地鐵列車救援運(yùn)載小車設(shè)計和應(yīng)用摘 要 地鐵列車的安全運(yùn)營涉及到人們的正常生活和城市的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。如一旦發(fā)生地鐵列車走行機(jī)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(xiàn)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(fā)生故障后,將故障輪對托起,由救援運(yùn)載小車替代車輪轉(zhuǎn)動,迅速將故障列車拖離事故現(xiàn)場,恢復(fù)正常運(yùn)營。關(guān)鍵詞 地鐵列車,救援工作,運(yùn)載小車設(shè)計 地鐵運(yùn)營安全涉及到城市的有序運(yùn)轉(zhuǎn)和人們的正常生活。運(yùn)營中的地鐵列車走行部分(轉(zhuǎn)向架輪對)如發(fā)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(zhuǎn)動而無法實施牽引,會造成整個運(yùn)行線路癱瘓,這在國外及我國部分城市地鐵運(yùn)營中都已有發(fā)生。地鐵列車救援運(yùn)載小車就是針對上海地鐵線路和車輛特點專門設(shè)計的一種小巧輕便、拆裝靈活的轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)向架上某個輪對不能轉(zhuǎn)動,救援人員立刻使用該救援運(yùn)載小車,將故障輪對托起,由救援小車替代車輪轉(zhuǎn)動,使故障列車盡快撤離現(xiàn)場,迅速恢復(fù)地鐵線路的運(yùn)行。1救援運(yùn)載小車設(shè)計的技術(shù)要求 地鐵列車救援運(yùn)載小車的設(shè)計實際上就是一個輕量化、參數(shù)選擇和試驗改進(jìn)的過程。1.1救援運(yùn)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(jìn)行設(shè)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(gòu)架和滾動輪的設(shè)計是關(guān)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(nèi)側(cè)距不同,Ａ車的ＡＴＣ(列車自動控制)系統(tǒng)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(yīng)能適應(yīng)各種形式的車型,以便通用。1.3救援運(yùn)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(shù)要求。 由于小車構(gòu)架的鈦合金支撐板長達(dá)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(jīng)過幾個月的反復(fù)試驗,才確定了最佳熱處理方案,使支撐板達(dá)到技術(shù)要求。1.4 救援運(yùn)載小車的技術(shù)參數(shù) 1)最大走行速度為15ｋｍ/ｈ; 2)實際承載力設(shè)計為25ｔ,允許16ｔ; 3)設(shè)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(xiàn)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(yùn)載小車的設(shè)計2.1 援運(yùn)載小車的構(gòu)架設(shè)計 1)構(gòu)架長度和厚度的設(shè)計 列車轉(zhuǎn)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(jīng)對幾種車型轉(zhuǎn)向架輪對幾何尺寸的實測,救援運(yùn)載小車的構(gòu)架最小長度不能小于1100ｍｍ,構(gòu)架長度確定在1360ｍｍ最為合適;輪對內(nèi)側(cè)與電機(jī)傳動齒輪箱側(cè)壁距最小為25ｍｍ,構(gòu)架內(nèi)側(cè)板厚度則宜為20ｍｍ。 2)構(gòu)架支撐板材質(zhì)的選用 救援運(yùn)載小車的構(gòu)架單件重量控制在15ｋｇ左右。經(jīng)反復(fù)比較,支撐板材質(zhì)選用鈦合金板材,這樣既能滿足構(gòu)架輕量化要求,又有足夠的強(qiáng)度和剛度。2.2 救援運(yùn)載小車的滾動輪設(shè)計 1)滾動輪直徑確定 地鐵列車轉(zhuǎn)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(yīng)為180ｍｍ。 2)滾動輪踏面的接觸應(yīng)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(yīng)力后再確定其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、熱處理方案等。其踏面的接觸應(yīng)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(shù)(取1.3),ＰＸ為每個滾動輪平均靜態(tài)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(jīng)計算,滾動輪踏面的平均靜態(tài)計算接觸應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)踏面會在曲線區(qū)段發(fā)生輪緣與外軌側(cè)面的劇烈磨擦,形成滾動輪踏面和輪緣的嚴(yán)重磨耗,因此不能采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)的錐形踏面輪形。所以,將踏面設(shè)計成磨耗形,既科學(xué)也合理。磨耗形踏面可在同樣的接觸應(yīng)力下,減緩踏面的磨耗及剝離,容許更高的軸重。滾動輪在運(yùn)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(guān)系和設(shè)計磨耗形踏面車輪的一個重要參數(shù)。斜度為1∶20的錐形踏面,它的踏面斜度是個常數(shù),與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無關(guān)。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(shù)值,并以常數(shù)表示。當(dāng)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(shè)Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。 經(jīng)比較,地鐵車輪輪緣外形與國內(nèi)外鐵路車輪的磨耗型較為接近,所以救援運(yùn)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(zhì)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(jīng)計算滾動輪踏面的平均靜態(tài)計算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ,故選用合金鋼,并采用熱處理工藝。2.3托輪高度設(shè)計 托輪主要有托住故障輪對的功能,使用中相對穩(wěn)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(jù)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(yùn)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(yùn)載小車在托起故障輪運(yùn)行時,是同時等高地托起轉(zhuǎn)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(jìn)行檢算。由于車體被整體托起,列車受電弓與接觸網(wǎng)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(qū)間中,上海軌道交通1號線漕寶路段是20世紀(jì)60年代開挖的試驗段,為上海所有地鐵隧道區(qū)間限界之最小,也是救援運(yùn)載小車幾何尺寸設(shè)計的主要參考依據(jù)。漕寶路段隧道內(nèi)部有效直徑為5200ｍｍ,軌面至接觸網(wǎng)的高度只有4040ｍｍ;當(dāng)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(yùn)行高度為240ｍｍ。如采用列車自行牽引(升弓)駛離現(xiàn)場,這時的車頂距軌面為3860ｍｍ,該端的受電弓的有效運(yùn)行高度為180ｍｍ,可以通過。 地鐵列車救援運(yùn)載小車的幾何尺寸還必須滿足地鐵其他限界要求(如設(shè)備限界等),以便在使用救援運(yùn)載小車時不損壞軌道等其它設(shè)施。2.5安裝使用 地鐵列車救援運(yùn)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(yùn)載小車被分解成單個最小部件(零件)存放于專用箱子內(nèi);使用時,救援人員將存放救援運(yùn)載小車的專用箱子運(yùn)至事故現(xiàn)場進(jìn)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(yùn)載小車的拼裝有足夠的空間;然后將救援運(yùn)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(nèi)的托輪上。此至,即可牽引故障列車駛離現(xiàn)場。地鐵列車救援運(yùn)載小車承載示意和組裝見圖3、4。3結(jié)語 地鐵列車救援小車作為技術(shù)型科研成果,已于2005年5月26日由上海科學(xué)技術(shù)委員會鑒定通過。上海地鐵運(yùn)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(shè)備(裝置)的研制,應(yīng)使其性能優(yōu)良、功能齊全、小巧靈活、拆裝方便,這是保障列車安全運(yùn)營的另一個重要手段,必將越來越得到重視。參考文獻(xiàn)[1]機(jī)械設(shè)計手冊編寫組.機(jī)械設(shè)計手冊[Ｍ].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:1118.[2]孫竹生,鮑維千.內(nèi)燃機(jī)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(xué)[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(yīng)用[Ｍ].北京:化學(xué)工業(yè)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(xué)技術(shù)出版社,1998:70.
式中:Ｐｊ為滾動輪計算承重量,Ｐｊ=ＫＣ×ＰＸ,其中ＫＣ為沖擊系數(shù)(取1.3),ＰＸ為每個滾動輪平均靜態(tài)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(jīng)計算,滾動輪踏面的平均靜態(tài)計算接觸應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)踏面會在曲線區(qū)段發(fā)生輪緣與外軌側(cè)面的劇烈磨擦,形成滾動輪踏面和輪緣的嚴(yán)重磨耗,因此不能采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)的錐形踏面輪形。所以,將踏面設(shè)計成磨耗形,既科學(xué)也合理。磨耗形踏面可在同樣的接觸應(yīng)力下,減緩踏面的磨耗及剝離,容許更高的軸重。滾動輪在運(yùn)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(guān)系和設(shè)計磨耗形踏面車輪的一個重要參數(shù)。斜度為1∶20的錐形踏面,它的踏面斜度是個常數(shù),與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無關(guān)。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(shù)值,并以常數(shù)表示。當(dāng)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(shè)Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。 經(jīng)比較,地鐵車輪輪緣外形與國內(nèi)外鐵路車輪的磨耗型較為接近,所以救援運(yùn)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(zhì)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(jīng)計算滾動輪踏面的平均靜態(tài)計算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ,故選用合金鋼,并采用熱處理工藝。2.3托輪高度設(shè)計 托輪主要有托住故障輪對的功能,使用中相對穩(wěn)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(jù)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(yùn)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(yùn)載小車在托起故障輪運(yùn)行時,是同時等高地托起轉(zhuǎn)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(jìn)行檢算。由于車體被整體托起,列車受電弓與接觸網(wǎng)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(qū)間中,上海軌道交通1號線漕寶路段是20世紀(jì)60年代開挖的試驗段,為上海所有地鐵隧道區(qū)間限界之最小,也是救援運(yùn)載小車幾何尺寸設(shè)計的主要參考依據(jù)。漕寶路段隧道內(nèi)部有效直徑為5200ｍｍ,軌面至接觸網(wǎng)的高度只有4040ｍｍ;當(dāng)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(yùn)行高度為240ｍｍ。如采用列車自行牽引(升弓)駛離現(xiàn)場,這時的車頂距軌面為3860ｍｍ,該端的受電弓的有效運(yùn)行高度為180ｍｍ,可以通過。 地鐵列車救援運(yùn)載小車的幾何尺寸還必須滿足地鐵其他限界要求(如設(shè)備限界等),以便在使用救援運(yùn)載小車時不損壞軌道等其它設(shè)施。2.5安裝使用 地鐵列車救援運(yùn)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(yùn)載小車被分解成單個最小部件(零件)存放于專用箱子內(nèi);使用時,救援人員將存放救援運(yùn)載小車的專用箱子運(yùn)至事故現(xiàn)場進(jìn)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(yùn)載小車的拼裝有足夠的空間;然后將救援運(yùn)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(nèi)的托輪上。此至,即可牽引故障列車駛離現(xiàn)場。地鐵列車救援運(yùn)載小車承載示意和組裝見圖3、4。3結(jié)語 地鐵列車救援小車作為技術(shù)型科研成果,已于2005年5月26日由上海科學(xué)技術(shù)委員會鑒定通過。上海地鐵運(yùn)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(shè)備(裝置)的研制,應(yīng)使其性能優(yōu)良、功能齊全、小巧靈活、拆裝方便,這是保障列車安全運(yùn)營的另一個重要手段,必將越來越得到重視。參考文獻(xiàn)[1]機(jī)械設(shè)計手冊編寫組.機(jī)械設(shè)計手冊[Ｍ].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:1118.[2]孫竹生,鮑維千.內(nèi)燃機(jī)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(xué)[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(yīng)用[Ｍ].北京:化學(xué)工業(yè)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(xué)技術(shù)出版社,1998:70.