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橡胶车轮城市轨道交通论文 篇1：
轨道交通减振降噪用聚合物材料的技术综述
伴随着近年来我国经济的不断发展，我国的铁路建设和城市轨道交通的发展速度也与日俱增。轨道交通装备和元件趋于高速和自动化，随之引起的噪声和振动问题日益严重，对乘车者和轨道沿线居民的身心健康带来的影响不可忽视，因而市场亟需改善轨道交通的减振降噪这一问题。
早在20世纪60年代，英国某民事法院的6层建筑物就通过橡胶叠层的减振技术，以缓冲城市轨道交通对建筑物带来的损害，缓解噪声问题；之后的20～30年间，德国、英国等国家对无砟轨道如何进一步实现减振降噪进行了许多试验研究。我国的轨道减振研究则起步较晚，但随着近20年来，国内各大中城市都在纷纷建设轨道交通，不同类型的轨道减振产品得以开发出来并运用到轨道建设中。
一、轨道交通减振降噪的基本方法及常见产品
减振降噪最为行之有效的办法是对振源和声源进行防控。就轨道交通来说，最主要的噪声来源是轮轨。而要使轨道实现减振，通常采用吸振和隔振。吸振可以通过道床和轨下垫层的弹性实现。隔振一般依靠中间质量完成，中间质量包括轨道下部件和道床质量，其中主要是轨枕质量。所以，要想实现轮轨降噪，最首要的是要降低线路、钢轨和道床的振动。
目前，轨道减振的方法包括线路减振、钢轨减振、道床减振以及扣件减振等。常见轨道交通减振产品有弹性垫板/片、轨道减振器、浮置板式轨道结构、浮式道床、橡胶套靴等。弹性垫板/片的示意图参见图1，它是用于钢轨或混凝土轨枕之间或枕下铺设起缓冲减振作用的弹性垫层，形成质量弹簧体系，通过对参振质量的增加，引起轨道结构自振频率的降低，从而实现良好的减振功效，该措施的减振能力为10～15dB。弹性垫板/片的材质可为聚氨酯微孔弹性体、天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶等。
在轨枕下或道床下采用上述原理减振的包括梯形轨枕轨道结构以及纵向轨枕轨道结构，此外还有固体阻尼钢弹簧浮置板道床和橡胶浮置板道床等。目前我国地铁多采用梯形轨枕；而纵向轨枕则是采用横向混凝土纵梁以取代梯形轨枕的混凝土钢管结构[1]。
1994年，上海地铁1号线第1次采用了轨道减振设备：轨道减振器扣件。图2显示了安装在钢轨上的吸振器，其中加入的粘弹性材料就是聚合物材料，这种吸振器可以使钢轨减振12dB（A）。
北京地铁分别采用了套靴隔振和车轮安装降噪阻尼器；广州地铁1号线安装了橡胶浮置板轨道，在国内尚属首次，其减振效果良好，具有较高的推广价值。浮置板式轨道结构被德国在1965年初次使用于科隆地铁，可以有效实现地铁传振和传声的降低。
橡胶浮置板轨道的主要部件包括浮置板、板下弹性阻尼器件、纵向垫板以及侧向垫板[2]。按橡胶支承方式的不同，橡胶支承浮置板分为分布式、线性支承、整体支承3种支承方式。其中，分布式支承的减振效果最理想，可实现约30dB的减振效果。现阶段，在新加坡以及美国亚特兰大、德国汉堡、加拿大多伦多、我国广州、深圳和香港等地铁中均有使用，亚特兰大地铁8HZ分布式支承浮置板式轨道结构示意图如图3所示。若经过合理设计，轨道结构的固有频率能降低，减振效果良好，利于维修；通过凹槽对橡胶垫板加以定位，对于浮置板的稳定性可以得到有效提高；但缺点是成本比较高。
美国和加拿大地铁的经验表明，天然橡胶由于抗蠕变性、耐水性、破坏特性和变形恢复性能均优于合成橡胶，且对湿度的依赖性较小，因而更适合制备橡胶支承浮置板。采用天然橡胶可以大幅度降低后期的维护费用。合成橡胶曾用于华盛顿地铁中，但没过多久由于橡胶支座蠕变率较高，且吸水后刚度急剧增大，最终全部更换。
橡胶浮置板道床减振材料可以选用传统的橡胶材料，也可以选择阻尼橡胶材料及聚氨酯微孔弹性材料，材料性质决定了减振性能和工作年限。
此外，选择弹性车轮、消声车轮、整体低噪声车轮等措施也可以有效地减少轮轨噪声；如果车轮踏面圆滑，在低频的情况下可实现约3～4dB（A）的降噪效果。防声裙板也是减少轮轨噪声的有效措施。重型焊接长轨的选用和减少钢轨接缝的数目，也有助于减振降噪。保持轨面光滑，可降噪2～9dB（A）。在钢轨与轨枕间、钢轨与钢轨间选择弹性紧面件，降噪效果约3dB（A）。弹性支撑块式轨道，轨枕下有弹性良好的微孔橡胶垫，减振降噪的效果也较好。日本曾在铁路交通中使用防振钢轨，是一种用橡胶板包裹在钢轨轨腰2侧的钢轨，详见图3。包裹的橡胶板与钢轨一起承受纵横方向载荷，达到抑制振动和降低噪声的作用，可降噪4dB（A）左右[3]。
如前所述，轮轨噪声是轨道交通噪声的主要来源，并且在500～2 500Hz频率范围内，轮轨振动和噪声存在线性关系。尤其是在500～1 000Hz，轮轨是主要辐射体，并且噪声强度与车速成正比。钢轨的阻尼增大能较多吸收钢轨振动能量，进而成功抑制钢轨振动，达到降噪的效果。
二、轨道交通减振降噪用聚合物材料的分类
轨道交通系统所用的聚合物减振降噪材料品种较多，参见表1。减振降噪材料主要分为应用到车辆部件如车体内、车辆连接件、车轮，以及应用到轨道线路中例如轨道垫、枕轨、隔音板等。
实际使用中往往不是某种聚合物材料单独使用，经常需要结合使用需要对表1中的聚合物材料进行改性。該领域最常用的改性方法是共混。
1.天然橡胶
在橡胶减振领域中，用量最大橡胶材料是天然橡胶（NR）。天然橡胶是通过将橡胶树中采集而得的新鲜胶乳经过处理和加工，制成浓缩胶乳或干胶。由异戊二烯通过共价键组成的橡胶烃是天然橡胶的主要组成。天然橡胶弹性优异，还具有较高的机械强度，耐屈挠性、透气性、电性能及工艺加工性能。
天然橡胶凭借其突出的综合性能，被广泛用于轨道交通减振的各种材料中。Yoshiharu等[5]采用NR和氯丁橡胶（CR）共混制成减振橡胶，硫化促进剂选择性地促进其中的NR硫化，使得CR组份发挥减振橡胶的减振特性；采用NR和丁基橡胶（BR）为基础胶料[6]，共混炭黑、二氧化硅、石油树脂制备得到组合物，其具备高阻尼性能而不会影响材料的耐低温性能和机械性能，可用于防震减振功能。Nishiue Takeshi等[7]将NR和含有不饱和键的顺丁橡胶以及碳原子数大于4的含有羟基基团有机酸的金属盐与添加剂混合制成减振材料，具备宽温度范围内的耐久性和优良的阻尼性能，可用于车辆、建筑的减振吸音功能。
袁博[8]采用天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶为基体材料，制备了轨道车辆用减振阻燃橡胶制品，产品配方合理、质量较高、阻燃性能好，燃烧后烟气密度和毒性均符合相关标准，且因为加入了C5树脂而具有良好的热稳定性和耐候性。物理性能符合欧洲标准EN 13597-2003《铁路应用橡胶悬挂元件空气悬挂弹簧橡胶膜板》要求，阻燃性能符合法国标准NF F 16-101《铁路车辆防火性能-材料的选择》要求。
总体来说，天然橡胶由于突出的是弹性、耐寒性及加工性能，滞后损失又小在减振降噪领域广泛使用。实际使用过程中常常与其他橡胶进行复配以实现其他性能互补。
2.三元乙丙橡胶
三元乙丙橡胶（EPDM）在轨道交通用聚合物材料中使用量也很大。EPDM是乙烯、丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物，因其主链是由化学性能稳定的饱和烃构成，只在侧链具有不饱和双键，因此其呈现出高度的化学稳定性，耐热性、耐候性、耐臭氧性等耐老化性能优越，同时电绝缘性优良，但粘结性、耐油性较差，且拉伸强度通常不足18.0MPa。
吕庆等[9]选用三元乙丙橡胶为基料制备轨道车辆用挤出型阻燃环保减振垫，所采用的三元乙丙橡胶能够在提高分子量的同时保持窄的分子量分布，从而保持好的抗变形塌陷性，产品硫化形状保持良好。复合阻燃剂中不含欧盟的ROHS和REACH指令中规定的任何限用危险物质和38种高度关注物质（SVHC）；不仅阻燃环保，而且生产工艺简单，生产效率高，减振效果好，安装方便。
徐红岩[10]通过选择三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、聚烯烃热塑性弹性体（POE）复配作为橡胶相的方式进行动态硫化，利用丁苯橡胶的高强度和聚烯烃热塑性弹性体的低成本特性制备出性能满足轨道交通路轨用绝缘缓冲垫要求，而且成本低的新材料。
蒋金洋等[11]以三元乙丙橡胶为基体，窄粒度分布的高性能压电陶瓷为功能相，加入压电相可以提高复合阻尼材料的玻璃转化温度Tg，拓宽了其有效温域（拓宽了0.4～5.1℃）（tgδ≥0.3），最大损耗因子tgδ高达0.84501，提高了复合材料的热机械稳定性，可应用于轨道交通工具的减振降噪工程。
三元乙丙橡胶与丁基橡胶并用可以明显改进低温和高温性能，与氯化丁基橡胶并用能改善耐臭氧性能，与丙烯并用可制共混型动态硫化热塑性弹性体，与乙烯并用可改进胶料的力学性能，与聚氯乙烯、聚丙乙烯等并用可改进冲击强度等性能。由此可见，三元乙丙橡胶作改性剂有着广泛的用途。
3.其他橡胶材料
合成橡胶的品种繁多，按照性能和用途有通用合成橡胶和特种合成橡胶之分。通用合成橡胶有：丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、聚异戊二烯橡胶、丁腈橡胶等。特种合成橡胶则包括：硅橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚硫橡胶等。目前应用到轨道交通减振领域的主要为通用合成橡胶，其性能与天然橡胶比较接近，物理机械性能和加工性能较好。
Toshiaki等[12，13]采用异戊二烯苯乙烯嵌段共聚物与溴化对甲基苯乙烯-异丁烯共聚物混合，前者不能硫化，后者可以硫化，混合比例80：20至25：75，混合材料兼具具有良好的减振性能和减振稳定性，同时还具有耐氧化和耐臭氧化性能。
高新文等[14]研发了一种轨道车辆减振用耐-50℃以下低温的胶料组合物，使用液体聚异戊二烯橡胶和乙丙橡胶共混，通过低分子量的液体聚异戊二烯橡胶降低了共混胶料的玻璃化转变温度，又因加入非结晶乙丙橡胶打破了液体聚异戊二烯橡胶原有的规整度从而解决了胶料在低温下结晶问题，有效地提高了胶料的耐老化性能（热空气老化和臭氧老化性能）和耐低温性能（低温脆性、压缩耐寒系数和吉门扭转）。
Masashi等[15]将溴化乙烯基共聚物橡膠与NR以及异丁烯橡胶共混得到具有很好的耐热老化、抗拉伸疲劳和臭氧裂解性能的减振橡胶材料，该材料在90℃处理1 000h后，拉伸强度保持62%，压缩永久变形保持39%；Wang Xiaorong等[16]在充分干燥的条件下，将芳香烯烃与马来酰亚胺的共聚物再与马来酸化的烷基烯烃和烷基双胺接枝，再将接枝产物与橡胶、填料或添加剂混合，其中含量为每100份橡胶中含有0.5～200份接枝产物，每100份接枝共聚物和橡胶混合物中含有0.5-350份无机填料或添加剂，所得阻尼材料拉伸性能、断裂伸长率、剪切强度和减振性能均有增强；Kentaro等[17，18]通过芳香乙烯基单体和丁二烯共聚物形成的减振用绝缘橡胶材料具有很好的防止振动和防止噪音的特性；同时这种材料还具有很好的屈挠疲劳性能；Okada等[19]采用乙烯、芳香族烯烃、非共轭烯烃以一定的摩尔比共聚得到衍生物，再与软化剂、填料、硫化处理剂混合得到橡胶共混物，所得减振橡胶的力学性能、耐热性、耐老化性能、减振性能和耐屈挠疲劳性能上都具有很好的表现。
周祚万[20]采用在橡胶胶料中加入氧化锌晶须以实现脚垫刚度的降低，所得结构为四针状，平均长度约15μm，根部直径约为0.6μm，使用前使用偶联剂进行预处理。所得材料的刚度保持比60-10-11型胶垫更高，实际减振效果则较60-10-17型胶垫更为优异。
4.发泡材料
用于轨道交通阻尼材料的还有发泡材料，主要包括聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯等软质与硬质泡沫塑料。在这些材料中，聚氨酯材料的应用最广泛。
聚氨酯同时兼具塑料材料的高硬度性能以及橡胶材料的高弹性，以其为基础制成的产品包括泡沫塑料、弹性体、涂料、弹性纤维、胶粘剂、人造革/合成革、水性聚氨酯等，凭借其耐磨性好、强度高、伸长率高和使用寿命长的特点，在轨道交通的防振降噪、涂料、封装和车体装饰等方面都能广泛应用。聚氨酯微孔弹性垫片已在日本新干线、韩国高速铁路、德国高速铁路以及上海地铁上得到应用，其减振效果较好，显著降低了振动和噪音对城市居民以及铁路附近建筑的危害，提高了列车在高速运行中的安全系數。
严为群等[21]开发出聚氨酯（TPU）、热塑性聚酯（TPEE）及动态交联聚烯烃（PP/EPDM）3种微发泡热塑性弹性体微发泡片材用作铁路垫板，采用闭孔发泡，垫板的承力性能、回弹性能都良好。吴恒祥等[22]采用热塑性聚氨酯弹性体为主料，优化配比偶氮二甲酰胺、氧化锌和白油后注射成型为表层密实，中间为泡沫的夹心结构，制备了轨道交通弹性体夹心泡沫垫板。产品不但具有较高的机械性能，减振、降噪效果理想，且节约原材料。同时表层密实，可以预防外界潮湿、化学物质、生物和灰尘的侵蚀，综合性能与实体弹性体相近。
徐奎忠[23]开发了一种轨道交通用增强复合材料轨枕，其采用包核结构，即在以不饱和聚酯树脂为基体，玻璃纤维为增强材料经拉挤成型的多腔多空心结构中再次复合高密度聚氨酯泡沫使其形成补强的包核结构，从而大幅度提高了轨枕的整体性能。该产品产品强度高、使用寿命长、耐腐蚀、绝缘性能好、耐候性强、耐疲劳、成本低，具有高弹性模量、高耐弯曲性和较好增补强作用，解决了轨道区域产生的振动影响及噪音污染。其结构示意图参见图5。
赵炜[24]研发了一种多层结构的铁路轨枕，轨枕本体由复合材料制成，该复合材料由发泡成形的聚氨酯树脂及配置于该聚氨酯树脂中的多个玻璃纤维制成；由复合材料制成的该铁路轨枕密度低、质量轻、不易腐朽、寿命长、性能稳定、电绝缘性好，同时具有木枕的弹性和钢枕、混凝土轨枕的刚性；容易加工和安装；维护方便，材料可回收利用；同时其综合成本较低，具有良好的经济效益。
三、结语
国务院2016年11月29日发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确提出：要强化轨道交通装备领先地位。其中，需要不断提升轨道交通设备的智能化、轻量化、绿色化、系列化发展，在技术、工艺和材料等方面完善更新，研发更为先进可靠的系列产品，对相关技术标准体系加以完善，建立现代轨道交通设备产业的开拓创新体系。在“一带一路”建设、京津冀协同发展、长江经济带建设的区域化发展战略要求下，轨道交通建设的重要性非常引人瞩目。
作为轨道交通发展过程中的重要环节，减振降噪材料的创新与改进值得相关领域的研究人员重点关注。其中，聚合物材料以其质量轻、弹性好、综合性能优异的特点在这类材料中占据着举足轻重的地位，从提升质量、扩大生产、降低成本的角度合理开发减振降噪用聚合物材料，将有益于提高我国聚合物新材料在轨道交通等制造业领域的整体水平。
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作者：李蔚慰 杨芳
橡胶车轮城市轨道交通论文 篇2：
弹性车轮在城市轨道交通车辆中的发展与运用
摘要：城市轨道交通作为一种快捷、舒适、节能、环保、安全的交通工具已越来越受到人们的青睐，但由于车辆运行时产生的噪声及振动也使城市轨道交通车辆面临严峻的挑战。目前，针对弹性车轮的研究也在不断发展深入，通过对弹性车轮的发展背景与结构分类的论述，介绍了弹性车轮在轻轨车辆上的主要优点，并详细论述了弹性车轮在降噪减振、有限元强度分析、车辆动力学以及轮轨磨耗方面的研究现状。以国内外低地板轻轨车辆为例，介绍了弹性车轮在城市轨道交通中的发展及运用，并论述了弹性车轮在中国轻轨车辆上的运用前景以及弹性车轮今后的研究方向。
关键词：车辆工程；低地板轻轨车辆；弹性车轮；有限元；动力学
随着城市规模的扩大、经济的发展，汽车在城市中的数量急剧增加，严重加剧了城市交通拥堵、噪声污染及尾气排放污染。作为一种快捷、环保、节能、舒适、安全的交通方式，城市轨道交通已广泛受到人们的青睐。由于城市中客运要求不断增长，城市轨道交通已逐步成为城市规划和建设的重点，但由于城市轨道交通车辆运行时产生的噪声以及轮轨间所产生的磨耗，致使城市轨道交通的运营和推广面临严峻的挑战[1]。
车辆运行时噪声的产生及钢轮钢轨的疲劳破坏的关键因素在于轮轨间的相互作用力。由于线路不平顺激扰，车辆在运行过程中随着簧下质量的增加轮轨间的作用力增大，故应在保证车辆稳定运行的情况下，尽可能降低簧下质量。弹性车轮是在轮箍和轮芯之间镶嵌一个弹性元件，轮箍与车轮弹性装配在一起，则大幅降低了簧下质量[2]，从而降低车辆在运行过程中产生的轮轨间作用力，轮对上非弹性构件的振动也随之降低，磨损减少，同时由于线路不平顺激扰所产生的噪声降低。由于这些优点，弹性车轮在国外轻轨低地板有轨电车、地铁车辆、城际列车上得到了广泛应用[3]。
1弹性车轮的发展背景及分类
1.1弹性车轮的发展背景
轨道车辆用橡胶弹性车轮设计方案可以追溯到1880年，但由于当时对橡胶特性的研究匮乏，弹性车轮的研制一直处于试验阶段。直到1950年，第一个嵌有橡胶缓冲垫的商用车轮（橡胶弹性车轮）由美国HERSCHFELD研制出来，其主要目的是降低有轨电车质量，增大车辆的加速度及减速度，增强有轨电车与汽车的竞争力[4]。之后，由于HERSCHFELD等的不断研究与改进，弹性车轮最终获得了认可。自此，弹性车轮在世界范围内得到广泛的发展与应用。
1.2弹性车轮的结构与分类
图1各种弹性车轮结构（E为弹性材料）
Fig.1A variety of resilient wheel structures （E is an elastic material）
弹性车轮在国外许多低地板车辆中得到不同程度的引用，其中应用在世界各地的弹性车轮结构如图1所示。
弹性车轮种类繁多，按其承载方式的不同可分为3种类型：受压型、受剪型、压剪复合型[56]，如图2所示。
图23种橡胶弹性车轮结构示意图
Fig.2Three kinds of elastic rubber wheel structures
一般来说，要求弹性车轮具备较大的径向挠度和较小的轴向挠度。但由于很难匹配受压型弹性车轮的横向刚度和径向刚度，现已很少使用。同时，普遍认为弹性车轮的减震效果随着垂向静挠度的减小而增大。而受剪型弹性车轮径向弹性较大轴向弹性较小，曾被广泛使用[7]。压剪复合型弹性车轮是指在车轮由于受到轮轨间冲击力及垂直载荷作用，橡胶弹性元件产生剪切和压缩变形。压剪复合型弹性车轮橡胶元件呈V形布置，具有一定夹角。V型角度的改变会使剪切力和压缩力的分配发生变化，即能做到合理的匹配轴向刚度与径向刚度，且压剪复合型弹性车轮结构简单，检修方便，这种形式已在弹性车轮中广泛采用[8]。
压剪复合型橡胶弹性车轮又可分为橡胶块式压剪复合型橡胶弹性车轮和橡胶环式压剪复合型橡胶弹性车轮[9]，如图3所示。
图3压剪复合型橡胶弹性车轮
Fig.3Compression and shear combined elastic wheels
1.3弹性车轮的优点
由于在城市中开设的轨道线路路基基本为混凝土结构，且线路曲线半径相对较小，刚性较大，所以在车辆运行时会产生较大的冲击振动和噪声，同时也会加速轮轨磨耗[10]。采用弹性车轮则能明显降低轮轨噪声和轮轨间动作用力。弹性车轮在轮芯和轮箍之间加装弹性元件，由于弹性单元的弹性和阻尼特性，相当于弹性车轮的单自由度质量、弹簧阻尼系统代替了原来的单质量系统，这样不仅降低了轮轨动作用力，车轮和轨道振动幅值也相应减小，而且也削弱了轮轨间所辐射的噪声。值得强调的是橡胶弹性车轮基本上消除了刚性车轮通过曲线时的尖啸声。用橡胶来吸收高频振动、缓和冲击降低噪声并改善轮轨的摩擦；通过橡胶的弹性变形，使车辆通过曲线和道岔时，轮缘和钢轨的摩擦力大大降低，改善轮缘磨耗[11]。
2弹性车轮研究现状
2.1弹性车轮的降噪研究
一直以来，对弹性车轮在降低噪声方面的研究已达到相当深入的水平。
同济大学赵洪伦[12]等通过对刚性车轮和弹性车轮振动模态及频响函数分析，研究了弹性车轮的降噪机理，通过刚性车轮与弹性车轮的噪声对比试验，验证了弹性车轮在改善频谱特性和缩短噪声衰减时间方面的减噪优良性能。
郭晓晖[13]等通过对橡胶弹性车轮的常见结构和应用特点的分析，进行了橡胶材料、刚度和噪声降低对比试验。结果表明，在改善车轮噪声的频谱特性，尤其在高频噪声的衰减方面，弹性车轮具有良好的优越性，在实际应用中能有利地消除列车通过曲线时的尖啸声，而且弹性车轮轴向和径向刚度的合理匹配可以通过改变橡胶V型夹角的角度来实现。
柳州机车车辆厂的丁振宇[14]等通过基于LabVIEW平台的轮轨噪声测试及后处理软件，测量了不同方向激励下承剪型弹性车轮和刚性车轮的车轮噪声，通过对比，研究了承剪型弹性车轮的噪声特性。结果表明，弹性车轮能极大地缩短噪声的衰减时间，可以很好地改善噪声的频谱特性。
2.2弹性车轮有限元分析及动力学研究
近年来，对弹性车轮的研究不仅仅只停留在降低轮轨冲击和噪声的研究领域。为使弹性车轮能在城市有轨电车中得到更好的应用，更好地完善其降噪的特殊性能，近期开展的工作已把目光转向了弹性车轮的有限元分析和动力学研究。
2.2.1弹性车轮有限元分析研究
日本铁道综合研究所（RTRI）对几种类型的弹性车轮进行了轮对落放试验，然后对比了刚性车轮和弹性车轮分别在130 km/h 和300 km/h时运行速度下的性能，并研究了不同试验下的轨道动态作用情况。结果表明，刚性车轮与弹性车轮动载荷之比值基本一致，大约是0.8[15]。
西南交通大学张乐[16]利用Hypermesh软件建立弹性车轮的有限元模型，如图4所示，并通过利用ABAQUS软件完成弹性车轮的模态计算，如图5所示弹性车轮整轮在6阶模态时的振型。分析了轮辋、轮芯和车轮整体的模态，比较和研究了不同振型模式下各部分的固有频率，相同振型模式下的固有频率范围，以及车轮整体振型模式和固有频率与各部分零件的振型模式和固有频率的关系。通过有限元计算，验证了橡胶弹性元件的结构和材料性能是影响弹性车轮刚度特性的决定性因素。
图4弹性车轮有限元模型
Fig.4Finite element model of the resilient wheel
图5弹性车轮整轮在6阶模态时的振型
Fig.5Vibration mode of the whole resilient wheel in the sixth modal
黄彪[17]等采用ABAQUS软件建立橡胶的mooneyrivlin本构模型以及整个弹性车轮的有限元模型，并对其进行了非线性有限元分析及疲劳强度的校核，如图6所示。最后的仿真结果表明，各部件在运营组合工况下的危险界面点均落在Goodman曲线内，且裕量充足，由此说明采用橡胶块结构的弹性车轮结构设计合理，并且能良好地满足轻轨车辆的使用要求。
图6各工况下部件应力云图及变形云图
Fig.6Stress contours and deformation nephogram of the unit under every condition
王洋[18]通过建立弹性车轮轮轨三维热接触耦合有限元模型，研究了在运行过程中弹性车轮受轮轨接触温升的影响程度。通过以对流换热和整体流入热流的计算模型为基础的传热计算方法，分析车辆在全滑制动、蠕滑制动、运行3种工况下对弹性车轮附近温度分布，如图7—图9所示，分析结果表明弹性车轮在长时间平稳运行和滚滑制动过程中，弹性车轮各部件的平衡温度均在材料的许用温度范围内；当车辆在高速紧急制动全滑过程中，轮轨温度急速增加，将导致踏面磨损并加速车轮弹性元件老化[18]。
图7车轮高速全滑制动轮轨及
弹性元件温度分布
Fig.7Rail and elastic element temperature distribution under slip braking of highspeed wheel
图8车轮高速蠕滑制动轮轨及
弹性元件温度分布
Fig.8Rail and elastic element temperature distribution under creep braking of highspeed wheel
图9车轮高速无制动运行轮轨及
弹性元件温度分布
Fig.9Rail and elastic element temperature distribution under no braking of highspeed wheel
2.2.2弹性车轮动力学研究
图10弹性车轮动力学模型
Fig.10Dynamics model of resilient wheel
西南交通大学郭文浩[19]和邢璐璐[20]等均利用SIMPACK动力学仿真软件建立了弹性车轮的动力学模型，如图10所示，并在此模型基础上优化了对弹性车轮橡胶元件的径向和轴向刚度的匹配，利用优化后的参数对弹性车轮橡胶元件的刚度、阻尼以及车辆运行速度三者之间的关系进行研究，通过设置不同的线路激扰，改变车辆运行速度分析，比较了两种模型的动力学性能，之后分析研究了采用弹性车轮的城市轨道车辆的运行稳定性、运行平稳性以及曲线通过性能；通过对比刚性车轮与弹性车轮轴箱处的振动加速度级，考察弹性车轮在降低噪声方面的优越性，并分别研究了弹性车轮的轮轨尖啸噪声和轮轨滚动噪声。仿真结果表明，弹性车轮在降低轮轨噪声和在减小轮轨动作用力等方面具有很大的优越性且具有广泛的应用价值及研究前景。
南车四方机车车辆股份有限公司的孙明昌[21]等建立了弹性车轮车辆轨道垂向耦合系统动力学模型，并推导了该耦合模型的振动微分方程。通过输入脉冲型激扰，对弹性车轮车辆轨道垂向耦合系统进行了轮轨力及轮轨接触应力的动力学仿真，并与刚性车轮车辆进行对比分析。仿真结果表明弹性车轮在轮轨力、轮轨接触应力等方面都优于刚性车轮，且两者的最大者与弹性车轮的橡胶刚度关系不大。
目前，弹性车轮的动力学研究主要停留在轮对的横向和垂向振动，以及其整车的运行稳定性及曲线通过性能等方面。虽然国内外学者对弹性车轮展开了较多的理论和试验研究，但其中一个问题长期以来未受到重视，那就是弹性车轮的纵向振动问题。目前对车轮纵向振动的研究都集中在刚性车轮上，而以前的研究表明，机车的纵向振动会使车轮出现踏面剥离等异常行为，严重影响行车安全。而弹性车轮中轮芯和轮箍之间的弹性元件使得车轮纵向振动行为更加复杂，且弹性车轮必然成为以后城轨车辆的发展方向，所以对弹性车轮的纵向振动行为展开研究具有重要的工程应用价值。
2.3弹性车轮轮轨磨耗研究
图11弹性车轮与整体车轮轮缘磨耗比较
Fig.11Flange wear comparison of the overall wheel
and elastic wheel 橡胶弹性车轮的橡胶弹性元件使其轴向、径向和周向上均有一定弹性，因此，与整体车轮相比，踏面磨耗和轮缘磨耗都有较大幅度的降低。与整体车轮踏面磨耗比较如图11所示，轮轨寿命可提高20%～40%。橡胶弹性车轮可降低轮轨磨耗，延长维修周期。弹性车轮磨耗到限时，通过更换轮辋，不需要更换轮芯，从而降低维修费用，提高维修效率[22]。
3弹性车轮在城轨车辆上的应用
3.1Sirio有轨电车
Sirio系列绿色节能现代有轨电车是由意大利安萨尔多百瑞达公司自行研发制造的低地板现代有轨电车，已在世界各大现代都市运行。
Sirio系列采用V型弹性橡胶车轮如图12所示，以减少噪音和地面传播的振动。车轮均采用了在轮辋上设置固定孔，以便在有需要时，减少通过曲线时的尖啸和滚动噪声，另外在车轮上还安装了额外的噪音吸收器。在Sirio上应用的弹性车轮对其弹性变形进行了优化，保持转向架的轴向限定，从而提高了车辆行驶的舒适性，降低对环境的声学污染，同时，提高了该车辆部件和车轮本身的寿命[23]。
3.2SGP ULF电车
ULF（ultra low floor）型超低地板城轨车辆入口处的地板面高度为210 mm，采用独特的门式无共用轴独立旋转车轮迫导向径向转向架。运行在奥地利维也纳的ULF超低地板城轨车辆，其车辆长度为24 200 mm，宽2 400 mm，高3 320 mm，最大轴重小于12 t，牵引功率6×80 kW，最高速度70 km/h[24]。
ULF型超低地板城轨车辆同样采用V型橡胶块式弹性车轮，以达到减小轮轨冲击和降噪的目的，如图13所示。
图12Sirio橡胶弹性车轮
Fig.12Sirio resilient wheel
图13ULF弹性车轮
Fig.13ULF resilient wheel
3.3TATRAT3有轨电车
TATRAT3是由捷克共和国著名的卡车制造厂TATRA生产的，在整个前东欧国家都曾享盛誉。为了改进弹性车轮的质量、降低维修成本和提高其强度，Bonatrans公司采取了不同于其他弹性车轮结构的设计方案。另外，Bonatrans公司设计生产的弹性车轮中未使用任何销子或螺栓等连接元件，从而增加了车轮辐板部位的空间，可以用于如盘形制动器等其他附件的安装。简化维修的同时，可以在不拆卸转向架的情况下，可以直接更换磨损的轮箍[25]。
1997年Bonatrans 公司获得弹性车轮相关的研发成果，并且在当时由Bonatrans 公司设计和制造的第一个弹性车轮用于T3型有轨电车，该型有轨电车是由捷克共和国CKD公司制造、Ostrava运输局运营，如图14所示。
图14TATRAT3橡胶弹性车轮
Fig.14TATRAT3 resilient wheel
3.4DL6W型系列轻轨电车转向架
DL6W型转向架设计采用压剪复合弹性车轮，橡胶元件独立设计制造，将V型橡胶模块嵌于轮箍、轮芯及轮环之间，无须将橡胶元件与金属硫化在一起。更换橡胶元件或维修时无须退轮，使得维修更加方便[26]。DL6W型弹性车轮设计方案如图15所示。
图15DL6W型橡胶弹性车轮
Fig.15DL6W resilient wheel4弹性车轮在中国的发展与运用前景
长久以来，国产铁路机车车辆、地铁车辆和轻轨车辆仍然是采用刚性车轮，城市轻轨交通虽然正在大力发展，但由于起步时间晚，对环境污染的严重性尚无切身体会。但在国外，对于环境质量要求高的城轨交通中，弹性车轮已基本普及应用于城市轨道低地板车辆中。
中国弹性车轮的发展已在逐渐起步当中。20130815，中国首个现代有轨电车网——沈阳浑南新区现代有轨电车网开始载客试运营，它是由中国北车承建，并于9月15日正式运营， 整个路网由4条线路组成，线路总长约60 km，共设车站67个，其载客量高于快速公交，没有尾气排放，且弹性车轮的应用降低了沿线的噪声污染。20140402，南车戚墅堰机车车辆工艺研究所成功中标41列低地板轻轨车弹性车轮订单，成功实现了中国国内弹性车轮的首次出口。该41列低地板轻轨车辆将运用于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴的轻轨线路，以提高位于此处的非盟总部的交通便利。南车戚墅堰所研制的新型压剪复合型块式橡胶弹性车轮外形尺寸更加精巧，可以实现600 mm以下的超小轮径，使车内地板更加接近地面，以方便乘客上下车；车轮结构采用模块化设计，可以满足70%和100%低地板车的不同需求；使用该弹性车轮的车辆可降低约20 dB的运行噪音以及约30%的车辆振动，能够大幅提高乘客的舒适性，弹性车轮在城市轨道车辆的发展中起着关键作用。
现代有轨电车线路造价是地铁的1/8到1/4，工期是地铁的1/4到1/2，载客量远高于快速公交，具备投资少、工期短、节能环保、绿色智能等特点，所以有轨电车势必成为未来城轨交通的发展方向。如今北京、长春、南京、广州、深圳等地有轨电车已投入运营，而为了改善城轨交通噪声的污染，弹性车轮也必将成为低地板有轨电车的发展方向。
目前，针对弹性车轮的研究主要包括降噪机理、动力学性能研究和有限元强度分析，未来在中国城市轨道车辆上广泛推广弹性车轮的应用，需进一步进行以下研究和展望：
1）弹性车轮对橡胶元件的轴向刚度和径向刚度的匹配优化的研究；
2）基于弹性车轮轴箱处振动加速度级、声级或能量级的比较分析对其噪声辐射的研究；
3）基于橡胶材料的非线性特性，弹性车轮动态刚度的粘滞特性对车辆动力学影响的研究；
4）随机载荷工况下，弹性车轮疲劳强度或疲劳寿命的研究；
5）根据橡胶非线性特性，针对车轮刚度和强度的理论分析与实验验证的研究；
6）基于弹性车轮纵向振动对车辆系统动力学影响的研究。
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2015年2月Journal of Hebei University of Science and TechnologyFeb.2015
作者：文娟 李芾 丁军君 李刚
橡胶车轮城市轨道交通论文 篇3：
山海城市中小运量轨道交通系统适应性分析
摘 要：近年来中小运量轨道交通系统在国内发展迅速，各种制式特点不一，所适用的场景也不尽相同。以深圳市盐田区为例，结合盐田城市及交通发展现状以及未来的发展趋势和挑战，对目前既有可供选取的中小运量轨道交通系统制式进行综合对比分析，与盐田自身城市空间特点和客流走廊需求规模进行匹配，提出适合盐田发展的中小运量轨道交通系统制式。
关键词：中小运量;轨道交通;系统制式;适应性
0 引言
目前，国内中小运量轨道交通系统快速发展，不同制式不断涌现，许多学者对其发展思路和功能定位进行了研究。程爽以深圳为例，分析了中小运量轨道交通的功能定位和制式选择，着重对空铁和智轨在深圳的适应性进行了研究[1]。管卫华等以南京为例，对南京发展中小运量轨道交通系统提出了思路[2]。
总之，目前对山海城市中小运量轨道交通系统的适应性研究不足。以实际项目为依托，研究山海城市盐田的现状问题、发展趋势及挑战，比选出最适合盐田的制式。
1 盐田现状
1.1 城市现状
（1）山海资源丰富，旅游业发达。盐田是以港口物流、山海旅游为主导产业的生态型海港城区，位于深圳东部，辖区面积74.99 km?。地势北高南低，背山面海。由于山体隔离，可以分为比较独立的三个片区，西部沙头角片区、东部梅沙片区、中部盐田港及后方陆域。
2019年盐田主要景点接待游客958.73万人次，旅游业总收入首次突破百亿元大关，达101.64亿元，占区内GDP的15.5%[3]。
（2）建设用地约束。城区土地与空间资源紧张，现状建成度高，可建设用地有限。受制于生态控制，可建设用地占辖区面积35%，建成区面积23.69平方公里，占比90%。现状除东港区外可建设用地基本开发殆尽。
1.2 交通发展现状
（1）公交重复系数高，运行效率低。常规公交主要分布在沙深路、沙盐路、海景二路、深盐路、盐梅路和环梅路等主干道上，常规公交线路45条，日均客运量8.1万人次。公交线网密度3.39 km/km?，线网重复系数6.31，非直线系数1.89。
（2）慢行品质较低。除海滨栈道外，城区内慢行系统存在网络不完善、宽度窄、缺设施、路面差等問题，严重影响居民慢行出行体验。
2 盐田发展趋势与挑战
2.1 发展趋势
（1）对外和跨区交通需求增加，但内部中短距离出行仍为主要部分。随着深圳东进战略实施，东部组团加速发展，未来盐田对外交通需求会进一步增长，地铁8号线等重大交通设施建设也会促进对外出行比例提升。但内部居民日常出行对外需求不大，内部中短距离（3～9公里）出行为主体的特点不会改变。
（2）内部交通需求不断增长，出行目的多样化。区内进行大规模城市更新，常住人口快速增长和居民生活水平进一步提升，会带来内部交通需求的不断增长。同时，盐田港进行第四代港口转型，旅游发展由滨海旅游业向全域旅游升级，逐步形成产游城融合的活力空间结构，内部出行目的趋向多样化。
（3）旅游交通需求不断增长，服务品质需稳步提升。梅沙片区是深圳主要旅游景点之一，也是闻名广东省甚至全国的滨海景区，东部大鹏半岛及邻近惠州地区同样山海旅游资源丰富。盐田打造休闲旅游目的地的同时，借地理位置优势和丰富旅游发展经验欲成为东部旅游综合服务基地，作为游客一级中转地。另外深圳及其周边地区人口增长较快，收入增加和年龄结构变化，居民休闲旅游需求会继续增长，旅游品质要求也不断提升。因此盐田旅游交通供给应注重品质提升，同时保证区内慢行环境和休闲空间。
2.2 面临挑战
（1）道路交通供需矛盾突出，地铁难以发挥轨道骨干作用。盐田产业转型与城市更新引发机动化需求大量增长，而内部道路增量有限，未来地面道路压力较大，远期道路交通服务水平较低。
盐田地铁500 m覆盖率仅47%，8号线一期5个站点已于2020年开通，二期2019年开工建设，18号线为远期线路。部分地区坡度较大，受地面高峰拥堵影响，对于通勤交通，公交、慢行方式接驳地铁不便，地铁难以发挥轨道骨干作用。
（2）常规公交难以提升服务品质。常规公交是盐田现状解决内部交通的重要公共交通方式，但盐田发展常规公交存在众多制约。公交线路基本集中于主干道上，服务纵深有限，受制于土地资源，固定场站缺口率58%，设施不足，受制于道路空间，较难设置公交专用道，且部分区域地势坡度大，常规公交和慢行方式难以适应地势的要求。
（3）公共交通层次结构需完善，中短距离出行效率需提高。预计2035年区内出行量90.6万人次/日，中短距离出行仍占主导。中小运量系统中短距离直达性好、不受道路拥堵影响，能提高出行效率、提高公交吸引，从而优化出行结构、缓解道路拥堵。
3 中小运量轨道交通系统制式比选
3.1 中小运量系统制式介绍
跨座式单轨是指车辆采用橡胶车轮跨行于梁轨合一的轨道梁上，转向架的两侧有导向轮和稳定轮，夹行于轨道梁两侧的单轨交通系统[4]。
空铁是一种轨道梁由钢铁或水泥立柱支撑于空中，车辆悬挂于轨道梁下运行，走行轮和稳定轮均为橡胶轮的单轨交通系统[5]。
自动导向系统（Automated People Mover）是一种车辆采用橡胶轮胎、运行在专用轨道线路上，车轮沿着特制的导向装置行驶，车辆运行和车站管理采用先进的计算机控制来实现自动化无人驾驶和车站无人管理的交通系统[6]。
现代有轨电车系统是一种轨道铺设在路面上，采用电力驱动在轨道上行驶的轻型轨道交通系统[7]。
云巴是一种以高架敷设为主，采用橡胶轮胎，利用电力驱动技术在专用线路上实现载客的小运量公共交通系统[8]。
3.2 盐田需求与各系统制式匹配性分析
（1）需适合道路空间有限。盐田道路空间有限，按里程统计，有79%道路形式为双向两车道和双向四车道，且大部分主干道的道路红线内都已没有预留空间。因此对中小运量系统制式的占地要求较高，尽量减少对道路资源的占用。跨座式单轨、APM系统、现代有轨电车系统占用道路资源较多，难以适应盐田道路条件要求。空铁与云巴系统占地较少，较为符合盐田条件
（2）需适应山区地形。盐田道路狭窄，山地较多，高速割裂情况比较严重，因此对系统的地形适应能力要求较高。有轨电车采用钢轮钢轨，爬坡能力较差，APM系统体量较大，转弯能力较差，其他制式系统基本能满足需求。
（3）需适应盐田客流需求。根据中小运量轨道量级划分要求，中运量系统主要满足高峰小时1.0～3.0万人次/h客流需求;小运量系统主要满足高峰小时0.3～1.0万人次/h客流需求。据预测，远期3 km～9 km中短距离高峰小时出行存在3 000～7 000人次/h的客流走廊，盐田需要小运量交通系统。
（4）小结。建议盐田采用轻型、小运量公共交通方式，综合考虑盐田道路、地形条件及成本、安全性等因素及各制式特点，推荐采用空铁或云巴。
4 结语
本文以盐田为例，分析城市交通发展现状与趋势，进而分析各种中小运量轨道交通系统制式的特点，与盐田特定需求进行匹配分析，最终得出空铁和云巴在盐田的适应性最好。研究可为山海城市在发展中小运量轨道交通系统规划阶段提供思路，但在实际项目推进中，仍需结合具体线路情况，对各种系统制式进行更深入的研究。
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作者：杨向阳