橡胶车轮城市轨道交通论文

2022-04-25

摘要：本文对城市轨道交通车辆中的应用的弹性车轮进行了分析及探讨。弹性车轮由于内部加入了弹性隔层，减小了簧下质量，进而降低了城市轨道交通车辆运行过程中产生的振动及噪音并提升旅客的舒适性。下面是小编为大家整理的《橡胶车轮城市轨道交通论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

橡胶车轮城市轨道交通论文篇1：

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2：

弹性车轮的结构特点及应用研究

摘要：本文对城市轨道交通车辆中的应用的弹性车轮进行了分析及探讨。弹性车轮由于内部加入了弹性隔层，减小了簧下质量，进而降低了城市轨道交通车辆运行过程中产生的振动及噪音并提升旅客的舒适性。

关键词：弹性车轮;轨道交通;减振降噪

Key words： resilient wheel;rail transit;vibration and noise reduction

0 引言

随着城市经济的快速发展，人们对出行需求的增加，传统的公共交通方式已经不能满足城市发展的要求，为缓解城市交通压力，减少交通拥堵，越来越多的城市开始发展轨道交通。轨道交通具有方便、环保、节能、舒适、安全等特点。但是车辆运行中所产生的振动和噪音对线路附近居民的生活和工作带来一定的困扰。因此，有效抑制城市轨道交通车辆的噪音和线路振动至关重要。为了解决这一问题在欧洲、澳大利亚等发达国家地区普遍采用弹性车轮。整体辗钢轮是由踏面、轮辋、轮缘、辐板、轮毂及轮毂孔构成，并成一体。与普通轨道交通车辆的整体辗钢轮相对比，弹性车轮并不成一体，而是在轮箍与轮心之间加入了一层橡胶体，因此能够有效的降低轮轨之间的作用力，减小轮轨噪声及振动，在国内外很多城市轨道车辆上也逐渐开始采用[1]。

軌道交通车辆的轮对和轴箱装置均属于簧下质量。如果簧下质量过大，线路不平顺所引起的轮轨之间作用力也会增加，在保证车辆安全运行的前提下，应该尽可能地减少簧下质量来降低轮轨作用力，对比机车及动车组车辆采用的空心车轴方式来降低簧下质量，轨道交通车辆采用弹性车轮来解决这一问题。弹性车轮内部由于加入了弹性橡胶材料，可以明显减少簧下质量并提供阻尼特性。因此其弹性体能够有效降低由线路不平顺所产生的振动和噪声。

1 弹性车轮的特点

与整体辗钢轮相对比，弹性车轮加入了橡胶材料后所表现的特点主要体现在以下几个方面：

1.1 优点

①能够降低车辆本身的振动以及对轨道附近建筑物产生的噪声。②能够降低车辆与轨道之间产生的横向和垂向的动态载荷。③降低车辆的簧下质量。④减小车轮之间的磨耗。⑤车轮磨耗到限后，对车辆进行检修时只需更换轮箍而不是替换整个车轮，降低了车辆的全生命周期运用成本。⑥对轮对进行检修时，车轮不需要从车轴上退卸，只需通过分开轮箍、橡胶体及轮心即可对故障进行相应处理，避免由于退卸而导致的轮座损伤。

1.2 缺点

①由于不是整体轮，结构更加复杂，制造成本更高。制造流程及制造工艺更为复杂。②车轮整体强度将会降低。由于使用了橡胶元件的车轮不再是一个整体，并且各部件组成安装时需要使用螺栓进行紧固，导致孔边的应力容易集中，强度降低。所以在设计弹性车轮时对强度、刚度、安全性、可靠性和寿命的要求更高。③车轮容易偏心。如果车辆长时间停留不动，而橡胶材料本省具有蠕变的特性，此时就会造成轮心相对轮箍下沉，造成车轮偏心[2]。④对轴重的要求更高。弹性车轮内部加入的橡胶体的刚度与整体车轮的不同，因此它的发展和应用受到的制约条件更多。

2 弹性车轮的结构

弹性车轮的结构包括与轨道直接接触的轮箍，提供阻尼特性的弹性体，与车轴直接接触的轮心，将弹性体紧固在轮箍和轮心形成的腔体内并提供一定预载压力的压环，起连接固定作用并提供一定预紧力的螺栓以及保持轮箍和轮对之间电流通路的接地导线。如图1所示。

弹性车轮的主要结构形式分类通常根据其内部主要组成部件弹性体的受力状况进行分类。可将弹性车轮分为压缩型、剪切型及压剪复合型。如图2所示。

①压缩型弹性车轮。弹性体主要承受垂向压力载荷，其径向刚度远大于轴向刚度。这种弹性车轮曾经应用于非低地板有轨电车上，但其径轴刚度比匹配性较差，现在已较少使用。②剪切型弹性车轮。在运行过程中如果受到冲击载荷作用，橡胶体主要承受径向剪切载荷，轴向承受压缩载荷产生压缩变形，径向刚度低，轴向刚度高。在70～80年代，这种弹性车轮应用较多。但这种弹性车轮内部结构较为复杂，加大了制造及检修成本高，同时也不利于组装与分解[3]。③压剪复合型弹性车轮。在承受剪力的同时又能承压力作用。内部的弹性体呈V字型，节约空间的同时，通过调整使径轴刚度达到最佳匹配值。这种形式的弹性车轮兼备以上两种车轮的优点，目前使用比较普遍，它代表着弹性车轮的发展方向。

作为弹性车轮的核心部件弹性体的主要结构形式包括以下四种：①分块式：成本低，径轴刚度比调整范围宽，覆盖面广，抗迟缓性能差。②整体橡胶环式：径、轴向刚度较大，径轴刚度比调整范围较宽，抗迟缓性能一般。③整体带凸销：径向刚度小，径轴刚度比调整范围一般，抗迟缓性能优，制造成本高。④分体带凸销：径向刚度小，径轴刚度比调整范围一般，抗迟缓性能较好。

3 国内外弹性车轮的研究

3.1 国外弹性车轮的研究

美国、欧洲及日本等国是研究弹性车轮较早的国家并已取得了豐硕成果。1950年，美国的Herschfeld发明了第一个橡胶弹性车轮，并且后期对弹性车轮的减振及降噪性能进行了全方位的深入研究。1998年，日本就弹性车轮与钢之间的作用力做了大量的研究，结果表明弹性车轮与钢轨之间的作用力比普通刚性车轮减小了20%。佐藤洁等研究者也对弹性车轮的振动与噪声性能进行了整车线路上的试验。德国 BVV公司生产的压缩型弹性车轮中弹性体的轴向刚度比径向小。针对1998年发生的ICE高速列车事故，Masanobu Kubota等研究者对弹性车轮轮箍产生的裂纹进行了研究，认为橡胶元件与轮箍之间的摩擦系数会影响两者之间的接触应力。并且裂纹的产生与疲劳有关。美国及欧洲已经开始研究铝制材料的弹性车轮，德国的ICE已研究采用高性能铝制弹性车轮来进一步减小簧下质量。

3.2 国内弹性车轮的研究

我国弹性车轮的研究相对国外较晚。1969年四方车辆研究所研制了我国第一个弹性车轮[4]。由于国内弹性车轮的研究起步晚，应用的种类也不多，应用范围也没有国外广泛。目前，压剪复合型弹性车轮由于其兼具压缩型及剪切型两种弹性车轮的优点在国内被广泛应用。郭文浩等利用相应软件建立了弹性车轮整车模型，进行了动力学性能方面的分析，优化了对弹性车轮径向刚度以及轴向刚度，量化分析出弹性车轮在降低轮轨之间冲击载荷方面的优势，计算得出不同线路情况下轮轨之间作用力的变化规律，得出弹性车轮能有效降低轮轨之间作用力[5]。刘玉霞等利用有限元分析法，建立了弹性车轮模型进行滚动噪声的测试，通过仿真对弹性车轮应用于轨道交通车辆时的噪声辐射情况进行测试，并分析弹性车轮内部应用的橡胶材料的参数对振动噪声辐射的影响效果[6]。石怀龙等在考虑了橡胶件的非线性特性情况下，基于Abaqus仿真软件利用有限元方法对一种直径是660mm的弹性车轮在其组装过程中所受到的应力变化情况进行了研究分析[7]。周信建立了弹性车轮车辆与轨道耦合的动力学模型并对瞬态滚动接触的有限元模型进行分析，探究了弹性车轮径向和横向刚度对车辆动力行为的影响规律及车轮滚动接触行为[8]。

4 典型故障

对比普通轨道交通车辆的整体辗钢轮，弹性车轮由于内部加入了弹性体使轮箍与轮心分离，因此在轨道交通车辆运行过程中会产生一些典型的故障。

4.1 轮箍与轮心之间产生横向偏移

轨道交通车辆的车轮属于磨耗型，踏面具有一定的斜度，在轨道上运行时，钢轨对踏面的力可以分解成垂直轨道的力以及与轨道平行的横向力，这个横向力过大会使得轮箍与轮心之间产生横向偏移。

4.2 轮箍与轮心之间产生相对滑动

轨道交通车辆在起动或者制动过程中，车轮会受到圆周方向的扭转力矩作用，由于轮箍与轮心之间增加了一层橡胶体，而橡胶件受到力的作用时会产生弹性变形，如果弹性车轮内部元件之间的摩擦力不能完全抵抗这种变形时，就会出现轮箍与轮心之间产生圆周方向的相对滑动，进而导致车辆不能正常启动或者制动，最终影响轨道交通运输的安全[9]。因此，在设计弹性车轮时应从橡胶体的特性、车轮的结构、线路的不平顺情况、车轮试验情况等多方面进行考虑，来避免事故的发生。

5 结束语

本文对国内外弹性车轮的研究进行了阐述，并对比普通整体辗钢轮分析了其结构特点及典型故障，为弹性车轮的进一步研究提供一定的参考。

参考文献：

[1]桑平.弹性车轮滚动接触行为分析[D].西南交通大学，2018.

[2]杨阳.压剪复合弹性车轮作用下轮轨动态特性研究[D].西南交通大学，2018.

[3]范蓉平，孟光，崔银会.弹性车轮的发展与研究现状[J].机车电传动，2005.

[4]马雁翔，刘春生.弹性车轮应用与现状浅谈[J].科技与创新，2017.

[5]郭文浩，池茂儒，杨飞，孟宪全.弹性轮对对轮轨动作用力的影响[J].机械，2011.

[6]刘玉霞，韩健，周信，彭金方，肖新标，金学松.弹性车轮减振降噪特性分析[J].铁道学报，2015.

[7]石怀龙，戚援，黄彪，王建斌，郭金莹.弹性车轮压装过程仿真计算[J].大连交通大学学报，2013.

[8]周信.地铁弹性车轮的减振降噪及动态特性研究[D].西南交通大学，2019.

[9]刘锡良，白翔.弹性车轮结构及其典型故障研究[J].科学技术创新，2018.

作者：高艳艳邵敏

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。

参考文献：

[1]程爽.城市中小运量轨道交通发展规划分析——以深圳为例[J].交通世界，2020（17）：33-35.

[2]官卫华，叶斌，林小虎.中小运量城市轨道新交通系统及其在南京的规划实践[A].秦皇岛市人民政府、中国城市科学研究会、河北省住房和城乡建设厅.2010城市发展与规划国际大会论文集[C].秦皇岛市人民政府、中国城市科学研究会、河北省住房和城乡建设厅：中国城市科学研究会，2010：9.

[3]深圳市鹽田区发展和改革局（统计局）.盐田统计年鉴[M].深圳：国家统计局深圳调查队，2019.

[4]吴瑶.浅谈跨座式单轨交通的现状及发展[J].中国新通信，2020，22（12）：128.

[5]朱鹏飞.悬挂式单轨交通的发展现状与应用展望[J].现代城市轨道交通，2020（4）：96-100.

[6]Sproule William J..Automated People Movers and Automated Transit Systems 2020[M].American Society of Civil Engineers：2020-06-25.