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轨交轮胎的开发与应用及专利技术特点分析

来源: 本站   时间:2018-01-30 作者: 苏博 李玉庭 王丽  

随着世界经济的发展和城市化的推进,城市轨道交通受到了极大的重视与应用。然而,轨道车辆在运行时会产生振动和噪声,不仅会影响乘坐的舒适性,还会对周围环境造成一定影响,成为速度之外制约轨道交通发展的另一大障碍,为解决这一问题,国外在19世纪末即开始研究弹性车轮,欧洲、美国和日本等国均进行了深入及广泛的研究。

城市轨道交通Rail Transit),简称轨交,是指具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点的交通方式,包括地铁、轻轨磁悬浮、市域铁路、有轨电车新交通系统等。根据CJJT 1 142007《城市公共交通分类标准》中将城市轨道交通分为:地铁系统、轻轨系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统和市域快速轨道系统。现代城市轨道交通网络逐步形成了由地下、地面和空中组合而成的立体式公共交通系统。但传统城市轻轨交通也存在着建设投入成本高、建设周期长,对城市现有建筑、道路、环境影响较大等不足之处。同时由于其几乎均采用钢轨、钢轮直接接触的走行模式,会带来不可避免的轮轨振动、噪声和磨耗,对平稳性和舒适性产生较大影响。

城市轨道交通经过多年的变革和创新以及对关键技术的攻克,派生出多种新型智能城市轨道交通方式,且在承载、驱动和导向方式上与传统的地铁和轻轨有着较大区别。胶轮路轨系统车辆以其独特的导向方式、较低的建设成本、灵活的运营模式等优点受到国内外新型城市的青睐,其中包括法国ClermontFerrand、意大利Padua和中国上海等。胶轮路轨APM系统(Automated People Mover systems,旅客自动捷运系统)是轨道运输的一种形式,它采用了道路交通的轮胎技术。即,列车的车轮不再是传统的钢轮,取而代之的是橡胶车轮,其行走的轨道亦有别于传统的钢轮用路轨。与钢轮路轨系统相比,胶轮路轨系统的普及率并不高,这很大程度上是因为胶轮路轨系统并不适合高客运量的重型铁路系统所致。大事记光影集锦图册集锦花絮视频胶轮路轨系统具有低行驶噪音、更高的加速及减速率,因为轮胎本身的摩擦度使其咬地能力较强,列车可轻易爬行陡峭的斜坡,由此可见胶轮路轨系统更适合应用在轻轨运输或中型铁路系统。

胶轮路轨系统起初是在1951年由法国米其林与雷诺共同合作开发巴黎地铁11号线,在钢轮、钢轨上加装胶轮系统,成为了全球首个胶轮路轨公共运输铁路线路。目前,胶轮路轨系统以其丰富多样的轮轨形式已在世界多个国家的城市运营,包括法国巴黎、日本札幌、加拿大蒙特利尔、智利圣地亚哥、台湾捷运和中国重庆等。胶轮路轨系统属于城市轨道交通系统范畴,可将其分类为独轨系统(MonorailTransit)、自动导轨系统(Automated Guideway Transit)、胶轮地铁(Rubber Tire Metro)和胶轮轻轨(Rubber Tire Light Railway Transit)。若按导向方式可分为两侧导向、中央导向、中央沟槽导向和跨座式导向。除具备一般城市轨道交通车辆的舒适、经济性等优点外,还具备噪声低、线路适应能力强、曲线通过半径小等特点。

轨交轮胎的选择及特性

轨交轮胎座位弹性车轮的重要部件,可以有效提高车辆的运行寿命,将轮轨之间的磨损及车辆运行时产生的噪声降低,减小转向架传动装置产生的动应力,明显降低轮轨之间的作用力,从而减少振动。目前,轨交轮胎在世界范围内,已经广泛应用到轻轨、地铁甚至动车组车辆上面。

车辆通过轮胎与地面的附着作用产生各种运动,其特性对车辆性能有着至关重要的作用。轮胎有4个基本功能:1)支撑整车重量;2)缓冲因路面不平顺引起对车辆的冲击力;3)为驱动和制动提供附着力;4)提供转弯所需的侧向力[9]。橡胶车轮系统城市轨道交通车辆大多采用无内胎、胶质实心轮胎。无内胎轮胎通常也称“真空胎”,在轮胎内部充入惰性气体。从安全角度讲,真空胎是高速行车最为理想的轮胎。真空胎发热低、质量轻、节省燃料、使用寿命长,鉴于走行轮需要承受整个车体重量,于是为了安全,几乎所有的橡胶车轮城市轨道车辆的走行轮均采用无内胎轮胎。胶质实心轮胎适应于低速高负载苛刻使用条件下运行的车辆,所以通常作为辅助车轮或者用于一些车辆的导向轮。选择轮胎主要是根据每种车辆的运行特点、承载能力和路面情况而定。与钢轮相比,橡胶车轮具有很好的弹性和抓地力,故具有更好的爬坡能力,并且能降低运行时的噪声。爬坡的能力与地面附着力的大小有很大关系,附着力取决于路面状况、粗糙度以及轮胎橡胶材质、花纹、几何尺寸、气压。对于传统的钢轮钢轨系统,轮轨接触属于金属与金属之间的接触,所以附着力很小,在超过牵引力所能承受的坡度时,容易滑坡。与传统轮轨系统比较,橡胶车轮具有复杂的力学特性,轮胎的力学特性对车辆的稳定性、舒适性、动力性、安全性起着举足轻重的作用。轮胎力学特性如下:1)轮胎纵向力学特性。影响纵向力学特性的主要因素是滚动阻力,车轮滚动时,轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支撑路面的变形。当轮胎在硬路面滚动时,轮胎径向变形是主要的,由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。2)轮胎垂向力学特性。充气轮胎的缓冲作用与轮胎的弹性有关,轮胎的刚度特性对车辆的行驶平顺性、行驶稳定性和制动性均有着重要影响。3)轮胎的侧向力学特性。其中轮胎的侧偏特性很大程度上决定了车辆的操纵稳定性,包括各种垂直载荷下轮胎的纵向力、侧向力和回正力矩与侧偏角、纵向滑移率的关系。

    轨交轮胎早在20世纪的早期便开始出现在城轨车辆上,至今轨交轮胎运用历史已接近百年,先后在有轨电车、地铁、轻轨车辆和高速动车上使用过轨交轮胎。目前,轨交轮胎在欧洲、北美、澳洲及亚洲均有广泛的应用。

国内应用情况

由于我国城市轨道交通起步较晚,轨交轮胎的研究和应用相对较少,目前国内有些轨交车辆已经开始使用,国内各大主机厂均在研发和使用轨交轮胎车辆,而轮胎企业也在关注该类产品的研究与开发。

1)贵州轮胎为重庆轨交开发轮胎项目

贵州轮胎股份有限公司为重庆轨道集团研发的前进E200-15水平轮胎,已通过来自相关企业及四川大学专家组成的评审委员会的评审。评审会上,与会专家听取了国产前进E200-15-18PR/SM10轮胎项目进展、产品装车试验等情况汇报,认真审查了项目汇报材料、轮胎鉴定材料,对产品的性能、技术条件、环境影响等技术参数数据后认为,该轮胎综合性能好,达到单轨列车使用要求,并能满足批量供货条件。由贵州轮胎公司前进分公司研发的前进E200-15-18PR/SM10轮胎于2009年开始设计,于201212月完成所有室内试验。试验结果表明:前进E200-15-18PR/SM10轮胎各项性能均达到或者超过日本普利司通(BS)该规格轮胎。20131月 ,该轮胎在重庆轨道交通集团开始批量装车试验,分别通过车辆正线空载试验、正线重载试验、正线常规载客试验等测试。目前,该轮胎载客试验已累计运行8万余千米,达到了原定行驶大于5万千米的目标,目前轮胎使用状态良好。

2)上海轨道交通8号线三期轨道交通项目

它成为上海首条胶轮路轨系统。所谓胶轮路轨系统,是轨道运输的一种形式,它采用了道路交通的轮胎技术。即,列车的车轮不再是传统的钢轮,取而代之的是橡胶车轮,其行走的轨道亦有别于传统的钢轮用路轨

                                                  

 201719日上午,上海轨道交通8号线三期首列列车抵达浦江镇,考虑到技术条件、运能及环境要求,8号线三期列车选择采用胶轮路轨全自动无人驾驶运行系统,车辆采用中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司生产的最新型号——INNOVIA APM300型列车。8号线三期列车运行线路会穿越居民区,因此列车采用了减少噪音与振动的橡胶轮胎,主要是为了减少噪音与振动,其噪音比钢轮钢轨至少小10-20分贝。橡胶轮胎运行转弯半径小,爬坡能力强,也方便进行贴近居民区的线路设计,适应于临近社区运行。

3)万力轻轨轮胎项目

20171228日,据了解,日前,万力轮胎与中车公司,联合开展轮胎可靠性强化测试。这是万力轮胎的轻轨轮胎首次实车运行检验。

                                           

经过一年半的摸索,万力轻轨轮胎项目从无到有,实现了突破。 轻轨轮胎项目,致力于用橡胶轮胎代替传统钢轮钢轨。 未来,这种胶轮轨道,有可能成为二、三线城市发展轨道交通的主流选择。

 

轨交轮胎专利技术分析

查找范围:在103个国家/组织中,搜索出2,960组申请

检索条件

检索式:IPC:(G01M17 or B29D OR B60B OR B60C OR C10B53 OR D02G3 OR G01L17) AND DESC:( (Rail or Train or trams or subways or "light rails" or 车轨 or 铁路 OR 轨道 or 轻轨 or 导轨 or 列车) $ws ( tire or tyre or tread or 轮胎 or 车胎 or 外胎 or 生胎 or 基胎 or 胎体 or 胎面 ) and (耐磨 or wearproof OR 隔音 or soundproof or 噪音 or noise or 摩擦 OR friction or wear ))

专利概况

整体概览

下列饼图显示了该技术领域内法律状态和专利类型的百分比。有助于了解该技术领域内有效和无效专利的占比情况。专利类型的分布表明公司类型,他们是专注于保护发明专利的功能还是外观。从结果上来看,以该检索式检索出的专利组中,有效专利占比27.6%,失效专利占比53.2%,失效专利占比远高于其他。2960个专利中,93.78%的专利为发明专利,6.22%的为实用新型专利。从以上两个结果来看,目前轨交轮胎专利较少且难度较高,以发明专利为主,因此专利价值也较高,。(简单法律状态数据覆盖范围:AT / AU / BR / CA / CH / CN / DE / EP / ES / FR / GB / HK / IT / JP / KR / NZ / RU / SE / TW / US)

                                   

专利趋势

图表显示了该技术领域内每年专利申请及授权的数量。绿色表示申请趋势,黄色表示授权趋势。该专利分析有助于了解该技术领域内的专利趋,从图上来看,近二十年来,关于轨交轮胎的专利申请数量与授权数量较为稳定,呈现出一个稳步升高的趋势,个别年段有技术爆发。此外,图表也展现了这项技术是何时开始兴起的,是新兴技术还是已逐渐步入衰退期。

                              

新兴公司

新兴图表展示了仅在过去5年内提交专利申请的公司,以专利数量最多的公司进行排序。有助于在技术领域找到潜在的新兴公司。这些初创的公司表明了在该领域的新型竞争。与此同时,这些新兴公司可以被视为潜在的收购或合作机会。但是,可以看到,近几年来,并未有潜在的新兴公司的出现。

                               

 

地理分布图

图表显示了该科技领域的全球研究的前沿地区,有助于了解该技术领域在不同国家区域的发展。从图表来看,在美国,轨交轮胎专利申请较多,发展较为成熟,中国随着各地轨交建设的如火如荼,在专利占比上也已经超越了欧专局等传统专利强国。

                          

年度地理分布战略

图表展现了该技术领域在前沿地区的专利公开趋势。有助于了解该技术领域逐步渗透或改变方向的市场领域。这帮助用户了解特定地区内的专利公开趋势以及是否有投资利用的机会。美国的专利市场已经趋于成熟,市场应更多的将眼光聚焦于中国、日本、欧洲等地。2017年,中国已经超越美国,成为了当年度轨交轮胎专利数量最多的国家。

                       

技术分布

技术焦点

图表将该技术领域的专利进行技术归类,矩形大小对应的是专利数量。有助于了解该技术领域内可应用的不同技术和潜在机会。该信息可用于识别特定技术领域内跨界应用的机会。

                           

年度技术战略

图表显示了该技术领域内研发方向和技术分支随时间的变化趋势。今年来,轨交轮胎的专利集中于G01M17B29D30B60C23等领域,领域变化较为平稳,无新兴领域的出现。有助于了解所搜索的技术在不同应用中技术方向和投资情况的变化趋势。

 

重点专利

被引用最多的专利

图表显示了被引用次数最多的前10项专利。

有助于识别哪些专利已广泛应用并且有很多人借鉴这些技术,这些专利更具影响力并代表着公司的核心创新技术。专利引用较为集中,最多的一件已经引用了1000多次,与排名第十的差距较大。

                   

规模最大的专利家族

图表显示了属于较大专利家族的前10项专利。

有助于确定全球范围内规模最大的专利家族,并且识别出众多地区中最为成功的发明专利并在全球范围内采取保护措施。US5809437US6445287两项专利远高于其他。

                 

主要发明人

图表显示了该技术领域内的主要发明人。

有助于确定为大多数专利的产生做出贡献的主要发明人。此信息有助于评估特定技术领域内的最佳人才并为该公司招募发明人。

               

发明人申请趋势

该图显示了过去20年来,该技术领域的主要发明人年度申请专利的情况

有助于识别最近几年拥有很多专利申请的发明人,代表技术领域新兴或现有的人才。近20年来,专利申请人年申请数量变化较大,但是主要申请人变化不大。

             

专利市场价值

市场价值最高的专利

最有价值的专利是指该技术领域内具有最高专利价值的简单同族。

找出该技术领域内最有价值的专利,并指出有投资机会的技术领域和想法。专利价值较高的专利,大部分为企业所拥有,其中不乏如普利司通、米其林、住友等著名轮胎企业。可见,在轨交轮胎方面,世界知名轮胎企业都拥有了自己的高价值核心技术。

                 

 

主要公司

图表显示了该技术领域内主要公司专利总量的整体对比。

了解该技术领域内的主要公司和竞争威胁。普利司通、米其林、住友、倍耐力等世界一流轮胎企业已经拥有了相当数量的相关专利,而在国内企业方面仅有青岛软控拥有的专利数量可以排于前十,因此,随着轨交轮胎在国内的发展,国内的企业应当更加注重相关专利的申请。

               

专利地域趋势

图表显示了在该技术领域内的主要公司在全球重要市场范围内拥有的专利数量。有助于确定该技术领域内的主要公司正在关注哪些市场并寻求将其产品商业化,同时标示着全球市场范围内已经成熟并渗透的科技领域。普利司通、米其林等企业更注重于在美国以及欧洲市场申请相关专利,因此中国企业可以把握相关技术动向,掌握独有的核心技术。

                

专利科技领域趋势

图表显示了该科技领域内在不同技术点上主要公司所拥有的专利数量。可以了解到相关技术领域内的主要公司及不同技术侧重点上的差异。普利司通、米其林、固特异等企业在专利技术的侧重点上不尽相同,每家企业都有着各自相关的技术优势。

                  

结束语

随着世界各国对城市化建设要求的提高,橡胶车轮系统城市轨道车辆受到了国内外的高度重视,但其发展历史不长,仍处于较新的研究领域。其在法国、日本、美国、澳大利亚等国应用比较广泛,我国对其技术的掌握和研究还比较有限。近几年引用国外技术,轨交轮胎城市轨道车辆在重庆、北京、天津、上海等城市投入营运。目前,我国的城市交通系统存有诸多问题,譬如交通拥挤、车辆产生噪声大、交通结构比较单一。通过本文对国内外轨交轮胎城市轨道车辆的研究,可总结出轨交轮胎具有振动小、噪声小、爬坡能力强、通过曲线半径小、乘坐舒适性高的特点。并且由于轨交轮胎城市轨道交通车辆的运行模式,能美化城市景观,所以该型车辆适合我国城市交通的建设。但该系统也有不足的地方,例如:轮胎磨耗严重导致其寿命短、维修费用过高;由于轨交轮胎系统在国际上还没有一个共识的标准,导致其并不适合高运量重载铁路,只适合中、小型运量;与传统钢轮钢轨系统车辆还没有很好地衔接。综上所述,结合轨交轮胎城市轨道交通车辆的优缺点,其在我国城市轨道交通的建设上具有可行性。在原有城市轨道系统的基础上,发展轨交轮胎城市轨道车辆可增强我国城市交通的多元化。