集成制動盤功能彈性車輪的研制

蔣 濤 周小江 侯傳倫

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

0 概述

有軌電車由于其綠色環(huán)保以及造價低廉等特點逐漸成為城市軌道交通的新趨勢，隨著城市軌道交通運營里程的增加，出現(xiàn)了大量的高架和地面線路，振動噪音問題越來越突出，對車內(nèi)旅客舒適性造成影響的同時，也對周圍環(huán)境造成噪音污染[1]。彈性車輪能有效改善輪軌間的作用力和沖擊，目前絕大多數(shù)低地板有軌電車的走行系統(tǒng)均使用了具有減振降噪效果的彈性車輪[2]。為了便于乘客上下車、增大車內(nèi)空間以及載客量，100%低地板有軌電車整車地板面距離軌面高度一般為250 mm～350 mm，轉(zhuǎn)向架各零部件的安裝空間受到限制，因此迫切需要設(shè)計開發(fā)一種集成度高的彈性車輪[3]。由于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中制動盤與彈性車輪空間上可以集成，本文研制開發(fā)了一種集成制動盤功能的彈性車輪，通過對彈性車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、試驗分析來驗證彈性車輪的可靠性。

1 集成制動盤功能彈性車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)某型100%低地板有軌電車的車輛技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1 車輪剛度設(shè)計

在滿足車輛安全性的前提下，彈性車輪徑向剛度越低，車輛的減振降噪性能越好。根據(jù)車型及線路實際運營情況，兼顧車輛安全性和乘坐舒適性，選取彈性車輪徑向剛度kr為85×(1±25%)kN/mm，軸向剛度ka為25×(1±20%)kN/mm。

表1 車輛參數(shù)

1.2 車輪橡膠設(shè)計

為滿足車輪的設(shè)計剛度要求，確定車輪為壓減復(fù)合型彈性車輪，采用V型分布的塊狀式橡膠元件，通過調(diào)整橡膠塊的角度來滿足彈性車輪徑向以及軸向的剛度要求。

1.2.1橡膠塊數(shù)量計算

彈性車輪整輪使用的橡膠塊數(shù)量n計算如下：

(1)

式中：vw為彈性車輪橡膠安裝型腔體積；vr為單個橡膠塊體積；k為彈性車輪橡膠填充率。

1.2.2橡膠塊剛度計算

根據(jù)設(shè)計輸入的彈性車輪徑向剛度kr和軸向剛度ka，計算橡膠塊的剛度值。

橡膠塊徑向剛度：

(2)

橡膠塊軸向剛度：

(3)

其中：kr為彈性車輪徑向剛度；ka為彈性車輪軸向剛度；n為彈性車輪使用的橡膠塊數(shù)量；dnew表示彈性車輪滾動圓直徑；dr表示橡膠塊安裝型腔等效直徑。

1.3 材料選擇

(1)橡膠材料選擇

彈性車輪橡膠元件材料一般分為合成橡膠和天然橡膠，天然橡膠具有較好的力學性能和耐低溫性能，綜合性能優(yōu)異；合成橡膠具有較好的抗老化及防臭氧性能。由于彈性車輪在運用過程中承受高頻交變載荷的作用，車輪壽命及安全可靠性要求高，因此選取綜合性能更優(yōu)異的天然橡膠作為橡膠元件的膠料，材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 減振橡膠性能參數(shù)

(2)金屬材料選擇

彈性車輪的輪箍、輪心以及壓環(huán)是主要的金屬承載件，通過有限元方法計算車輪在超常載荷工況下金屬件的最大應(yīng)力maxσeqv,根據(jù)金屬件所承受的最大應(yīng)力，并考慮安全系數(shù)ηvM后確定金屬件應(yīng)達到的屈服強度Re，即：

Re≤ηvM·maxσeqv

(4)

式中：maxσeqv為最大mises等效應(yīng)力；ηvM為彈性車輪金屬件靜強度安全系數(shù)。

輪心和壓環(huán)需要達到30年的使用壽命，根據(jù)金屬材料需要達到的性能要求，原材料選用符合UIC 812-1標準要求的C3材料。輪箍與軌道直接接觸，作為易損易耗件需要保證耐磨性與安全性，根據(jù)UIC 810-1標準采用B6材料，各零部件材料性能如表3所示。

1.4 彈性車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

彈性車輪采用分塊式壓減復(fù)合型橡膠結(jié)構(gòu)，主要由輪心、壓環(huán)、輪箍、減振橡膠、緊固件以及其他附屬零部件組成，如圖1所示。

為實現(xiàn)集成制動盤功能，在輪箍兩側(cè)設(shè)置了凸起的制動面。車輛制動時，輪箍兩側(cè)制動面與制動夾鉗接觸，實現(xiàn)車輛減速制動的功能。該結(jié)構(gòu)可以替代軸裝制動盤，從而達到節(jié)省轉(zhuǎn)向架底部軸向空間的目的，示意圖如圖2所示。

圖2 集成制動盤功能彈性車輪示意圖

2 集成制動盤功能彈性車輪仿真分析

2.1 車輪靜強度評定

根據(jù)UIC 510-5確定的超常載荷工況對彈性車輪進行靜強度評定，靜強度評定準則依據(jù)第四強度理論。靜強度的評定通過Von Mises等效應(yīng)力來衡量，Von Mises應(yīng)力通過公式(5)和(6)計算得到：

(5)

式中：σ1、σ2、σ3分別為三個方向的主應(yīng)力。

靜強度安全系數(shù)ηvM為：

(6)

通過仿真分析各零部件在不同計算工況下的靜強度安全系數(shù)如表4所示。

表4 彈性車輪零部件靜強度安全系數(shù)

車輪靜強度滿足設(shè)計和運營的條件為：在各種載荷作用條件下車輪各部件的靜強度安全系數(shù)大于1。由表4可知，輪心、壓環(huán)和輪箍在各計算工況下的最大Von Mises應(yīng)力小于材料屈服強度，靜強度安全系數(shù)大于1，因此彈性車輪的靜強度滿足設(shè)計和運營要求。

2.2 車輪疲勞強度評定

通過有限元仿真分析，根據(jù)輪心、壓環(huán)以及輪箍材料的疲勞極限繪制輪箍的Goodman-Smith疲勞極限圖，分別計算輪心、壓環(huán)以及輪箍的最大、最小主應(yīng)力和平均應(yīng)力，然后納入疲勞極限圖進行評定，如圖3所示。

圖3 疲勞強度評定圖

由圖3可知，輪心、壓環(huán)以及輪箍各個區(qū)域的極值應(yīng)力均小于材料的疲勞極限，基于UIC 510-5標準中Goodman疲勞極限評定方法對各運行工況下車輪疲勞強度評定結(jié)果表明，車輪各部位的疲勞極限均符合要求，車輪疲勞強度滿足要求。

3 試驗驗證

為了驗證集成制動盤功能彈性車輪的性能指標和安全性，在彈性車輪疲勞綜合性能試驗臺進行彈性車輪耐疲勞性能試驗，如圖4所示。

圖4 彈性車輪滾動疲勞試驗

在室溫條件下，按照EN 13979-1標準規(guī)定的運營載荷工況對彈性車輪施加循環(huán)載荷(包括直線、曲線和道岔工況)，從而對彈性車輪在實際滾動狀態(tài)下的疲勞性能進行驗證。試驗總計運行里程為20 000 km(車輪承受1 000萬次載荷循環(huán))。

試驗完成后車輪外觀正常，同時對車輪進行分解，對車輪金屬部件進行磁粉探傷，金屬零部件(踏面部位除外)無疲勞裂紋產(chǎn)生，減振橡膠沒有明顯變形、缺損、裂紋等缺陷。試驗結(jié)果顯示彈性車輪疲勞性能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

根據(jù)仿真試驗結(jié)果，彈性車輪各項性能指標滿足技術(shù)要求。集成制動盤功能彈性車輪的研制成功，有效節(jié)省了轉(zhuǎn)向架空間，減輕了簧下輪對質(zhì)量，降低了由于線路不平順性導致的輪軌振動和沖擊，提高了車輛的穩(wěn)定性和舒適性。