轨道式手推平车锥度车轮在曲线轨道上的运用

姜静涛 李享

摘 要：正常情况下，工矿企业使用的轨道式平车均采用圆柱式车轮，平车是直线运动，需要变向时，平车是借助下方的埋入式旋转平台调向，接轨后推出，但由于工况环境的限制，需要平车进行小半径的曲线通过，这已经是圆柱车轮不可能实现的。

关键词：平车；车轮组；锥度；轨道

中图分类号：U231 文献标志码：A

0 引言

平车正常沿轨道运动是通过带轮缘的圆柱车轮滚动向前运动的，为保证车轮与轨道间无啃轨现象，4组车轮安装时有意让其有水平对称的内八或外八，水平力相抵保证向前的导向，但是遇到曲线轨道，圆柱车轮完全不适用，存在着严重啃轨，卡死推不動，甚至出轨现象。

1 圆柱车轮曲线轨道实验

试验条件：4组台车组与运输平台间增加水平旋转轴，增加推力轴承。台面尺寸4500mm×3000mm，轨道型号60mm×40mm，试验台直道5m，弯道半径36m，轨距2000mm，弯道长度6.2m。

1.1 第一次试验状态

（1）4组台车组与运输平台固定，轮子为单轮缘，轮缘在轨道外侧。

（2）两人推空载。

（3）当左前轮进入弯道时，右前轮的轮缘与轨道接触产生啃轨，促使右前轮强行转弯，摩擦力增大，使左前轮及右前轮与轨道同时产生横向摩擦力，人力已无法克服此摩擦力，运输车无法前行。增加人力则车轮爬出轨道。

1.2 第二次试验状态

（1）4组台车组与运输平台间增加水平旋转轴，增加推力轴承，轮子为单轮缘，轮缘在轨道外侧。

（2）两人推空载。

（3）当左前轮进入弯道时，右前轮的轮缘与轨道接触产生啃轨，促使右前轮强行转弯，因为有旋转轴的作用，右前轮在轮缘的作用下进入弯道，拖动左前轮也进入弯道，因左前轮与右前轮运行无速度差，致使左前轮始终处于被拖动状态，而右前轮因轮缘作用始终处于强行转弯状态，同时八轮失去导向约束，存在连滚带滑的现象，摩擦力较大，不适合正常搬运工作。

1.3 第三次试验状态

（1）4组台车组与运输平台间增加水平旋转轴，增加推力轴承，轮子为单轮缘，轮缘在轨道外侧，在台车外增加水平导向轮。

（2）理论分析：因台车转销与水平导向轮之间存在转矩，要克服前后两轮横向水平摩擦位移，才可使车轮转弯。水平导向轮将承载巨大水平力。此方案不合理。

2 圆锥车轮曲线轨道实验

2.1 4组台车组与运输平台间增加水平旋转轴，增加推力轴承

八轮轮缘均布置在轨道内侧，八轮轮踏面均为1∶20斜度。

2.2 2 人推空载或5人推15t载荷

在直线轨道上运动时，因轮踏面存在斜度，运输平台整体呈蛇形运动状态。当左前轮接触弯道时，左前轮在轮缘的作用下进入弯道，此时左前轮处于大径运动状态，右前轮处于小径运动状态，左右后轮处于摆尾游动状态。当左后轮进入弯道，在轮缘的作用下，左后轮也处于大径的运动状态，右后轮处于小径运动状态。此时整个运输平台进入弯道，由于左侧运动速度大于右侧，整体运动平稳。

2.3 10人推动30t载荷

在直线轨道上运动时，因轮踏面存在斜度，运输平台整体呈蛇形运动状态，由于载荷量大，车轮与轨道间的摩擦力增大，滚动的同时滑动阻力变大，车轮与轨道间有滑动现象。当左前轮接触弯道时，左前轮在轮缘的作用下进入弯道，此时左前轮处于大径运动状态，右前轮处于小径运动状态，左右后轮处于摆尾游动状态，此时后轮有明显滑动现象。当左后轮进入弯道，在轮缘的作用下，左后轮也处于大径的运动状态，右后轮处于小径运动状态。此时整个运输平台进入弯道，由于左侧运动速度大于右侧，整体运动平稳，仅内轨车轮存在间歇性滑动现象。

3 圆柱车轮试验结果原因分析

当安装圆柱车轮的平车在直道轨道运动时，平车上四角处每个车轮因直径相等，运行速度也相等，则每个车轮线运动相等，不会存在速度差。但当进入弯道时，由于外侧轨道的弧长为（图1）：π（R+K）θ°/180°=π·R·θ°/180°+π·K ·θ°/180°，内侧轨道的弧长为：π·R·θ°/180°；由此外轨上的车轮要比内轨上的车轮多走：π·K·θ°/180°的距离，而直径相等的圆柱轮是不可能走出这个距离差的，因此引入了带锥度车轮的技术。

圆锥车轮试验结果原因分析：

由于圆柱轮在直线轨道上运动理论上是纯滚动，但车轮进入弯道时，在轮缘的作用下，产生滑动+滚动，同时由于车轮组安装在小车架上，整个小车架也随着这个车轮的水平滑动而产生位移，推动着其他车轮的滑移变位，轮压小的时候，产生的滑动摩擦力较小，人力尚可推动，但载重加大后，轮压变大后，摩擦阻力已非人力可以克服，因此就产生了上述试验结果。如果进入弯道后，外侧轨道上的车轮能够在同一时间内滚出π·R·θ°/180°+π·K·θ°/180°的距离，而内侧轨道上的车轮能够在同一时间内滚出π·R·θ°/180°的距离，即在弯道上外侧轮比内侧轮多滚出π·K ·θ°/180°的距离，平车就完成了曲线通过。

当平车在直道上运动时，锥度车轮在轨道上除了垂直压力外，还会因车轮锥度而产生水平力，左右两侧车轮的水平力大小左右交替变化，会使平车以蛇形运行方式完成直线段运动，当进入弯道时，外侧轨道上的车轮会首先滚入锥度轮的大径端，随后在轮缘的作用下，促其转向，同时继续在大径端滚动，内侧轨道上的车轮则会通过平车架车轮固定间距2000mm，被动地拖入锥度车轮的小径端运动。

如图2所示，假设小径端与轨道接触点直径为d，大径端与轨道接触点直径为（d+Δ），于是大径端（d+Δ）比小径端d在同一时间段要多滚出π·K ·θ°/180°的距离：

[π（d+Δ）-π·d] ·m=π·K ·θ°/180°

得：Δ= K ·θ°/180°·m

式中：

K—轨距。

θ°—轨道曲线段弧长角度。

m—车轮滚出圈数。

Δ是圆锥车轮与轨道接触最大径处和与轨道接触最小径处的直径差。

由此可以得出结论：m越小，即车轮直径越大，Δ可以相应减少。

结语

通过试验和说明分析证明，虽然圆锥车轮可以曲线通过，但车轮的锥度不宜过大：

（1）车轮与轨道接触面减少，局部压应力增大，易产生材料局部疲劳，易磨损，寿命短。

（2）增加车轮水平力，增加了车轮滑动趋势，增加推动阻力。

（3）车轮水平力增加的同时，也增加了车轮与轨道接触点的下滑趋势，随着载荷的增加，下滑趋势越明显，也增加了推动阻力。因此需要减少车轮斜面角度α，即减少Δ值。

（4）这次试验，采用的是斜面1∶20，车轮直径为Φ250，从效果来看，车轮直径应放大到Φ500，斜面1∶30更为合理。

参考文献

[1]孙竹生，鲍维千.西南交通大学内燃机车总体及走行部（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，1995.