城市軌道交通車輛救援運載裝置輕量化設計

王 磊

(湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412000)

0 引言

城市軌道交通車輛救援運載裝置(救援運載小車)是在地鐵發生輪對固死故障時采用的轉向架輪對臨時替代裝置，一旦正線發生轉向架輪對固死，救援人員立刻使用救援運載小車，將故障輪對托起，替代車輪轉動，使故障列車盡快駛出現場，迅速恢復地鐵線路的運行[1-2]。

目前，多數地鐵運營公司使用的救援運載小車主要由支撐板、滾動輪、滾動輪聯接軸、故障輪對支撐軸等零部件組成，其總體質量在165～268 kg。正線列車發生輪對固死故障時，救援人員應立刻從出、入站口人工搬運救援小車至列車停靠區間進行救援，其應急救援處置是否迅速、合理關系到是否會造成列車脫軌、傾覆等次生災害事故及正線是否會造成大面積晚點甚至停運事件[3-4]。城市軌道交通車輛救援運載裝置(救援運載小車)的輕量化，可以大大減輕救援人員對救援裝備搬運的壓力，也就大大縮短了輪對固死故障處理的時間，有效提高了救援效率，從而減少給乘客帶來的不便。

1 救援運載裝置設計的技術要求

城市軌道交通車輛救援運載裝置須適用當前主流A、B型地鐵，其需要滿足的技術參數主要有：承載力按軸重16 t來進行設計[5]；救援運載裝置運行速度大于等于10 km/h；結構簡單占用空間小，方便存放在救援車輛，總體質量不大于100 kg，便于搬運；救援時，易拆裝。

2 救援運載裝置輕量化設計

城市軌道交通車輛救援運載裝置輕量化設計主要從其結構和零部件材料進行優化改進，兼顧易拆卸、方便搬運、易安裝方便保存的特點。

2.1 結構設計

常見的城軌車輛救援運載裝置通常采用整體式結構類似于“日”字型的轉向架，主要由支撐板、滾動輪、長滾動輪連接軸、支撐軸、托輪、間隔套，以及若干螺栓、螺母等零部件組成[1]。使用時通過組裝將故障輪對左右車輪同時托起。 通過分析及對地鐵公司調研，本文的設計采用單個輪對獨立安裝形式的結構，主要由外立板、車輪組裝、支撐銷、內立板組成，其三維模型和二維圖如圖1～2所示。單個輪對獨立安裝的救援運載裝置結構簡單，便于搬運，拆卸后占用的存放空間小，安裝時可以對故障輪對的左、右車輪同時進行安裝，節約了安裝時間，提高了救援效率。

圖1 城軌車輛救援運載裝置三維模型

1—外立板；2—車輪組裝；3—支撐銷；4—內立板。

2.2 材料選型

城軌車輛救援運載裝置輕量化設計除了對其結構進行改進，還可以對其零部件材料進行優化。本文選取合適的零部件材料實現了城軌車輛救援運載裝置輕量化設計，其質量為48.6 kg一套(2套為一對進行使用)，材質見表1。其中，內立板、外立板和支撐銷采用添加了微量鈧及其他稀土元素的7A48高強鋁合金，具有高強度、高延展性、優良焊接性和可擠壓成型等特點[6]。

表1 城軌車輛救援運載組成及質量

支撐銷車輪踏面支撐部分形狀采用60 kg/m型號軌頭輪廓，具有與地鐵車輪踏面相適應的外形，可以在提供足夠支撐的同時改善車輪和救援運載裝置的接觸條件。車輪組裝由車輪、車軸、軸承組成，如圖3所示。其中，車輪為整體鍛造合金鋼車輪，滾動圓為φ160 mm，輪輞寬度為130 mm，踏面形狀采用磨耗型踏面，車軸采用高強度合金鋼EA1N[7]，軸承采用自密封結構的雙列圓錐滾子軸承，可以承受徑向力和軸向力，其基本額定載荷及極限轉速滿足設計載重和速度要求。

圖3 車輪組裝

2.3 安裝運用

城軌車輛救援運載裝置主要由內外立板、車輪組裝、支撐銷、螺母墊片等組成。不使用時，分解存放在救援設備車輛的專用存放箱內；使用時，由救援人員按零部件分開搬運至救援現場。由于其結構簡單、零部件質量輕，可以大大提高搬運效率。安裝時，首先將被救援車輛的故障輪對進行頂升，使救援運載裝置有足夠的安裝空間，然后將外立板和支撐銷組裝起來，并和車輪組裝在一起放置在故障輪對(以單個車輛車輪為例)下方，接著安裝內立板，最后安裝螺母墊片并檢查緊固，如圖4所示。

圖4 城軌車輛救援運載裝置安裝

3 救援運載裝置強度校核

3.1 有限元模型

城市軌道交通車輛救援運載裝置強度校核載荷工況主要依據其承載地鐵車輛軸重和實際運用工況來確定。綜合考慮城軌車輛救援運載裝置實際情況、計算精度以及計算量，將城軌車輛救援運載裝置模型整體離散成實體單元，螺栓聯接采用梁單元模擬，具體如圖5所示。

圖5 城軌車輛救援運載裝置有限元模型

3.2 強度校核

對于強度分析，城軌車輛救援運載裝置各點Von Mises應力均不得大于材料的屈服強度極限。計算結果見表2。城軌車輛救援運載裝置最大von Mises應力為294.71 MPa，出現在車軸端部，沒有超過EA1N材質的屈服極限550 MPa[7]，應力分布如圖6所示。

表2 城軌車輛救援運載裝置計算結果 單位：MPa

圖6 城軌車輛救援運載裝置應力云圖

立板的最大von Mises應力為105.847 MPa，支撐銷的最大von Mises應力為220.206 MPa，均沒有超出高強度鋁合金的屈服極限480 MPa[6]。城軌車輛救援運載裝置強度滿足設計要求。

4 結語

城市軌道交通車輛救援運載裝置通過改善其結構以及優化零部件材料可以得到輕量化設計，整體重量約為100 kg(2套為一對)，輕量化的城軌車輛救援裝置可以很大程度上減小救援人員對救援裝備搬運的壓力，縮短了故障處理的時間，有效提高救援效率，減少了故障影響。