地铁盾构法施工后配套轨道设备转向架设计思路

摘要：对盾构法施工的后配套渣土运输车转向架进行探讨，说明了在准静态条件下轮重减载率与脱轨系数的关系以及对脱轨的影响，对一体化轮轴转向架和独立旋转车轮转向架进行比较，就渣土运输车转向架设计建议。

关键词：转向架；脱轨；轮重减载率；一体化轮轴；独立旋转车轮

1 概述

盾构法施工的后配套运输系统方案涉及到与盾构机能力匹配及施工进度，如果要达到较高的施工进度必须配置强大的后配套运输系统。目前，国内盾构法施工后配套运输系统基本上均采用有轨运输方式。由于地铁盾构法施工的场地特点，决定了轨道运输系统必须由牵引机车、渣土运输车、砂浆运输车、管片运输车组成水平运输系统的编组列车，运行速度12km/h，根据情况可以是一列或两列以上。其中运输车运输渣土重量在12.5-18 m3（25-36t）之间，由于车辆限界以及小半径曲线要求，所以土运输车多采用从动转向架形式。本文试图就有关渣土运输车转向架的设计进行探讨，同时对设计中出现的几种型式进行比较评述。

2 转向架设计中考虑的主要问题

机车采用转向架是为了增加车辆的载重、长度和容积。在正常运送渣土过程中，转向架承受车体、车架、制动装置以及满载的渣土；能够保持要求的粘着力，把轮轨接触处产生的轮周牵引力传递给车架，牵引编组前进；能缓和路线不平顺对机车的冲击，保证机车具有良好的运行平稳性和稳定性能顺利通过曲线，同时具有良好的制动力。作为车辆的独立部件，要求结构简单，装拆方便，便于制造和检修[1][2][3]。

3脱轨安全性

地铁盾构法施工采用的是临时简易轨道，普遍使用既有线上淘汰下来的24号、43号钢轨（轨距为762mm或900mm），隧道内施工环境恶劣，如果小半径弯道处轨枕固定钢轨不牢靠，会增大轨道的侧向横移量，使转向架频繁掉轨，严重影响施工进度。根据发生脱轨过程的不同，可以分为三类不同的脱轨：爬轨脱轨、跳轨脱轨和挤轨脱轨[4]。所以脱轨安全性一直是货车转向架开发中最为关注的问题之一，要使车辆在小半径曲线上低速运行时不至于脱轨，应计算出单个车轮的脱轨系数（用作用于轮缘上的侧向力Q与作用于车轮上的垂直力F之比值表达，如图1），以确定轴箱横向定位刚度等参数。

3.1 车轮爬轨条件

图1单轮爬轨的力平衡

由图1轮轨接触点处作用力的平衡图可以得到单个车轮的脱轨条件为：

（1）

式中： —作用在爬轨车轮轮缘上的侧向力；

—作用在爬轨车轮上的垂直力；

—轮轨摩擦系数；

—轮缘角。

该公式就是Nadal公式，脱轨系数的限度取决于轮缘角和轮轨摩擦系数。轮缘角越小，摩擦系数越大，车轮越容易出现爬轨。例如，渣土运输车踏面轮缘角 ，取摩擦系数 ，则脱轨条件是：

3.2 轮对脱轨条件

图2轮对脱轨的力平衡

对于轮对脱轨条件，除了考虑脱轨一侧的轮轨作用力以外，还要考虑另外一侧车轮踏面与钢轨之间的作用力，以及轮对转向架相互作用的构架力。由图2轮对处作用力的平衡图可以得到轮对的脱轨条件为：

（2）

（3）

式中: —作用在一对车轮上的横向力；

—作用在左、右车轮上的侧向力；

—作用在左、右车轮上的垂直力；

—左、右轮轨摩擦系数；

—左、右轮轨接触点的切线与水平夹角， 是轮缘缘角， 是踏面与钢轨接触点的倾角。

摩擦系数 取值一般来说，轮缘与钢轨侧面接触点上的表面光洁度较差；而踏面和钢轨接触点受到连续滚压，所以通常取 ，国家规定 。

数值不大，可以取 ，于是 ，可以的得到轮对脱轨系数的简化表达形式：

（4）

4 轮重减载率

轮重减载率定义为轮对垂向减载量与垂向力之比，其值越小越安全。轮重减载率是由Nadal公式派生的一个评价脱轨安全性的辅助指标。

以上分析了轮轨横向力及构架横向力对轮对脱轨的影响，这种脱轨的原因是横向力 大而垂向力 小的结果，但实际使用中还发现：渣土运输车在直道空车情况下出现脱轨，有相当一部分是轮重减载造成的。

设构架力 ， 很小， 很大，且 ，右侧车轮在踏面摩擦力 作用下阻止轮对向右侧移动，左侧车轮持续爬轨。其脱轨的条件为：

假设 ，

那么 ，

轮重减载率： （5）

由分析可以知道：爬轨侧车轮轮重减载率越大越危险，而非爬轨侧车轮轮重减载率越大越安全（爬轨侧车轮为增载）。多数盾构隧道内简易轨道的轨枕底部起伏不定，有时甚至悬空，出现三角坑，道岔局部横向不平顺，此时，渣土运输车在正常重载运行条件下，车轮的垂向力远大于轮缘上的侧向力，重车很少出现脱轨，反而在空车情况下出轨频率较高，在工地实际使用中也得到了证实。

轮对脱轨的条件不仅与轮重减载率有关，还与横向力的大小和方向密切相关，以上公式都是静态平衡下得出，车辆运动是一个动态过程，力的大小方向不断变化，并且持续变化需要一定的时间。从脱轨的过程来看，轮对要爬上钢轨，轮缘必须贴靠钢轨，轮对与轨道要有一定的正冲角，并且爬轨需要一定的时间，三者一定要同时具备，单纯考虑脱轨系数和轮重减载率而不考虑贴靠情况是不能直接作判断的。轨道和车辆机构参数都能引起轮重减载率过大，从转向架设计的角度来说，就要保证车辆的悬挂参数能适应线路的扭曲和缺陷的包容。

5轮对结构型式

目前隧道内正在使用的转向架轮对有两种型式[5]：一体化轮轴转向架和独立旋转车轮转向架，它们各自具有有不同的使用特点，受临时轨道影响非常严重。除开外部因素，下面仅就各自的特点展开探讨。

5.1 传统一体化轮轴

一体化轮轴转向架是把车轮压装到车轴的左右两侧，在车轮踏面上带有坡度，因此不需要特别的操纵装置就可以自动通过曲线，而在直线段又可以自动复位，车轮踏面的斜度也是整车发生自激蛇行运动的原因。但当隧道内曲线半径很小时（25m），因踏面坡度不足，就会产生各种问题：如轮缘直接摩擦钢轨或运行噪声很大，但是适合用于低速铁道车辆。

5.2 独立旋转车轮

独立车轮转向架轮对是左右两个可以各自绕其车轴自由转动并相互保持平行车轮组成的轮副。磨损和噪声均小，适用于高速列车、地板轻轨车辆以及变轨距铁道车辆，缩短横向尺寸和整体重量，降低了制造成本。独立的车轮旋转系统可以不需要强制两个车轮同速旋转，也能令车轮线速度相同，在理论上独立车轮没有纵向蠕滑力[1]，仍然存在横向蠕滑力。失去纵向蠕滑力矩以后，独立车轮不会产生蛇行问题，所以轮对不具备复位和自动导向的能力。由于轮对安装误差和轨道不平顺，独立车轮转向架往往偏离轨道中心向一侧轨道靠拢。

图3 图4

如图所示为独立车轮轮对在直线上可能存在的运动形态。独立轮没有滚动半径差引起的自动找中作用，这样的轮对在直线运行时具有偏离中心的趋势，当轮对存在横向位移y时（如图3），轮轨的横向力蠕滑Fy使轮对回归轨道中心线，横向力的大小随唯一的减小而减小，因此轮对不可能自动恢复运行中心。独立轮对不存在纵向蠕滑力（在一体化轮轴上表现为一对大小一致，方向相反的，且相距为两轮滚动圆距离），也就没有恢复力矩，轮对的横移不会产生偏转，因而没有蛇形运动，在没有外界干扰的情况下，只能保持这样的运动状态。一旦轮对产生偏转（如图4），轮对会滚向轨道一侧，直至轮缘与钢轨接触，轮轨的横向力蠕滑Fy与钢轨对轮缘的侧向力相平衡，虽然独立车轮踏面与钢轨不产生纵向相对速度，也不会磨损车轮踏面，但是会加剧轮缘的磨损，很小的横向力造成车轮偏向钢轨一侧连续运行，同时轨道一个小因素的干扰也有可能使轮对脱轨。因此，必须从外部引入特殊的导向装置，使得轮对能够很好复位，保证车辆的安全性。由于车轮能够差速运行，该型式的转向架的曲线通过性能明显优于传统转向架。

独立车轮可以有一下几种形式：

（1）车轮旋转，车轴不转。轮毂内安装轴承，车轮绕轴旋转，车轴静止。

（2）半轴与车轮刚性连接。车轮两侧轴采用轴承与构架相连。

（3）可控独立车轮。在两轮间加力矩及扭转刚度控制，当左右轮间扭矩小于某值时，两轮运动状态同传统轮对，当左右轮间扭矩大于某值时，两轮脱开独立转动顺利通过曲线段。

独立轮转向架无论是蛇行运动稳定性还是曲线通过性能，比传统的一体化轮轴转向架都有一定的优势，噪声低，轮轨踏面磨耗少。但是亟待解决的是直线段上车轮的横向复位、曲线段上车轮导向等问题，综合各个方面的因素考虑，独立轮转向架技术在车速提高的趋势下无疑也具有良好市场前景。

6 结论和建议

（1）转向架构架或者车体扭曲，车辆弹簧垂向刚度不同都能形成各轮增减载，在车辆的制造应严格控制公差，减小弹簧高差，从制造上保证各轮均载。

（2）心盘和旁承摩擦力矩过大，轮对轴箱定位刚度过大都会影响转向架曲线通过性能，增大轮缘力。应控制心盘和旁承摩擦力矩和轴箱定位刚度，使车辆在通过曲线时减小轮对冲角、轮轨间横向力。

（3）转向架悬挂垂向刚度大，轮轴在翘曲线路上车轮的增、减载大，因此要减小弹簧刚度或者采用变刚度弹簧减少空车时车轮的增减载，同时减小轮轨间的冲击力。

（4）车辆重心位置。路线两条轨道高低由差异时，左右车轮会出现载荷转移现象，在横向力的作用下，轮重减载率变化会超过直线段。当车辆重心位置变化以后，该现象应当考虑。

（5）轮对的安装精度、车轮轮缘角以及摩擦系数对脱轨稳定性有影响，早制造、检修时应当注意。