地鐵列車救援運(yùn)載小車設(shè)計(jì)和應(yīng)用

地鐵列車救援運(yùn)載小車設(shè)計(jì)和應(yīng)用

摘要地鐵列車的安全運(yùn)營(yíng)涉及到人們的正常生活和城市的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。如一旦發(fā)生地鐵列車走行機(jī)械部分的故障，如輪對(duì)軸承燒損、齒輪咬死、齒輪箱懸掛裝置失效等，列車將無(wú)法自行或被動(dòng)牽引出現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)造成地鐵線路癱瘓。地鐵列車救援小車能在列車走行部分發(fā)生故障后，將故障輪對(duì)托起，由救援運(yùn)載小車替代車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，迅速將故障列車拖離事故現(xiàn)場(chǎng)，恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。關(guān)鍵詞地鐵列車，救援工作，運(yùn)載小車設(shè)計(jì)

地鐵運(yùn)營(yíng)安全涉及到城市的有序運(yùn)轉(zhuǎn)和人們的正常生活。運(yùn)營(yíng)中的地鐵列車走行部分(轉(zhuǎn)向架輪對(duì))如發(fā)生軸承燒損、齒輪咬死、齒輪箱懸掛裝置失效等故障，致使某個(gè)輪對(duì)不能轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)法實(shí)施牽引，會(huì)造成整個(gè)運(yùn)行線路癱瘓，這在國(guó)外及我國(guó)部分城市地鐵運(yùn)營(yíng)中都已有發(fā)生。地鐵列車救援運(yùn)載小車就是針對(duì)上海地鐵線路和車輛特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的一種小巧輕便、拆裝靈活的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)臨時(shí)替代裝置，適用于上海地鐵列車救援。如一旦發(fā)生轉(zhuǎn)向架上某個(gè)輪對(duì)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，救援人員立刻使用該救援運(yùn)載小車，將故障輪對(duì)托起，由救援小車替代車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使故障列車盡快撤離現(xiàn)場(chǎng)，迅速恢復(fù)地鐵線路的運(yùn)行。1救援運(yùn)載小車設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

地鐵列車救援運(yùn)載小車的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)輕量化、參數(shù)選擇和試驗(yàn)改進(jìn)的過程。1.1救援運(yùn)載小車的承載力

考慮到特殊情況，小車的承載力必須按25ｔ來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既要重量輕、便于搬動(dòng)拆裝，又必須滿足隧道限界要求。為此，構(gòu)架和滾動(dòng)輪的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。1.2多車型通用

目前上海地鐵列車的車型有4種(西門子直流車ＤＣ01型、西門子交流車ＡＣ01型/ＡＣ02型、阿爾斯通ＡＣ03型)。不同地鐵車型的輪對(duì)內(nèi)側(cè)距不同，Ａ車的ＡＴＣ(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)線圈安裝支架形式及幾何尺寸也不同，故小車的拼裝形式和幾何尺寸應(yīng)能適應(yīng)各種形式的車型，以便通用。1.3救援運(yùn)載小車的材料熱處理

對(duì)小車輪軸的熱處理裂紋、支撐板的彎曲和扭曲、小車車輪踏面裂紋等問題，可通過改變熱處理方案和加工方法來(lái)滿足其技術(shù)要求。

由于小車構(gòu)架的鈦合金支撐板長(zhǎng)達(dá)1.4ｍ，厚度才2ｃｍ，在加工時(shí)板的彎曲、扭曲很大，致使成品合格率很低。為此，經(jīng)過幾個(gè)月的反復(fù)試驗(yàn)，才確定了最佳熱處理方案，使支撐板達(dá)到技術(shù)要求。1.4救援運(yùn)載小車的技術(shù)參數(shù)

1)最大走行速度為15ｋｍ/ｈ;

2)實(shí)際承載力設(shè)計(jì)為25ｔ，允許16ｔ;

3)設(shè)備單件重量:支撐板為15ｋｇ(鈦合金)，滾動(dòng)輪為25ｋｇ(合金鋼);

4)一個(gè)輪對(duì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間為25～30ｍｉｎ;

5)速度為5ｋｍ/ｈ時(shí)的軸承溫升不超過70℃。2救援運(yùn)載小車的設(shè)計(jì)2.1援運(yùn)載小車的構(gòu)架設(shè)計(jì)

1)構(gòu)架長(zhǎng)度和厚度的設(shè)計(jì)

列車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的固定軸距為2500ｍｍ，但由于受單元制動(dòng)器安裝位置和Ａ車的ＡＴＣ線圈安裝支架的影響，經(jīng)對(duì)幾種車型轉(zhuǎn)向架輪對(duì)幾何尺寸的實(shí)測(cè)，救援運(yùn)載小車的構(gòu)架最小長(zhǎng)度不能小于1100ｍｍ，構(gòu)架長(zhǎng)度確定在1360ｍｍ最為合適;輪對(duì)內(nèi)側(cè)與電機(jī)傳動(dòng)齒輪箱側(cè)壁距最小為25ｍｍ，構(gòu)架內(nèi)側(cè)板厚度則宜為20ｍｍ。

2)構(gòu)架支撐板材質(zhì)的選用

救援運(yùn)載小車的構(gòu)架單件重量控制在15ｋｇ左右。經(jīng)反復(fù)比較，支撐板材質(zhì)選用鈦合金板材，這樣既能滿足構(gòu)架輕量化要求，又有足夠的強(qiáng)度和剛度。2.2救援運(yùn)載小車的滾動(dòng)輪設(shè)計(jì)

1)滾動(dòng)輪直徑確定

地鐵列車轉(zhuǎn)向架最低點(diǎn)(齒輪箱)離鋼軌頂面最小距離為60ｍｍ，加上托輪高度(50ｍｍ+10ｍｍ)的限制，滾動(dòng)輪外直徑不能大于240ｍｍ;扣除輪緣高度28ｍｍ，確定滾動(dòng)輪踏面直徑應(yīng)為180ｍｍ。

2)滾動(dòng)輪踏面的接觸應(yīng)力計(jì)算

因滾動(dòng)輪承重量大、幾何尺寸受限制，在計(jì)算出滾動(dòng)輪踏面的接觸應(yīng)力后再確定其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、熱處理方案等。其踏面的接觸應(yīng)力為:式中:Ｐｊ為滾動(dòng)輪計(jì)算承重量，Ｐｊ=ＫＣ×ＰＸ，其中ＫＣ為沖擊系數(shù)(取1.3)，ＰＸ為每個(gè)滾動(dòng)輪平均靜態(tài)承重量;ｂ為滾動(dòng)輪與軌道的接觸寬度;Ｄ為滾動(dòng)輪直徑(18ｃｍ)。經(jīng)計(jì)算，滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ3)滾動(dòng)輪輪形的確定

由于滾動(dòng)輪直徑小、受力大，采用標(biāo)準(zhǔn)踏面會(huì)在曲線區(qū)段發(fā)生輪緣與外軌側(cè)面的劇烈磨擦，形成滾動(dòng)輪踏面和輪緣的嚴(yán)重磨耗，因此不能采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)的錐形踏面輪形。所以，將踏面設(shè)計(jì)成磨耗形，既科學(xué)也合理。磨耗形踏面可在同樣的接觸應(yīng)力下，減緩踏面的磨耗及剝離，容許更高的軸重。滾動(dòng)輪在運(yùn)行時(shí)承受的橫向沖擊力，可以采用特種軸承和潤(rùn)滑脂解決。

等效斜度是輪軌幾何關(guān)系和設(shè)計(jì)磨耗形踏面車輪的一個(gè)重要參數(shù)。斜度為1∶20的錐形踏面，它的踏面斜度是個(gè)常數(shù)，與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無(wú)關(guān)。磨耗形踏面車輪的等效斜度為:式中:ｒ0，ｒｉ分別為較大的和較小的車輪滾動(dòng)圓半徑;ｙ為輪對(duì)偏離線路中心線的位移。

實(shí)際上，Ｊ是輪對(duì)每單位橫向位移時(shí)左、右兩滾動(dòng)圓半徑差的一半。Ｊ是指輪對(duì)處于平衡位置附近(約2～3ｍｍ)時(shí)的數(shù)值，并以常數(shù)表示。當(dāng)輪對(duì)相對(duì)于軌道作較大的橫向位移時(shí)(如在小半徑曲線上)，等效斜度是個(gè)變量，或以非線性等效斜度特性來(lái)表示。設(shè)Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2，則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。

經(jīng)比較，地鐵車輪輪緣外形與國(guó)內(nèi)外鐵路車輪的磨耗型較為接近，所以救援運(yùn)載小車的滾動(dòng)輪選用混合磨耗型輪緣為基型的輪緣踏面(見圖1)。4)滾動(dòng)輪材質(zhì)的選用

按最大行駛速度≯15ｋｍ/ｈ和一對(duì)滾動(dòng)輪承載25ｔ的兩個(gè)條件，經(jīng)計(jì)算滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ，故選用合金鋼，并采用熱處理工藝。2.3托輪高度設(shè)計(jì)

托輪主要有托住故障輪對(duì)的功能，使用中相對(duì)穩(wěn)定，其高度(輪徑)取決于車鉤高限度。地鐵車輛車鉤高范圍為118～121ｍｍ，半永久車鉤高限度為118～121ｍｍ。根據(jù)具體情況，將托輪高度定為50ｍｍ+10ｍｍ，實(shí)際抬起高度為45～78ｍｍ(計(jì)算方法略)。圖2為地鐵列車救援運(yùn)載小車對(duì)車鉤等影響的示意圖;表1為故障輪對(duì)提高量表。3結(jié)語(yǔ)

地鐵列車救援小車作為技術(shù)型科研