地鐵列車救援運載小車設計和應用

地鐵列車救援運載小車設計和應用摘　要　地鐵列車的安全運營涉及到人們的正常生活和城市的有序運轉。如一旦發生地鐵列車走行機械部分的故障,如輪對軸承燒損、齒輪咬死、齒輪箱懸掛裝置失效等,列車將無法自行或被動牽引出現場,會造成地鐵線路癱瘓。地鐵列車救援小車能在列車走行部分發生故障后,將故障輪對托起,由救援運載小車替代車輪轉動,迅速將故障列車拖離事故現場,恢復正常運營。關鍵詞　地鐵列車,救援工作,運載小車設計 地鐵運營安全涉及到城市的有序運轉和人們的正常生活。運營中的地鐵列車走行部分(轉向架輪對)如發生軸承燒損、齒輪咬死、齒輪箱懸掛裝置失效等故障,致使某個輪對不能轉動而無法實施牽引,會造成整個運行線路癱瘓,這在國外及我國部分城市地鐵運營中都已有發生。地鐵列車救援運載小車就是針對上海地鐵線路和車輛特點專門設計的一種小巧輕便、拆裝靈活的轉向架輪對臨時替代裝置,適用于上海地鐵列車救援。如一旦發生轉向架上某個輪對不能轉動,救援人員立刻使用該救援運載小車,將故障輪對托起,由救援小車替代車輪轉動,使故障列車盡快撤離現場,迅速恢復地鐵線路的運行。1救援運載小車設計的技術要求 地鐵列車救援運載小車的設計實際上就是一個輕量化、參數選擇和試驗改進的過程。1.1救援運載小車的承載力 考慮到特殊情況,小車的承載力必須按25ｔ來進行設計,既要重量輕、便于搬動拆裝,又必須滿足隧道限界要求。為此,構架和滾動輪的設計是關鍵。1.2多車型通用 目前上海地鐵列車的車型有4種(西門子直流車ＤＣ01型、西門子交流車ＡＣ01型/ＡＣ02型、阿爾斯通ＡＣ03型)。不同地鐵車型的輪對內側距不同,Ａ車的ＡＴＣ(列車自動控制)系統線圈安裝支架形式及幾何尺寸也不同,故小車的拼裝形式和幾何尺寸應能適應各種形式的車型,以便通用。1.3救援運載小車的材料熱處理 對小車輪軸的熱處理裂紋、支撐板的彎曲和扭曲、小車車輪踏面裂紋等問題,可通過改變熱處理方案和加工方法來滿足其技術要求。 由于小車構架的鈦合金支撐板長達1.4ｍ,厚度才2ｃｍ,在加工時板的彎曲、扭曲很大,致使成品合格率很低。為此,經過幾個月的反復試驗,才確定了最佳熱處理方案,使支撐板達到技術要求。1.4　救援運載小車的技術參數 1)最大走行速度為15ｋｍ/ｈ; 2)實際承載力設計為25ｔ,允許16ｔ; 3)設備單件重量:支撐板為15ｋｇ(鈦合金),滾動輪為25ｋｇ(合金鋼); 4)一個輪對的現場安裝時間為25～30ｍｉｎ; 5)速度為5ｋｍ/ｈ時的軸承溫升不超過70℃。2 救援運載小車的設計2.1 援運載小車的構架設計 1)構架長度和厚度的設計 列車轉向架輪對的固定軸距為2500ｍｍ,但由于受單元制動器安裝位置和Ａ車的ＡＴＣ線圈安裝支架的影響,經對幾種車型轉向架輪對幾何尺寸的實測,救援運載小車的構架最小長度不能小于1100ｍｍ,構架長度確定在1360ｍｍ最為合適;輪對內側與電機傳動齒輪箱側壁距最小為25ｍｍ,構架內側板厚度則宜為20ｍｍ。 2)構架支撐板材質的選用 救援運載小車的構架單件重量控制在15ｋｇ左右。經反復比較,支撐板材質選用鈦合金板材,這樣既能滿足構架輕量化要求,又有足夠的強度和剛度。2.2 救援運載小車的滾動輪設計 1)滾動輪直徑確定 地鐵列車轉向架最低點(齒輪箱)離鋼軌頂面最小距離為60ｍｍ,加上托輪高度(50ｍｍ+10ｍｍ)的限制,滾動輪外直徑不能大于240ｍｍ;扣除輪緣高度28ｍｍ,確定滾動輪踏面直徑應為180ｍｍ。 2)滾動輪踏面的接觸應力計算 因滾動輪承重量大、幾何尺寸受限制,在計算出滾動輪踏面的接觸應力后再確定其材質、結構、熱處理方案等。其踏面的接觸應力為: 式中:Ｐｊ為滾動輪計算承重量,Ｐｊ=ＫＣ×ＰＸ,其中ＫＣ為沖擊系數(取1.3),ＰＸ為每個滾動輪平均靜態承重量;ｂ為滾動輪與軌道的接觸寬度;Ｄ為滾動輪直徑(18ｃｍ)。經計算,滾動輪踏面的平均靜態計算接觸應力為3360ＭＰａ3)滾動輪輪形的確定 由于滾動輪直徑小、受力大,采用標準踏面會在曲線區段發生輪緣與外軌側面的劇烈磨擦,形成滾動輪踏面和輪緣的嚴重磨耗,因此不能采用鐵路標準的錐形踏面輪形。所以,將踏面設計成磨耗形,既科學也合理。磨耗形踏面可在同樣的接觸應力下,減緩踏面的磨耗及剝離,容許更高的軸重。滾動輪在運行時承受的橫向沖擊力,可以采用特種軸承和潤滑脂解決。 等效斜度是輪軌幾何關系和設計磨耗形踏面車輪的一個重要參數。斜度為1∶20的錐形踏面,它的踏面斜度是個常數,與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無關。磨耗形踏面車輪的等效斜度為: 式中:ｒ0,ｒｉ分別為較大的和較小的車輪滾動圓半徑;ｙ為輪對偏離線路中心線的位移。 實際上,Ｊ是輪對每單位橫向位移時左、右兩滾動圓半徑差的一半。Ｊ是指輪對處于平衡位置附近(約2～3ｍｍ)時的數值,并以常數表示。當輪對相對于軌道作較大的橫向位移時(如在小半徑曲線上),等效斜度是個變量,或以非線性等效斜度特性來表示。設Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。 經比較,地鐵車輪輪緣外形與國內外鐵路車輪的磨耗型較為接近,所以救援運載小車的滾動輪選用混合磨耗型輪緣為基型的輪緣踏面(見圖1)。4)滾動輪材質的選用 按最大行駛速度≯15ｋｍ/ｈ和一對滾動輪承載25ｔ的兩個條件,經計算滾動輪踏面的平均靜態計算接觸應力為3360ＭＰａ,故選用合金鋼,并采用熱處理工藝。2.3托輪高度設計 托輪主要有托住故障輪對的功能,使用中相對穩定,其高度(輪徑)取決于車鉤高限度。地鐵車輛車鉤高范圍為118～121ｍｍ,半永久車鉤高限度為118～121ｍｍ。根據具體情況,將托輪高度定為50ｍｍ+10ｍｍ,實際抬起高度為45～78ｍｍ(計算方法略)。圖2為地鐵列車救援運載小車對車鉤等影響的示意圖;表1為故障輪對提高量表。2.4地鐵限界及幾何尺寸校核 地鐵列車救援運載小車在托起故障輪運行時,是同時等高地托起轉向架2個或4個輪子,不存在侵入地鐵左右限界的可能性;但對車輛頂部的地鐵限界是有影響的,需進行檢算。由于車體被整體托起,列車受電弓與接觸網及其支架距離會變小,受電弓的起升允許值也有變化。在隧道區間中,上海軌道交通1號線漕寶路段是20世紀60年代開挖的試驗段,為上海所有地鐵隧道區間限界之最小,也是救援運載小車幾何尺寸設計的主要參考依據。漕寶路段隧道內部有效直徑為5200ｍｍ,軌面至接觸網的高度只有4040ｍｍ;當被動牽引(落弓)時,軌面至車頂(指受電弓頂端)的實際高度為3800ｍｍ(以840ｍｍ的新輪徑計),該段受電弓的有效運行高度為240ｍｍ。如采用列車自行牽引(升弓)駛離現場,這時的車頂距軌面為3860ｍｍ,該端的受電弓的有效運行高度為180ｍｍ,可以通過。 地鐵列車救援運載小車的幾何尺寸還必須滿足地鐵其他限界要求(如設備限界等),以便在使用救援運載小車時不損壞軌道等其它設施。2.5安裝使用 地鐵列車救援運載小車由4片支撐板、4個滾動輪、2根滾動輪連接軸、4個托輪,以及若干螺栓、螺母等零部件組成。不使用時,救援運載小車被分解成單個最小部件(零件)存放于專用箱子內;使用時,救援人員將存放救援運載小車的專用箱子運至事故現場進行組裝。先將故障輪對連同車體用液壓千斤頂頂起,使救援運載小車的拼裝有足夠的空間;然后將救援運載小車的2組(4片)支撐板和4個滾動輪放置在1對故障輪下,用2根滾動輪連接軸串起并固定,再將4個托輪分別放在1對故障輪下通過夾緊螺栓固定在支撐板上;檢查無誤后,操作千斤頂將故障輪對輕輕放于支撐板內的托輪上。此至,即可牽引故障列車駛離現場。地鐵列車救援運載小車承載示意和組裝見圖3、4。3結語 地鐵列車救援小車作為技術型科研成果,已于2005年5月26日由上海科學技術委員會鑒定通過。上海地鐵運營有限公司已制作了2輛地鐵列車救援小車,隨時待命以備急用。對地鐵列車救援設備(裝置)的研制,應使其性能優良、功能齊全、小巧靈活、拆裝方便,這是保障列車安全運營的另一個重要手段,必將越來越得到重視。參考文獻[1]機械設計手冊編寫組.機械設計手冊[Ｍ].4版.北京:化學工業出版社,2002:1118.[2]孫竹生,鮑維千.內燃機車總體及走行部[Ｍ].3版.北京:中國鐵道出版社,1995:104,210.[3]王福天.車輛動力學[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1988.[4]龔積球,潭立成,俞鐵峰.輪軌磨耗[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1997:532.[5]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應用[Ｍ].北京:化學工業出版社,2005:37,79.[6]石禮安,劉建航,孫恭.上海地鐵一號線工程[Ｍ].上海:上海科學技術出版社,1998:70.