地铁列车救援运载小车设计和应用

摘　要　地铁列车的安全运营涉及到人们的正常生活和城市的有序运转。如一旦发生地铁列车走行机械部分的故障,如轮对轴承烧损、齿轮咬死、齿轮箱悬挂装置失效等,列车将无法自行或被动牵引出现场,会造成地铁线路瘫痪。地铁列车救援小车能在列车走行部分发生故障后,将故障轮对托起,由救援运载小车替代车轮转动,迅速将故障列车拖离事故现场,恢复正常运营。

关键词　地铁列车,救援工作,运载小车设计

地铁运营安全涉及到城市的有序运转和人们的正常生活。运营中的地铁列车走行部分(转向架轮对)如发生轴承烧损、齿轮咬死、齿轮箱悬挂装置失效等故障,致使某个轮对不能转动而无法实施牵引,会造成整个运行线路瘫痪,这在国外及我国部分城市地铁运营中都已有发生。地铁列车救援运载小车就是针对上海地铁线路和车辆特点专门设计的一种小巧轻便、拆装灵活的转向架轮对临时替代装置,适用于上海地铁列车救援。如一旦发生转向架上某个轮对不能转动,救援人员立刻使用该救援运载小车,将故障轮对托起,由救援小车替代车轮转动,使故障列车尽快撤离现场,迅速恢复地铁线路的运行。
1 救援运载小车设计的技术要求
地铁列车救援运载小车的设计实际上就是一个轻量化、参数选择和试验改进的过程。
1.1 救援运载小车的承载力
考虑到特殊情况,小车的承载力必须按25ｔ来进行设计,既要重量轻、便于搬动拆装,又必须满足隧道限界要求。为此,构架和滚动轮的设计是关键。
1.2 多车型通用
目前上海地铁列车的车型有4种(西门子直流车ｄｃ01型、西门子交流车ａｃ01型/ａｃ02型、阿尔斯通ａｃ03型)。不同地铁车型的轮对内侧距不同,ａ车的ａｔｃ(列车自动控制)系统线圈安装支架形式及几何尺寸也不同,故小车的拼装形式和几何尺寸应能适应各种形式的车型,以便通用。
1.3 救援运载小车的材料热处理
对小车轮轴的热处理裂纹、支撑板的弯曲和扭曲、小车车轮踏面裂纹等问题,可通过改变热处理方案和加工方法来满足其技术要求。
由于小车构架的钛合金支撑板长达1.4ｍ,厚度才2ｃｍ,在加工时板的弯曲、扭曲很大,致使成品合格率很低。为此,经过几个月的反复试验,才确定了最佳热处理方案,使支撑板达到技术要求。
1.4　救援运载小车的技术参数
1)最大走行速度为15ｋｍ/ｈ;
2)实际承载力设计为25ｔ,允许16ｔ;
3)设备单件重量:支撑板为15ｋｇ(钛合金),滚动轮为25ｋｇ(合金钢);
4)一个轮对的现场安装时间为25～30ｍｉｎ;
5)速度为5ｋｍ/ｈ时的轴承温升不超过70℃。
2 救援运载小车的设计
2.1 援运载小车的构架设计
1)构架长度和厚度的设计
列车转向架轮对的固定轴距为2500ｍｍ,但由于受单元制动器安装位置和ａ车的ａｔｃ线圈安装支架的影响,经对几种车型转向架轮对几何尺寸的实测,救援运载小车的构架最小长度不能小于1100ｍｍ,构架长度确定在1360ｍｍ最为合适;轮对内侧与电机传动齿轮箱侧壁距最小为25ｍｍ,构架内侧板厚度则宜为20ｍｍ。
2)构架支撑板材质的选用
救援运载小车的构架单件重量控制在15ｋｇ左右。经反复比较,支撑板材质选用钛合金板材,这样既能满足构架轻量化要求,又有足够的强度和刚度。
2.2 救援运载小车的滚动轮设计
1)滚动轮直径确定
地铁列车转向架最低点(齿轮箱)离钢轨顶面最小距离为60ｍｍ,加上托轮高度(50ｍｍ+10ｍｍ)的限制,滚动轮外直径不能大于240ｍｍ;扣除轮缘高度28ｍｍ,确定滚动轮踏面直径应为180ｍｍ。
2)滚动轮踏面的接触应力计算
因滚动轮承重量大、几何尺寸受限制,在计算出滚动轮踏面的接触应力后再确定其材质、结构、热处理方案等。其踏面的接触应力为:

式中:ｐｊ为滚动轮计算承重量,ｐｊ=ｋｃ×ｐｘ,其中ｋｃ为冲击系数(取1.3),ｐｘ为每个滚动轮平均静态承重量;ｂ为滚动轮与轨道的接触宽度;ｄ为滚动轮直径(18ｃｍ)。经计算,滚动轮踏面的平均静态计算接触应力为3360ｍｐａ
3)滚动轮轮形的确定
由于滚动轮直径小、受力大,采用标准踏面会在曲线区段发生轮缘与外轨侧面的剧烈磨擦,形成滚动轮踏面和轮缘的严重磨耗,因此不能采用铁路标准的锥形踏面轮形。所以,将踏面设计成磨耗形,既科学也合理。磨耗形踏面可在同样的接触应力下,减缓踏面的磨耗及剥离,容许更高的轴重。滚动轮在运行时承受的横向冲击力,可以采用特种轴承和润滑脂解决。
等效斜度是轮轨几何关系和设计磨耗形踏面车轮的一个重要参数。斜度为1∶20的锥形踏面,它的踏面斜度是个常数,与钢轨顶面形状、轨底坡和轨距等的大小无关。磨耗形踏面车轮的等效斜度为:

式中:ｒ0,ｒｉ分别为较大的和较小的车轮滚动圆半径;ｙ为轮对偏离线路中心线的位移。
实际上,ｊ是轮对每单位横向位移时左、右两滚动圆半径差的一半。ｊ是指轮对处于平衡位置附近(约2～3ｍｍ)时的数值,并以常数表示。当轮对相对于轨道作较大的横向位移时(如在小半径曲线上),等效斜度是个变量,或以非线性等效斜度特性来表示。设δｒ=(ｒ0-ｒｉ)/2,则ｊ=δｒ/ｙ=ｆ(ｙ)。
经比较,地铁车轮轮缘外形与国内外铁路车轮的磨耗型较为接近,所以救援运载小车的滚动轮选用混合磨耗型轮缘为基型的轮缘踏面(见图1)。

4)滚动轮材质的选用
按最大行驶速度≯15ｋｍ/ｈ和一对滚动轮承载25ｔ的两个条件,经计算滚动轮踏面的平均静态计算接触应力为3360ｍｐａ,故选用合金钢,并采用热处理工艺。
2.3 托轮高度设计
托轮主要有托住故障轮对的功能,使用中相对稳定,其高度(轮径)取决于车钩高限度。地铁车辆车钩高范围为118～121ｍｍ,半永久车钩高限度为118～121ｍｍ。根据具体情况,将托轮高度定为50ｍｍ+10ｍｍ,实际抬起高度为45～78ｍｍ(计算方法略)。图2为地铁列车救援运载小车对车钩等影响的示意图;表1为故障轮对提高量表。

2.4 地铁限界及几何尺寸校核
地铁列车救援运载小车在托起故障轮运行时,是同时等高地托起转向架2个或4个轮子,不存在侵入地铁左右限界的可能性;但对车辆顶部的地铁限界是有影响的,需进行检算。由于车体被整体托起,列车受电弓与接触网及其支架距离会变小,受电弓的起升允许值也有变化。在隧道区间中,上海轨道交通1号线漕宝路段是20世纪60年代开挖的试验段,为上海所有地铁隧道区间限界之最小,也是救援运载小车几何尺寸设计的主要参考依据。漕宝路段隧道内部有效直径为5200ｍｍ,轨面至接触网的高度只有4040ｍｍ;当被动牵引(落弓)时,轨面至车顶(指受电弓顶端)的实际高度为3800ｍｍ(以840ｍｍ的新轮径计),该段受电弓的有效运行高度为240ｍｍ。如采用列车自行牵引(升弓)驶离现场,这时的车顶距轨面为3860ｍｍ,该端的受电弓的有效运行高度为180ｍｍ,可以通过。
地铁列车救援运载小车的几何尺寸还必须满足地铁其他限界要求(如设备限界等),以便在使用救援运载小车时不损坏轨道等其它设施。
2.5 安装使用
地铁列车救援运载小车由4片支撑板、4个滚动轮、2根滚动轮连接轴、4个托轮,以及若干螺栓、螺母等零部件组成。不使用时,救援运载小车被分解成单个最小部件(零件)存放于专用箱子内;使用时,救援人员将存放救援运载小车的专用箱子运至事故现场进行组装。先将故障轮对连同车体用液压千斤顶顶起,使救援运载小车的拼装有足够的空间;然后将救援运载小车的2组(4片)支撑板和4个滚动轮放置在1对故障轮下,用2根滚动轮连接轴串起并固定,再将4个托轮分别放在1对故障轮下通过夹紧螺栓固定在支撑板上;检查无误后,操作千斤顶将故障轮对轻轻放于支撑板内的托轮上。此至,即可牵引故障列车驶离现场。地铁列车救援运载小车承载示意和组装见图3、4。

3 结语
地铁列车救援小车作为技术型科研成果,已于2005年5月26日由上海科学技术委员会鉴定通过。上海地铁运营有限公司已制作了2辆地铁列车救援小车,随时待命以备急用。对地铁列车救援设备(装置)的研制,应使其性能优良、功能齐全、小巧灵活、拆装方便,这是保障列车安全运营的另一个重要手段,必将越来越得到重视。

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