基于导轨电车走行部定置试验台的导向轮性能研究

范海龙

摘要：导向轮是保证胶轮导轨电车安全可靠运行的关键部件之一。本文基于导轨电车走行部定置试验台，研究在不同工况下，导向轮的导向性能。测定了不同转速下轴端或踏面的温升，观察了非金属踏面的状态和相对于钢轮的噪音变化情况。研究表明：四种非金属材质的导向轮都有明显的降噪效果；尼龙1、尼龙2、橡胶三种材质的导向轮踏面不能满足试验工况的要求，出现变形或融化；陶瓷导向轮满足试验工况，且通过线路试验，可作为45号钢导向轮的替代。

关键词：导轨电车；导向轮；非金属；降噪

导轨电车是一种新型的交通工具，采用胶轮行走，单轨导向，电力牵引。车辆行驶时，震动小、爬坡能力强，且对路面的损坏程度低。为了进一步降低导轨电车的噪音，减小对周围环境的影响，在现有的条件下，可以通过改变导向轮的材质，实现车辆的优化。

本文基于导轨电车导向机构定置试验台，将导向轮的材质由45号钢换成4种不同的非金属材质，在相同工况下对其进行试验测试和分析，为导轨电车导向轮的设计和材质应用提供参考。

1 试验材料和方法

选取4种材质的非金属，包括导轨电车现车采用的45号钢，共5种材质，通过铸造成型再加工，与其他部件组装成导向轮结构。表1为材质名称及其采用的结构形式。图1所示为导向轮结构，其中结构形式A应用于45号钢和陶瓷材质，结构形式B应用于尼龙1、尼龙2和橡胶三种非金属材质。

依次将组装好的导向轮安装到导轨电车导向机构定置试验台，如图2所示，模拟车辆满载直线运行的工况。导向轮受到的横向力为0kN，垂向力为5.23kN。

用接触式温度传感器和激光测温仪，分别测定不同转速下导向轮轴端温度和踏面温度；用深度尺测量踏面的磨耗；观察踏面表面的状态以及周围环境噪音的变化。

表1 导向轮材质及其采用的结构形式

材质	结构形式
45号钢(现车用)	A
尼龙1	B
尼龙2	B
橡胶	B
陶瓷	A

图1 导向轮结构形式

图2 导轨电车导向机构定置试验台

2 试验结果和分析

2.1 现车用45号钢导向轮

45号钢导向轮运行平稳，图3所示为不同转速下轴端温度的变化情况。当速度小于40km/h时，轴端温度无明显变化；当速度提高到40km/h时，轴端温度开始升高；当速度提高到50km/h至60km/h时，温度上升明显。

图3 45号钢导向轮不同转速下持续运行

图4所示为45号钢导向轮持续在90km/h的速度下运行情况，可以看出，轴端的温升曲线趋于平缓，导向轮内部结构运转良好。

图4 45号钢导向轮保持90km/h速度运行

45号钢导向轮累计运行超过4000公里，其中试验台测试超过1000公里，现车测试超过3000公里，无异常。

2.2 非金属尼龙1导向轮

初始运行时，导向轮声音较小，状态平稳。以20km/h的速度运行20min无异常；30km/h、40km/h各运行5min后，导向轮有轻微跳动。

速度提升到50km/h，运行约5min后，导向轮出现持续冒烟的现象，观察到有碎屑磨出，径向跳动剧烈，且能闻到刺鼻的气味。图5所示为整个试验过程中，轴端温度和转速随时间的变化曲线。从图中可以看出导向轮轴端温升明显且急剧，最高温度达到85℃，且有上升趋势；

图6为导向轮停转后踏面状态，从图中可以看出，踏面表层融化并被完全破坏，与轨道轮摩擦的位置出现起皮发黑的现象。

图5 尼龙1导向轮不同转速下持续运行

图6 尼龙1导向轮踏面状态

尼龙1导向轮累计运行26km，降噪明显，但此种尼龙材质熔点较低，当踏面累计热量温度升高时，材质表面融化，硬度降低，随着导向轮的转动，出现“剥皮”现象。

2.3 非金属尼龙2导向轮

初始运行时，导向轮声音较小，整体状态平稳。当速度提升至60km/h后，有明显跳动，速度提升至70km/h后，跳动加剧，声音也随之变大。当速度由70km/h降速到10km/h过程中，有明显的砸轨声音。

图7 尼龙2导向轮不同转速下踏面温度变化

图7所示为不同转速下，激光测温仪测定的导向轮踏面温度变化情况，当速度由70km/h降为0时，踏面温度明显升高，最高达到148℃；运行期间测温，温度最高达到64℃。

图8所示为导向轮停转后踏面状态，从图中可以看出，踏面表面十分光滑，深度尺测量，无明显的磨损位置，但踏面出现一处台阶状突起，测量高度为0.8mm。

图8 尼龙2导向轮踏面状态

尼龙2导向轮累计运行395km，试验初始时，降噪明显，出现台阶状凸起后，产生砸轨声音，噪音较大。

此种非金属材质运行一段时间后表面光滑，摩擦力减小，导向轮在加速或制动过程中，与轨道轮出现相对滑动，踏面温度骤升，局部材料融化堆积，形成台阶状凸起。

2.4 非金属橡胶导向轮

橡胶导向轮分别在10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h运行10分钟，整体状态平稳，噪音较小，踏面温度最高不超过30℃，深度尺测量无明显磨损。提速到60km/h，持续运行40分钟，踏面出现冒烟现象，且有刺鼻性气味产生，停止试验，检查踏面，局部有“黑油状”液体并出现细小裂纹，如图9所示。

图9 橡胶导向轮踏面状态

橡胶导向轮累计运行70km，试验初始时，同样降噪明显，提速到60km/h后，橡胶受热膨胀，出现裂纹，导致导向轮内部润滑脂受热变质并流出。

2.5 非金属陶瓷导向轮

陶瓷导向轮与45号钢导向轮结构类似。试验时，将导向轮速度持续保持在70km/h运行，测量踏面温度最高不超过15℃，相比较45号钢导向轮，噪音较小。试验停止时，检查踏面，无明显台阶及凸点，深度尺测量无明显异常磨损，踏面状态如图10所示。

图10 陶瓷导向轮踏面状态

陶瓷导向轮在定置试验台累计运行470km，踏面无明显异常，与45号钢导向轮相比有降噪效果。且陶瓷导向轮已安装到导轨车样车，在既有试验线路上已累计运行350公里，无异常。

3 结论

（1）四种材质的非金属导向轮相比于45号钢导向轮都有明显的降噪效果。

（2）尼龙1、尼龙2、橡胶三种材质的导向轮因踏面不能满足现有工况的要求，出现变形或融化，不能作为45号钢导向轮的替代。

（3）陶瓷导向轮既满足试验工况，又满足线路工况，且有降噪效果，可作为45号钢导向轮的替代。

参考文献

[1] 严隽耄.车辆工程（第三版）.中国铁道出版社.2007

[2] 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社.2010.

[3] 王伯铭.城市轨道交通车辆总体及转向架.科学出版社.2013.