軌道式手推平車錐度車輪在曲線軌道上的運(yùn)用

姜靜濤 李享

摘 要：正常情況下，工礦企業(yè)使用的軌道式平車均采用圓柱式車輪，平車是直線運(yùn)動(dòng)，需要變向時(shí)，平車是借助下方的埋入式旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)向，接軌后推出，但由于工況環(huán)境的限制，需要平車進(jìn)行小半徑的曲線通過，這已經(jīng)是圓柱車輪不可能實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：平車；車輪組；錐度；軌道

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

平車正常沿軌道運(yùn)動(dòng)是通過帶輪緣的圓柱車輪滾動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)的，為保證車輪與軌道間無(wú)啃軌現(xiàn)象，4組車輪安裝時(shí)有意讓其有水平對(duì)稱的內(nèi)八或外八，水平力相抵保證向前的導(dǎo)向，但是遇到曲線軌道，圓柱車輪完全不適用，存在著嚴(yán)重啃軌，卡死推不動(dòng)，甚至出軌現(xiàn)象。

1 圓柱車輪曲線軌道實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)條件：4組臺(tái)車組與運(yùn)輸平臺(tái)間增加水平旋轉(zhuǎn)軸，增加推力軸承。臺(tái)面尺寸4500mm×3000mm，軌道型號(hào)60mm×40mm，試驗(yàn)臺(tái)直道5m，彎道半徑36m，軌距2000mm，彎道長(zhǎng)度6.2m。

1.1 第一次試驗(yàn)狀態(tài)

（1）4組臺(tái)車組與運(yùn)輸平臺(tái)固定，輪子為單輪緣，輪緣在軌道外側(cè)。

（2）兩人推空載。

（3）當(dāng)左前輪進(jìn)入彎道時(shí)，右前輪的輪緣與軌道接觸產(chǎn)生啃軌，促使右前輪強(qiáng)行轉(zhuǎn)彎，摩擦力增大，使左前輪及右前輪與軌道同時(shí)產(chǎn)生橫向摩擦力，人力已無(wú)法克服此摩擦力，運(yùn)輸車無(wú)法前行。增加人力則車輪爬出軌道。

1.2 第二次試驗(yàn)狀態(tài)

（1）4組臺(tái)車組與運(yùn)輸平臺(tái)間增加水平旋轉(zhuǎn)軸，增加推力軸承，輪子為單輪緣，輪緣在軌道外側(cè)。

（2）兩人推空載。

（3）當(dāng)左前輪進(jìn)入彎道時(shí)，右前輪的輪緣與軌道接觸產(chǎn)生啃軌，促使右前輪強(qiáng)行轉(zhuǎn)彎，因?yàn)橛行D(zhuǎn)軸的作用，右前輪在輪緣的作用下進(jìn)入彎道，拖動(dòng)左前輪也進(jìn)入彎道，因左前輪與右前輪運(yùn)行無(wú)速度差，致使左前輪始終處于被拖動(dòng)狀態(tài)，而右前輪因輪緣作用始終處于強(qiáng)行轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，同時(shí)八輪失去導(dǎo)向約束，存在連滾帶滑的現(xiàn)象，摩擦力較大，不適合正常搬運(yùn)工作。

1.3 第三次試驗(yàn)狀態(tài)

（1）4組臺(tái)車組與運(yùn)輸平臺(tái)間增加水平旋轉(zhuǎn)軸，增加推力軸承，輪子為單輪緣，輪緣在軌道外側(cè)，在臺(tái)車外增加水平導(dǎo)向輪。

（2）理論分析：因臺(tái)車轉(zhuǎn)銷與水平導(dǎo)向輪之間存在轉(zhuǎn)矩，要克服前后兩輪橫向水平摩擦位移，才可使車輪轉(zhuǎn)彎。水平導(dǎo)向輪將承載巨大水平力。此方案不合理。

2 圓錐車輪曲線軌道實(shí)驗(yàn)

2.1 4組臺(tái)車組與運(yùn)輸平臺(tái)間增加水平旋轉(zhuǎn)軸，增加推力軸承

八輪輪緣均布置在軌道內(nèi)側(cè)，八輪輪踏面均為1∶20斜度。

2.2 2 人推空載或5人推15t載荷

在直線軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，因輪踏面存在斜度，運(yùn)輸平臺(tái)整體呈蛇形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)左前輪接觸彎道時(shí)，左前輪在輪緣的作用下進(jìn)入彎道，此時(shí)左前輪處于大徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，右前輪處于小徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，左右后輪處于擺尾游動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)左后輪進(jìn)入彎道，在輪緣的作用下，左后輪也處于大徑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，右后輪處于小徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)整個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)入彎道，由于左側(cè)運(yùn)動(dòng)速度大于右側(cè)，整體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

2.3 10人推動(dòng)30t載荷

在直線軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，因輪踏面存在斜度，運(yùn)輸平臺(tái)整體呈蛇形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于載荷量大，車輪與軌道間的摩擦力增大，滾動(dòng)的同時(shí)滑動(dòng)阻力變大，車輪與軌道間有滑動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)左前輪接觸彎道時(shí)，左前輪在輪緣的作用下進(jìn)入彎道，此時(shí)左前輪處于大徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，右前輪處于小徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，左右后輪處于擺尾游動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)后輪有明顯滑動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)左后輪進(jìn)入彎道，在輪緣的作用下，左后輪也處于大徑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，右后輪處于小徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)整個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)入彎道，由于左側(cè)運(yùn)動(dòng)速度大于右側(cè)，整體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，僅內(nèi)軌車輪存在間歇性滑動(dòng)現(xiàn)象。

3 圓柱車輪試驗(yàn)結(jié)果原因分析

當(dāng)安裝圓柱車輪的平車在直道軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，平車上四角處每個(gè)車輪因直徑相等，運(yùn)行速度也相等，則每個(gè)車輪線運(yùn)動(dòng)相等，不會(huì)存在速度差。但當(dāng)進(jìn)入彎道時(shí)，由于外側(cè)軌道的弧長(zhǎng)為（圖1）：π（R+K）θ°/180°=π·R·θ°/180°+π·K ·θ°/180°，內(nèi)側(cè)軌道的弧長(zhǎng)為：π·R·θ°/180°；由此外軌上的車輪要比內(nèi)軌上的車輪多走：π·K·θ°/180°的距離，而直徑相等的圓柱輪是不可能走出這個(gè)距離差的，因此引入了帶錐度車輪的技術(shù)。

圓錐車輪試驗(yàn)結(jié)果原因分析：

由于圓柱輪在直線軌道上運(yùn)動(dòng)理論上是純滾動(dòng)，但車輪進(jìn)入彎道時(shí)，在輪緣的作用下，產(chǎn)生滑動(dòng)+滾動(dòng)，同時(shí)由于車輪組安裝在小車架上，整個(gè)小車架也隨著這個(gè)車輪的水平滑動(dòng)而產(chǎn)生位移，推動(dòng)著其他車輪的滑移變位，輪壓小的時(shí)候，產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力較小，人力尚可推動(dòng)，但載重加大后，輪壓變大后，摩擦阻力已非人力可以克服，因此就產(chǎn)生了上述試驗(yàn)結(jié)果。如果進(jìn)入彎道后，外側(cè)軌道上的車輪能夠在同一時(shí)間內(nèi)滾出π·R·θ°/180°+π·K·θ°/180°的距離，而內(nèi)側(cè)軌道上的車輪能夠在同一時(shí)間內(nèi)滾出π·R·θ°/180°的距離，即在彎道上外側(cè)輪比內(nèi)側(cè)輪多滾出π·K ·θ°/180°的距離，平車就完成了曲線通過。

當(dāng)平車在直道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，錐度車輪在軌道上除了垂直壓力外，還會(huì)因車輪錐度而產(chǎn)生水平力，左右兩側(cè)車輪的水平力大小左右交替變化，會(huì)使平車以蛇形運(yùn)行方式完成直線段運(yùn)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入彎道時(shí)，外側(cè)軌道上的車輪會(huì)首先滾入錐度輪的大徑端，隨后在輪緣的作用下，促其轉(zhuǎn)向，同時(shí)繼續(xù)在大徑端滾動(dòng)，內(nèi)側(cè)軌道上的車輪則會(huì)通過平車架車輪固定間距2000mm，被動(dòng)地拖入錐度車輪的小徑端運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，假設(shè)小徑端與軌道接觸點(diǎn)直徑為d，大徑端與軌道接觸點(diǎn)直徑為（d+Δ），于是大徑端（d+Δ）比小徑端d在同一時(shí)間段要多滾出π·K ·θ°/180°的距離：

[π（d+Δ）-π·d] ·m=π·K ·θ°/180°

得：Δ= K ·θ°/180°·m

式中：

K—軌距。

θ°—軌道曲線段弧長(zhǎng)角度。

m—車輪滾出圈數(shù)。

Δ是圓錐車輪與軌道接觸最大徑處和與軌道接觸最小徑處的直徑差。

由此可以得出結(jié)論：m越小，即車輪直徑越大，Δ可以相應(yīng)減少。

結(jié)語(yǔ)

通過試驗(yàn)和說明分析證明，雖然圓錐車輪可以曲線通過，但車輪的錐度不宜過大：

（1）車輪與軌道接觸面減少，局部壓應(yīng)力增大，易產(chǎn)生材料局部疲勞，易磨損，壽命短。

（2）增加車輪水平力，增加了車輪滑動(dòng)趨勢(shì)，增加推動(dòng)阻力。

（3）車輪水平力增加的同時(shí)，也增加了車輪與軌道接觸點(diǎn)的下滑趨勢(shì)，隨著載荷的增加，下滑趨勢(shì)越明顯，也增加了推動(dòng)阻力。因此需要減少車輪斜面角度α，即減少Δ值。

（4）這次試驗(yàn)，采用的是斜面1∶20，車輪直徑為Φ250，從效果來(lái)看，車輪直徑應(yīng)放大到Φ500，斜面1∶30更為合理。

參考文獻(xiàn)

[1]孫竹生，鮑維千.西南交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)車總體及走行部（第三版）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1995.