地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)設(shè)計(jì)和應(yīng)用摘 要 地鐵列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)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(chē)走行機(jī)械部分的故障,如輪對(duì)軸承燒損、齒輪咬死、齒輪箱懸掛裝置失效等,列車(chē)將無(wú)法自行或被動(dòng)牽引出現(xiàn)場(chǎng),會(huì)造成地鐵線路癱瘓。地鐵列車(chē)救援小車(chē)能在列車(chē)走行部分發(fā)生故障后,將故障輪對(duì)托起,由救援運(yùn)載小車(chē)替代車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),迅速將故障列車(chē)拖離事故現(xiàn)場(chǎng),恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。關(guān)鍵詞 地鐵列車(chē),救援工作,運(yùn)載小車(chē)設(shè)計(jì) 地鐵運(yùn)營(yíng)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(yíng)中的地鐵列車(chē)走行部分(轉(zhuǎn)向架輪對(duì))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(gè)輪對(duì)不能轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)法實(shí)施牽引,會(huì)造成整個(gè)運(yùn)行線路癱瘓,這在國(guó)外及我國(guó)部分城市地鐵運(yùn)營(yíng)中都已有發(fā)生。地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)就是針對(duì)上海地鐵線路和車(chē)輛特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種小巧輕便、拆裝靈活的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)臨時(shí)替代裝置,適用于上海地鐵列車(chē)救援。如一旦發(fā)生轉(zhuǎn)向架上某個(gè)輪對(duì)不能轉(zhuǎn)動(dòng),救援人員立刻使用該救援運(yùn)載小車(chē),將故障輪對(duì)托起,由救援小車(chē)替代車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),使故障列車(chē)盡快撤離現(xiàn)場(chǎng),迅速恢復(fù)地鐵線路的運(yùn)行。1救援運(yùn)載小車(chē)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)輕量化、參數(shù)選擇和試驗(yàn)改進(jìn)的過(guò)程。1.1救援運(yùn)載小車(chē)的承載力 考慮到特殊情況,小車(chē)的承載力必須按25ｔ來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),既要重量輕、便于搬動(dòng)拆裝,又必須滿足隧道限界要求。為此,構(gòu)架和滾動(dòng)輪的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。1.2多車(chē)型通用 目前上海地鐵列車(chē)的車(chē)型有4種(西門(mén)子直流車(chē)ＤＣ01型、西門(mén)子交流車(chē)ＡＣ01型/ＡＣ02型、阿爾斯通ＡＣ03型)。不同地鐵車(chē)型的輪對(duì)內(nèi)側(cè)距不同,Ａ車(chē)的ＡＴＣ(列車(chē)自動(dòng)控制)系統(tǒng)線圈安裝支架形式及幾何尺寸也不同,故小車(chē)的拼裝形式和幾何尺寸應(yīng)能適應(yīng)各種形式的車(chē)型,以便通用。1.3救援運(yùn)載小車(chē)的材料熱處理 對(duì)小車(chē)輪軸的熱處理裂紋、支撐板的彎曲和扭曲、小車(chē)車(chē)輪踏面裂紋等問(wèn)題,可通過(guò)改變熱處理方案和加工方法來(lái)滿足其技術(shù)要求。 由于小車(chē)構(gòu)架的鈦合金支撐板長(zhǎng)達(dá)1.4ｍ,厚度才2ｃｍ,在加工時(shí)板的彎曲、扭曲很大,致使成品合格率很低。為此,經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的反復(fù)試驗(yàn),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(chē)的技術(shù)參數(shù) 1)最大走行速度為15ｋｍ/ｈ; 2)實(shí)際承載力設(shè)計(jì)為25ｔ,允許16ｔ; 3)設(shè)備單件重量:支撐板為15ｋｇ(鈦合金),滾動(dòng)輪為25ｋｇ(合金鋼); 4)一個(gè)輪對(duì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間為25～30ｍｉｎ; 5)速度為5ｋｍ/ｈ時(shí)的軸承溫升不超過(guò)70℃。2 救援運(yùn)載小車(chē)的設(shè)計(jì)2.1 援運(yùn)載小車(chē)的構(gòu)架設(shè)計(jì) 1)構(gòu)架長(zhǎng)度和厚度的設(shè)計(jì) 列車(chē)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的固定軸距為2500ｍｍ,但由于受單元制動(dòng)器安裝位置和Ａ車(chē)的ＡＴＣ線圈安裝支架的影響,經(jīng)對(duì)幾種車(chē)型轉(zhuǎn)向架輪對(duì)幾何尺寸的實(shí)測(cè),救援運(yùn)載小車(chē)的構(gòu)架最小長(zhǎng)度不能小于1100ｍｍ,構(gòu)架長(zhǎng)度確定在1360ｍｍ最為合適;輪對(duì)內(nèi)側(cè)與電機(jī)傳動(dòng)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(chē)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(chē)的滾動(dòng)輪設(shè)計(jì) 1)滾動(dòng)輪直徑確定 地鐵列車(chē)轉(zhuǎn)向架最低點(diǎn)(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(dòng)輪外直徑不能大于240ｍｍ;扣除輪緣高度28ｍｍ,確定滾動(dòng)輪踏面直徑應(yīng)為180ｍｍ。 2)滾動(dòng)輪踏面的接觸應(yīng)力計(jì)算 因滾動(dòng)輪承重量大、幾何尺寸受限制,在計(jì)算出滾動(dòng)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(dòng)輪計(jì)算承重量,Ｐｊ=ＫＣ×ＰＸ,其中ＫＣ為沖擊系數(shù)(取1.3),ＰＸ為每個(gè)滾動(dòng)輪平均靜態(tài)承重量;ｂ為滾動(dòng)輪與軌道的接觸寬度;Ｄ為滾動(dòng)輪直徑(18ｃｍ)。經(jīng)計(jì)算,滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ3)滾動(dòng)輪輪形的確定 由于滾動(dòng)輪直徑小、受力大,采用標(biāo)準(zhǔn)踏面會(huì)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(dòng)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(jì)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(dòng)輪在運(yùn)行時(shí)承受的橫向沖擊力,可以采用特種軸承和潤(rùn)滑脂解決。 等效斜度是輪軌幾何關(guān)系和設(shè)計(jì)磨耗形踏面車(chē)輪的一個(gè)重要參數(shù)。斜度為1∶20的錐形踏面,它的踏面斜度是個(gè)常數(shù),與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無(wú)關(guān)。磨耗形踏面車(chē)輪的等效斜度為: 式中:ｒ0,ｒｉ分別為較大的和較小的車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑;ｙ為輪對(duì)偏離線路中心線的位移。 實(shí)際上,Ｊ是輪對(duì)每單位橫向位移時(shí)左、右兩滾動(dòng)圓半徑差的一半。Ｊ是指輪對(duì)處于平衡位置附近(約2～3ｍｍ)時(shí)的數(shù)值,并以常數(shù)表示。當(dāng)輪對(duì)相對(duì)于軌道作較大的橫向位移時(shí)(如在小半徑曲線上),等效斜度是個(gè)變量,或以非線性等效斜度特性來(lái)表示。設(shè)Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。 經(jīng)比較,地鐵車(chē)輪輪緣外形與國(guó)內(nèi)外鐵路車(chē)輪的磨耗型較為接近,所以救援運(yùn)載小車(chē)的滾動(dòng)輪選用混合磨耗型輪緣為基型的輪緣踏面(見(jiàn)圖1)。4)滾動(dòng)輪材質(zhì)的選用 按最大行駛速度≯15ｋｍ/ｈ和一對(duì)滾動(dòng)輪承載25ｔ的兩個(gè)條件,經(jīng)計(jì)算滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)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(jì) 托輪主要有托住故障輪對(duì)的功能,使用中相對(duì)穩(wěn)定,其高度(輪徑)取決于車(chē)鉤高限度。地鐵車(chē)輛車(chē)鉤高范圍為118～121ｍｍ,半永久車(chē)鉤高限度為118～121ｍｍ。根據(jù)具體情況,將托輪高度定為50ｍｍ+10ｍｍ,實(shí)際抬起高度為45～78ｍｍ(計(jì)算方法略)。圖2為地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)對(duì)車(chē)鉤等影響的示意圖;表1為故障輪對(duì)提高量表。2.4地鐵限界及幾何尺寸校核 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)在托起故障輪運(yùn)行時(shí),是同時(shí)等高地托起轉(zhuǎn)向架2個(gè)或4個(gè)輪子,不存在侵入地鐵左右限界的可能性;但對(duì)車(chē)輛頂部的地鐵限界是有影響的,需進(jìn)行檢算。由于車(chē)體被整體托起,列車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)及其支架距離會(huì)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(hào)線漕寶路段是20世紀(jì)60年代開(kāi)挖的試驗(yàn)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(chē)幾何尺寸設(shè)計(jì)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(dòng)牽引(落弓)時(shí),軌面至車(chē)頂(指受電弓頂端)的實(shí)際高度為3800ｍｍ(以840ｍｍ的新輪徑計(jì)),該段受電弓的有效運(yùn)行高度為240ｍｍ。如采用列車(chē)自行牽引(升弓)駛離現(xiàn)場(chǎng),這時(shí)的車(chē)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(guò)。 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)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(chē)時(shí)不損壞軌道等其它設(shè)施。2.5安裝使用 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)由4片支撐板、4個(gè)滾動(dòng)輪、2根滾動(dòng)輪連接軸、4個(gè)托輪,以及若干螺栓、螺母等零部件組成。不使用時(shí),救援運(yùn)載小車(chē)被分解成單個(gè)最小部件(零件)存放于專(zhuān)用箱子內(nèi);使用時(shí),救援人員將存放救援運(yùn)載小車(chē)的專(zhuān)用箱子運(yùn)至事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。先將故障輪對(duì)連同車(chē)體用液壓千斤頂頂起,使救援運(yùn)載小車(chē)的拼裝有足夠的空間;然后將救援運(yùn)載小車(chē)的2組(4片)支撐板和4個(gè)滾動(dòng)輪放置在1對(duì)故障輪下,用2根滾動(dòng)輪連接軸串起并固定,再將4個(gè)托輪分別放在1對(duì)故障輪下通過(guò)夾緊螺栓固定在支撐板上;檢查無(wú)誤后,操作千斤頂將故障輪對(duì)輕輕放于支撐板內(nèi)的托輪上。此至,即可牽引故障列車(chē)駛離現(xiàn)場(chǎng)。地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)承載示意和組裝見(jiàn)圖3、4。3結(jié)語(yǔ) 地鐵列車(chē)救援小車(chē)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(huì)鑒定通過(guò)。上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司已制作了2輛地鐵列車(chē)救援小車(chē),隨時(shí)待命以備急用。對(duì)地鐵列車(chē)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(chē)安全運(yùn)營(yíng)的另一個(gè)重要手段,必將越來(lái)越得到重視。參考文獻(xiàn)[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[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(chē)總體及走行部[Ｍ].3版.北京:中國(guó)鐵道出版社,1995:104,210.[3]王福天.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)[Ｍ].北京:中國(guó)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(guó)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(hào)線工程[Ｍ].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1998:70.
式中:Ｐｊ為滾動(dòng)輪計(jì)算承重量,Ｐｊ=ＫＣ×ＰＸ,其中ＫＣ為沖擊系數(shù)(取1.3),ＰＸ為每個(gè)滾動(dòng)輪平均靜態(tài)承重量;ｂ為滾動(dòng)輪與軌道的接觸寬度;Ｄ為滾動(dòng)輪直徑(18ｃｍ)。經(jīng)計(jì)算,滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)算接觸應(yīng)力為3360ＭＰａ3)滾動(dòng)輪輪形的確定 由于滾動(dòng)輪直徑小、受力大,采用標(biāo)準(zhǔn)踏面會(huì)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(dòng)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(jì)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(dòng)輪在運(yùn)行時(shí)承受的橫向沖擊力,可以采用特種軸承和潤(rùn)滑脂解決。 等效斜度是輪軌幾何關(guān)系和設(shè)計(jì)磨耗形踏面車(chē)輪的一個(gè)重要參數(shù)。斜度為1∶20的錐形踏面,它的踏面斜度是個(gè)常數(shù),與鋼軌頂面形狀、軌底坡和軌距等的大小無(wú)關(guān)。磨耗形踏面車(chē)輪的等效斜度為: 式中:ｒ0,ｒｉ分別為較大的和較小的車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑;ｙ為輪對(duì)偏離線路中心線的位移。 實(shí)際上,Ｊ是輪對(duì)每單位橫向位移時(shí)左、右兩滾動(dòng)圓半徑差的一半。Ｊ是指輪對(duì)處于平衡位置附近(約2～3ｍｍ)時(shí)的數(shù)值,并以常數(shù)表示。當(dāng)輪對(duì)相對(duì)于軌道作較大的橫向位移時(shí)(如在小半徑曲線上),等效斜度是個(gè)變量,或以非線性等效斜度特性來(lái)表示。設(shè)Δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,則Ｊ=Δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。 經(jīng)比較,地鐵車(chē)輪輪緣外形與國(guó)內(nèi)外鐵路車(chē)輪的磨耗型較為接近,所以救援運(yùn)載小車(chē)的滾動(dòng)輪選用混合磨耗型輪緣為基型的輪緣踏面(見(jiàn)圖1)。4)滾動(dòng)輪材質(zhì)的選用 按最大行駛速度≯15ｋｍ/ｈ和一對(duì)滾動(dòng)輪承載25ｔ的兩個(gè)條件,經(jīng)計(jì)算滾動(dòng)輪踏面的平均靜態(tài)計(jì)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(jì) 托輪主要有托住故障輪對(duì)的功能,使用中相對(duì)穩(wěn)定,其高度(輪徑)取決于車(chē)鉤高限度。地鐵車(chē)輛車(chē)鉤高范圍為118～121ｍｍ,半永久車(chē)鉤高限度為118～121ｍｍ。根據(jù)具體情況,將托輪高度定為50ｍｍ+10ｍｍ,實(shí)際抬起高度為45～78ｍｍ(計(jì)算方法略)。圖2為地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)對(duì)車(chē)鉤等影響的示意圖;表1為故障輪對(duì)提高量表。2.4地鐵限界及幾何尺寸校核 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)在托起故障輪運(yùn)行時(shí),是同時(shí)等高地托起轉(zhuǎn)向架2個(gè)或4個(gè)輪子,不存在侵入地鐵左右限界的可能性;但對(duì)車(chē)輛頂部的地鐵限界是有影響的,需進(jìn)行檢算。由于車(chē)體被整體托起,列車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)及其支架距離會(huì)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(hào)線漕寶路段是20世紀(jì)60年代開(kāi)挖的試驗(yàn)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(chē)幾何尺寸設(shè)計(jì)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(dòng)牽引(落弓)時(shí),軌面至車(chē)頂(指受電弓頂端)的實(shí)際高度為3800ｍｍ(以840ｍｍ的新輪徑計(jì)),該段受電弓的有效運(yùn)行高度為240ｍｍ。如采用列車(chē)自行牽引(升弓)駛離現(xiàn)場(chǎng),這時(shí)的車(chē)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(guò)。 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)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(chē)時(shí)不損壞軌道等其它設(shè)施。2.5安裝使用 地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)由4片支撐板、4個(gè)滾動(dòng)輪、2根滾動(dòng)輪連接軸、4個(gè)托輪,以及若干螺栓、螺母等零部件組成。不使用時(shí),救援運(yùn)載小車(chē)被分解成單個(gè)最小部件(零件)存放于專(zhuān)用箱子內(nèi);使用時(shí),救援人員將存放救援運(yùn)載小車(chē)的專(zhuān)用箱子運(yùn)至事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。先將故障輪對(duì)連同車(chē)體用液壓千斤頂頂起,使救援運(yùn)載小車(chē)的拼裝有足夠的空間;然后將救援運(yùn)載小車(chē)的2組(4片)支撐板和4個(gè)滾動(dòng)輪放置在1對(duì)故障輪下,用2根滾動(dòng)輪連接軸串起并固定,再將4個(gè)托輪分別放在1對(duì)故障輪下通過(guò)夾緊螺栓固定在支撐板上;檢查無(wú)誤后,操作千斤頂將故障輪對(duì)輕輕放于支撐板內(nèi)的托輪上。此至,即可牽引故障列車(chē)駛離現(xiàn)場(chǎng)。地鐵列車(chē)救援運(yùn)載小車(chē)承載示意和組裝見(jiàn)圖3、4。3結(jié)語(yǔ) 地鐵列車(chē)救援小車(chē)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(huì)鑒定通過(guò)。上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司已制作了2輛地鐵列車(chē)救援小車(chē),隨時(shí)待命以備急用。對(duì)地鐵列車(chē)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(chē)安全運(yùn)營(yíng)的另一個(gè)重要手段,必將越來(lái)越得到重視。參考文獻(xiàn)[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[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(chē)總體及走行部[Ｍ].3版.北京:中國(guó)鐵道出版社,1995:104,210.[3]王福天.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)[Ｍ].北京:中國(guó)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(guó)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(hào)線工程[Ｍ].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1998:70.
