CN101500822B - 轨道车轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车轮，该车轮具有垂直于旋转轴线的中间平面(S)以及在与车轮的轮辋的接合点(A)和与车轮的轮毂的接合点(B)之间沿中心曲线(AB)延伸的轮辐(5)。轮辐具有中间点(C)和分别位于该中间点(C)和接合点(A，B)之间的两个拐点(D，E)。两个接合点(A，B)位于车轮的中间平面(S)的相同部分上，轮辐的中间点(C)处的与中心曲线(AB)的切线平行于中间平面(S)并且位于所述中间平面(S)的与所述两个点(A，B)所定位的所述一侧相对的一侧，并且在拐点(D，E)处的轮辐的中心曲线(AB)的切线之间的角度在90-120度之间。

Description

轨道车轮

技术领域

本发明涉及一种货运轨道车轮，尤其是踏面(tread)制动车轮，其包括这样的车轮，即，对于该车轮除了主制动系统之外还有踏面制动。本发明提出了一种车轮设计，其具有在制动操作期间以及之后保持所引起的应力和挠曲足够低的很高的能力。该车轮尤其适合于重轴载荷货运业务，但是也适合于客运火车上的特殊应用。

背景技术

即使具有分离的圆圈(轮胎)的所谓的轮胎车轮已被使用，但是时至今日，铁路车辆的车轮仍主要是通过锻造或铸造整体地制造的，被称为整体(enbloc)或一体车轮。在这种情况下，仅考虑整体车轮。现代的客车或货车轮副包括刚性安装在常规钢制车轴上的两个整体钢车轮。

锻钢车轮被轧制以满足所需的尺寸，并且常常被进行机械抛光操作。通过轮辋淬火可实现硬的和耐磨的踏面表面。此处理在车轮轮辋中引入了有利的圆周压缩，这有助于抑制横向裂纹的形成和蔓延。车轮必须被设计成耐受机械载荷，该机械载荷是由于车轮与轨道的接触而导致的，以及由于在制动踏面系统被应用于运行表面上的情况下由制动产生的热负荷而导致的。

在踏面上制动是货车最常用的制动系统。在车轮上的制动动作通过将至少一个制动闸块压在车轮的踏面或运行表面上实现。制动闸块可由铸铁或复合材料或烧结材料制成。当制动时，运行的火车的动能被转换成热，所述热在车轮和制动闸块之间被分割。

在踏面制动动作期间，在车轮中产生温度梯度，其中在车轮的踏面处温度较高。此梯度使得在车轮轮辋的踏面表面附近圆周压缩应力增加。可达到高于材料的屈服应力的压缩应力，随后，当在制动动作之后车轮冷却下来时，可在车轮轮辋中在运行表面附近产生圆周拉伸应力。此残余应力常常产生安全问题，其中可能导致径向裂纹在车轮的轮辋、轮辐和轮毂中蔓延。

产生温度梯度之后，还会发生车轮挠曲，尤其是车轮轮辋相对于轮毂发生轴向挠曲。在制动动作期间，车轮的此轴向挠曲改变了轮副的轮距、即轮副中的两个车轮的轮辋之间的距离，并且当车轮已经冷却下来时会发生塑性屈服。

使用闸块制动的优点是它使得运行表面变粗糙，因此促进了车轮与轨道之间的附着力，该附着力是牵引和制动两者的重要参数。但是，闸块制动系统也存在一些严重缺陷。过量的加热可损坏车轮并且成为一个限制因素。装配有闸块制动车轮的火车所产生的噪声级高于装配有盘式制动器的火车，成为干扰环境的重要因素。但是，已发现利用复合或烧结材料制动的车轮产生的噪声低于当制动闸块由铸铁制成时车轮所产生的噪声。一个重要方面是对于用于制动闸块的新材料，与传统的铸铁制成的闸块制动器相比，通常有更高百分比的热进入车轮，这一事实会影响车轮针对踏面制动的热载荷的尺寸设定。

最近引入的欧洲标准UIC 510-5和EN 13979-1在由车轮-轨道接触产生的机械载荷和由踏面制动产生的热载荷方面对轨道车轮的设计做出了规定。根据这些标准，货车车轮应在45分钟的一段时间上满足由依赖于轴载荷的制动热功率所产生的应力和挠曲要求。车轮的性能应使用制动测试工作台测试。

在踏面制动的轨道车轮的设计中，常常试图在应力和挠曲之间实现折衷。具有直的轮辐的车轮具有良好的稳定性，但是在轮辋中的应力非常高。具有圆锥形轮辐的车轮在制动期间以及之后具有低的应力，但是会遭受非常高的横向轮辋挠曲。

为了避免这些缺陷，已经尝试了许多不同的具有曲线轮辐的车轮设计。但是，这些设计中的一些不能满足当前的性能需求，并且由于它们的几何形状而不能装配到已有的转向架(bogie)上。

具有优化的、部分因子设计的所谓的低应力车轮属于特殊的一类车轮。FE计算表明具有C形轮辐(具有单一半径)的车轮会经受轮辋的高度挠曲、即轮辋的高度倾侧，这意味着轮辋的横截面围绕圆周轴线旋转。

轨道车轮的钢材料由用于铸造车轮的EN 1362：2004(CEN)标准限定。材料应在抗张强度、硬度、粗糙度、延展性、疲劳强度和耐磨性方面具有合适的特性。此外，材料应能够抵抗由于迅速冷却之前的车轮滑动而产生的局部加热所导致的易碎的马氏体的产生。

发明内容

本发明的目标是提供一种车轮，该车轮易于制造，并且具有足够高的径向柔性和轴向刚性以避免上述缺陷，上述缺陷分别与在一些专利文献中描述的其它车轮设计和车轮中产生的应力和挠曲有关。

本发明的目标通过在车轮轮辋和轮毂之间引入新型弯曲轮辐实现，该轮辐使得可调整设计，以在关于低应力与小的横向挠曲和轮辋倾侧的相对需求之间实现平衡。

在设计轨道车轮轮辐时，必须满足(1)与由于垂直和横向机械载荷导致的疲劳应力有关的需求，和(2)与由于踏面制动产生的热载荷导致的轮辋的应力和挠曲有关的需求。需求(1)要求在车轮轮毂附近的轮辐的厚度比较大，但是一般允许轮辐在轮辋附近适当地薄。轮辐的此区域的形状和斜度在能够允许轮辐径向扩展时是决定性的，该径向扩展将根据需求(2)导致轮辋应力和横向挠曲降低。此外，为了减少轮辋倾侧，轮辐与车轮轮辋的连接区域的横向位置也变得重要。

已经基于这样的考虑构想出了本发明，实现了一种用于铁路车辆、尤其用于货车的轨道车轮，该车轮相对于垂直于该车轮的径向中间平面的旋转轴线具有轴对称形状，该车轮包括轮毂，具有运行表面和凸缘的轮辋，位于该轮辋和轮毂之间的轮辐，轮辐与轮辋的接合区域和轮辐与轮毂的接合区域，并且所述轮辐的横截面被构造成沿中心曲线在位于轮辐和轮辋之间的接合区域处的点与位于轮辐和轮毂之间的接合区域处的点之间延伸，其特征在于，位于车轮的轮毂和轮辋之间的轮辐具有曲线延展部，该曲线延展部具有弯曲的中间部分，该中间部分在第一拐点和第二拐点之间沿中心曲线延伸，所述第一拐点和第二拐点沿所述中心曲线位于中间点的两侧，并且该中间部分具有位于车轮的一侧的曲率中心，该曲线延展部还具有位于第一拐点和与轮辋的接合区域中的点之间的第一末端部分，和位于第二拐点和与轮毂的接合区域中的点之间的第二末端部分，这两个末端部分具有位于车轮的相对侧的曲率中心；位于所述接合区域的两个点定位在所述径向中间平面的相同一侧上；在轮辐的中间点处的中心曲线的切线平行于中间平面并且位于所述中间平面的与所述两个点所定位的所述一侧相对的一侧；以及，在所述第一拐点和所述第二拐点处的轮辐的中心曲线的切线之间的角度在90-120度之间。

附图说明

下文将参照附图更详细地描述本发明，在附图中示出轨道车轮的一部分的径向横截面。

具体实施方式

如图所示，车轮包括轮毂1、轮辋2和轮辐或中间盘5，该轮辋具有运行表面或踏面3和在其内侧的凸缘4，该轮辐5连接到该轮毂和轮辋。

X-X指示车轮的几何和旋转轴线，而S指示车轮的垂直于X-X轴线的径向中间平面。

轮辐5的横截面沿中心曲线AB延伸，并且在区域6中的点A与区域7中的点B之间具有曲线形状，区域6使该轮辐连接到轮辋2的径向内表面，区域7使该轮辐连接到轮毂1的径向外表面。

更具体地说，轮辐5具有弯曲的中间部分，该中间部分在位于中间点C的相对部分上的两个拐点D、E之间沿中心曲线AB延伸，并且具有位于车轮的一侧的曲率中心(拱腹[intrados])，轮辐5还具有位于点D和与轮辋的接合区域6中的上述的点A之间的第一末端部分，和位于点E和与轮毂的接合区域7中的上述的点B之间的第二末端部分，这两个末端部分具有位于车轮的相对侧的曲率中心(拱腹)。

此外，根据本发明：

轮辐5的中心曲线AB上的两个接合点A和B被定位在车轮的相对于径向中间平面S的相同一侧(在附图中，在内侧)；

中间点C位于径向中间平面S的与两个点A和B所定位的一侧相对的一侧(在附图中，在外侧)，并且在所述中间点C处中心曲线AB的切线平行于所述径向中间平面S；并且

在拐点(D，E)处轮辐的中心曲线AB的切线之间的角度在90度和120度之间。

车轮的轮辋2的内部径向表面的直径为在轮辐的点C处的直径的大约1.2-1.4倍，并且点C与径向中间平面S之间的距离优选地在大约20-30mm之间。

在轮辐5的位于点C和拐点D之间的中间部分中，中心曲线AB的半径r在29-50mm的范围内，而在轮辐5的位于点C和拐点E之间的中间部分中，中心曲线AB的半径R在90-200mm的范围内。此外，在轮辐5的位于拐点D和接合点A之间的部分中，中心曲线AB的半径r1在22-60mm的范围内，而在轮辐5的位于拐点E和接合点B之间的部分中，中心曲线AB的半径r2在100-400mm的范围内。

轮辐在轮辋1附近的厚度将尽可能地薄，与轮辐本身的其它尺寸参数一致。

Claims (8)

1.一种轨道车轮，该车轮相对于垂直于该车轮的径向中间平面(S)的旋转轴线(X-X)具有轴对称形状，该车轮包括轮毂(1)，具有运行表面(3)和凸缘(4)的轮辋(2)，位于该轮辋和轮毂之间的轮辐(5)，轮辐与轮辋的接合区域(6)和轮辐与轮毂的接合区域(7)，并且所述轮辐(5)的横截面被构造成沿中心曲线(AB)在位于轮辐(5)和轮辋之间的接合区域(6)处的点(A)与位于轮辐(5)和轮毂(1)之间的接合区域(7)处的点(B)之间延伸，其特征在于，

-位于车轮的轮毂和轮辋之间的轮辐(5)具有曲线延展部，该曲线延展部具有弯曲的中间部分，该中间部分在第一拐点(D)和第二拐点(E)之间沿中心曲线(AB)延伸，所述第一拐点(D)和第二拐点(E)沿所述中心曲线(AB)位于中间点(C)的两侧，并且该中间部分具有位于车轮的一侧的曲率中心，该曲线延展部还具有位于第一拐点(D)和与轮辋的接合区域(6)中的点(A)之间的第一末端部分，和位于第二拐点(E)和与轮毂的接合区域(7)中的点(B)之间的第二末端部分，这两个末端部分具有位于车轮的相对侧的曲率中心，

-位于所述接合区域(6，7)的两个点(A，B)定位在所述径向中间平面(S)的相同一侧上，

-在轮辐的中间点(C)处的中心曲线(AB)的切线平行于中间平面(S)并且位于所述中间平面(S)的与所述两个点(A，B)所定位的所述一侧相对的一侧，以及

-在所述第一拐点(D)和所述第二拐点(E)处的轮辐的中心曲线(AB)的切线之间的角度在90-120度之间。

2.根据权利要求1的轨道车轮，其中轮辋的内侧的直径为在轮辐的中间点(C)处的直径的1.2-1.4倍。

3.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中轮辐的中间点(C)与中间平面(S)之间的距离在20-30mm之间。

4.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中在轮辐的中间点(C)和第一拐点(D)之间的部分中，中心曲线(AB)的半径在29-50mm的范围内。

5.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中在轮辐的中间点(C)和第二拐点(E)之间的部分中，中心曲线(AB)的半径在90-200mm的范围内。

6.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中在第一拐点(D)和位于轮辐(5)和轮辋之间的接合区域(6)处的点(A)之间的部分中，中心曲线(AB)的半径在22-60mm的范围内。

7.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中在第二拐点(E)和位于轮辐(5)和轮毂(1)之间的接合区域(7)处的点(B)之间的部分中，中心曲线(AB)的半径在100-400mm的范围内。

8.根据权利要求1或2的轨道车轮，其中轮辐在轮辋附近具有最小厚度。

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