賀 觀

(重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院,400051,重慶∥高級(jí)工程師)

跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架較為獨(dú)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(gè)輪軸上裝有兩個(gè)填充氮?dú)獾匿撔南鹉z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(gè)轉(zhuǎn)向架2軸共4個(gè)走行輪胎,4輛編組的列車共32個(gè)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(yùn)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(jī)驅(qū)動(dòng)走行輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向架及車體沿PC軌道梁運(yùn)行。走行輪胎胎面狀況直接影響到單軌車的運(yùn)行品質(zhì),其磨損情況是關(guān)系單軌車安全運(yùn)行的重要因素。單軌車的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)提高輪胎的使用壽命、降低成本、保障運(yùn)營(yíng)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(duì)202、203車統(tǒng)計(jì)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?yàn)樘ス谥胁繂挝幻娣e所承受的載荷量比兩側(cè)要大些,使用時(shí)胎冠中部磨損稍大,故輪胎出廠時(shí)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(yùn)行一段時(shí)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(shí),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(yùn)行初期由進(jìn)口車承擔(dān)運(yùn)營(yíng)任務(wù)。由于國(guó)產(chǎn)車輛生產(chǎn)制造周期的原因,車輛到達(dá)間隔較長(zhǎng),致使原運(yùn)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(shí)際已經(jīng)影響到加減速度及制動(dòng)性能,危及行車安全。在雨雪天氣以及運(yùn)行在鋼梁、鋼制道岔表面上時(shí),影響尤為突出,經(jīng)常被檢測(cè)到并作為故障報(bào)警顯示出來。類似特殊狀況在隨后的正式運(yùn)營(yíng)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?dú)獾匿撔南鹉z輪胎,它在PC軌道梁上運(yùn)行時(shí)胎面與梁面的接觸面呈橢圓狀并且接觸面積相對(duì)較大,輪胎不再是自由半徑圓形而是滾動(dòng)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(dòng),一般都可以分為兩個(gè)區(qū):一個(gè)是粘著區(qū)即輪胎進(jìn)入接觸的一側(cè),一個(gè)是滑動(dòng)區(qū)即輪胎離開接觸的一側(cè)。兩個(gè)區(qū)的大小與滑動(dòng)率的大小是相關(guān)的?；瑒?dòng)率越大,滑動(dòng)區(qū)越大,粘著區(qū)越小。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的走行輪在梁面上的運(yùn)動(dòng)不是純滾動(dòng),而是受蠕滑力支配的滑動(dòng)與純滾動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng),特別是車體通過曲線時(shí)走行輪胎的滑動(dòng)與純滾動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)更加明顯。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上用v表示輪胎行進(jìn)速度(即車體的實(shí)際速度),r表示輪胎滾動(dòng)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(duì)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(shí)就產(chǎn)生空轉(zhuǎn)或滑行,使胎面的磨損加重。在剛開始起動(dòng)的時(shí)候,速度由零變成v。在這個(gè)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(shí)胎面磨損較運(yùn)行過程大,并發(fā)出吱吱的聲音。制動(dòng)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(duì)使用后更換下來的輪胎進(jìn)行分析比對(duì)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(duì)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(zhǎng)走行輪的使用期限。

如圖8所示單軌車經(jīng)過曲線時(shí),PC梁面會(huì)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(shí)的速度,m/s;

R——彎道半徑,m。

圖9 單軌車通過曲線時(shí)受力情況分析

單軌車過曲線時(shí)車體提供的重力分量可平衡掉過曲線時(shí)產(chǎn)生的離心力,減小乘客的不舒適感,減小過曲線時(shí)產(chǎn)生的磨損。走行輪胎經(jīng)過曲線時(shí)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(shí)輪胎變形示意圖

由于同一走行輪軸上的兩個(gè)輪胎半徑及胎壓差距很小,所以當(dāng)兩個(gè)輪胎同時(shí)并排通過曲線的過程中,兩個(gè)輪胎的曲線內(nèi)側(cè)胎肩與胎面接觸部分會(huì)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(shí),又由于兩個(gè)走行輪沒有差動(dòng)系統(tǒng),兩個(gè)輪胎曲線內(nèi)側(cè)的實(shí)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(shì)必會(huì)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(yùn)動(dòng)同樣會(huì)造成橫向蠕滑,通過道岔轉(zhuǎn)折區(qū)時(shí)都會(huì)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(gè)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(shí)由于梁間齒型板連接時(shí)也存在誤差,使得走行輪通過連接處時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的垂向跳動(dòng)和橫向扭動(dòng)。輪胎高速經(jīng)過兩梁連接處時(shí),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(duì)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(duì)胎面一個(gè)相對(duì)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(dòng)力轉(zhuǎn)向架輪胎磨損情況

單軌車的兩個(gè)帶司機(jī)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(dòng)力轉(zhuǎn)向架,由于沒有牽引電機(jī)裝置,不能提供動(dòng)力,走行輪的輪周牽引力為零,蠕滑和滑動(dòng)磨損現(xiàn)象較動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向架比動(dòng)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(zhǎng)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(guó)產(chǎn)化,而進(jìn)口輪胎價(jià)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(yùn)營(yíng)里程10萬km全部更換一次計(jì),每年約需數(shù)百萬元。因此通過對(duì)走行輪胎各種磨損情況的分析,提出有針對(duì)性的處理和解決辦法,有效地延長(zhǎng)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(diǎn)措施。

3.1 降低輪胎充氣氣壓

由于初次使用沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),為了積累運(yùn)用數(shù)據(jù)(如輪胎氣壓泄漏率、輪胎滿氣運(yùn)用天數(shù)、輪胎磨耗、制動(dòng)距離等),因此在現(xiàn)場(chǎng)還進(jìn)行了一系列型式試驗(yàn)。為了避免走行輪胎在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)的不統(tǒng)一導(dǎo)致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的偏差,運(yùn)營(yíng)初期將201、202號(hào)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(shí)間的試運(yùn)行后,通過對(duì)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(duì)延長(zhǎng)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(yùn)行中的磨損,還能提升列車牽引、制動(dòng)性能;同時(shí),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(dòng)和橫向扭動(dòng),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(shí)間的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)后,為減少單軌車走行輪胎磨損,在運(yùn)營(yíng)間隙的維護(hù)中對(duì)全線梁間高差進(jìn)行了更進(jìn)一步的調(diào)整,同時(shí)對(duì)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(yùn)行至今,輪胎的帶狀磨損現(xiàn)象基本消失,驗(yàn)證了上述對(duì)此類磨耗的分析、判斷,同時(shí)也保障了單軌車輛更平穩(wěn)、安全運(yùn)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(shí),速度應(yīng)小于15 km/h。實(shí)際運(yùn)行中觀察到,車輛側(cè)向通過可撓型道岔尤其是通過車場(chǎng)的三開、五開道岔時(shí),即使速度小于15 km/h,車身側(cè)向晃動(dòng)仍很大。在車場(chǎng)內(nèi)雖然是空車運(yùn)行,但這種晃動(dòng)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(dòng),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(chǎng)的三開、五開道岔時(shí),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(jí),制動(dòng)檔位有7級(jí)。試運(yùn)行期間為摸索經(jīng)驗(yàn),制定了《操作規(guī)程(試用本)》。緣于考慮減低車輛起步時(shí)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(shí)先將手柄檔位拉至牽引2級(jí)然后加至牽引4級(jí);進(jìn)站減速的檔位正常,是“制動(dòng)5→制動(dòng)3→制動(dòng)2→制動(dòng)1→0”。但部分駕駛員更愿意用“制動(dòng)6→制動(dòng)4→制動(dòng)2→制動(dòng)1→0”的這種制動(dòng)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(shí)直接將手柄檔位拉至牽引4級(jí)的做法更利于車輛牽引力的發(fā)揮,同時(shí)起動(dòng)過程縮短約2 s。為此,在列車運(yùn)行時(shí)多次實(shí)測(cè),觀察到直接牽引4時(shí)站立且無手部支撐的乘客晃動(dòng)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(shí)必須將手柄檔位直接拉至牽引4級(jí)。制動(dòng)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(dòng)5→制動(dòng)3→制動(dòng)2→制動(dòng)1→0”的步驟,以減少對(duì)高速運(yùn)行車輛突施過大制動(dòng)導(dǎo)致可能的滑動(dòng)所導(dǎo)致的磨損。

3.4 車輛檢修中強(qiáng)化減少輪胎磨耗的意識(shí)和措施

在單軌車輛檢修時(shí),除了采取保證安全和正常運(yùn)營(yíng)規(guī)定的工藝和措施外,有意識(shí)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(duì)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(huì)減輕單軌列車車體的側(cè)扭、點(diǎn)頭、側(cè)擺、搖頭等振動(dòng)以及車體蛇形運(yùn)動(dòng),減少這些振動(dòng)形式以及車體蛇形運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)行一段時(shí)間后測(cè)量輪胎磨損狀況,通過正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)方法歸納出可能對(duì)輪胎使用壽命延長(zhǎng)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(qiáng)與日方技術(shù)人員的溝通、交流和探討的同時(shí),聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的日方技師現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)用、維修經(jīng)驗(yàn),也對(duì)加大輪胎減磨的意識(shí)起到了一定的作用。

4 效果與結(jié)論

通過以上對(duì)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(duì)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(jì)可以看出,各項(xiàng)措施的實(shí)施后,對(duì)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(yùn)營(yíng)成本,就應(yīng)考慮推進(jìn)單軌車走行輪胎的國(guó)產(chǎn)化問題。

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