CN1100688A - 测定铁路车轮轴向剖面轮廓的方法及所制得的车轮 - Google Patents

Abstract

为了在使用中来减小声的发射率，测定了车轮与 轨道实际接触点的位置，且调整了车轮之轮缘与轮芯 二者剖面上的质量分布，使得此接触点、轮缘剖面的 惯性中心以及轮芯剖面的惯性中心这三者均位于与 车轮轴线相垂直的同一直线上，且调节车轮剖面的轮 廓，使得上述结触点乃是轮缘的轴向振动方式的振动 波节。本发明特别适用于高速列车的车轮。

Description

本发明涉及一种具有低的声发射率的铁路车轮。

铁路车轮在它接触到它所行驶的铁轨时，会受激振动而发射出行驶噪声，此种噪声的功率与频谱取决于车轮的设计、接触面的光洁度以及车辆的速度；特别是对于高速列车说来，此种噪声的功率是很高的，当车速超过250km/h时可以达到85dB。

事实上，铁路车轮乃是一种供特殊应用的部件。在各项应用中，此种车轮都是一项特定设计的主题，而这种设计则涉及到几何约束、各个轴所能经受的载荷约束、以及在制动下行为的约束。但是，却未曾考虑到声的发射，而声发射的结果使得车轮一般有很强的共振。

为了克服此种缺点，已提出过在车轮上设置共振器或消音器等各种技术，它们干扰着车轮，调整其自振频率，并降低声发射率。

上述技术存在着这样的缺点，即需要相对于车轮的固有频率来对共振器或消音器进行精细调节，而这类固有频率则每当轮轨接触面因机械加工作用而更新时就会改变。结果使得各个车轮在每当它经受再次的机械加工作用后就必须进行调整。

但在任何情形下，上述这类技术都是权宜之计。

本发明之目的在于提出一种设计铁路车轮的方法，它考虑到车轮的声学性能，并可将车轮设计成在各种应用中使噪声尽可能地减至最低限度。

为此目的，本发明的主题涉及到这样一种方法，它用来测定通过一车轮之转动轴线之平面上的剖面轮廓，特别是这样一种具有低的声发射率的铁路车轮，它包括轮毂、轮芯以及形成凸缘与软轨接触面的轮缘，车轮的外形可根据外部因素调整，这种车轮是计划用在由一批轨道构成的铁路网上的，这批轨道具有一定的轮廓并根据铁路网的专门规程铺设，其中车轮通过轴向平面之剖面的最佳轮廓的确定，取决于车辆各轴上的负荷、名义速度以及车辆的制动条件，特征在于：为了在使用中令车轮的声发射率尽可能地低；

车轮在运行中与轨道实际接触点P在轮轨接触面上的位置，应该根据此轮轨接触面的强制外形、轨道的轮廓以及铺设轨道时的条件确定；

轮缘和轮芯剖面上的质量分布应调节到，使得接触点P、轮缘剖面的惯性中心G1以及轮芯剖面的惯性中心G2均位于垂直于车轮轴线YY′之间一直线XX′上；

此外，车轮之剖面轮廓应调整成，使得上述接触点P乃是使用中之车轮（1）的轮缘（4）的轴向振动模式的一个振动节。

具体地说，此轮缘剖面的轮廓可以调节成，使得当原点位于此剖面惯性中心G1的基准坐标系（G1X，G1Y1）中且轴线G1X是在直线XX′上而轴线G1Y1平行于车轮轴线YY′时，所计算出的这一轮缘剖面的惯性矩矩阵包括的交错项Ixy与Iyx要小于对角项Ixy与Iyy的10%。要是交错项Ixy与Iyx小于对角项Ixx与Iyy的3%，就会取得更佳结果。

最好是，上述轮芯的剖面轮廓应选择成为相对于直线XX′对称。

还能够将轮芯剖面轮廓调节成，使得在为轮缘剖面与轮芯剖面所形成之组合体的惯性矩矩阵中，所包括的交错项Ixy与Iyx小于对角项Ixx与Iyy的10%而最好是小于它们的3%。

本发明的主题还涉及到这样一种低的声发射率的铁路车轮，它包括一个轮毂、一个轮芯以及一个配有凸缘与轮轨接触面的轮缘，其中，对于任何一个在经过车轮轴线之平面上的剖面，上述轮轨接触面与铁轨的实际接触点、轮缘剖面的惯性中心、以及轮芯剖面的惯性中心都排列在与该车轮轴线相垂直的直线ZZ′上。

轮芯的剖面最好相对于直线ZZ′对称，而以轮芯的剖面为直的形式更为理想，亦即此轮芯的剖面是由两条与直线ZZ′基本平行的直线所界定时更为理想。

特别是，此铁路车轮轮缘的剖面可以在此车轮的内侧面上包括一下降部，而在此车轮的外侧面上则有一平衡部（flyweight），此平衡部或与车轮整体成形或装附于车轮之上。轮芯与平衡部可以界定出一个槽，在此槽内能设置一个最好由不锈钢制的环。

为了改进车轮的声学性能，可用树脂将一个侧边部件粘合到轮芯上；轮轨接触面也可以是辊光式的。

轮缘剖面的惯性矩矩阵最好使得它所包括的交错项Ixy与Iyx小于对角项Ixx与Iyy的10%，而更为理想的是小于它们的3%。

下面对照唯一的附图来描述本发明，此附图表示的是车轮的一个通过此车轮轴线之平面上的半个剖面。

铁路车轮是一个轴对称体，由通过一轴向平面的剖面1绕轴线YY′旋转而成。此剖面1分成三个部分：轮毂2的剖面、轮芯3的剖面、以及轮缘4的剖面，此轮缘4的剖面包括与此车轮的内面5、凸缘6、轮轨接触带7与外面8相对应的轮廓。

对于由每根轴上的一定载荷来表征的，采用特定制动技术在规定的铁路网上依固定速率运行的铁路车辆所限定的各种应用而言，熟悉此项技术的人能以周知的方式确定相应车轮的剖面，而确保车轮具有充分的机械强度、在制动下有令人满意的行为，且一般可使车轮重量最小。为了达到这一目的，熟悉此项技术的人考虑了这一特殊问题所特有的约束条件，例如车轮凸缘与轮轨接触面的外形以及车轮的直径，并用到了属周知的计算模型。

但是，上述设计方法并未考虑到车轮的声学行为。但这样，也就留有足够的自由度来使车轮的声学行为最优化。

为此目的，测定了轮轨接触面与轨道的最可能的实际接触点P，测定的方法是熟悉本项工艺的人所周知的，其中考虑到了轮轨接触面的轮廓、轨道的轮廓以及拟使用此种车轮之铁路网的专门的铺轨规程。然后，在设计车轮的过程中应确保实现这一条件：即上述接触点P、轮缘剖面的惯性中心G1以及轮芯剖面的惯性中心G2，这三者必须排列在垂直于车轮轴线YY′的直线XX′上。这相当于对轮缘与轮芯二者剖面的质量作出分布来满足前述条件。

最后，调节轮缘4之剖面的轮廓，使得点P成为轮缘轴向振动模式（即平行于轴线YY′的模式）的波节。为此，人们可以尝试地采用周知的计算铁路车轮振动行为的模型或是通过实验来进行。

而且最好应加上这样的条件，即当原点在轮缘4之剖面的惯性中心G1处而轴线与轴线X′X与Y′Y平行的基准坐标系（G1X，G1Y1）中，所计算出的轮缘4之剖面的惯性矩矩阵必须大致上是对角矩阵，即交错项Ixy与Iyx与对角项Ixx上Iyy相比要小。实际上，要满足的条件是Ixy与Iyx应小于Ixx与Iyy的10%。

要是Ixy与Iyx更小，结果也就会更好，最好是使Ixy与Iyx小于Ixx与Iyy的3%；而理想的情形则是Ixy与Iyx为零。

以上约束条件使得轮芯之剖面3的外形，特别是车轮中性轴线的选择几乎没有多少自由度。但最好是选择由直线XX′形成的直的中性轴线，同时选择轮芯的剖面3的外形使之相对于直线XX′是对称的。

为使轮芯剖面3的外形最佳，还可加上这样的条件，即由轮芯之剖面3与轮缘4所形成之组合体的惯性矩矩阵必须大体上是对角形的，亦即交错项Ixy与Iyx必须小于对角项Ixx与Iyy的10%，而最好是小于它们的3%。

按以上方法进行，就能获得一声发射率低的车轮。事实上，这种运行噪声是由轮芯的轴向振动引起。现在，这类振动是在轨道/车轮接触由作用于点P上的径向载荷所励起的，而这里要描述的设计规则是，需使径向激励与轴向波动之间只有极其之低的相联关系。

但在铁轨的弯曲部分时，车辆会受到侧向载荷的影响，使得车轮与轨道的接触点P移动到P′或P″（取决于车轮是在弯曲部分的内侧或外侧）。为使车轮不仅在直线上而且在弯曲部分上具有满意的声学行为，必须核查车轮当它在P′与P″受到扰动时能具有合格的振动行为，必要时可通过尝试来调整轮缘4剖面的外形，有可能还要调整轮芯3剖面的外形。

本发明的方法能设计出具有低的声发射率的用于高速列车的车轮，其中，最可能的实际接触点P、轮缘4剖面的惯性中心G1以及轮芯3剖面的惯性中心G2，均排列在垂直于车轮轴线YY′的直线XX′上。此轮芯3的剖面是相对于XX′对称的，并且是直的，这就是说，撇开混合半径9与10结合到轮毂2之剖面上的部分不论，轮芯3之剖面的边缘11与12则是平行于XX′的直线段。

撇开凸缘6的轮廓、轮轨接触面7、内侧面5与外侧面8不论，此轮缘4的剖面在内侧面5的一侧上，包括一相对于直线XX′倾斜并将内侧面5连接到轮芯的一个下降部13；而在外侧面8的一侧上则有一平衡部14，后者与轮芯的剖面3限定出一个槽15。平衡部14在车轮上组成了一个环形件，此平衡部可与车轮整体成形，但也可以代之以例如用螺丝紧固上的装配形式。

为了改进上述车轮的声学行为，特别是可将一不锈钢环16放置到槽15中，这样能减少啸声噪音。

还能够通过一层树脂18，例如氯丁橡胶层，将一种侧边部件17粘合到车轮的轮芯上。

本发明适用于任何种类的铁路车轮，更一般地说，能用来设计任何地面车辆的车轮。

Claims (14)

1、用来确定通过车轮(1)之转动轴线(YY′)的平面上之剖面轮廓的方法，而这里的车轮特别是指这样一种具有低的声发射率的铁路车轮，它包括有轮毂(2)、轮芯(3)以及形成凸缘(6)与轮轨接触面(7)的轮缘(4)，车轮的外形可据外部因素调整，而这种车轮是计划用在由一批轨道构成之铁路网上的，这批轨道具有一定的轮廓并根据铁路网的专门规程铺设，其中，车轮(1)通过轴向平面之剖面的最佳轮廓的确定，取决于车辆各轴上的负荷、名义速度以及车辆的制动条件，特别在于：为了在使用中令车轮有尽可能低的声发射率；

车轮(1)在运行中与轨道实际接触点P在轮轨接触面(7)上的位置，应该根据轮轨接触面(7)的强制外形、轨道的轮廓与铺设轨道时的条件确定；

轮缘(4)的剖面和轮芯(3)的剖面上的质量分布应调整到，使得接触点P、轮缘(4)的剖面的惯性中心G1以及轮芯(3)剖面的惯性中心G2均位在垂直于车轮(1)之轴线(YY′)的同一直线(XX′)上；

此外，车轮(1)之剖面轮廓应调整成，使得上述接触点P乃是使用中之车轮(1)的轮缘(4)的轴向振动模式的一个振动节。

2、如权利要求1所述的方法，特征在于：上述轮缘（4）的剖面轮廓可以调节成，使得当原点位于此剖面惯性中心G1处的基准坐标系（G1X，G1Y1）中且轴线G1X是在直线XX′上而轴线G1Y1则平行于车轮轴线YY′时，所计算出的轮缘（4）之剖面的惯性矩矩阵包括的交错项Ixy与Iyx要小于各对角项Ixx与Iyy的10%。

3、如权利要求2所述的方法，特征在于：轮缘（4）之剖面轮廓被调节成，使得上述惯性矩矩阵中的交错项Ixy与Iyx小于对角项Ixx与Iyy的3%。

4、如权利要求1至3所述的方法，特征在于：上述轮芯剖面的轮廓被确定为相对于直线XX′对称。

5、如权利要求4所述方法，特征在于：上述轮芯（3）剖面的轮廓经调整成，使得在为轮缘（4）剖面与轮芯（3）剖面所形成之组合体的惯性矩矩阵中，所包括的交错项Ixy与Iyx小于对角项Ixx与Iyy的10%，而最好是小于它们的3%。

6、一种具有低的声发射率的下述类型的铁路车轮，它包括一轮毂（2）、一个轮芯（3）以及一个配有凸缘（6）与轮轨接触面（7）的轮缘（4），特征在于：对于任何一个在经过车轮（1）之旋转轴线YY′的平面，上述轮轨接触面（7）与车轮（1）所在之轨道的实际接触点P、轮缘（4）剖面的惯性中心G1、以及轮芯（3）剖面的惯性中心都排列在与车轮（1）之轴线YY′相垂直的直线ZZ′上。

7、如权利要求6所述的铁路车轮，特征在于：轮芯（3）的剖面相对于直线XX′对称。

8、如权利要求7所述的铁路车轮，特征在于：轮芯（3）的剖面是由两条实质上与直线XX′相平行的直线所界定。

9、如权利要求7或8所述的铁路车轮，特征在于：轮缘（4）的剖面包括一在车轮（1）内侧面上的下降部（13）以及一在车轮（1）外侧面上的平衡部（flyweight）（14），此平衡部（14）可与车轮（1）整体成形或装附于其上。

10、如权利要求9所述的铁路车轮，特征在于：上述平衡部（14）与轮缘（3）之间限定出一个槽（15）。

11、如权利要求10所述的铁路车轮，特征在于：有一个最好是由不锈钢制得的环（16）置放在由平衡部（14）与轮缘（3）所界定的槽（15）之内。

12、如权利要求6至11所述的铁路车轮，特征在于：还可通过一层树脂（18）将一种侧边部件（17）粘合到轮芯（3）之上。

13、如上述任一项权利要求所述的铁路车轮，特征在于：轮轨接触面（7）是辊光式的。

14、如权利要求6至13所述的铁路车轮，特征在于：当原点位于轮缘（4）剖面之惯性中心G1处的基准坐标系（G1X，G1Y1）中且轴线G1X是在直线XX′上而轴线G1Y1则平行于车轮轴线YY′时，在计算出的轮缘（4）之剖面的惯性矩矩阵中所包括的交错项Ixy与Iyx要小于对角项Ixx与Iyy的10%，最好是小于它们的3%。