運(yùn)行中輪軌間造成的沖擊與簧下重量成正比,導(dǎo)致車輪及車軸上非彈性支撐構(gòu)件的磨損,產(chǎn)生較強(qiáng)的輪軌噪聲。為了將車輛走行部分的重量減輕到最低限度,人們?cè)谳喰暮洼嗇炛g裝用一圈橡膠塊,使輪轂彈性地支撐在車輪上借以減少簧下重量,使車輪踏面和軌頭之間由于線路凸凹不平產(chǎn)生的沖擊噪聲減少,這種結(jié)構(gòu)的車輪就是彈性車輪。彈性車輪的優(yōu)點(diǎn)是可以減少輪軌沖擊噪聲,緩和輪軌沖擊振動(dòng),減少轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)裝置的動(dòng)應(yīng)力,降低輪軌磨耗,提高線路和車輛使用壽命,提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。因此,雖然彈性車輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加制造成本,但是在許多國(guó)家仍然得到較快的發(fā)展。1彈性車輪減震

3、降噪原理軌道車輛在線路上運(yùn)行時(shí),由于運(yùn)行線路不平,在輪軌間造成的沖擊將導(dǎo)致輪軌及車軸上非彈性支撐結(jié)構(gòu)的磨損和較大噪聲,該沖擊的一部分傳到車體上,使乘客感到不舒服。輪軌的沖擊與轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量成正比,因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量降低輪對(duì)、軸箱等簧下質(zhì)量。彈性車輪就是在輪箍和輪心之間嵌裝防振橡膠,用來(lái)隔絕輪軌沖擊振動(dòng),降低車輛運(yùn)行噪聲。輪軌間沖擊振動(dòng)可以根據(jù)Remingen 提出的振動(dòng)理論來(lái)表達(dá)。假設(shè)V m (、V r (為車輪、軌道的振動(dòng)速度,F (為輪軌之間的相互作用力,他們與接觸點(diǎn)的機(jī)械阻抗、線路不平順等的相互關(guān)系可由下列公式表示:F (=Z r Z Z r +Z r (+(V w (=Z rZ

4、r +Z r (+(V r (=Z Z r +Z r (+(式中Z 、Z r 分別是在接觸點(diǎn)震動(dòng)時(shí),車輪徑向及軌道垂直方向的機(jī)械阻抗, (、 r (是車輪踏面和鋼軌軌頭頂面不平順的時(shí)間變化率,為車輪角頻率。如果車輪踏面和鋼軌軌頭之間相對(duì)不平順的變化率不變,即 r (+ (不變,則軌道的機(jī)械阻抗也不變。如使用彈性車輪,車輪徑向機(jī)械阻抗將減少。根據(jù)表達(dá)式可知,軌道間作用力F (減小,車輪振動(dòng)速度V w (增加,而軌道振動(dòng)速度V r (減少。這就說(shuō)明:用彈性車輪使輪軌間作用力減少,車輪的簧下部分在軌道與輪心之間的振動(dòng)增加,而簧上各部分零件的振動(dòng)減少,起到減振、隔振作用。彈性車輪就是應(yīng)用這一原理,將簧

5、下重量的輪心、車軸、軸箱及動(dòng)軸傳動(dòng)裝置的一部分轉(zhuǎn)移到簧上,使簧下重量減少,起到減振、降噪作用。2彈性車輪的結(jié)構(gòu)彈性車輪的結(jié)構(gòu)有多種形式,按橡膠的承載方式分為(接上頁(yè)(相當(dāng)于地鐵管理?xiàng)l例,并公布了“地下鐵路附件”(相當(dāng)于運(yùn)營(yíng)管理細(xì)則。在此基礎(chǔ)上香港地鐵制訂了“乘客須知”并對(duì)外公布,這些條例、規(guī)定對(duì)地鐵公司的管轄權(quán)、車票和車費(fèi)、乘客的行為、小販及張貼標(biāo)語(yǔ)、失物處理、懲罰等都作出了具體而明確的規(guī)定。第五、科學(xué)合理的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。香港地鐵考核的主要服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)有4項(xiàng):列車準(zhǔn)點(diǎn)服務(wù)可靠程度;繁忙時(shí)間列車表現(xiàn);車票耐用程度;自動(dòng)扶梯可供用程度?？梢钥闯?這4項(xiàng)與國(guó)內(nèi)地鐵服務(wù)質(zhì)量指標(biāo),即列車正點(diǎn)率、運(yùn)行圖兌

6、現(xiàn)率、服務(wù)滿意率、乘客傷亡事故率、行車事故率等有很大區(qū)別,更注重的是對(duì)乘客直觀感受程度而言。由于具有不斷改進(jìn)的服務(wù)意識(shí),香港地鐵近幾年的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)一直保持在一個(gè)相當(dāng)高的水平,運(yùn)營(yíng)管理和設(shè)備維修系統(tǒng)已通過(guò)ISO9000資格認(rèn)可。52 承受壓應(yīng)力的彈性車輪承受剪應(yīng)力的彈性車輪壓剪復(fù)合型彈性車輪a 輪箍b 輪心c 橡膠體。a 輪箍b T 型環(huán)c 環(huán)狀橡膠層d 外輪心。a 輪箍b 橡膠體c 輪環(huán)d 輪心e 螺栓圖1三種形式的彈性車輪 圖2減噪效果比較壓縮型、剪切型和剪壓復(fù)合型,如圖1所示。彈性車輪的優(yōu)點(diǎn)是能減少線路不平整而引起的輪軌沖擊力,降低輪軌間產(chǎn)生的噪聲,特別是在曲線區(qū)段降噪效果明顯。211壓

7、縮型彈性車輪橡膠元件在垂直載荷及沖擊載荷作用下承受壓應(yīng)力的車輪稱為壓縮型彈性車輪。壓縮型彈性車輪的鋼件及橡膠元件都比較簡(jiǎn)單,車輪在軸向力作用下只承受壓應(yīng)力,其軸向彈性比徑向彈性大得多。這種彈性車輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、簧下重量小,實(shí)用于小輪徑車輪。在運(yùn)行、制動(dòng)時(shí),垂直方向的變形較小,變形熱也不大,不用加熱即可更換輪箍。但是采用踏面制動(dòng)時(shí),橡膠體溫升較大,防振效果差,在橫向力作用下,輪心和輪箍偏離較大。212剪切型彈性車輪橡膠元件在垂直載荷和沖擊載荷作用下主要承受剪切作用力。橡膠元件可以作成整體圓環(huán)或單獨(dú)的圓形元件形式。輪心平面上布置著1525mm 厚的橡膠層,外有兩塊與輪箍相連的輪心,中間有一塊T

8、 形截面的環(huán)形輪心,橡膠層處于它們中間,輪箍則熱套在環(huán)形輪上,橡膠應(yīng)沿軸向預(yù)壓,以避免橫向力作用時(shí)橡膠中出現(xiàn)拉應(yīng)力。這種彈性車輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、重量大、運(yùn)行阻力大、安裝拆卸不方便。213壓剪復(fù)合型彈性車輪橡膠元件在垂直載荷作用下產(chǎn)生壓縮、剪切變形的車輪為壓剪復(fù)合型彈性車輪。橡膠元件采用V 型布置,利用橡膠承壓和承剪兩個(gè)條件,不僅能廣泛利用車輪側(cè)面的空間,而且壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的分配可以隨橡膠環(huán)的傾角大小而改變,軸向剛度和徑向剛度能達(dá)到最佳匹配。這種形式的彈性車輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,方便安裝和檢修。圖3車內(nèi)減噪效果比較3彈性車輪的降噪效果車輛在運(yùn)行中產(chǎn)生的輪軌噪聲是車輛的主要聲源之一。特別是在市區(qū)運(yùn)行的車輛

9、(有軌電車、輕軌、市郊快速鐵道產(chǎn)生的噪聲對(duì)環(huán)境的影響很大,彈性車輪的應(yīng)用,改善了車輛走行部分運(yùn)行的平穩(wěn)性,降低了輪軌噪聲,提高乘車的舒適度。實(shí)驗(yàn)表明,軌道車輛采用彈性車輪與剛性車輪相比,車外噪聲降低3154dB (A ;車內(nèi)噪聲降低3dB (A ,車輪通過(guò)曲線時(shí)的尖嘯聲消失,或使噪聲降低1020dB (A 左右。圖2為彈性車輪與剛性車輪減噪效果的比較。從圖中可以看出車輛應(yīng)用彈性車輪比應(yīng)用剛性車輪降62 圖4 彈性車輪通過(guò)曲線時(shí)減噪效果圖5輪緣部分磨耗比較低噪聲610dB (A 。圖3為車內(nèi)減噪效果的比較。圖4為彈性車輪通過(guò)曲線時(shí)減噪效果。另外,軌道車輛采用彈性車輪還可以減少輪緣與鋼軌的磨耗。圖

10、5為彈性車輪與剛性車輪輪緣部分磨耗比較圖。4彈性車輪設(shè)計(jì)要點(diǎn)411結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中,不但要承受車輛垂直靜載荷作用力和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)造成的交變載荷,還要承受垂直方向沖擊力、制動(dòng)力矩、起動(dòng)力矩和橫向力等。這些附加應(yīng)力按幾何方式與交變應(yīng)力疊加,無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),都應(yīng)保證輪對(duì)具有足夠的強(qiáng)度。此外,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮輪對(duì)的重量、結(jié)構(gòu)和檢修應(yīng)方便等。412防振橡膠形狀的選擇彈性車輪使用防振橡膠元件的形狀有的采用環(huán)狀,每個(gè)車輪左右各一個(gè),也有采用分離式,橡膠元件作成單獨(dú)圓形,不管采用何種形狀,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中。因?yàn)橄鹉z疲勞破壞主要是在拉伸應(yīng)力集中部分產(chǎn)生龜裂,在壓縮側(cè)彎曲部分折皺而產(chǎn)生磨耗,最

11、終影響其使用壽命。設(shè)計(jì)橡膠元件形狀時(shí)在滿足剛度情況下,盡量選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又易于生產(chǎn)的形狀。413橡膠溫度參數(shù)的選擇橡膠元件在工作過(guò)程中,由于受力變形,分子內(nèi)摩擦造成材料內(nèi)阻尼以及橡膠元件與金屬間摩擦而發(fā)熱。當(dāng)其溫度超過(guò)70時(shí),橡膠提前老化,超過(guò)100時(shí),粘接性發(fā)生破壞。當(dāng)溫度下降到一定值時(shí),橡膠元件因玻璃化作用,其彈性降低,硬度明顯增加。所以,橡膠溫度參數(shù)是影響彈性車輪效果之一。414橡膠元件沉降值的選擇為了使車輛在長(zhǎng)期停置后,彈性車輪不發(fā)生偏心,其橡膠元件殘余變形應(yīng)控制在靜態(tài)橡膠彈性位移的3%5%。在選擇橡膠元件沉降值時(shí),應(yīng)盡可能的小。彈性車輪重新投入使用時(shí),殘余變形應(yīng)立即消失。綜上所述,彈性

12、車輪具有明顯的降噪效果和一定的社會(huì)效益,這是許多國(guó)家在軌道車輛上應(yīng)用彈性車輪的主要原因。二十世紀(jì)九十年代初期,由大連鐵道學(xué)院和大連電車公司共同研制的壓剪復(fù)合型彈性車輪安裝在5000型有軌電車上運(yùn)行,該車投入運(yùn)營(yíng)后,運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低,乘坐舒適性也得到明顯的改善?？褪以肼暭?jí)比原先降低約2dB (A 左右,環(huán)境噪聲級(jí)比原先降低4dB (A 左右,具有明顯的降噪效果?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些大城市正在建設(shè)地鐵或輕軌,為了降低城市環(huán)境噪聲污染,提高社會(huì)效益和人民的生活質(zhì)量,彈性車輪這一技術(shù),一定能夠在國(guó)內(nèi)城市軌道車輛上得到廣泛的應(yīng)用。學(xué)會(huì)2000年學(xué)術(shù)會(huì)議安排(19月下旬,在南寧市召開學(xué)會(huì)六屆二次常務(wù)理事擴(kuò)大會(huì)議,討論學(xué)會(huì)建設(shè)和活動(dòng)等重大事項(xiàng)。公共汽車、出租車委員會(huì)將在下半年召開工作會(huì)議,探討新一屆委員會(huì)開展學(xué)術(shù)活動(dòng)內(nèi)容和方向,目前正征集論文。(2下半年,規(guī)劃與管理專業(yè)委員會(huì)將在天津市召開年會(huì),交流公交管理經(jīng)驗(yàn),探討城市公交在新世紀(jì)的發(fā)展前景。(310月份,輪渡委員會(huì)將在廈門召開年會(huì),研討城市輪渡改革與發(fā)展。(411月下旬,城市公共交通期刊編委年會(huì)計(jì)劃在廈門市召開,會(huì)議將交流學(xué)術(shù)論文,表彰先進(jìn)