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1、跨座式单轨车辆橡胶轮胎磨损粉尘量的估算张伟方鸣中国铁道科学研究院城市轨道交通中心首先介绍国外对公路交通橡胶轮胎磨损粉尘危害的研宄，同时阐述丫我国关于 跨座式单轨车辆橡胶轮胎磨损粉尘的研宂成果。结合国外研宂成果引入橡胶轮胎 磨损强度的定义，并根据跨座式单轨车辆走行轮、导向轮、稳定轮的运动特性分 别确定了其轮胎磨损强度值，制定了跨座式单轨车辆橡胶轮胎磨损粉尘量的计 算公式。以重庆市轨道交通2号线为例，对不冋编组长度车辆的轮胎寿命期磨损 粉尘量进行Y估算，为跨座式单轨车辆橡胶轮胎磨损的研宄提供Y参考和借鉴。关键词：跨座式单轨;橡胶轮胎;磨损;粉尘量;佔算;跨座式单轨作为中等运量的交通工具，具有占地少
2、、建设 工期短、转弯半径小、爬坡能力强等特点，既可作为中等规模城市客运交通的主 要干线，也可作为大城市市中心与郊区的连接线，还可以作为城市风景观光游 览线。跨座式单轨交通主要包括轨道梁、道岔和午.辆三大关键技术。0前，投入商业运 营较成熟的有口本的口立和加拿大的庞巴迪技术，而我国也通过引进、消化、吸 收和再创新，逐步发展了我国的跨座式单轨交通技术。纵观世界各国，不论何种跨座式单轨技术，其车辆均采用橡胶轮胎。与传统的钢 轮钢轨制式相比，橡胶轮胎只有良好的弹性与抓地力，能够提高车辆的爬坡性 能并降低运行吋的噪声。但是，由于频繁的启动制动以及橡胶轮胎和轨道梁的相 互摩擦作用，容易导致轮胎磨损严重，产
3、生橡胶粉尘，对运营线路周围会产生 一定的环境污染。1跨座式单轨车辆橡胶轮胎分类根据橡胶轮胎在列.午.运行时的作用，跨座式单轨.午.辆橡胶轮胎分为走行轮、导向 轮和稳定轮。走行轮承担走行任务，主要用于承受竖向荷载，在列车运行过程中与轨道梁顶 面接触，轮胎的弹性主耍用于缓冲车辆竖向振动;导向轮承担导向任务，在列车 运行过程中与轨道梁侧面接触，有缓冲车辆横向荷载的作用;稳定轮承担维持车 辆平衡、防止车辆运行过程中侧倾的任务，在列车正常运行过程中与轨道梁侧面 保持一定的间隙，保证了列车运营过程中的安全。以重庆市轨道交通2号线为例，走行轮为充入氮气的无内胎橡胶轮胎，导向轮 和稳定轮为充入氮气的有内胎橡胶
4、轮胎，其走行轮、导向轮和稳定轮的布置如图 1所示。2橡胶轮胎磨损粉尘危害的研宄2.1公路交通橡胶轮胎粉尘危害W际汽车行业最初仅对燃油发动机的颗粒物排放进行了研宄和限制，但随着发 动机技术的进步，道路车辆橡胶轮胎磨损粉尘的污染已超过了汽车发动机颗粒 物排放的污染，因此被国际汽车行业列为关注的问题。图1重庆市轨道交通2号线跨座式单轨车辆转向架结构示意图在2013年1月15 H至18 H召开的世界车辆法规协调论坛下设的污染与能源工 作组第65届会议上，发布了俄罗斯专家提交的“轮胎的颗粒物排放” (Particulate Matter Emissions by Tyres) 1报告。报告指出，根据美国
5、医 生的研宄，居住在靠近城市高速公路附近的居易患过敏和肿瘤等疾病。美国 眹生的研宄可以认定，汽车轮胎自然磨损产生的大量悬浮颗粒排放到大气中。在 对具有中等流量公路的空气进行深入研宄后发现，每立方米空气中的轮胎颗粒 数量在3 800飞900个之间，颗粒尺寸在10 phi以下的占比超过58%,因此容易 被人吸入肺部引起支气管哮喘、过敏反应，同时随着与皮肤和粘膜接触，易诱发 鼻炎、结膜炎和荨麻疹，更为严重的是，这些橡胶轮胎颗粒几乎无法被排出体 外。2.2跨座式单轨橡胶轮胎粉尘危害跨座式单轨系统在引进初期，我国的技术人员就已经开展了橡胶轮胎粉尘污染 的相关研究。跨座式单轨车辆采用橡胶轮胎以降低噪音、增
6、加爬坡性能和提高小 曲线半径通过能力，但在运营过程中因轨道梁和橡胶轮胎的摩擦而产生的橡胶 粉尘污染不容忽视。文献2指出，“胶轮行驶磨耗下的橡胶粉尘，及集电器与导电轨滑行摩擦产生 的金属粉尘，对大气也会产生微量的污染。”文献3也指出，“单轨车辆也存 在橡胶车轮与轨道梁摩擦产生橡胶粉尘的现象，对环境有轻度污染。”文献4 经过建模分析，在理论上对跨座式单轨列车外流场的轮胎磨损粉尘扩散给出了 结论，“由横向面内粉尘扩散轨迹可知，在没有横风干扰的条件下，粉尘扩散 域在横向面内距离轨道梁中心的最大距离为2.45 m，粉尘会影响到距离隔离带 2.55 m范围内的道路区域，在此区域内行驶的车辆倘若开窗行驶，可
7、能会受到 粉尘的影响，越靠近轨道梁附近行驶的车辆受到粉尘影响的可能性越大。”文献4分析得出的跨座式单轨车辆轮胎磨损粉尘扩散轨迹如图2、图3所示。图2粉尘扩散距离轨道梁中心的最大横向距离示意图图3列车不同会车相对位置粉尘扩散最大横向距离 文献5对跨座式单轨车辆运行时轮胎的不均匀磨损现象进行了研宄。结果表明, 当行驶在弯曲道路上时，运行轮胎将不均匀磨损;较小的曲线半径和更快的速度 导致更为严重和更为不均匀的磨损;在曲线内侧和轨道表面上的运行轮胎之间存 在大量的滑动，这将导致曲线A侧的运行轮胎比曲线外侧的轮胎磨损更为严重。 该研宄经过有限元建模分析和实测比较，得出了持续运行超过36 000 km时轮
8、胎 磨损仿真结果和测试数据对比值（表1）。以上研宄都指出了跨座式单轨车辆的橡胶轮胎在使用中存在磨损，部分文献指 出磨损产生的粉尘存在污染并分析了粉尘污染的扩散范围，但均未给出跨座式 单轨车辆橡胶轮胎在使用过程中磨损产生的粉尘量的估算方法，因此对于粉尘 量的估算存在进一步研宄的空间。表1轮胎磨损仿真结果和测试数据对比值 3跨座式单轨橡胶轮胎磨损粉尘量的估算3.1橡胶轮胎磨损强度的确定文献1通过对公路交通各种轮胎在使用过程中的分析，确定不同尺寸轮胎的磨 损量。统计结果见表2表4。表2小客车轮胎磨损量表3轻型商用车轮胎（3.5t）磨损量下载原表由表2表4可知，单只橡胶轮胎在使用期内由于车辆运行而产生
9、的进入大气中 的轮胎粉尘重量为:小客车约为9 kg,轻型商用车(3.5t)约为3.24.0 k g,商用车约12.717.7 k g。轮胎磨损强度定义为单只轮胎正常使用时每公 里产生的重量损失，不同类型车辆的轮胎磨损强度见表5。表5轮胎磨损强度 3.2橡胶轮胎磨损粉尘量的估算根据文献 “Tires for the Bombardier Innovia 200” 6的分析，跨座式单轨 车辆的橡胶轮胎在使用上与公路车辆橡胶轮胎和似。因isr可以认为其在使用中 磨损产生粉尘的情况也与公路车辆橡胶轮胎相似。在缺乏专项研究成果的情况下， 跨座式单轨午.辆橡胶轮胎的磨损粉尘量估算可以参照公路交通午.辆橡胶
10、轮胎磨 损的研允结果进行。设单个转向架轮胎磨损粉尘量为N;走行轮数量为A，轮胎磨损强度W： (g/km); 导向轮数量为B，轮胎磨损强度W2;稳定轮数量为C，轮胎磨损强度W3;寿命周期 内走行距离为S (km),则有：以一节车辆具有M个转向架，一列车由K (K=4, 6, 8)节车辆组成，则一列车 橡胶轮胎的磨损粉尘量Q为：考虑到跨座式单轨车辆运行时走行轮承受列车及车内乘客重量，走行轮轮胎磨 损强度取商用车轮胎磨损强度，即取值为0.178;根据文献7的研宂，导向轮 在列车运行过程中径向力在5 k N左右，其轮胎磨损强度取小客车轮胎磨损强度, 即W2取值为0. 033;稳定轮在列车正常运行过程中
11、与轨道梁保持一定的间隙，在 曲线段等与轨道梁接触，其轮胎磨损强度也取小客车轮胎磨损强度，即取值 为0. 033。则一列车橡胶轮胎的磨损粉尘量Q计算为：以重庆市轨道交通2号线为例，每节车厢采用2个转向架，每个转向架包含走行 轮4个、导向轮4个、稳定轮2个，其橡胶轮胎的设计运行里程为1.2X10 km, 但实际运行里程仅为1X10 k m左右。当列车分别釆用4节、6节、8节形式编 组时，其橡胶轮胎寿命周期内磨损粉尘量估算值分别为：4节车辆编组：6节车辆编组:8节车辆编组:4结束语(1) 跨座式单轨采用橡胶轮胎，在列车运行过程中因橡胶轮胎与轨道梁等的摩 擦作用，存在轮胎磨损的粉尘污染，鉴于汽车行业研
12、宄分析的橡胶轮胎磨损粉 尘污染的性质，应采取相应的措施以减少粉尘污染。(2) 跨座式单轨车辆橡胶轮胎磨损的粉尘量估算可以依据公式(1)、(2),并参考“轮胎的悬浮颗粒排放” (Particulate Matter Emissions by Tyres) 1 进行计算，其影响区域可4的估算。_(3) 应进一步系统研宄跨座式单轨车辆存在轮胎磨损的原因，优化跨座式单轨 系统橡胶轮胎与轨道梁之间的相互作用关系，在降低粉尘污染的同时提高轮胎 的使用寿命。l Transmitted by the expert from the Russian Federation. ParticulateMatter E
13、missions by TyresC. Informal Document GRPE-65-20.2 刘浪.基于重庆轻轨2号线的单轨交通结构形式适应性分析J.城市道桥与 防洪，2009 (5).3 李东宇，李芾，李刚.橡胶车轮城市轨道交通车辆的发展及应用J.电力机 车与城轨车辆，2014 (9) 4 王成杰.基于跨座式单轨列车外流场的轮胎磨损粉尘扩散分析D.重庆:重庆 大学，2015.5 Zixue Du, Xiaoxia Wen, Dayi Zhao, et. al. Numirical analysis of partialabrasion of the straddle-type monorail vehicle runningtyreJ. Transactions of Famena，2017 (1).6 Tires for the Bombardier Innovia 200EB/OL. ww. monorails, org/tMspages/TPMVTtires, .7 刘淅.跨座式城市单轨车辆轮胎磨损特性研究D.重庆:重庆交通大学，2015.
