CN111532081A - 一种火车车轮及与其相适配的铁路道岔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火车车轮及与其相适配的铁路道岔，该火车车轮包括转轴，转轴两端均安装有车轮，车轮上设有外轮缘，一个车轮上的外轮缘位于该车轮背离另一个车轮的端面上。该铁路道岔包括道岔尖轨和活动心轨，道岔尖轨位于两条相交路轨的分岔处，且道岔尖轨中的两根钢轨分别位于两条相交路轨中位于最外侧的两根钢轨的外侧，活动心轨的尖头朝向背离道岔尖轨的方向。该火车车轮的外轮缘结构产生的阻碍倾斜的摩擦力及应力在与倾斜或侧翻支点不同侧的另外一侧，抗侧翻的摩擦力力矩及应力力矩的力臂更大，摩擦力力矩和应力力矩也更大，抗侧翻的能力也更强。

Description

一种火车车轮及与其相适配的铁路道岔

技术领域

本发明属于铁路机车技术领域，涉及一种火车车轮；本发明还涉及一种与该火车车轮相适配的铁路道岔。

背景技术

列车车轮压在钢轨上，用来传递列车的重力。列车车轮内侧有一圈比车轮半径更大的圆盘——轮缘。轮缘使车轮像“卡”在轨道上，保证车轮始终在轨道上运行，用来控制列车运行方向。另外，当列车转弯时，内外钢轨的高度差将会形成列车转弯的向心力，如果转弯时车速较快，离转弯圆心较远一侧车轮的轮缘与钢轨接触，对钢轨产生压力，而钢轨对该轮缘也有一个指向转弯圆心的反作用力，这个力是向心力的一个组成部分。

列车的运行原理，就是通过转向架与轨道之间接触，利用列车的自导向特性行进。所以列车的运行轨迹和轨道的形状有关。通俗的讲，轨道向哪指，列车就向哪跑。

列车变轨时，通过扳动岔道，车轮内侧轮缘用来引导控制列车运行方向，道岔可以控制轮缘的位置方式，实现变轨。列车实现不同轨道之间的切换其中最关键的部位就是道岔，也就是列车轨道和轨道之间接触的部分。原理就是通过薄片和轨道接触形成的导向来引导机车前进，从而强行改变列车的运行轨迹。

活动心轨最主要的特点是辙叉心轨可以板动。当要开通某一方向股道时，活动心轨的辙叉心轨就与开通方向一致的翼轨密贴，与另一翼轨分开，这样一来，普通道岔的有害空间就不存在了。实践证明，消灭了道岔有害空间，行车更加平稳，过岔速度限制较小，因而特别适合运量大，需要开行高速列车的线路使用。

变轨的时候，宏观上讲就是改变轨道的方向，微观上讲就是通过改变与轨道贴合的部分的道岔来改变方向。而且现在的道岔大多数是电子控制，在车辆段调车的时候还有机械控制道岔的存在。在列车行进的方向上有一个感应系统，当列车来临就会发生数据交换，确定列车的行进方向，然后改变道岔的方向。

现有技术中，列车的轮缘处于车轮的内侧，可以很好地完成导向和变轨任务。但当有路基塌陷、大风天气、轨道变形或转弯车速较快，离心力较大时，列车容易侧翻，导致出轨事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种火车车轮，能使列车不容易侧翻，避免因路基塌陷、大风天气、轨道变形或转弯车速较快，离心力较大导致的出轨事故。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述火车车轮的列车变轨时配套使用铁路道岔。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种火车车轮，包括转轴，转轴两端均安装有车轮，车轮上设有外轮缘，一个车轮上的外轮缘位于该车轮背离另一个车轮的端面上。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种与上述火车车轮相适配的铁路道岔，包括道岔尖轨和活动心轨，道岔尖轨位于两条相交路轨的分岔处，且道岔尖轨中的两根钢轨分别位于两条相交路轨中位于最外侧的两根钢轨的外侧，活动心轨的尖头朝向背离道岔尖轨的方向。

本发明火车车轮轮缘位于车轮外侧，即外轮缘结构。使用该火车车轮的列车正常运行时，与现有技术中采用内轮缘结构车轮的火车一样正常运行，一样可以变道。但当火车由于转弯时的离心力或其它原因而有倾斜侧翻的趋势时，本发明具有外轮缘结构的火车车轮产生的阻碍倾斜的摩擦力及应力在与倾斜或侧翻支点不同侧的另外一侧，所以抗侧翻的摩擦力力矩及应力力矩的力臂更大，摩擦力力矩和应力力矩也更大，抗侧翻的能力也更强。

附图说明

图1是本发明火车车轮的示意图。

图2是使用本发明火车车轮的车厢的示意图。

图3是本发明火车车轮外轮缘导向A—B通行的铁轨道岔位置示意图。

图4是本发明火车车轮外轮缘导向A—C通行的铁轨道岔位置示意图。

图5 是右转弯弯道两条铁轨在同一水平面上，车轮轮缘在内侧，火车车厢处于左侧翻临界状态时的力矩平衡分析图。

图6是现有技术中采用内轮缘车轮的车辆及轨道的计算用尺寸示意图。

图7是右转弯弯道两条铁轨在同一水平面上，车轮轮缘在外侧， 火车车厢处于左侧翻临界状态时的力矩平衡分析图。

图8是采用本发明火车车轮的车辆及轨道的计算用尺寸示意图。

图中：1.轮轴，2.车轮，3.外轮缘，4.火车车厢，5.铁轨，6.道岔尖轨，7.活动心轨。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明火车车轮，包括转轴5，转轴5两端均安装有车轮3，车轮3上设有外轮缘4，一个车轮3上的外轮缘4位于该车轮3背离另一个车轮3的端面上。

列车上使用本发明火车车轮时，车厢4与该火车车轮的连接方式与现有技术中具有内轮缘的火车车轮与车厢4的连接方式相同，如图2；本发明火车车轮压在轨道5上，两个车轮3上的外轮缘4分别位于两根钢轨的外侧。

本发明火车车轮中车轮3上的轮缘在车轮的外侧，当车厢4向一侧欲倾斜时，该侧车轮与铁轨接触处将成为侧翻转动运动的支点，此时，另一侧的外轮缘4在离心力的作用下紧靠在钢轨的外侧壁上，该钢轨对外轮缘4的作用力有两个：一个是摩擦力，另一个是应力，这两个力形成的力矩都是阻碍火车侧翻的，与轮缘位于车轮内侧的现有火车车厢在离心力过大时的情形相比，上述两个力矩的力臂要大得多，故力矩也大的多，火车更不容易侧翻。

由于本发明火车车轮的轮缘均位于车轮3的外侧，即完成导向的部分位于车轮外侧，所以变道处的铁轨布设也需做相应的调整，即需采用与本发明火车车轮相适配的铁路道岔。该铁路道岔包括道岔尖轨6和活动心轨7，道岔尖轨6位于两条相交路轨的分岔处，且道岔尖轨6中的两根钢轨分别位于两条相交路轨中位于最外侧的两根钢轨的外侧；两条相交路轨中相交的两根钢轨的相交处设有活动心轨7，如图3和图4所示。

本发明铁路道岔变道的原理与现有技术中道岔的变道原理相似，即通过改变与轨道贴合的部分的道岔来改变轨道的引导方向。与现有技术不同的是，由于本发明火车车轮是靠设置在车轮3外侧的外轮缘4完成导向，所以本发明铁路道岔中可动部分的道岔也处于外侧铁轨上，如图3所示。另外，当铁轨与其他方向的铁轨交叉时，应在铁轨交汇处，为外轮缘4的通过布设活动心轨7。图3中活动心轨7的尖头指向右方（现有技术中具有内轮缘的车辆通行时，布设的活动心轨尖头是指向左方的），即活动心轨7的尖头朝向背离道岔尖轨6的方向。

如，使用本发明火车车轮的列车行驶自路轨上，当该列车行驶到有两条路轨相交处时，此时，若列车继续直线行驶，即沿图3中的A—B方向行驶时，本发明铁路道岔6两条钢轨中的一根钢轨（图3中最上方钢轨）填补直行路轨中位于外侧的钢轨上的空隙，铁路道岔6两条钢轨中的另一根钢轨（图中下方钢轨）与A—B方向下方直行路轨中位于外侧的钢轨分离，另外， 活动心轨7处于图3所示位置，使直行路轨畅通，列车直线通过。若列车要转弯行驶，即沿图3中的A—C方向行驶时，扳动道岔，此时，铁路道岔6中填补直行路轨中空隙的钢轨与该直行路轨分离，而铁路道岔6中与转弯路轨中位于外侧的钢轨对齐钢轨填补转弯路轨与直行路轨之间的空缺，另外，活动心轨7处于图4所示位置，使得A点到C点之间的路轨连通，列车实现转弯，如图4。

假设，转弯处的两条铁轨在同一水平面上，火车以一定的速度进行右转弯。对于现有技术中具有内侧轮缘车轮的车厢来说，当转弯速度达到某一临界值时，车辆处于临界左侧翻状态。此时，车轮滑至最左极限位置，左侧车轮的内轮缘紧紧地靠在左侧钢轨的内侧面上，则左侧钢轨的内侧面对轮缘产生一个向右的弹力F₂，如图5；弹力F₂即为使车厢右转弯的向心力。而火车转弯时，会产生离心力，在离心力的作用下，使车厢处于临界侧翻状态，车轮与钢轨之间除了最左侧的接触点即在支点O处接触外，车轮踏面其余地方与钢轨都处于虚接触状态。图5中示意了和火车侧翻有关的力：车厢的重力G（假定重心在两钢轨中央，距钢轨表面垂直距离为L4的位置上）；车厢即将左侧翻时，支点O处钢轨对车厢的向上的支撑力F₁；离心力F₃（虚拟力）；车厢即将左侧翻时，钢轨对轮缘向右的弹力F₂；车厢即将左侧翻时，钢轨对轮缘的向下的摩擦力F₄。

这些力中，F₁的方向经过支点，故其形成的力矩为零。离心力F₃所形成的力矩使车厢有向左侧翻的趋势；而重力G、弹力F₂和摩擦力F₄所形成的力矩则抗拒车辆的左侧翻。临界状态时：

F₃×L4 = G ×(0.5×L1 + L3) + F₂×L5 + F₄×L3

≈ G×(0.5×L1+L3) + F₄×L3 （1）

（1）式中，L1为路轨的轨距，单位mm；L3为车轮踏面宽度，单位mm；L4为车厢（包括组成一节车厢的所有部件）重心与钢轨上表面之间的距离，单位mm；L5为轮缘等效受力点到铁轨上表面的垂直距离，单位mm。如图6所示。

而对于本发明火车车轮来说，当行驶在与上述路况相同的右转弯弯道上，且车速达到一定值，车厢处于临界侧翻状态时。此时，车轮滑至最左极限位置，右侧车轮的外轮缘紧紧地靠在右边钢轨的外侧面上，该钢轨的外侧面对该外轮缘产生一个向右的弹力F₆，弹力F₆即为使车厢右转弯的向心力。同样由于离心力的原因，使车厢处于临界侧翻状态，车轮与钢轨之间除了左铁轨的最左侧的接触点即在支点O处接触外，车轮踏面其余地方与铁轨都处于虚接触状态。图7中示意了和侧翻有关的力：车厢的重力G（假定重心在两钢轨中央，距钢轨表面垂直距离为L4的位置上）；支点处钢轨对车厢的向上的支撑力F₅；离心力F₇；右侧钢轨外侧面对外轮缘向右的弹力F₆；钢轨对外轮缘的向下的摩擦力F₈。则临界状态时：

F₇×L4 =G × (0.5×L1+L2)+F₆×L5+F₈×(L1+2×L2)

≈G×(0.5×L1+L2)+F₈×(L1+2×L2) （2）

（2）式中，L2为钢轨宽度，单位mm；其余符合的含义同（1）式中相同符合的含义；如图8。

比较式（1）和式（2），可以看到，使用外轮缘车轮的车厢在临界平衡时，摩擦力F₈的力臂要远远大于相同情形下使用内轮缘车轮时的摩擦力F₄的力臂，所以，摩擦力F₈的摩擦力矩远远大于摩擦力F₄的摩擦力矩，进而，使用外轮缘车轮的车厢的离心力矩大于使用内轮缘车轮的车厢的离心力矩。由于离心力与速度成正比，所以临界状态时，使用外轮缘车轮的火车的临界速度更大。换句话说，假定某一速度下，一个使用内轮缘车轮的火车在同样的弯道上达到了侧翻的临界状态，而同样的车厢，同样的弯道，使用外轮缘车轮的火车在同样的速度下却尚未达到侧翻的临界点。因此，使用本发明火车车轮的火车更不易侧翻。

上述分析论证，忽略了在侧翻过程中钢轨作用在车轮轮缘上的应力力矩。实际上，在侧翻过程中，车轮轮缘会对钢轨有以支点O为圆心，以和通过侧面紧紧接触的轮缘到支点的距离为半径，沿侧翻转动方向切线对钢轨形成挤压，钢轨对车轮轮缘也有反方向的力的作用。这个应力所形成的应力力矩同样是阻碍车辆侧翻的。当然，车轮具有外轮缘的火车侧翻时，其应力力矩的力臂要远远大于车轮轮缘在内侧的火车的应力力臂，所以，车轮具有外轮缘的火车侧翻时，其应力力矩也要远远大于车轮轮缘在内侧的火车的应力力矩。因此，本发明火车车轮阻碍火车侧翻的能力更强。

本发明火车车轮除了和现有技术中具有内轮缘的火车车轮一样，轮缘能够实现车辆行驶中的限位与导向外，还有一个特点，就是抗侧翻的能力会更强。

本发明火车车轮及相应所要求的铁路道岔，使运行中的列车更不容易发生侧翻事故，或者说在路况相同的前提下，使用本发明火车车轮的列车具有更大的安全运行速度。

Claims (2)

1.一种火车车轮，包括转轴（5），转轴（5）两端均安装有车轮（3），其特征在于，车轮（3）上设有外轮缘（4），一个车轮（3）上的外轮缘（4）位于该车轮（3）背离另一个车轮（3）的端面上。

2.一种与权利要求1所述火车车轮相适配的铁路道岔，包括道岔尖轨（6）和活动心轨（7），其特征在于，道岔尖轨（6）位于两条相交路轨的分岔处，且道岔尖轨（6）中的两根钢轨分别位于两条相交路轨中位于最外侧的两根钢轨的外侧，活动心轨（7）的尖头朝向背离道岔尖轨（6）的方向。

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