彈性車輪

隨着城市輕軌交通的發展，輕軌車輛在市區地面或高架橋上運行時產生的噪聲已成為輕軌交通的突出問題。為解決這一問題，世界各國的輕軌車輛廣泛地使用彈性車輪。彈性車輪的輪心和輪箍之間裝有一個彈性單元，輪箍彈性地支撐在車輪上，從而能有效地降低曲線噪聲、減小軌道衝擊、降低輪軌磨耗和提高線路車輛使用壽命。採用彈性車輪作為有效降低曲線噪聲的措施，在輕軌車低地板有軌電車、城間列車、地鐵車輛上得到廣泛應用。彈性車輪研究和應用領域處於領先地位的是歐洲、日本和美國。我國的輕軌交通方興未艾，彈性車輪的研究和應用才剛剛起步。 ^[1] 

彈性車輪應用於軌道機車車輛上的一種分體式車輪。根據車輪橡膠元件承受載荷的狀態可以分為剪切型、壓縮型、剪切壓縮型。初期的彈性車輪以採用壓縮型的橡膠墊為主，車輪的徑向有彈性且剛性較大。其組成部分包括剛性輪箍、剛性輪心、橡膠體。橡膠體嵌在輪箍與輪心之間。

彈性車輪的彈性元件多為橡膠件。按橡膠元件的主要受力狀況，彈性車輪的結構形式可分為3種類型：壓縮型、剪切型和壓剪複合型。

最初的彈性車輪鋼件及橡膠元件都比較簡單，橡膠元件只承受壓應力，其軸向彈性比徑向彈性大得多。這種彈性車輪結構簡單，質量小，適用於小半徑車輪。在運行和制動時，垂向變形較小，變形熱也不大，不用加熱即可更換輪箍。純粹的壓縮型彈性車輪現在很少使用，在歐洲的輕軌交通廣為應用的Bochum彈性車輪就是改進後的壓縮型彈性車輪。壓縮型彈性車輪的橫向剛度和徑向剛度匹配性較差，對這種車輪結構和性能的改進，主要集中在使用性能優良的高分子彈性材料以及採用優化截面形狀的彈性單元這兩方面。圖1(c)所示的彈性車輪採用聚亞胺酯新材料，這種材料通過注料孔進入輪箍和輪心形成的橢圓形空腔內；圖1(d)所示彈性車輪使用特殊結構形式的聚四氟乙烯來克服彈性車輪的軸向剛度和徑向剛度不匹配、彈性單元受熱時散熱性能不好等缺點。

剪切型彈性車輪在垂直載荷和衝擊載荷作用下，其橡膠元件主要承受徑向和切向的剪切作用，軸向承受壓縮載荷產生壓縮變形，軸向彈性較小。剪切型橡膠彈性車輪徑向可獲得較大彈性，軸向彈性小，因此在上世紀70~80年代，剪切型彈性車輪被廣泛使用。但這種彈性車輪結構複雜，成本高，質量大，運行阻尼大，安裝和拆卸也不方便。

壓剪複合型彈性車輪[圖3(a)]採用既能承剪又能承壓的結構。橡膠元件通常採用V型佈置,不僅能廣泛利用車輪側面的空間，而且壓應力和剪應力的合理分配可以隨橡膠環的傾角大小而改變，即軸向剛度和徑向剛度能達到期望的最佳匹配。這種形式的彈性車輪結構簡單，安裝和檢修很方便，節約檢修時間及費用，使用比較普遍，它代表着彈性車輪的發展方向。但這種結構彈性車輪在使用過程中曾出現螺栓鬆動的現象，近幾年來公佈的很多專利對它提出改進。德國專利[圖3(b)]提出的改進方案是：取消螺栓連接，在壓力圈和輪心之間使用一個圓形截面的鎖緊環來定位V型單元和輪箍。

彈性車輪雖然有降低曲線噪聲、改善輪軌衝擊力的優點，但相對於鋼性車輪，彈性車輪結構複雜，成本高，運行安全性差；尤其是採用諸多螺栓，存在連接輪箍和彈性墊之間的定位槽尖角應力集中、螺栓孔邊的應力集中和橡膠元件老化等缺點；此外，彈性車輪對軸重要求比較嚴格，較大軸重受到橡膠強度等條件的限制，從而限制了它的應用和發展。這就是為什麼彈性車輪難以普遍推廣的主要原因。

國外近幾十年來，輕軌、地鐵車輛為達到降噪效果，在保證運行安全可靠的前提下，儘可能使用結構簡單、安裝和維修方便的彈性車輪和消聲車輪。

目前我國尚無輕軌車輛、地鐵車輛的設計規範，國內多家車輛廠暫按照以下參數考慮：軸重不大於16t,速度不大於100km/h，輪徑在860~915mm。據此，確定對輕軌及地鐵車輪選型的5個原則：

（1）結構簡單、可靠；

（2）具有良好的運行安全性和可靠性；

（3）具有較好的減振降噪功能，彈性車輪應比同類鋼性車輪降低噪聲3~5dB(A);

（4）較低的製造成本及維修費用；

（5）工藝性好，易於推廣應用。

對可以用於輕軌車輛的彈性車輪、消聲車輪、聲學優化車輪的應用前景作了初步討論，認為對降噪要求不高的線路，可以不使用彈性車輪；建議國內優先開發聲學優化車輪；對彈性車輪及消聲車輪，應在試驗研究的基礎上來探討在我國推廣應用的可行性。 ^[1] 

當車輪通過曲線軌道時，車輪不能同軌道切向對齊，前車軸上的車輪偏離軌道，從動軸上的車輪向軌道內側方向運行。每個車輪在滾動的同時，還存在垂直於輪面方向的爬行。爬行速度取決於車輪和軌道的夾角。這種爬行引起與車輪踏面垂直的摩擦力，正是這個摩擦力激勵車輪作彎曲振動，車輪向周圍輻射噪聲。消除或減小曲線噪聲最有效的方法是增加車輪的阻尼。通常是採用彈性車輪，因為彈性元件增加車輪模態阻尼因子，從而抑制可能發生的彎曲模態的自激共振。彈性車輪通常不能阻止曲線噪聲的產生。美國和歐洲通常在車輪上安裝環狀減振器和可調片狀減振器形成彈性減振車輪，提高其降噪性能。

國外對彈性車輪使用壽命進行了較為深入的研究。橡膠單元中的熱擴展是彈性車輪損壞的重要原因。熱循環對小裂紋的增長有影響，但裂紋增長到一定尺寸後，機械負荷是其擴張的主要原因。材料斷裂韌性值的提高，對提高車輪壽命影響很小，且不能完全避免車輪運用失效。優化橡膠單元的彈性和疲勞強度，提高疲勞裂紋擴展門檻值和殘餘應力，是提高車輪壽命的重要因素。這個研究結果，為合理選擇彈性車輪材質、彈性單元的性質及確定熱處理工藝提供了依據。因此提高疲勞裂紋擴展值，增加殘餘應力和橡膠單元的疲勞強度，成為延長車輪壽命特別是輪箍壽命的重要措施。 ^[1]