CN105480013B - 一种高速动车组的新型车轮踏面结构 - Google Patents
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Abstract
一种高速动车组的新型车轮踏面结构属于轨道车辆车轮踏面结构领域，该车轮踏面结构能够完全匹配和适应CN60新型轨道的廓型，其通过较小的喉根圆高锥度区第一圆弧段端面的曲率半径来避免列车车轮因踏面的等效锥度过高而产生的失稳，和避免因踏面的等效锥度过过低而导致车辆晃动。通过正常工作区和踏面端部外侧低锥度区配合起到增大踏面与轨道接触面积的作用，能够在同样的接触应力下允许车轮承受更高的轴重载荷。其通过优化滚动圆的最佳位置实现减缓踏面磨耗、延长旋轮周期，并通过给出计算优选后的参数设置使得该踏面结构对钢轨廓变化适应能力获得较大幅度提高，从而实现在抑制蛇行运动和延长旋轮周期两个方面均能取得兼顾和平衡的理想效果。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆的车轮踏面结构领域，具体涉及一种高速动车组的新型车轮踏面结构。
背景技术
如图1所示，轨道客车的车轮的踏面结构是车轮径向截面上由轮缘和踏面M所形成的轮廓线，踏面结构按照本领域业内公知的定义方法，通常包括轮缘1、喉根圆高锥度区2、滚动圆3、常工作区4、外端低锥度5和外端面倒角区6等主要结构，它们的外轮廓线顺次平滑连接形成整体踏面结构的轮廓曲线。其中，滚动圆3定义为距离踏面轮缘内侧面L1＝70mm的B点位置，以滚动圆3的竖直直径为分界线，可将正常工作区4进一步分为常工作区左侧圆弧段端面4-1和常工作区右侧直线段端面4-2。轮缘厚度D为滚动圆3水平直径上方10mm处轮的缘横向厚度。常工作区4和外端低锥度5共同构成踏面区M。由于常工作区4和外端低锥度5是车轮用以承受整车重量的主要结构，其在与铁轨廓型的配合和摩擦过程中的磨损和消耗较大，且影响到车辆临界速度、车辆安全、整车舒适性、轮轨伤损等，其二者具有一定的等效锥度。踏面等效锥度越大则越有利于提高列车的圆弧轨道上的曲线通过能力，但同时，踏面等效锥度对机车的蛇行稳定性不利，因此，在设计动车组列车的车轮踏面结构时，必须根据踏面结构对钢轨适应能力、踏面磨耗、车辆横向稳定性、车体平稳性、轮轨接触应力、接触角差、车辆悬挂参数适应性等多方面综合考量，以求筛选出踏面等效锥度适应性最佳的车轮的踏面结构参数，从而在抑制蛇行运动、提高高速动车稳定性和减少轮缘磨耗、延长旋轮周期、增加车轮使用寿命二者方面取得最优的兼顾和平衡。
另一方面，国内高铁目前同时存在旧有的CH60型钢轨廓形和全新的60N钢轨廓型，而现有国内动车组S1002CN型等老旧型号的车轮踏面形状均无法与旧有的CH60型钢轨廓形和全新的60N钢轨廓型同时匹配。
发明内容
为了解决现有国内动车组S1002CN型等老旧型号的车轮踏面形状均无法与旧有的CH60型钢轨廓形和全新的60N钢轨廓型同时匹配，现有的老旧型号的车轮踏面形状也无法在提高镟修周期和提高列车动力学性能两个方面均同时取得最佳的兼顾和平衡的技术问题，本发明提供一种高速动车组的新型车轮踏面结构。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种高速动车组的新型车轮踏面结构，包括轮缘、喉根圆高锥度区、滚动圆、常工作区、外端低锥度区和外端面倒角区，所述轮缘包括轮缘第一圆弧段端面、轮缘第二圆弧段端面、轮缘第三圆弧段端面和轮缘直线段端面，它们均顺次以相切的形式平滑连接；所述喉根圆高锥度区包括喉根圆高锥度区第一圆弧段端面和喉根圆高锥度区第二圆弧段端面，其二者以相切的形式平滑连接；所述常工作区包括常工作区第一圆弧段端面和常工作区直线段圆锥面，其二者以相切的形式平滑连接；外端低锥度区自身均为直线段圆锥面；所述轮缘直线段端面的末端与喉根圆高锥度区第一圆弧段端面相切；喉根圆高锥度区第二圆弧段端面的末端与常工作区第一圆弧段端面以相切的形式平滑连接；常工作区直线段圆锥面的末端与外端低锥度区的前端直线段以相切的形式平滑连接；外端低锥度区的末端与外端面倒角区呈45°夹角；其特征在于：
所述滚动圆横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度介于0.08-0.12之间；
所述常工作区第一圆弧段端面，其圆弧半径R6范围是315mm≤R6≤385mm；所述常工作区直线段圆锥面与水平线的夹角K1的范围是1/22≤K1≤1/18。
所述外端低锥度区与水平线的夹角K2的范围是1/16≤K2≤1/14；所述外端面倒角区是45°的等腰直角三角形倒角，其直角边长度为5mm。
所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面的半径R4的范围是13.5mm≤R4≤16.5mm；所述喉根圆高锥度区第二圆弧段端面的半径R5＝200mm。
所述轮缘第一圆弧段端面的半径R1＝25mm，轮缘第二圆弧段端面的半径R2＝10mm，轮缘第三圆弧段端面的半径R3＝20mm，轮缘直线段端面的延长线与水平线的夹角θ为70°。
所述轮缘第二圆弧段端面的圆弧顶点是轮缘的最高点A，该最高点A到滚动圆竖直直径的顶端最高点B的竖直距离H为27.8163mm；所述轮缘的厚度D为32.1098mm。
所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面的起点C到滚动圆竖直直径的顶端最高点B的水平距离M3＝39.0086mm。
所述滚动圆横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度为0.1；所述常工作区直线段圆锥面与水平线的踏面第一等效锥度角K1＝1/20，所述外端低锥度区与水平线的夹角K2＝1/15，所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面的半径R4＝15mm。
本发明的有益效果是：该高速动车组的新型车轮踏面结构能够完全匹配和适应CN60新型轨道的廓型，其通过较小的喉根圆高锥度区第一圆弧段端面的曲率半径来避免列车车轮因踏面的等效锥度过高而产生的失稳，和避免因踏面的等效锥度过过低而导致车辆晃动。
通过使轮轨接触点C随通过曲线时轮缘力的大小而变化而使得轮缘根部与钢轨的相对速度减小而虚弱磨耗作用，从而减少机车通过曲线时的轮缘磨耗。
通过常工作区和外端低锥度区配合起到增大踏面与轨道接触面积的作用，能够在同样的接触应力下允许车轮承受更高的轴重载荷。其通过优化滚动圆的最佳位置实现减缓踏面磨耗、延长旋轮周期，并通过给出计算优选后的参数设置使得该踏面结构对钢轨廓变化适应能力获得较大幅度提高，从而实现在抑制蛇行运动和延长旋轮周期两个方面均能取得兼顾和平衡的理想效果，并在改善轮轨匹配关系、缓解车辆异常振动的同时，进一步提高轮对对车辆异常振动的缓解能力。
此外，该新型车轮踏面结构还在降低踏面对悬挂参数灵敏度、获得较强的曲线通过能力、提高高速行驶稳定性，以及增加车辆悬挂参数适应性等方面，均了取得较为理想的综合效果。
附图说明
图1是本发明一种高速动车组的新型车轮踏面结构的示意图。
图2是本发明一种高速动车组的新型车轮踏面结构与旧有的S1002CN型车轮踏面的横移量与应力对应关系的比较曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的高速动车组的新型车轮踏面结构包括轮缘1、喉根圆高锥度区2、滚动圆3、常工作区4、外端低锥度区5和外端面倒角区6，其特征在于：轮缘1包括轮缘第一圆弧段端面1-1、轮缘第二圆弧段端面1-2、轮缘第三圆弧段端面1-3和轮缘直线段端面1-4，它们均顺次以相切的形式平滑连接。喉根圆高锥度区2包括喉根圆高锥度区第一圆弧段端面2-1和喉根圆高锥度区第二圆弧段端面2-2，其二者以相切的形式平滑连接。常工作区4包括常工作区第一圆弧段端面4-1和常工作区直线段圆锥面4-2，其二者以相切的形式平滑连接。外端低锥度区5自身均为直线段圆锥面。
轮缘直线段端面1-4的末端与喉根圆高锥度区第一圆弧段端面2-1相切。喉根圆高锥度区第二圆弧段端面2-2的末端与常工作区第一圆弧段端面4-1以相切的形式平滑连接。常工作区直线段圆锥面4-2的末端与外端低锥度区5的前端直线段以相切的形式平滑连接。外端低锥度区5的末端与外端面倒角区6呈45°夹角。
滚动圆3横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度介于0.08-0.12之间。
常工作区第一圆弧段端面4-1，其圆弧半径R6范围是315mm≤R6≤385mm。常工作区直线段圆锥面4-2与水平线的夹角K1的范围是1/22≤K1≤1/18。
外端低锥度区5与水平线的夹角K2的范围是1/16≤K2≤1/14。外端面倒角区6是45°的等腰直角三角形倒角，其直角边长度为5mm。
喉根圆高锥度区第一圆弧段端面2-1的半径R4的范围是13.5mm≤R4≤16.5mm。喉根圆高锥度区第二圆弧段端面2-2的半径R5＝200mm。
轮缘第一圆弧段端面1-1的半径R1＝25mm，轮缘第二圆弧段端面1-2的半径R2＝10mm，轮缘第三圆弧段端面1-3的半径R3＝20mm，轮缘直线段端面1-4的延长线与水平线的夹角θ为70°。
轮缘第二圆弧段端面1-2的圆弧顶点是轮缘1的最高点A，该最高点A到滚动圆3竖直直径的顶端最高点B的竖直距离H为27.8163mm。轮缘1的厚度D为32.1098mm。
喉根圆高锥度区第一圆弧段端面2-1的起点C到滚动圆3竖直直径的顶端最高点B的水平距离M3＝39.0086mm。
滚动圆3横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度为0.1，该等效锥度值的检测方法按国际铁路联盟标准UIC519所规定等效锥度计算方法检测。常工作区直线段圆锥面4-2与水平线的踏面第一等效锥度角K1＝1/20，外端低锥度区5与水平线的夹角K2＝1/15，喉根圆高锥度区第一圆弧段端面2-1的半径R4＝15mm。
具体应用本发明的高速动车组的新型车轮踏面结构时将其型号确定为LMB10型高速动车组踏面，并按下述的具体数值分别设置其重要参量如下：R4＝15mm，R5＝220mm，R6＝350mm，K1＝1/20，K2＝1/15，R4＝15mm，则可使该LMB10型高速动车组的新型车轮踏面结构同时满足国内现有的CH60型钢轨廓形和全新的60N钢轨廓型的匹配等效锥度均满足设计要求，可避免车辆发生晃动或蛇行失稳等异常振动问题，并在提高镟修周期和提高列车动力学性能两个方面均同时取得最佳的兼顾和平衡。
如图2可知，本发明的LMB10型高速动车组的新型车轮踏面结构同与旧有的S1002CN型踏面在常工作区4内接触应力值大小相当，但在喉根圆高锥度区2的接触应力较S1002CN型踏面在同一位置上的接触应力更小，因此有助于降低磨耗。
Claims (7)
1.一种高速动车组的新型车轮踏面结构，包括轮缘(1)、喉根圆高锥度区(2)、滚动圆(3)、常工作区(4)、外端低锥度区(5)和外端面倒角区(6)，所述轮缘(1)包括轮缘第一圆弧段端面(1-1)、轮缘第二圆弧段端面(1-2)、轮缘第三圆弧段端面(1-3)和轮缘直线段端面(1-4)，它们均顺次以相切的形式平滑连接；所述喉根圆高锥度区(2)包括喉根圆高锥度区第一圆弧段端面(2-1)和喉根圆高锥度区第二圆弧段端面(2-2)，其二者以相切的形式平滑连接；所述常工作区(4)包括常工作区第一圆弧段端面(4-1)和常工作区直线段圆锥面(4-2)，其二者以相切的形式平滑连接；外端低锥度区(5)自身均为直线段圆锥面；
所述轮缘直线段端面(1-4)的末端与喉根圆高锥度区第一圆弧段端面(2-1)相切；喉根圆高锥度区第二圆弧段端面(2-2)的末端与常工作区第一圆弧段端面(4-1)以相切的形式平滑连接；常工作区直线段圆锥面(4-2)的末端与外端低锥度区(5)的前端直线段以相切的形式平滑连接；外端低锥度区(5)的末端与外端面倒角区(6)呈45°夹角；其特征在于：
所述滚动圆(3)横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度介于0.08-0.12之间；
所述常工作区第一圆弧段端面(4-1)，其圆弧半径R6范围是315mm≤R6≤385mm；所述常工作区直线段圆锥面(4-2)与水平线的夹角K1的范围是1/22≤K1≤1/18。
2.如权利要求1所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述外端低锥度区(5)与水平线的夹角K2的范围是1/16≤K2≤1/14；所述外端面倒角区(6)是45°的等腰直角三角形倒角，其直角边长度为5mm。
3.如权利要求1所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面(2-1)的半径R4的范围是13.5mm≤R4≤16.5mm；所述喉根圆高锥度区第二圆弧段端面(2-2)的半径R5＝200mm。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述滚动圆(3)横移±3mm时踏面与标准CH60轨匹配的等效锥度为0.1；所述常工作区直线段圆锥面(4-2)与水平线的踏面第一等效锥度角K1＝1/20，所述外端低锥度区(5)与水平线的夹角K2＝1/15，所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面(2-1)的半径R4＝15mm。
5.如权利要求1或3所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述喉根圆高锥度区第一圆弧段端面(2-1)的起点C到滚动圆(3)竖直直径的顶端最高点B的水平距离M3＝39.0086mm。
6.如权利要求1所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述轮缘第一圆弧段端面(1-1)的半径R1＝25mm，轮缘第二圆弧段端面(1-2)的半径R2＝10mm，轮缘第三圆弧段端面(1-3)的半径R3＝20mm，轮缘直线段端面(1-4)的延长线与水平线的夹角θ为70°。
7.如权利要求1或6所述的一种高速动车组的新型车轮踏面结构，其特征在于：所述轮缘第二圆弧段端面(1-2)的圆弧顶点是轮缘(1)的最高点A，该最高点A到滚动圆(3)竖直直径的顶端最高点B的竖直距离H为27.8163mm；所述轮缘(1)的厚度D为32.1098mm。
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