贺观
【摘 要】根据重庆市跨坐式单轨交通运行多年来走行轮胎面的磨损现象,就其走行轮胎均匀、非均匀磨损及非动力转向架胎面磨损情况进行了分析研究.提出了延长走行轮胎使用寿命的方法和措施,即:降低轮胎充气气压、调整提高轨道梁的安装精度、规范列车驾驶员的操作行为等.
【期刊名称】《城市轨道交通研究》
【年(卷),期】2010(013)006
【总页数】5页(P63-67)
【关键词】跨坐式单轨车;走行轮胎;磨损
【作 者】贺观
【作者单位】重庆市轨道交通设计研究院,400051,重庆
【正文语种】中 文
【中图分类】U232
跨坐式单轨车辆转向架较为独特,其转向架构架由横梁、侧梁、端梁,以及导向、稳定车轮的支承架构成,其内部设有空气弹簧的辅助空气室;走行轮轴为单悬臂式,轮胎安装在轮辋上,轮心通过轴承支承在空心轴套上;每个轮轴上装有两个填充氮气的钢心橡胶走行轮;走行轮通过悬臂轴固定在转向架构架上,便于轮胎更换。车辆每个转向架2轴共4个走行轮胎,4辆编组的列车共32个走行轮。跨坐式单轨车辆转向架如图1所示。
跨座式单轨车的运行方式是:车体转向架跨坐在PC(预应力混凝土)轨道梁上,牵引电机驱动走行轮旋转从而带动转向架及车体沿PC轨道梁运行。走行轮胎胎面状况直接影响到单轨车的运行品质,其磨损情况是关系单轨车安全运行的重要因素。单轨车的稳定运行以及轮胎与PC梁面间的摩擦紧密相关。这种摩擦造成了轮胎的各种磨损。走行胎面磨损的分析研究,对提高轮胎的使用寿命、降低成本、保障运营安全等至关重要。
图1 跨坐式单轨车辆转向架
1 走行轮胎磨损现象
对202、203车统计得出的走行轮胎面磨损与走行里程关系曲线如图2、图3。可见,胎面的磨损程度随着走行里程增加。
轮胎内充气压力为850～950 k Pa。因为胎冠中部单位面积所承受的载荷量比两侧要大些,使用时胎冠中部磨损稍大,故轮胎出厂时胎冠中部比两侧胎肩稍微突出。新轮胎冠7条沟槽深均8.6 mm。新轮胎冠如图4所示。
轮胎价格图2 202车胎面磨损与走行里程关系曲线
图3 203车胎面磨损与走行里程关系曲线
图4 新轮胎冠图
运行一段时间后,胎冠部分逐步磨耗掉。检修工艺要求:任一沟槽条沟槽小于1 mm时,需更换同一轴上2只轮胎。正常情况下,胎冠7条沟槽中,中间一条沟槽磨损较快。图5所示为胎冠中间一条沟槽磨损到只剩下1 mm的情况。
图5 满足换轮条件的轮胎胎冠状况图
在重庆单轨车试运行初期由进口车承担运营任务。由于国产车辆生产制造周期的原因,车辆到达间隔较长,致使原运行车辆轮胎出现了胎冠过度磨损状况,如图6所示:胎冠7条沟槽中,中间一条沟槽已全部磨平,旁边2条沟槽尚余1 mm。
图7所示,胎冠7条沟槽中,中间及旁边2条沟槽已全部磨平,再旁边2条尚余1 mm。
这种轮胎过度磨损的情况实际已经影响到加减速度及制动性能,危及行车安全。在雨雪天气以及运行在钢梁、钢制道岔表面上时,影响尤为突出,经常被检测到并作为故障报警显示出来。类似特殊状况在随后的正式运营中已经没有出现过。
图6 超过换轮条件的轮胎胎冠磨损图
图7 超过换轮条件的轮胎胎冠过度磨损图
2 走行轮胎胎面磨损情况分析
2.1 均匀磨损情况分析
由于单轨车的走行轮是充氮气的钢心橡胶轮胎,它在PC轨道梁上运行时胎面与梁面的接触面呈椭圆状并且接触面积相对较大,轮胎不再是自由半径圆形而是滚动圆半径圆形。从微观角度分析,胎面与梁面接触面积区域内,除非是纯滑动,一般都可以分为两个区:一个是粘着区即轮胎进入接触的一侧,一个是滑动区即轮胎离开接触的一侧。两个区的大小与滑动率的大小是相关的。滑动率越大,滑动区越大,粘着区越小。动力转向架上的走行轮在梁面上的运动不是纯滚动,而是受蠕滑力支配的滑动与纯滚动的合成运动,特别是车体通过曲线时走行轮胎的滑动与纯滚动的合成运动更加明显。
动力转向架上用v表示轮胎行进速度(即车体的实际速度),r表示轮胎滚动圆半径,ω表示轮胎回转角速度。轮胎在圆周力的作用下,由于胎面与梁面间有相对滑移,所以轮胎行进速度v＜ωr。转矩越大,速度差也越大;纵向蠕滑速度(v1=v-ωr)越大,蠕滑率也越大。蠕滑力的方向与轮周力的方向相反。当轮周力达库仑摩擦力时就产生空转或滑行,使胎面的磨损加重。在刚开始起动的时候,速度由零变成v。在这个加速过程中,梁面提供给胎面的摩擦力由大变小,蠕滑率也由大变小。此时胎面磨损较运行过程大,并发出吱吱的声音。制动过程磨损与此类似。上述图5、6、7所示即为走行轮胎不同程度的均匀磨损情况。
2.2 走行轮胎非均匀磨损情况分析
对使用后更换下来的轮胎进行分析比对发现:除均匀磨损外,轮胎还存在偏磨、块状磨损等非均匀磨损现象。以下针对各种磨损状况进行分析,以便出磨损原因,以期尽可能延长走行轮的使用期限。
如图8所示单轨车经过曲线时,PC梁面会成一定角度θ倾斜。其受力分析如图9所示。则有:
图8 单轨车通过曲线示意图
由于倾角θ很小,可以视为sinθ=tanθ,即
式中:
M——车体及乘客总质量,kg;
g——当地重力加速度,m/s2;
v——过弯道时的速度,m/s;
R——弯道半径,m。
图9 单轨车通过曲线时受力情况分析
单轨车过曲线时车体提供的重力分量可平衡掉过曲线时产生的离心力,减小乘客的不舒适感,减小过曲线时产生的磨损。走行轮胎经过曲线时胎肩与胎面接触处变形情况如图10所示。
图10 单轨车通过曲线时轮胎变形示意图
由于同一走行轮轴上的两个轮胎半径及胎压差距很小,所以当两个轮胎同时并排通过曲线的过程中,两个轮胎的曲线内侧胎肩与胎面接触部分会产生严重的过度挠曲弹性变形,内侧胎肩与胎面接触部分承受了绝大部分载荷。同时,又由于两个走行轮没有差动系统,两个轮胎曲线内侧的实际行进速度v远小于轮胎的旋转速度ωr,蠕滑速度变得很大,蠕滑率也变大,从而造成曲线内侧胎肩与胎面接触部分的严重偏磨。曲线最内侧半径比PC梁面中间的曲线半径要小,曲线内侧的内胎比外胎胎肩与胎面接触部分走过的距离要短,然而他们的轮胎旋转速度ωr是一样的,这样就势必会造成曲线内侧的轮胎比外侧轮胎胎肩与胎面接触部分的偏磨更为严重(见图 11)。
图11 轮胎边缘偏磨状况图
轮胎的轻微蛇形运动同样会造成横向蠕滑,通过道岔转折区时都会加剧胎面磨损。胎面与梁面的摩擦系数μ在相同天气条件下可以视为一个比较固定的值。轨道上前后两根PC梁都安装在同一基座上,由于存在安装误差以及地形沉降,使得两梁面不在同一水平面上;同时由于梁间齿型板连接时也存在误差,使得走行轮通过连接处时会产生较大的垂向跳动和横向扭动。轮胎高速经过两梁连接处时,胎冠两边花纹处被铲掉一部分形成如图12所示不是很深的、但有规则的块状剥落。
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