弹性车轮的结构特点及应用研究

高艳艳 邵敏

摘要：本文对城市轨道交通车辆中的应用的弹性车轮进行了分析及探讨。弹性车轮由于内部加入了弹性隔层，减小了簧下质量，进而降低了城市轨道交通车辆运行过程中产生的振动及噪音并提升旅客的舒适性。

Abstract： This paper analyzes and investigates the resilient wheel which is used in city rail transit vehicles. Resilient wheel internal has elastic barrier， decreased unsprung mass， reduced vibration and noise which is produced when the city rail transit vehicles running and Promoted comfort of passenger.

关键词：弹性车轮;轨道交通;减振降噪

Key words： resilient wheel;rail transit;vibration and noise reduction

中图分类号：U270.33                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0045-02

0  引言

随着城市经济的快速发展，人们对出行需求的增加，传统的公共交通方式已经不能满足城市发展的要求，为缓解城市交通压力，减少交通拥堵，越来越多的城市开始发展轨道交通。轨道交通具有方便、环保、节能、舒适、安全等特点。但是车辆运行中所产生的振动和噪音对线路附近居民的生活和工作带来一定的困扰。因此，有效抑制城市轨道交通车辆的噪音和线路振动至关重要。为了解决这一问题在欧洲、澳大利亚等发达国家地区普遍采用弹性车轮。整体辗钢轮是由踏面、轮辋、轮缘、辐板、轮毂及轮毂孔构成，并成一体。与普通轨道交通车辆的整体辗钢轮相对比，弹性车轮并不成一体，而是在轮箍与轮心之间加入了一层橡胶体，因此能够有效的降低轮轨之间的作用力，减小轮轨噪声及振动，在国内外很多城市轨道车辆上也逐渐开始采用[1]。

軌道交通车辆的轮对和轴箱装置均属于簧下质量。如果簧下质量过大，线路不平顺所引起的轮轨之间作用力也会增加，在保证车辆安全运行的前提下，应该尽可能地减少簧下质量来降低轮轨作用力，对比机车及动车组车辆采用的空心车轴方式来降低簧下质量，轨道交通车辆采用弹性车轮来解决这一问题。弹性车轮内部由于加入了弹性橡胶材料，可以明显减少簧下质量并提供阻尼特性。因此其弹性体能够有效降低由线路不平顺所产生的振动和噪声。

1  弹性车轮的特点

与整体辗钢轮相对比，弹性车轮加入了橡胶材料后所表现的特点主要体现在以下几个方面：

1.1 优点

①能够降低车辆本身的振动以及对轨道附近建筑物产生的噪声。②能够降低车辆与轨道之间产生的横向和垂向的动态载荷。③降低车辆的簧下质量。④减小车轮之间的磨耗。⑤车轮磨耗到限后，对车辆进行检修时只需更换轮箍而不是替换整个车轮，降低了车辆的全生命周期运用成本。⑥对轮对进行检修时，车轮不需要从车轴上退卸，只需通过分开轮箍、橡胶体及轮心即可对故障进行相应处理，避免由于退卸而导致的轮座损伤。

1.2 缺点

①由于不是整体轮，结构更加复杂，制造成本更高。制造流程及制造工艺更为复杂。②车轮整体强度将会降低。由于使用了橡胶元件的车轮不再是一个整体，并且各部件组成安装时需要使用螺栓进行紧固，导致孔边的应力容易集中，强度降低。所以在设计弹性车轮时对强度、刚度、安全性、可靠性和寿命的要求更高。③车轮容易偏心。如果车辆长时间停留不动，而橡胶材料本省具有蠕变的特性，此时就会造成轮心相对轮箍下沉，造成车轮偏心[2]。④对轴重的要求更高。弹性车轮内部加入的橡胶体的刚度与整体车轮的不同，因此它的发展和应用受到的制约条件更多。

2  弹性车轮的结构

弹性车轮的结构包括与轨道直接接触的轮箍，提供阻尼特性的弹性体，与车轴直接接触的轮心，将弹性体紧固在轮箍和轮心形成的腔体内并提供一定预载压力的压环，起连接固定作用并提供一定预紧力的螺栓以及保持轮箍和轮对之间电流通路的接地导线。如图1所示。

弹性车轮的主要结构形式分类通常根据其内部主要组成部件弹性体的受力状况进行分类。可将弹性车轮分为压缩型、剪切型及压剪复合型。如图2所示。

①压缩型弹性车轮。弹性体主要承受垂向压力载荷，其径向刚度远大于轴向刚度。这种弹性车轮曾经应用于非低地板有轨电车上，但其径轴刚度比匹配性较差，现在已较少使用。②剪切型弹性车轮。在运行过程中如果受到冲击载荷作用，橡胶体主要承受径向剪切载荷，轴向承受压缩载荷产生压缩变形，径向刚度低，轴向刚度高。在70～80年代，这种弹性车轮应用较多。但这种弹性车轮内部结构较为复杂，加大了制造及检修成本高，同时也不利于组装与分解[3]。③压剪复合型弹性车轮。在承受剪力的同时又能承压力作用。内部的弹性体呈V字型，节约空间的同时，通过调整使径轴刚度达到最佳匹配值。这种形式的弹性车轮兼备以上两种车轮的优点，目前使用比较普遍，它代表着弹性车轮的发展方向。

作为弹性车轮的核心部件弹性体的主要结构形式包括以下四种：①分块式：成本低，径轴刚度比调整范围宽，覆盖面广，抗迟缓性能差。②整体橡胶环式：径、轴向刚度较大，径轴刚度比调整范围较宽，抗迟缓性能一般。③整体带凸销：径向刚度小，径轴刚度比调整范围一般，抗迟缓性能优，制造成本高。④分体带凸销：径向刚度小，径轴刚度比调整范围一般，抗迟缓性能较好。

3  国内外弹性车轮的研究

3.1 国外弹性车轮的研究

美国、欧洲及日本等国是研究弹性车轮较早的国家并已取得了豐硕成果。1950年，美国的Herschfeld发明了第一个橡胶弹性车轮，并且后期对弹性车轮的减振及降噪性能进行了全方位的深入研究。1998年，日本就弹性车轮与钢之间的作用力做了大量的研究，结果表明弹性车轮与钢轨之间的作用力比普通刚性车轮减小了20%。佐藤洁等研究者也对弹性车轮的振动与噪声性能进行了整车线路上的试验。德国 BVV公司生产的压缩型弹性车轮中弹性体的轴向刚度比径向小。针对1998年发生的ICE高速列车事故，Masanobu Kubota等研究者对弹性车轮轮箍产生的裂纹进行了研究，认为橡胶元件与轮箍之间的摩擦系数会影响两者之间的接触应力。并且裂纹的产生与疲劳有关。美国及欧洲已经开始研究铝制材料的弹性车轮，德国的ICE已研究采用高性能铝制弹性车轮来进一步减小簧下质量。

3.2 国内弹性车轮的研究

我国弹性车轮的研究相对国外较晚。1969年四方车辆研究所研制了我国第一个弹性车轮[4]。由于国内弹性车轮的研究起步晚，应用的种类也不多，应用范围也没有国外广泛。目前，压剪复合型弹性车轮由于其兼具压缩型及剪切型两种弹性车轮的优点在国内被广泛应用。郭文浩等利用相应软件建立了弹性车轮整车模型，进行了动力学性能方面的分析，优化了对弹性车轮径向刚度以及轴向刚度，量化分析出弹性车轮在降低轮轨之间冲击载荷方面的优势，计算得出不同线路情况下轮轨之间作用力的变化规律，得出弹性车轮能有效降低轮轨之间作用力[5]。刘玉霞等利用有限元分析法，建立了弹性车轮模型进行滚动噪声的测试，通过仿真对弹性车轮应用于轨道交通车辆时的噪声辐射情况进行测试，并分析弹性车轮内部应用的橡胶材料的参数对振动噪声辐射的影响效果[6]。石怀龙等在考虑了橡胶件的非线性特性情况下，基于Abaqus仿真软件利用有限元方法对一种直径是660mm的弹性车轮在其组装过程中所受到的应力变化情况进行了研究分析[7]。周信建立了弹性车轮车辆与轨道耦合的动力学模型并对瞬态滚动接触的有限元模型进行分析，探究了弹性车轮径向和横向刚度对车辆动力行为的影响规律及车轮滚动接触行为[8]。

4  典型故障

对比普通轨道交通车辆的整体辗钢轮，弹性车轮由于内部加入了弹性体使轮箍与轮心分离，因此在轨道交通车辆运行过程中会产生一些典型的故障。

4.1 轮箍与轮心之间产生横向偏移

轨道交通车辆的车轮属于磨耗型，踏面具有一定的斜度，在轨道上运行时，钢轨对踏面的力可以分解成垂直轨道的力以及与轨道平行的横向力，这个横向力过大会使得轮箍与轮心之间产生横向偏移。

4.2 轮箍与轮心之间产生相对滑动

轨道交通车辆在起动或者制动过程中，车轮会受到圆周方向的扭转力矩作用，由于轮箍与轮心之间增加了一层橡胶体，而橡胶件受到力的作用时会产生弹性变形，如果弹性车轮内部元件之间的摩擦力不能完全抵抗这种变形时，就会出现轮箍与轮心之间产生圆周方向的相对滑动，进而导致车辆不能正常启动或者制动，最终影响轨道交通运输的安全[9]。因此，在设计弹性车轮时应从橡胶体的特性、车轮的结构、线路的不平顺情况、车轮试验情况等多方面进行考虑，来避免事故的发生。

5  结束语

本文对国内外弹性车轮的研究进行了阐述，并对比普通整体辗钢轮分析了其结构特点及典型故障，为弹性车轮的进一步研究提供一定的参考。

参考文献：

[1]桑平.弹性车轮滚动接触行为分析[D].西南交通大学，2018.

[2]杨阳.压剪复合弹性车轮作用下轮轨动态特性研究[D].西南交通大学，2018.

[3]范蓉平，孟光，崔银会.弹性车轮的发展与研究现状[J].机车电传动，2005.

[4]马雁翔，刘春生.弹性车轮应用与现状浅谈[J].科技与创新，2017.

[5]郭文浩，池茂儒，杨飞，孟宪全.弹性轮对对轮轨动作用力的影响[J].机械，2011.

[6]刘玉霞，韩健，周信，彭金方，肖新标，金学松.弹性车轮减振降噪特性分析[J].铁道学报，2015.

[7]石怀龙，戚援，黄彪，王建斌，郭金莹.弹性车轮压装过程仿真计算[J].大连交通大学学报，2013.

[8]周信.地铁弹性车轮的减振降噪及动态特性研究[D].西南交通大学，2019.

[9]刘锡良，白翔.弹性车轮结构及其典型故障研究[J].科学技术创新，2018.