低地板车辆用块式橡胶弹性车轮的研制
戚 援，侯传伦，杜利清，王 磊
（南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）
摘 要：论述了新型块式橡胶弹性车轮的研制过程，包括结构设计、仿真计算、可靠性试验和减振降噪测试的过程及其结果。相关研究结果表明，新型块式橡胶弹性车轮具有良好的刚度、疲劳性能和优异的减振降噪效果。
关键词：铁路运输；低地板；弹性车轮
随着我国城市轨道交通的迅速发展，现代低地板有轨电车凭借其运力较大、出行便捷、低碳环保以及造价低廉等优势，受到越来越多的关注。但是由于低地板车辆都在路面运行，往往直接通过居民区，车辆在运行特别是通过弯道时所产生的啸叫噪音对沿途居民产生了很大的干扰。国外自20世纪初就在城轨车辆上使用弹性车轮来解决振动和噪音问题。
所谓弹性车轮，就是在轮箍和轮心之间增加橡胶弹性元件，使轮箍弹性地支撑在车轮上，依靠橡胶弹性元件的阻尼特性大幅减小车辆在运行过程中产品的噪音和振动，提高乘客舒适性[1]。
弹性车轮按照橡胶件结构形式不同，可以分为圈式橡胶弹性车轮（图1）和块式橡胶弹性车轮（图2）。圈式橡胶弹性车轮即车轮的减振元件由两个相互对称的橡胶环组成，这种车轮橡胶需要制造大型模具，结构复杂，橡胶件生产成本高，通用性差，在早期的低地板车辆曾被大量使用。块式橡胶弹性车轮则是将若干块橡胶组成一个整圈，橡胶只需要小型模具，结构简单，橡胶生产成本低。
块式弹性车轮在欧美国家的低地板车辆上得到了广泛应用，已经成为了弹性车轮发展的主流。但是在我国由于弹性车轮刚刚起步，目前使用的均是圈式橡胶弹性车轮，急需研制新型的块式橡胶弹性车轮。
图1 圈式橡胶弹性车轮
图2 块式橡胶弹性车轮
1 弹性车轮结构设计
1.1 弹性车轮总体结构
轮心、压环和轮箍组合后形成了具有一定夹角的V形型腔，块式橡胶被均匀的安装在该型腔内，使轮箍和轮心之间实现了弹性连接（图3）。
作者简介：戚援，男，工程师，研究方向为低地板车辆弹性车轮。
图3 块式橡胶弹性车轮总体结构
1—轮心；2—连接螺钉；3—压环；4—减振橡块；5—轮箍；6—连接导线
1.2 弹性车轮刚度的确定
刚度是弹性车轮的重要参数，决定着弹性车轮的减振降噪性能。早在1933年，德国工程师Hirschfeld就对弹性车轮的减振效果进行了深入研究（图4）[2]。根据Hirschfeld曲线，弹性车轮只要存在0.2mm左右的静态挠度，就可以将车轮的冲击加速度从30g以上下降到20g左右，如果静态挠度达到2mm时，冲击加速度可以下降到10g以下。
弹性车轮橡胶件的寿命是弹性车轮的另一个主要参数。在相同的载荷下，橡胶的静态挠度越大能承受的载荷次数越低，橡胶件的寿命也就越短。根据橡胶的疲劳试验结果，当车轮的静挠度控制在0.3mm以内时，橡胶可以较好地满足5×108以上的疲劳寿命，即达到5年以上的使用寿命。
根据以上的结果，设定新型弹性车轮在全载荷下的径向挠度控制在0.3mm，轴向挠度控制在2.5mm。根据低地板车辆12t的轴重，弹性车轮的径向刚度kwrad设定为200kN/mm，轴向刚度kway设定为15kN/mm。
图4 垂向冲击加速度与车轮静挠度的关系（Hirschfeld曲线）
1.3 减振橡胶块的刚度设计
块式橡胶弹性车轮中减振橡胶为具有一定夹角的V型结构，如图5所示。车轮组装后，减振橡胶被均匀地压缩布置在轮箍和轮心之间，如图6所示。当车轮承受径向载荷时，减振橡胶主要由径向（z方向）变形和切向（车轮周向）变形两部分组成。当车轮承受轴向载荷时，减振橡胶的变形主要为轴向（y方向）变形，且每个减振橡胶之间为并联分布。
不考虑轮箍的弹性变形时，弹性车轮的径向刚度kwrad和轴向刚度kway为[3]：
式中，N—每个车轮中减振橡胶块的个数， 
—减振橡胶的径向刚度， 
—减振橡胶的切向刚度， 
—减振橡胶的轴向刚度。
图5 减振橡胶块结构示意
图6 弹性车轮刚度分解示意
本车轮设计方案中，减振橡胶块的数量为20块。根据式（1）和式（2），当车轮的径向刚度kwrad=200kN/mm，轴向刚度kway=15kN/mm时，减振橡胶块3个方向的刚度值为：
减振橡胶块的径向和轴向刚度由橡胶块倾角α决定。为使减振橡胶块刚度值满足设计要求，本项目对不同倾角值的减振橡胶块在相同压缩量下的三向刚度进行了计算。根据计算结果，当α=25°时，橡胶块的三向刚度数值可以满足设计要求。
2 弹性车轮的有限元计算
为了验证车轮结构的可靠性，利用有限元分析软件，对弹性车轮各运行工况下的应力水平进行了仿真分析[4]。根据车轮设计规范定义的载荷值与压装预应力，进行各部件在直线行驶工况、曲线通过工况和道岔通过工况下的强度考核。车轮轮箍、轮心、压环及减振橡胶块采用六面体实体单元离散，有限元模型如图7所示。
图7 车轮有限元模型
根据各计算工况施加载荷并提取强度计算结果，表1给出了各计算工况下弹性车轮各部件的von mises应力计算结果，其中轮箍零件为除轮轨接触点以外部位的应力水平。
根据计算结果，弹性车轮在规定的运行工况中各部件的等效应力均小于材料的许用应力，弹性车轮各零部件的强度满足设计要求。
表1 弹性车轮各部件von mises应力计算结果
3 弹性车轮可靠性试验
3.1 刚度试验
通过试验确认车轮的实际刚度是弹性车轮试验验证必不可少的环节，也是弹性车轮的例行试验。新型块式橡胶弹性车轮的径向和轴向刚度试验结果分别见图8和图9。根据试验结果，径向刚度为212kN/mm，轴向刚度为14.5kN/mm。
图8 车轮径向刚度测试结果
图9 车轮轮缘侧轴向刚度测试结果
根据EN 13913—2003《铁路应用-橡胶悬挂元件-弹性体机械部件》中表C.4的规定，在“严格标准”下，刚度数值的偏差应在±15％以内，测试的径向刚度和轴向刚度均符合设计要求。
3.2 疲劳性能试验
疲劳试验（图10）是车轮主要的型式试验，是验证车轮安全可靠性的重要手段。表2为疲劳试验的检测方法及性能要求。
表2 弹性车轮性能试验项目
根据车辆实际运行中的工况，模拟车轮的直线、弯道和道岔下的受力情况，同时考虑车辆启动和制动对车轮的影响，施加径向、轮缘导向、轮背导向以及圆周切向四个方向的载荷。试验完成后再次检测车轮金属件间隙情况。
图10 弹性车轮疲劳试验
图11 车轮表面着色探伤
完成试验后对车轮进行尺寸检测，无塑性变形，径向和轴向间隙与试验前对比变化均在2mm以内，无周向位移。对车轮表面进行着色探伤（图11），未发现可见裂纹。之后将车轮整体分解，对金属件和橡胶件进行检查，橡胶件通过观察未发现异常变形及开裂，金属件通过磁粉探伤未发现裂纹。
4 车轮减振降噪性能的评定
4.1 弹性车轮的减振性能
由于车轮橡胶具有的阻尼性能，弹性车轮对于簧下振动有明显减低的作用。根据对使用弹性车轮的车辆与使用刚性车轮的车辆的簧下质量振动加速度的测试结果可知（图12），使用弹性车轮车辆的簧下振动加速度降低约50％。
图12 使用弹性车轮和钢轮的车辆簧下振动加速度对比
4.2 弹性车轮的降噪性能
将本新型弹性车轮与相同尺寸的钢性车轮在静音室内进行垂向和轴向击振试验，模拟车辆运行时受到滚动冲击或通过弯道时所产生的噪音，测试结果见图13。根据测试结果，弹性车轮相比普通的钢制车轮对于400Hz以下的低频噪音效果接近，但是对于500～10000Hz的中高频噪音有很大的区别，平均可以降低约20分贝。说明弹性车轮对于车辆高频的啸叫噪音有非常好的隔离作用。
图13 弹性车轮与钢制车轮噪音试验对比
5 结论
弹性车轮作为低地板车辆关键的走行部件，在研制开发过程中既要考虑弹性车轮的减振降噪效果，更要对其服役安全性进行严格考核。在对比分析不同结构形式的弹性车轮的基础之上，本文提出的新型块式橡胶弹性车轮刚度和结构合理，同时经过了严格的试验验证考核。结果表明，该块式橡胶弹性车轮既具有良好的刚度和疲劳性能，同时具有优异的减振和降噪效果。目前，该新型橡胶弹性车轮已在沈阳浑南轻轨所使用的最新型现代有轨电车上得到了批量运用，至今使用情况良好。该新型弹性车轮的研制成功，为我国城市轨道交通的发展奠定了坚实的基础。
参考文献
[1]范荣平，孟光，崔银会.弹性车轮的发展与研究现状[J].机车电传动，2005（2）：8-11.
[2]王伯铭.城市轨道交通车辆工程[M].重庆：西南交通大学出版社，2007.
[3]Waltz M.Dynamisches Verhalten von gummigefederten Eisenbahnrädern[D].Aachen：RWTH Aachen University，2005：56-57.
[4]黄彪，戚援，杜利清.弹性车轮非线性有限元分析及疲劳强度校核[J].轨道交通装备与技术，2014（2）：44-47.