城市轨道交通车辆救援运载装置轻量化设计

王 磊

(湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412000)

0 引言

城市轨道交通车辆救援运载装置(救援运载小车)是在地铁发生轮对固死故障时采用的转向架轮对临时替代装置，一旦正线发生转向架轮对固死，救援人员立刻使用救援运载小车，将故障轮对托起，替代车轮转动，使故障列车尽快驶出现场，迅速恢复地铁线路的运行[1-2]。

目前，多数地铁运营公司使用的救援运载小车主要由支撑板、滚动轮、滚动轮联接轴、故障轮对支撑轴等零部件组成，其总体质量在165～268 kg。正线列车发生轮对固死故障时，救援人员应立刻从出、入站口人工搬运救援小车至列车停靠区间进行救援，其应急救援处置是否迅速、合理关系到是否会造成列车脱轨、倾覆等次生灾害事故及正线是否会造成大面积晚点甚至停运事件[3-4]。城市轨道交通车辆救援运载装置(救援运载小车)的轻量化，可以大大减轻救援人员对救援装备搬运的压力，也就大大缩短了轮对固死故障处理的时间，有效提高了救援效率，从而减少给乘客带来的不便。

1 救援运载装置设计的技术要求

城市轨道交通车辆救援运载装置须适用当前主流A、B型地铁，其需要满足的技术参数主要有：承载力按轴重16 t来进行设计[5]；救援运载装置运行速度大于等于10 km/h；结构简单占用空间小，方便存放在救援车辆，总体质量不大于100 kg，便于搬运；救援时，易拆装。

2 救援运载装置轻量化设计

城市轨道交通车辆救援运载装置轻量化设计主要从其结构和零部件材料进行优化改进，兼顾易拆卸、方便搬运、易安装方便保存的特点。

2.1 结构设计

常见的城轨车辆救援运载装置通常采用整体式结构类似于“日”字型的转向架，主要由支撑板、滚动轮、长滚动轮连接轴、支撑轴、托轮、间隔套，以及若干螺栓、螺母等零部件组成[1]。使用时通过组装将故障轮对左右车轮同时托起。 通过分析及对地铁公司调研，本文的设计采用单个轮对独立安装形式的结构，主要由外立板、车轮组装、支撑销、内立板组成，其三维模型和二维图如图1～2所示。单个轮对独立安装的救援运载装置结构简单，便于搬运，拆卸后占用的存放空间小，安装时可以对故障轮对的左、右车轮同时进行安装，节约了安装时间，提高了救援效率。

图1 城轨车辆救援运载装置三维模型

1—外立板；2—车轮组装；3—支撑销；4—内立板。

2.2 材料选型

城轨车辆救援运载装置轻量化设计除了对其结构进行改进，还可以对其零部件材料进行优化。本文选取合适的零部件材料实现了城轨车辆救援运载装置轻量化设计，其质量为48.6 kg一套(2套为一对进行使用)，材质见表1。其中，内立板、外立板和支撑销采用添加了微量钪及其他稀土元素的7A48高强铝合金，具有高强度、高延展性、优良焊接性和可挤压成型等特点[6]。

表1 城轨车辆救援运载组成及质量

支撑销车轮踏面支撑部分形状采用60 kg/m型号轨头轮廓，具有与地铁车轮踏面相适应的外形，可以在提供足够支撑的同时改善车轮和救援运载装置的接触条件。车轮组装由车轮、车轴、轴承组成，如图3所示。其中，车轮为整体锻造合金钢车轮，滚动圆为φ160 mm，轮辋宽度为130 mm，踏面形状采用磨耗型踏面，车轴采用高强度合金钢EA1N[7]，轴承采用自密封结构的双列圆锥滚子轴承，可以承受径向力和轴向力，其基本额定载荷及极限转速满足设计载重和速度要求。

图3 车轮组装

2.3 安装运用

城轨车辆救援运载装置主要由内外立板、车轮组装、支撑销、螺母垫片等组成。不使用时，分解存放在救援设备车辆的专用存放箱内；使用时，由救援人员按零部件分开搬运至救援现场。由于其结构简单、零部件质量轻，可以大大提高搬运效率。安装时，首先将被救援车辆的故障轮对进行顶升，使救援运载装置有足够的安装空间，然后将外立板和支撑销组装起来，并和车轮组装在一起放置在故障轮对(以单个车辆车轮为例)下方，接着安装内立板，最后安装螺母垫片并检查紧固，如图4所示。

图4 城轨车辆救援运载装置安装

3 救援运载装置强度校核

3.1 有限元模型

城市轨道交通车辆救援运载装置强度校核载荷工况主要依据其承载地铁车辆轴重和实际运用工况来确定。综合考虑城轨车辆救援运载装置实际情况、计算精度以及计算量，将城轨车辆救援运载装置模型整体离散成实体单元，螺栓联接采用梁单元模拟，具体如图5所示。

图5 城轨车辆救援运载装置有限元模型

3.2 强度校核

对于强度分析，城轨车辆救援运载装置各点Von Mises应力均不得大于材料的屈服强度极限。计算结果见表2。城轨车辆救援运载装置最大von Mises应力为294.71 MPa，出现在车轴端部，没有超过EA1N材质的屈服极限550 MPa[7]，应力分布如图6所示。

表2 城轨车辆救援运载装置计算结果 单位：MPa

图6 城轨车辆救援运载装置应力云图

立板的最大von Mises应力为105.847 MPa，支撑销的最大von Mises应力为220.206 MPa，均没有超出高强度铝合金的屈服极限480 MPa[6]。城轨车辆救援运载装置强度满足设计要求。

4 结语

城市轨道交通车辆救援运载装置通过改善其结构以及优化零部件材料可以得到轻量化设计，整体重量约为100 kg(2套为一对)，轻量化的城轨车辆救援装置可以很大程度上减小救援人员对救援装备搬运的压力，缩短了故障处理的时间，有效提高救援效率，减少了故障影响。