王 慎 侯傳倫 戚 援

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213000)

隨著我國各大城市相繼開通運(yùn)營低地板有軌電車線路，彈性車輪因其優(yōu)異的減振降噪性能在城市軌道交通中越來越得到重視和運(yùn)用。彈性車輪作為城市軌道交通車輛尤其是低地板有軌電車的走行和支撐部件，是車輛的重要組成部分，保證車輛運(yùn)行的安全和舒適，必須通過大量的試驗驗證確保其各項性能滿足設(shè)計運(yùn)用要求。由于彈性車輪是在車輪的輪箍與輪心之間嵌裝減振橡膠，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)整體車輪存在較大差別，國內(nèi)外尚無明確統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法，這對彈性車輪產(chǎn)品的技術(shù)水平提高和推廣應(yīng)用都帶來了極大的制約。目前對彈性車輪的疲勞試驗主要使用臺架將車輪固定，通過液壓作動器對車輪進(jìn)行定點(diǎn)靜態(tài)加載。這種試驗方式只能對車輪某一部分進(jìn)行考核，無法真實模擬輪軌滾動接觸以及磨耗狀況。

本文借助彈性車輪滾動疲勞試驗臺專用試驗設(shè)備，根據(jù)彈性車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其滾動疲勞性能等進(jìn)行試驗研究。

1 彈性車輪結(jié)構(gòu)

根據(jù)減振橡膠元件的受載情況，彈性車輪可分為承壓型、承剪型和壓剪復(fù)合型3種結(jié)構(gòu)型式。壓剪復(fù)合型彈性車輪由于減振橡膠主要承受壓力和剪切載荷，徑向剛度與軸向剛度可以根據(jù)V型夾角的大小調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)車輪徑向剛度和軸向剛度的最優(yōu)匹配，是目前被廣泛采用的一種彈性車輪[1]。

圖1為壓剪復(fù)合型彈性車輪的典型結(jié)構(gòu)，主要由輪心、壓環(huán)、輪箍、緊固螺釘和減振橡膠塊等零部件組成。減振橡膠塊均布壓縮在輪心、壓環(huán)和輪箍形成的特定型腔中。

1—輪箍；2—減振橡膠塊；3—壓環(huán)；4—緊固螺釘；5—輪心。圖1 彈性車輪結(jié)構(gòu)圖

2 滾動疲勞試驗方法

借助滾動疲勞試驗臺，可模擬彈性車輪分別在直線、曲線和道岔段的滾動運(yùn)行工況[2]。彈性車輪滾動疲勞試驗加載位置如圖2所示。以某型號彈性車輪為例，具體介紹根據(jù)實際線路運(yùn)行條件的滾動疲勞試驗方法。

圖2 彈性車輪滾動疲勞試驗加載示意圖

2.1 輪軌接觸關(guān)系

對于鐵道車輛系統(tǒng)中，車輪和鋼軌的滾動接觸是典型的彈性接觸。目前一般采用Hertz接觸理論來描述輪軌接觸關(guān)系。

Hertz理論基于彈性半空間假設(shè)，假設(shè)接觸表面光滑，兩接觸物體在接觸斑上均有不變的主曲率半徑，這樣接觸表面外形函數(shù)以及它的一階和二階導(dǎo)數(shù)都是連續(xù)的。原點(diǎn)附近的曲面可以通過泰勒展開表示，忽略高次項，擠壓變形前接觸斑位置的法向間隙可以表示為：

hwr(x,y)=Ax2+By2

(1)

其中：A、B為輪軌接觸點(diǎn)位置的幾何參數(shù)。對于輪軌接觸的特殊情形，A、B滿足：

(2)

(3)

其中：Rwx為輪軌接觸點(diǎn)位置車輪實際滾動圓半徑；Rwy為輪軌接觸點(diǎn)位置車輪踏面橫斷面外形半徑；Rry為輪軌接觸點(diǎn)位置鋼軌橫斷面外形半徑；α為車輪和鋼軌橫斷面主曲率對應(yīng)的主方向的夾角。

在滾動疲勞試驗中，不同工況下的輪軌接觸關(guān)系如圖3所示。

圖3 彈性車輪滾動疲勞輪軌接觸狀態(tài)示意圖

2.2 彈性車輪預(yù)壓

為充分降低減振橡膠塊Mullins效應(yīng)，使彈性車輪各向均受力均勻，提高試驗可靠性，須對車輪進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓加載位置和載荷大小如圖3和表1所示。

表1 滾動疲勞試驗預(yù)加載力

2.3 靜態(tài)剛度測試

對于減振橡膠元件，剛度是橡膠設(shè)計的重要指標(biāo)，也是結(jié)構(gòu)在使用過程中確保系統(tǒng)具有良好動力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)[3]。因此減振橡膠元件在使用過程中，剛度應(yīng)保持在一個較為恒定及穩(wěn)定的水平。當(dāng)因橡膠彈性元件剛度發(fā)生變化而造成系統(tǒng)剛度無法滿足設(shè)計要求時，即為剛度失效。

大量的工程實踐表明，當(dāng)剛度變化超過25%，則說明減振橡膠元件已經(jīng)喪失繼續(xù)有效承載的能力，即該元件已經(jīng)發(fā)生了剛度失效。

因此對于彈性車輪來說，其剛度性能是疲勞試驗過程中重要的考量指標(biāo)，在滾動疲勞試驗前后須對其進(jìn)行靜態(tài)剛度測試。按照圖3和表2所規(guī)定的加載測量位置及載荷大小對彈性車輪進(jìn)行加載，同時記錄車輪加載過程中輪箍和壓環(huán)的徑向或軸向相對變形數(shù)值，得出徑向或軸向剛度。每工況試驗重復(fù)加載3個循環(huán)，記錄第3個循環(huán)的剛度數(shù)值。

表2 靜態(tài)剛度試驗加載

2.4 滾動疲勞試驗

彈性車輪靜態(tài)剛度測試完成后按照表3規(guī)定的加載循環(huán)對彈性車輪進(jìn)行滾動疲勞試驗，每個循環(huán)中車輪運(yùn)行里程為2.2 km，其中，直線運(yùn)行里程為1.5 km，曲線運(yùn)行里程為0.5 km，道岔運(yùn)行里程為0.2 km，試驗總計運(yùn)行里程為15 000 km。每運(yùn)行2 000 km后暫停試驗，查看車輪表面狀態(tài)，檢查輪箍與輪心的周向錯位情況，檢測減振橡膠塊表面溫度，并按照靜態(tài)剛度測試要求，測量彈性車輪剛度。

在滾動疲勞試驗過程中，輪箍與輪心在周向不得發(fā)生明顯錯位，橡膠塊表面溫度不得超過70 ℃，車輪的徑向和軸向剛度與試驗前的剛度變化須在25%以內(nèi)。

表3 滾動疲勞試驗加載力循環(huán)

3 滾動疲勞試驗結(jié)果

彈性車輪在疲勞試驗過程中，僅車輪踏面略有磨損，周向未發(fā)生明顯錯位，如圖4所示。橡膠塊溫度變化如圖5所示，彈性車輪徑向剛度和軸向剛度變化如圖6和圖7所示。

圖4 滾動疲勞試驗后輪箍與壓環(huán)間周向位移

圖5 橡膠塊溫度變化

圖6 徑向剛度變化

圖7 軸向剛度變化

從圖5中可看出，彈性車輪所用橡膠塊在整個滾動疲勞過程中，溫度維持在30 ℃～40 ℃之間，最高溫度未超過70 ℃，處于橡膠塊最佳運(yùn)用溫度范圍內(nèi)。從圖6中可得出，彈性車輪徑向剛度總體呈下降趨勢，從321.4 kN/mm降至248.3 kN/mm，降幅為22.7%，未超過25%，滿足設(shè)計使用要求。從圖7中可看出，彈性車輪軸向剛度(輪緣側(cè))略有降低，從60.9 kN/mm降到57.4 kN/mm，僅下降5.7%，軸向剛度(輪背側(cè))有所下降，從60.3 kN/mm變化至54.8 kN/mm，下降了9%，軸向剛度的變化量均未超過25%，滿足設(shè)計使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)彈性車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于彈性車輪滾動疲勞試驗臺，進(jìn)行了詳盡的彈性車輪滾動疲勞試驗技術(shù)研究，并以某型彈性車輪為例，開展了滾動疲勞試驗。試驗結(jié)果表明滾動疲勞試驗?zāi)茌^好地反映彈性車輪產(chǎn)品實際運(yùn)行情況，且該型彈性車輪滿足設(shè)計要求。