■ 周睿 周劲松

周 睿：南车南京浦镇车辆有限公司转向架设计部，教授级高级工程师，江苏 南京，210031

周劲松：同济大学铁道与城市轨道交通研究院，教授，博士生导师，上海，201804

城市轻轨车辆在城市地面线路上运行，往往与其他交通形式共用路权，且距离居民区较近，其振动噪声对通行线路附近的影响尤为突出，车辆运行时产生的振动噪声已成为轨道交通迫切需要解决的问题之一。在诸多减振降噪措施中，弹性车轮是其中之一，不仅能降低轨道车辆振动与噪声，提升车辆运行品质并延长车辆使用寿命，还可以减小轮轨间的冲击与磨耗，降低轨道损坏与大地振动传递率。德国曾在第一代ICE1型高速列车上采用弹性车轮，但在1998年由慕尼黑开往汉堡的ICE上发生了脱轨惨剧，造成了重大的人员伤亡。尽管出现了这一特大事故，但不能因此断言弹性车轮不适用于城市轻轨车辆，相反应投入更多的精力去研究，使其成为一种安全有效的轨道车辆车轮形式。

1 弹性车轮研究现状及发展动态

1.1 国外弹性车轮的研究及运用

国外对弹性车轮的研究较早，也较为深入，目前处于领先地位的是欧洲、美国与日本。欧洲铁路研究院（ERRI）利用TWINS模型及有限元方法研究弹性车轮性能，从而完善弹性车轮的建模，并对影响车轮性能的关键结构、参数和材料参数进行优化分析。欧洲弹性车轮的研制中，较为著名的是德国波鸿交通技术有限公司生产的Bochum 54、Bochum 84型弹性车轮和瑞典生产的SAB型弹性车轮（见图1）。

Bochum 84型弹性车轮依据Bochum 54的设计原理改进而成[1]，由轮毂、轮心、弹性元件及可卸环组成，其中压环与轮心是锥形压装配合。轮心上设有注油孔，用高压油泵注入高压油即可拆卸。SAB型弹性车轮[2]轮心与轮毅的弹性连接采用许多圆柱状垫块，钢轨对走行部分的作用传递都通过橡胶进而传向车体，因其能降低轮轨通过小曲线时的尖啸声而得到广泛应用。但SAB型弹性车轮在工作过程中曾出现过螺栓松动，因此德国专利提出了一种改进方法，即取消螺栓连接，在轮心和压环之间使用锁紧定位环定位橡胶元件和轮毂。

日本也对弹性车轮进行了较为深入的研究。日本铁道综合研究所（RTRI）[3]为降低轮轨滚动噪声和减少线路维修量，对不同类型的弹性车轮进行了研究。首先进行了弹性车轮轮对落放试验，得出弹性车轮的动载荷大致为刚性车轮的80%；然后建立了弹性车轮轮对轨道动力学模型，研究不同运行速度下弹性车轮和刚性车轮的轨道动态性能作用情况，提出了弹性车轮对于减少轨道损坏方面有一定作用的结论。此外，日本还对通过采用弹性车轮来降低高速转向架噪声和振动这一课题进行了试验研究，得出弹性车轮与普通车轮相比，无论对降低车内、外噪声还是转向架及地板的振动与噪声都具有较好效果。

图1 国外较为著名的弹性车轮

1.2 国内弹性车轮的研究及运用

截至目前，国内机车车辆、地铁车辆和轻轨车辆仍多数采用刚性车轮，在部分低地板车辆上弹性车轮已开始得到运用。刚性车轮刚度较大，对车辆振动冲击大，轮轨磨耗和运行噪声都较大，而采用橡胶弹性车轮和橡胶弹性轨道垫是减振降噪最有效的措施之一，但目前我国尚无一种定型橡胶弹性车轮。

我国在弹性车轮方面的研究起步较晚，1969年，四方车辆厂成功研制了第一辆地铁弹性车轮试验车（结构见图2），并对其进行了为期半年的试验。

理论研究方面，同济大学[4]对弹性车轮减噪降噪机理进行了充分研究。通过对比其自主研制的承剪型弹性车轮（见图3）与整体车轮的声学特性，在轮轨垂向动作用力、轮轨噪声等方面通过数值仿真及实验的方法进行对比，证实了弹性车轮在降低轮轨振动噪声方面具有优势。

北京交通大学[5]在基于有限元橡胶材料超弹性特性力学本构关系建模方法研究的基础上，模拟计算出弹性车轮在道岔冲击载荷作用下的瞬态动力响应。有限元仿真结果表明，弹性车轮在过道岔时轮轴处位移比刚性车轮减少21.4%，动载荷减小38%；橡胶硬度增加，轮轴处的位移与弹簧动载荷均有所增加。此研究为弹性车轮设计提供了新的思路和方法，但该模型还需要进行大量弹性车轮橡胶材料特性的实验研究、非线性本构关系研究、弹性车轮非线性建模方法及有限元计算方法研究，以实现更加有效的弹性车轮动态性能的有限元仿真。

为推进我国车轮减振降噪技术方面的研究[6]，南车戚墅堰机车车辆工艺研究所依托40多年材料工艺研究的经验，于2002年5月开始了弹性轮对的自主研发（见图4）。2004年9月，产品研制成功并正式投产运用。

同时，戚墅堰机车车辆工艺研究所对100%低地板车用弹性车轮也进行了结构分析、材料研制及疲劳试验。该100%低地板车用弹性车轮采用独立轮耦合的传统方式，需要连接专用传动装置。100%弹性车轮动轮的轮心和轮毂结构见图5。首例100%弹性车轮产品已于2009年4月通过首件鉴定，交付客户装车使用并正式运行。

2 新型弹性车轮外形设计

由于橡胶的压缩刚度大、剪切刚度小，不能承受较大的拉伸载荷，因此弹性车轮的弹簧特性主要决定于橡胶元件的承载形式。弹性车轮的结构有多种形式，按其承载方式的不同可分为剪切型、压缩型和压剪复合型三种。

本设计采用压剪复合型弹性车轮形式，在确保弹性车轮功能的前提下，提供了一种可以有效降低车辆运行时螺栓承受的应力、保证安全运行的结构形式，而且这种弹性车轮结构简单、检修方便，其概念设计见图6。

图2 我国自主研发的弹性车轮结构

图3 承剪型弹性车轮

图4 弹性车轮组装示意

图5 100%弹性车轮动轮的轮心与轮毂结构

本次设计包括具有中心孔的轮毂和轮心组件，通过车轴传来的车辆载荷依次传至轮心、橡胶元件和轮毂，最后传至钢轨。轮心组件位于轮毂中心孔内，且轮心组件与轮毂之间具有允许轮毂与轮心在压迫弹性元件后沿车轮径向略微移动的间隙。轮心组件包括压环和具有毂孔的轮心，轮心与压环为压装配合，并采用盲孔螺栓连接形式，还有若干弹性元件，弹性元件位于轮心组件与轮毂之间，采用V形布置，且沿轮箍中心孔内壁周向均布，可根据车辆轴重和设计刚度要求确定其夹角角度。轮心上设有注油孔，用高压油泵注入高压油即可拆卸。

3 车辆-轨道垂向动力学分析

3.1 刚性与弹性车轮对车辆-轨道耦合随机振动影响

为了进一步比较新型弹性车轮与刚性车轮对车辆-轨道动力学性能的影响，优化弹性车轮橡胶元件参数，需要进行弹性车轮振动特性分析，分别针对两种车辆模型进行计算。采用的参数见表1，弹性车轮分为两个质量块与一组刚度阻尼单元，而刚性车轮仅为一质量块。弹性车轮车辆系统共14个自由度，采用车辆-轨道耦合随机振动模型，运动微分方程为[7]：

式中：[ M ]为车辆系统质量矩阵；[C ]为车辆系统阻尼矩阵；[ K ]为车辆系统刚度矩阵；Z为系统位移自由度向量；{ F }为作用在车辆系统上的轮轨力。

依据随机振动理论，车辆-轨道系统响应功率谱可由下式[7]得到：

式中：Sω（ω，V）为轨道不平顺功率谱，V是车辆运行速度；Hz*（ω）与HzT（ω）分别是相应系统频率响应函数Hz（ω）的共轭和简单转置矩阵。

图6 弹性车轮概念设计

表1 车辆及轨道参数

图7 刚性与弹性车轮轮轨振动响应比较

图7 所示为车速为60 km/h、采用美国轨道六级谱作为系统输入时刚性与弹性车轮的轮轨垂向振动响应比较，分别包括轮轨垂向力、轨道振动与车轮振动。

由图7可见，弹性车轮模型的轮轨力作用与刚性车轮相比显著下降，同时轨道振动加速度也降低，但车轮振动加速度在低频时几乎没有变化，但在数百赫兹后其振动加速度也有所下降。

对车辆结构的振动响应也进行了计算，结果见图8。可见，由于一系、二系悬挂的隔振作用，弹性车轮相对刚性车轮而言，车体及构架的减振效果并不显著，低频处弹性车轮与刚性车轮基本一致，在高频100 Hz以上时弹性车轮才显现出其减振效果。

结合图7、图8分析结果可知，弹性车轮主要对减小轮轨冲击、轮轨减振降噪作用显著。

3.2 不同速度弹性车轮车辆-轨道耦合振动影响

分别计算速度为30 km/h、60 km/h及80 km/h时的车辆轨道振动响应（见图9、图10）。

由图9可见，随着速度的增加，由于轨道谱的输入增加，其轮轨力、车轮及轨道振动响应在整个频域范围内均为线性增大。

图8 刚性与弹性车轮车辆结构振动响应比较

图9 速度对轮轨振动的影响

图10 速度对车辆振动的影响

由图10可见，车体振动加速度变化较为复杂，并不是单纯的速度增加就使车体响应峰值增大，而是某些频率点处振动峰值在速度较大时降低，车体振动响应峰值一般出现在其自振频率点处，由于轨道谱对车辆系统为多点随机激励，在车体与构架上存在不同相位振动的叠加。车体振动响应与车辆定距与轴距有关[8]，几何滤波现象对车体振动的影响显著。

4 结论

总结了国内外弹性车轮发展现状，并设计出一款新型城市轻轨车辆用弹性车轮外形，运用原型参数对安装该型弹性车轮轻轨车辆的轮轨动作用力、车辆及转向架构架振动性能进行分析。研究表明，所设计的弹性车轮对轮轨动作用力、钢轨振动抑制效果明显，对车体和转向架高频振动的抑制也有良好效果。由于该型车轮处于概念设计阶段，下一步将通过有限元分析验证其强度、疲劳性能，然后通过相应的实验室和装车试验进一步验证其性能。

[1]Radim ZIMA．降低城市地铁噪声的橡胶弹性车轮[J]．国外机车车辆工艺，2003(6)：37-38．

[2]D H Koo，J C Kim，W H Yoo，et al．An experimental study of the effect of low-noise wheels in reducing noise and vibration[J]．Transportation Research Part，2002(7)：429-439．

[3]赤间诚，等（日）．铁道车辆用低应力、低噪声轻量型车轮的开发[J]．国外铁道车辆，2010，47(2)：34-40．

[4]赵洪伦，许小强，沈钢，等．城市轨道交通车辆弹性车轮的开发研究[J]．同济大学学报，2003，31(2)：196-200．

[5]张治国，郑明军，谢基龙．弹性车轮瞬态动力响应的有限元仿真方法研究[J]．北方交通大学学报，2003(1)：25-27，35．

[6]郭晓晖，郑剑云，戚援．橡胶弹性车轮结构及性能试验研究[J]．机车车辆工艺，2008(1)：27-28．

[7]周劲松．铁道车辆振动与控制[M]．北京：中国铁道出版社，2012．

[8]ZHOU J，GOODALL R，REN L，et al．Influences of car body vertical flexibility on ride quality of passenger railway vehicles[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2009，223(5)：461-471．