重慶單軌車走行輪胎胎面磨損分析研究與對策

賀 觀

(重慶市軌道交通設(shè)計研究院,400051,重慶∥高級工程師)

跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架較為獨特,其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由橫梁、側(cè)梁、端梁,以及導(dǎo)向、穩(wěn)定車輪的支承架構(gòu)成,其內(nèi)部設(shè)有空氣彈簧的輔助空氣室;走行輪軸為單懸臂式,輪胎安裝在輪輞上,輪心通過軸承支承在空心軸套上;每個輪軸上裝有兩個填充氮氣的鋼心橡膠走行輪;走行輪通過懸臂軸固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上,便于輪胎更換。車輛每個轉(zhuǎn)向架2軸共4個走行輪胎,4輛編組的列車共32個走行輪?？缱絾诬壾囕v轉(zhuǎn)向架如圖1所示。

跨座式單軌車的運行方式是:車體轉(zhuǎn)向架跨坐在PC(預(yù)應(yīng)力混凝土)軌道梁上,牽引電機驅(qū)動走行輪旋轉(zhuǎn)從而帶動轉(zhuǎn)向架及車體沿PC軌道梁運行。走行輪胎胎面狀況直接影響到單軌車的運行品質(zhì),其磨損情況是關(guān)系單軌車安全運行的重要因素。單軌車的穩(wěn)定運行以及輪胎與PC梁面間的摩擦緊密相關(guān)。這種摩擦造成了輪胎的各種磨損。走行胎面磨損的分析研究,對提高輪胎的使用壽命、降低成本、保障運營安全等至關(guān)重要。

圖1 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架

1 走行輪胎磨損現(xiàn)象

對202、203車統(tǒng)計得出的走行輪胎面磨損與走行里程關(guān)系曲線如圖2、圖3。可見,胎面的磨損程度隨著走行里程增加。

輪胎內(nèi)充氣壓力為850～950 k Pa。因為胎冠中部單位面積所承受的載荷量比兩側(cè)要大些,使用時胎冠中部磨損稍大,故輪胎出廠時胎冠中部比兩側(cè)胎肩稍微突出。新輪胎冠7條溝槽深均8.6 mm。新輪胎冠如圖4所示。

圖2 202車胎面磨損與走行里程關(guān)系曲線

圖3 203車胎面磨損與走行里程關(guān)系曲線

圖4 新輪胎冠圖

運行一段時間后,胎冠部分逐步磨耗掉。檢修工藝要求:任一溝槽條溝槽小于1 mm時,需更換同一軸上2只輪胎。正常情況下,胎冠7條溝槽中,中間一條溝槽磨損較快。圖5所示為胎冠中間一條溝槽磨損到只剩下1 mm的情況。

圖5 滿足換輪條件的輪胎胎冠狀況圖

在重慶單軌車試運行初期由進(jìn)口車承擔(dān)運營任務(wù)。由于國產(chǎn)車輛生產(chǎn)制造周期的原因,車輛到達(dá)間隔較長,致使原運行車輛輪胎出現(xiàn)了胎冠過度磨損狀況,如圖6所示:胎冠7條溝槽中,中間一條溝槽已全部磨平,旁邊2條溝槽尚余1 mm。

圖7所示,胎冠7條溝槽中,中間及旁邊2條溝槽已全部磨平,再旁邊2條尚余1 mm。

這種輪胎過度磨損的情況實際已經(jīng)影響到加減速度及制動性能,危及行車安全。在雨雪天氣以及運行在鋼梁、鋼制道岔表面上時,影響尤為突出,經(jīng)常被檢測到并作為故障報警顯示出來。類似特殊狀況在隨后的正式運營中已經(jīng)沒有出現(xiàn)過。

圖6 超過換輪條件的輪胎胎冠磨損圖

圖7 超過換輪條件的輪胎胎冠過度磨損圖

2 走行輪胎胎面磨損情況分析

2.1 均勻磨損情況分析

由于單軌車的走行輪是充氮氣的鋼心橡膠輪胎,它在PC軌道梁上運行時胎面與梁面的接觸面呈橢圓狀并且接觸面積相對較大,輪胎不再是自由半徑圓形而是滾動圓半徑圓形。從微觀角度分析,胎面與梁面接觸面積區(qū)域內(nèi),除非是純滑動,一般都可以分為兩個區(qū):一個是粘著區(qū)即輪胎進(jìn)入接觸的一側(cè),一個是滑動區(qū)即輪胎離開接觸的一側(cè)。兩個區(qū)的大小與滑動率的大小是相關(guān)的?；瑒勇试酱?滑動區(qū)越大,粘著區(qū)越小。動力轉(zhuǎn)向架上的走行輪在梁面上的運動不是純滾動,而是受蠕滑力支配的滑動與純滾動的合成運動,特別是車體通過曲線時走行輪胎的滑動與純滾動的合成運動更加明顯。

動力轉(zhuǎn)向架上用v表示輪胎行進(jìn)速度(即車體的實際速度),r表示輪胎滾動圓半徑,ω表示輪胎回轉(zhuǎn)角速度。輪胎在圓周力的作用下,由于胎面與梁面間有相對滑移,所以輪胎行進(jìn)速度v＜ωr。轉(zhuǎn)矩越大,速度差也越大;縱向蠕滑速度(v1=v-ωr)越大,蠕滑率也越大。蠕滑力的方向與輪周力的方向相反。當(dāng)輪周力達(dá)庫侖摩擦力時就產(chǎn)生空轉(zhuǎn)或滑行,使胎面的磨損加重。在剛開始起動的時候,速度由零變成v。在這個加速過程中,梁面提供給胎面的摩擦力由大變小,蠕滑率也由大變小。此時胎面磨損較運行過程大,并發(fā)出吱吱的聲音。制動過程磨損與此類似。上述圖5、6、7所示即為走行輪胎不同程度的均勻磨損情況。

2.2 走行輪胎非均勻磨損情況分析

對使用后更換下來的輪胎進(jìn)行分析比對發(fā)現(xiàn):除均勻磨損外,輪胎還存在偏磨、塊狀磨損等非均勻磨損現(xiàn)象。以下針對各種磨損狀況進(jìn)行分析,以便找出磨損原因,以期盡可能延長走行輪的使用期限。

如圖8所示單軌車經(jīng)過曲線時,PC梁面會成一定角度θ傾斜。其受力分析如圖9所示。則有:

圖8 單軌車通過曲線示意圖

由于傾角θ很小,可以視為sinθ=tanθ,即

式中:

M——車體及乘客總質(zhì)量,kg;

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2;

v——過彎道時的速度,m/s;

R——彎道半徑,m。

圖9 單軌車通過曲線時受力情況分析

單軌車過曲線時車體提供的重力分量可平衡掉過曲線時產(chǎn)生的離心力,減小乘客的不舒適感,減小過曲線時產(chǎn)生的磨損。走行輪胎經(jīng)過曲線時胎肩與胎面接觸處變形情況如圖10所示。

圖10 單軌車通過曲線時輪胎變形示意圖

由于同一走行輪軸上的兩個輪胎半徑及胎壓差距很小,所以當(dāng)兩個輪胎同時并排通過曲線的過程中,兩個輪胎的曲線內(nèi)側(cè)胎肩與胎面接觸部分會產(chǎn)生嚴(yán)重的過度撓曲彈性變形,內(nèi)側(cè)胎肩與胎面接觸部分承受了絕大部分載荷。同時,又由于兩個走行輪沒有差動系統(tǒng),兩個輪胎曲線內(nèi)側(cè)的實際行進(jìn)速度v遠(yuǎn)小于輪胎的旋轉(zhuǎn)速度ωr,蠕滑速度變得很大,蠕滑率也變大,從而造成曲線內(nèi)側(cè)胎肩與胎面接觸部分的嚴(yán)重偏磨。曲線最內(nèi)側(cè)半徑比PC梁面中間的曲線半徑要小,曲線內(nèi)側(cè)的內(nèi)胎比外胎胎肩與胎面接觸部分走過的距離要短,然而他們的輪胎旋轉(zhuǎn)速度ωr是一樣的,這樣就勢必會造成曲線內(nèi)側(cè)的輪胎比外側(cè)輪胎胎肩與胎面接觸部分的偏磨更為嚴(yán)重(見圖 11)。

圖11 輪胎邊緣偏磨狀況圖

輪胎的輕微蛇形運動同樣會造成橫向蠕滑,通過道岔轉(zhuǎn)折區(qū)時都會加劇胎面磨損。胎面與梁面的摩擦系數(shù)μ在相同天氣條件下可以視為一個比較固定的值。軌道上前后兩根PC梁都安裝在同一基座上,由于存在安裝誤差以及地形沉降,使得兩梁面不在同一水平面上;同時由于梁間齒型板連接時也存在誤差,使得走行輪通過連接處時會產(chǎn)生較大的垂向跳動和橫向扭動。輪胎高速經(jīng)過兩梁連接處時,胎冠兩邊花紋處被鏟掉一部分形成如圖12所示不是很深的、但有規(guī)則的塊狀剝落。

圖12 輪胎剝落磨損狀況圖

針對出現(xiàn)的如圖13所示兩溝槽間的胎面一條帶都顯著磨損、而兩邊胎冠磨損較小明顯高出的帶狀磨損狀況,我們判斷可能是由于軌道梁面和梁間齒形板的某些部位處理不到位,而導(dǎo)致對胎面一個相對固定位置累積產(chǎn)生的特別磨損。如軌道梁面或接頭部的些微突起、部分梁間齒形板的細(xì)小毛邊等。

2.3 非動力轉(zhuǎn)向架輪胎磨損情況

單軌車的兩個帶司機室的頭車即M c1、M c2。M c1車的一位轉(zhuǎn)向架和M c2的二位轉(zhuǎn)向架都是非動力轉(zhuǎn)向架,由于沒有牽引電機裝置,不能提供動力,走行輪的輪周牽引力為零,蠕滑和滑動磨損現(xiàn)象較動力轉(zhuǎn)向架上輪胎小。故換輪過程中發(fā)現(xiàn)存在明顯的非動力轉(zhuǎn)向架比動力轉(zhuǎn)向架上面的走行輪磨損小很多的現(xiàn)象。

圖13 溝槽間的胎面一條帶顯著磨損圖

3 延長走行輪胎使用壽命的方法

單軌車輛走行輪胎目前尚未完全國產(chǎn)化,而進(jìn)口輪胎價格較為昂貴,每只約合人民幣七八千元。每列單軌車32只走行輪,按年運營里程10萬km全部更換一次計,每年約需數(shù)百萬元。因此通過對走行輪胎各種磨損情況的分析,提出有針對性的處理和解決辦法,有效地延長單軌車走行輪胎的使用壽命成為較為急迫的課題。根據(jù)以上分析,采取了以下幾點措施。

3.1 降低輪胎充氣氣壓

由于初次使用沒有運行經(jīng)驗,為了積累運用數(shù)據(jù)(如輪胎氣壓泄漏率、輪胎滿氣運用天數(shù)、輪胎磨耗、制動距離等),因此在現(xiàn)場還進(jìn)行了一系列型式試驗。為了避免走行輪胎在允許的波動范圍內(nèi)的不統(tǒng)一導(dǎo)致的試驗數(shù)據(jù)和運營數(shù)據(jù)的偏差,運營初期將201、202號進(jìn)口車的走行輪胎的胎壓一律充至950 k Pa的上限值。近一年時間的試運行后,通過對更換下的單軌車走行輪胎的磨損分析,得出結(jié)論:降低走行輪胎的胎壓至略超過850 k Pa的下限值水平,對延長走行輪胎的使用壽命極為有利。這樣可以有效增大胎面與梁面接觸面的橢圓形面積,不僅可以減少走行輪胎運行中的磨損,還能提升列車牽引、制動性能;同時,降低走行輪胎的胎壓還可以在車輛通過梁間的過程中,減輕因梁間安裝誤差和地形沉降帶來的微小高差所產(chǎn)生的車輛垂向跳動和橫向扭動,克服和避免塊狀剝落現(xiàn)象的發(fā)生。采取降低輪胎胎壓的措施后,塊狀剝落的磨損現(xiàn)象基本消失,偏磨現(xiàn)象也大大減輕。

3.2 調(diào)整提高軌道梁的安裝精度

PC軌道梁屬混凝土制品,制造過程中的公差要求不可能太高,其梁間高差可通過調(diào)整梁支座保證。初次安裝使用的軌道梁全線已經(jīng)按規(guī)范將各梁高差調(diào)整到小于2 mm。通過一段時間的運營試驗后,為減少單軌車走行輪胎磨損,在運營間隙的維護(hù)中對全線梁間高差進(jìn)行了更進(jìn)一步的調(diào)整,同時對梁端的微凸起和梁間齒形板的飛邊等進(jìn)行地毯式搜尋和打磨處理,力求避免塊狀剝落和帶狀磨損。經(jīng)此全線大規(guī)模調(diào)整、處理后單軌車輛運行至今,輪胎的帶狀磨損現(xiàn)象基本消失,驗證了上述對此類磨耗的分析、判斷,同時也保障了單軌車輛更平穩(wěn)、安全運行。

3.3 規(guī)范列車駕駛員的操作行為

行車規(guī)程規(guī)定單軌車輛側(cè)向通過可撓型道岔時,速度應(yīng)小于15 km/h。實際運行中觀察到,車輛側(cè)向通過可撓型道岔尤其是通過車場的三開、五開道岔時,即使速度小于15 km/h,車身側(cè)向晃動仍很大。在車場內(nèi)雖然是空車運行,但這種晃動引起的輪胎在軌面尤其在梁與道岔連接的齒型板部位的橫向碾動,造成齒型板縫隙吃啃輪胎邊緣的可能大大增加。為此要求駕駛員駕駛車輛出入車場的三開、五開道岔時,減低車速,盡可能平穩(wěn)通過。采取此措施后,輪胎偏磨現(xiàn)象大大減輕。

重慶單軌車牽引檔位有4級,制動檔位有7級。試運行期間為摸索經(jīng)驗,制定了《操作規(guī)程(試用本)》。緣于考慮減低車輛起步時乘客(尤其是站立乘客)的慣性影響的初衷,《規(guī)程(試用本)》試行:起步時先將手柄檔位拉至牽引2級然后加至牽引4級;進(jìn)站減速的檔位正常,是“制動5→制動3→制動2→制動1→0”。但部分駕駛員更愿意用“制動6→制動4→制動2→制動1→0”的這種制動距離短的選擇。但從減少單軌車走行輪胎磨損的角度考慮,起步時直接將手柄檔位拉至牽引4級的做法更利于車輛牽引力的發(fā)揮,同時起動過程縮短約2 s。為此,在列車運行時多次實測,觀察到直接牽引4時站立且無手部支撐的乘客晃動稍大,但不致產(chǎn)生不安全因素。故立即更改操作規(guī)程,規(guī)定起步時必須將手柄檔位直接拉至牽引4級。制動過程也是如此。這一規(guī)范從新駕駛員培訓(xùn)即開始,規(guī)定進(jìn)站減速的檔位必須用“制動5→制動3→制動2→制動1→0”的步驟,以減少對高速運行車輛突施過大制動導(dǎo)致可能的滑動所導(dǎo)致的磨損。

3.4 車輛檢修中強化減少輪胎磨耗的意識和措施

在單軌車輛檢修時,除了采取保證安全和正常運營規(guī)定的工藝和措施外,有意識地選擇能夠減少輪胎磨損的措施。如:每列車的導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪,依靠墊片調(diào)整與梁間的間距以及對梁側(cè)的壓力,盡可能地保證兩側(cè)導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的數(shù)據(jù)以及同一輛車前后兩轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)甚至一列車所有轉(zhuǎn)向架的數(shù)據(jù)在允許的公差內(nèi)一致,可能會減輕單軌列車車體的側(cè)扭、點頭、側(cè)擺、搖頭等振動以及車體蛇形運動,減少這些振動形式以及車體蛇形運動導(dǎo)致的磨損加劇以及磨損的不規(guī)則性。

在換輪過程中,對工藝要求的各種數(shù)據(jù)如間隙、預(yù)緊力、油量等詳盡記錄、存檔,運行一段時間后測量輪胎磨損狀況,通過正態(tài)分布的統(tǒng)計方法歸納出可能對輪胎使用壽命延長有利的措施,并在其他車換輪過程中試行、推廣后繼續(xù)探索。

在加強與日方技術(shù)人員的溝通、交流和探討的同時,聘請有經(jīng)驗的日方技師現(xiàn)場監(jiān)督、指導(dǎo),參與列、月檢和換輪過程,充分汲取日方多年的運用、維修經(jīng)驗,也對加大輪胎減磨的意識起到了一定的作用。

4 效果與結(jié)論

通過以上對單軌車走行輪胎胎面磨損情況分析、研究,并根據(jù)分析有針對性地采取相應(yīng)措施后,重慶單軌車走行輪胎的使用壽命逐步提高。如表1所示,從各車首次以及最近一次換輪走行里程統(tǒng)計可以看出,各項措施的實施后,對單軌車輛尤其是前幾組車輪胎減磨的明顯效果。

表1 各車首次以及最近一次換輪走行里程

可以看出,單軌車換輪一次換輪走行里程基本穩(wěn)定在約11萬km左右,已經(jīng)達(dá)到甚至超過日本的輪胎壽命。要想更進(jìn)一步降低單軌車走行輪胎的運營成本,就應(yīng)考慮推進(jìn)單軌車走行輪胎的國產(chǎn)化問題。

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