低地板有轨电车用弹性车轮滚动疲劳试验研究

王 慎 侯传伦 戚 援

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213000)

随着我国各大城市相继开通运营低地板有轨电车线路，弹性车轮因其优异的减振降噪性能在城市轨道交通中越来越得到重视和运用。弹性车轮作为城市轨道交通车辆尤其是低地板有轨电车的走行和支撑部件，是车辆的重要组成部分，保证车辆运行的安全和舒适，必须通过大量的试验验证确保其各项性能满足设计运用要求。由于弹性车轮是在车轮的轮箍与轮心之间嵌装减振橡胶，其结构与传统整体车轮存在较大差别，国内外尚无明确统一的试验标准和方法，这对弹性车轮产品的技术水平提高和推广应用都带来了极大的制约。目前对弹性车轮的疲劳试验主要使用台架将车轮固定，通过液压作动器对车轮进行定点静态加载。这种试验方式只能对车轮某一部分进行考核，无法真实模拟轮轨滚动接触以及磨耗状况。

本文借助弹性车轮滚动疲劳试验台专用试验设备，根据弹性车轮的结构特点，对其滚动疲劳性能等进行试验研究。

1 弹性车轮结构

根据减振橡胶元件的受载情况，弹性车轮可分为承压型、承剪型和压剪复合型3种结构型式。压剪复合型弹性车轮由于减振橡胶主要承受压力和剪切载荷，径向刚度与轴向刚度可以根据V型夹角的大小调整，能够实现车轮径向刚度和轴向刚度的最优匹配，是目前被广泛采用的一种弹性车轮[1]。

图1为压剪复合型弹性车轮的典型结构，主要由轮心、压环、轮箍、紧固螺钉和减振橡胶块等零部件组成。减振橡胶块均布压缩在轮心、压环和轮箍形成的特定型腔中。

1—轮箍；2—减振橡胶块；3—压环；4—紧固螺钉；5—轮心。图1 弹性车轮结构图

2 滚动疲劳试验方法

借助滚动疲劳试验台，可模拟弹性车轮分别在直线、曲线和道岔段的滚动运行工况[2]。弹性车轮滚动疲劳试验加载位置如图2所示。以某型号弹性车轮为例，具体介绍根据实际线路运行条件的滚动疲劳试验方法。

图2 弹性车轮滚动疲劳试验加载示意图

2.1 轮轨接触关系

对于铁道车辆系统中，车轮和钢轨的滚动接触是典型的弹性接触。目前一般采用Hertz接触理论来描述轮轨接触关系。

Hertz理论基于弹性半空间假设，假设接触表面光滑，两接触物体在接触斑上均有不变的主曲率半径，这样接触表面外形函数以及它的一阶和二阶导数都是连续的。原点附近的曲面可以通过泰勒展开表示，忽略高次项，挤压变形前接触斑位置的法向间隙可以表示为：

hwr(x,y)=Ax2+By2

(1)

其中：A、B为轮轨接触点位置的几何参数。对于轮轨接触的特殊情形，A、B满足：

(2)

(3)

其中：Rwx为轮轨接触点位置车轮实际滚动圆半径；Rwy为轮轨接触点位置车轮踏面横断面外形半径；Rry为轮轨接触点位置钢轨横断面外形半径；α为车轮和钢轨横断面主曲率对应的主方向的夹角。

在滚动疲劳试验中，不同工况下的轮轨接触关系如图3所示。

图3 弹性车轮滚动疲劳轮轨接触状态示意图

2.2 弹性车轮预压

为充分降低减振橡胶块Mullins效应，使弹性车轮各向均受力均匀，提高试验可靠性，须对车轮进行预压。预压加载位置和载荷大小如图3和表1所示。

表1 滚动疲劳试验预加载力

2.3 静态刚度测试

对于减振橡胶元件，刚度是橡胶设计的重要指标，也是结构在使用过程中确保系统具有良好动力学性能的关键参数[3]。因此减振橡胶元件在使用过程中，刚度应保持在一个较为恒定及稳定的水平。当因橡胶弹性元件刚度发生变化而造成系统刚度无法满足设计要求时，即为刚度失效。

大量的工程实践表明，当刚度变化超过25%，则说明减振橡胶元件已经丧失继续有效承载的能力，即该元件已经发生了刚度失效。

因此对于弹性车轮来说，其刚度性能是疲劳试验过程中重要的考量指标，在滚动疲劳试验前后须对其进行静态刚度测试。按照图3和表2所规定的加载测量位置及载荷大小对弹性车轮进行加载，同时记录车轮加载过程中轮箍和压环的径向或轴向相对变形数值，得出径向或轴向刚度。每工况试验重复加载3个循环，记录第3个循环的刚度数值。

表2 静态刚度试验加载

2.4 滚动疲劳试验

弹性车轮静态刚度测试完成后按照表3规定的加载循环对弹性车轮进行滚动疲劳试验，每个循环中车轮运行里程为2.2 km，其中，直线运行里程为1.5 km，曲线运行里程为0.5 km，道岔运行里程为0.2 km，试验总计运行里程为15 000 km。每运行2 000 km后暂停试验，查看车轮表面状态，检查轮箍与轮心的周向错位情况，检测减振橡胶块表面温度，并按照静态刚度测试要求，测量弹性车轮刚度。

在滚动疲劳试验过程中，轮箍与轮心在周向不得发生明显错位，橡胶块表面温度不得超过70 ℃，车轮的径向和轴向刚度与试验前的刚度变化须在25%以内。

表3 滚动疲劳试验加载力循环

3 滚动疲劳试验结果

弹性车轮在疲劳试验过程中，仅车轮踏面略有磨损，周向未发生明显错位，如图4所示。橡胶块温度变化如图5所示，弹性车轮径向刚度和轴向刚度变化如图6和图7所示。

图4 滚动疲劳试验后轮箍与压环间周向位移

图5 橡胶块温度变化

图6 径向刚度变化

图7 轴向刚度变化

从图5中可看出，弹性车轮所用橡胶块在整个滚动疲劳过程中，温度维持在30 ℃～40 ℃之间，最高温度未超过70 ℃，处于橡胶块最佳运用温度范围内。从图6中可得出，弹性车轮径向刚度总体呈下降趋势，从321.4 kN/mm降至248.3 kN/mm，降幅为22.7%，未超过25%，满足设计使用要求。从图7中可看出，弹性车轮轴向刚度(轮缘侧)略有降低，从60.9 kN/mm降到57.4 kN/mm，仅下降5.7%，轴向刚度(轮背侧)有所下降，从60.3 kN/mm变化至54.8 kN/mm，下降了9%，轴向刚度的变化量均未超过25%，满足设计使用要求。

4 结论

根据弹性车轮结构特点，基于弹性车轮滚动疲劳试验台，进行了详尽的弹性车轮滚动疲劳试验技术研究，并以某型弹性车轮为例，开展了滚动疲劳试验。试验结果表明滚动疲劳试验能较好地反映弹性车轮产品实际运行情况，且该型弹性车轮满足设计要求。