CN114407938A - 一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法 - Google Patents

一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种山地齿轨轨道交通用齿轮‑齿条齿形参数的设计方法，以通过合理的齿形参数设计，在保证结构安全的同时可显著提高单次啮合高度匹配调整值，有效减小在轮轨磨耗周期内的高度调整次数，并为齿轨列车机务后期养护维修提供调整依据及指导。包括如下步骤：确定齿轮‑齿条啮合过程中最小允许重叠系数及最大允许滑动系数值；初步选定多组齿轨模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数；确定牵引齿轮齿数z；确定齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值；确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置；确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置；确定各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量；选取最优的一组齿形参数；确定齿轨全齿高h和齿条顶相对于钢轨的高度值。

Description

一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法
技术领域
本发明涉及山地轨道交通工程技术领域，特别涉及一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法。
背景技术
山地齿轨轨道交通主要通过列车转向架牵引齿轮与铺设在轨道中心线处的齿条之间的啮合传动以克服传统铁路轮轨在大坡道地段黏着力不足的问题。因此，相对其他制式轨道交通，山地齿轨轨道交通具有爬坡能力强等显著优点。
作为齿轨列车在大坡度运行时最为关键的承载结构，牵引齿轮及齿条结构是保证列车安全、平稳运行的重要系统。山地齿轨轨道交通用牵引齿轮与齿条结构具有服役环境恶劣、承载力大、传动平稳性差、线路平顺状态差、轨下基础形式多变等特点，因此牵引齿轮及齿条结构形式、齿形参数、公差范围、相对位置关系以及运行啮合状态、等方面的选取原则及取值设计尤为重要。
在齿轨列车运行过程中，若齿轮与齿条结构发生脱齿、顶齿或断齿现象，严重时则会直接导致列车脱轨，危及旅客生命安全。同时，齿形啮合参数设计过程中在保障结构安全的基础上，应考虑齿轮与齿条长期运营后的接触磨损，减小后期养护维修，提高工程经济性。同时，还要重点考虑钢轮钢轨垂向磨耗引起的齿轮齿条啮合高度不断减小对系统啮合状态带来的影响，及其后期调整措施。此外，还应考虑底部轨枕间距及轨下基础结构形式带来的施工方式及安装误差等因素。
综合来看，山地齿轨轨道交通用齿轮齿条参数设计涉及结构安全性、工程经济性等一系列问题，关联系统复杂，考虑因素较多。在重点考虑传统的齿轮传动中结构安全、传动平稳及轮齿磨损等因素的基础上，又具有线形复杂、轮轨磨耗、轨道不平顺、轨下基础结构多变、施工安装及养护维修等轨道交通特有的多重因素。虽然国外已有较为成熟的工程设计、建设及运营管理经验，但与国内齿轨铁路在建设技术标准、车辆结构形式、线路运行环境、养护维修理念及模式等方面存在较大差异。因此，如何确定一种适应于国内山地齿轨轨道交通的结构安全性高，耐磨损性强，后期养护维修量少的齿轮齿条设计方法是该工程技术领域亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条齿形参数的设计方法，以通过合理的齿形参数设计，在保证结构安全的同时可显著提高单次啮合高度匹配调整值，有效减小在轮轨磨耗周期内的高度调整次数，并为齿轨列车机务后期养护维修提供调整依据及指导。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法，包括如下步骤：
S01.为保证牵引齿轮与齿条在传动过程中安全平稳啮合及减少轮齿磨损，参考传统齿轮传动系统工程安全设计经验值，结合铁路轨道不平顺特点，分别确定齿轮-齿条啮合过程中最小允许重叠系数ε及最大允许滑动系数值η；
S02.根据牵引齿轮最大牵引作用力以及齿条底部轨枕间距施工要求等因素，初步选定多组齿轨模数m；根据机械设计手册齿轮参数推荐值，初步选取压力角α、齿顶高系数
Figure RE-GDA0003555974980000021
顶隙系数c*；
S03.为减小齿轮与车轮圆周线速度差，需保证牵引齿轮分度圆直径尽量与车轮直径保持相近，根据齿轨车辆车轮直径以及齿轨模数m，确定牵引齿轮齿数z；
S04.根据牵引齿轮直径以及岔区跨轨齿轨支撑安全厚度hs，确定齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg；考虑齿条啮合安全以及施工精度难易程度等因素，确定齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000022
其中：
Hcg＝h+hs
Figure RE-GDA0003555974980000023
S05.根据最小允许重叠系数ε及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000031
的下偏差值，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hhigh：
Figure RE-GDA0003555974980000032
式中，rb为基圆半径，ra齿顶圆半径，Pb为基圆齿距，hs为岔区跨轨齿轨支撑安全厚度；
S06.根据最大允许滑动系数值η以及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000033
的上偏差值，以及顶隙，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hlow：
Figure RE-GDA0003555974980000034
S07.根据牵引齿轮相对最高点及最低点位置，确定各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量；
S08.根据每组参数各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量，结合齿轮齿条强度及疲劳校核，选取最优的一组齿形参数.
S09.确定上述齿形参数，按下式确定齿轨全齿高h和齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg:
Figure RE-GDA0003555974980000035
Hcg＝h+hs。
本发明的有益效果是，通过合理的齿轨参数设计，在保证结构安全的前提下便可显著提高单次啮合高度匹配调整值，有效减小在轮轨磨耗周期内的高度调整次数，可为齿轨列车机务后期养护维修提供调整依据及指导；所设计出的山地齿轨轨道交通用齿轮和齿条具有结构安全性高、耐磨损性强和后期养护维修量少的特点。
附图说明
本说明书包括如下三幅附图：
图1为山地齿轨轨道交通牵引齿轮车轴与齿轨啮合三维示意图；
图2为齿轨结构俯视图；
图3为齿轨啮合参数标示图；
图中示出的结构名称及所对应的标记：齿轨1、牵引齿轮2、车轴3、钢轮4、钢轨5、轨枕6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，有必要指出的是，以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明的保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整并进行具体实施，应仍属于本发明的保护范围。
参照图1和图2，山地齿轨轨道交通齿轨在结构上主要包括齿轨1、牵引齿轮2、车轴3、钢轮4、钢轨5和轨枕6。齿轨位于钢轨5的中部，并固定于轨枕6上，牵引齿轮2则安装在车轴3的中部。牵引齿轮2与齿轨1之间啮合力可有效弥补车辆在大坡度线路爬行时钢轮4与钢轨5之间黏着力不足的问题。此外，钢轮4与钢轨5在长期运营过程中的垂向磨耗会影响牵引齿轮2与齿轨1间的啮合安全。目前，通过齿盘2相对车轴3 的定期高度调整功能来保证齿盘2与齿轨1在轮轨整个磨耗周期内的能保持良好啮合状态。
本发明一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法，包括如下步骤：
S01.为保证牵引齿轮与齿条在传动过程中安全平稳啮合及减少轮齿磨损，参考传统齿轮传动系统工程安全设计经验值，结合铁路轨道不平顺特点，分别确定齿轮-齿条啮合过程中最小允许重叠系数ε及最大允许滑动系数值η；
S02.根据牵引齿轮最大牵引作用力以及齿条底部轨枕间距施工要求等因素，初步选定多组齿轨模数m；根据机械设计手册齿轮参数推荐值，初步选取压力角α、齿顶高系数
Figure RE-GDA0003555974980000041
顶隙系数c*；
S03.为减小齿轮与车轮圆周线速度差，需保证牵引齿轮分度圆直径尽量与车轮直径保持相近，根据齿轨车辆车轮直径以及齿轨模数m，确定牵引齿轮齿数z；
S04.根据牵引齿轮直径以及岔区跨轨齿轨支撑安全厚度hs，确定齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg；考虑齿条啮合安全以及施工精度难易程度等因素，确定齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000051
其中：
Hcg＝h+hs
Figure RE-GDA0003555974980000052
S05.根据最小允许重叠系数ε及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000053
的下偏差值，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hhigh：
Figure RE-GDA0003555974980000054
式中，rb为基圆半径，ra齿顶圆半径，Pb为基圆齿距，hs为岔区跨轨齿轨支撑安全厚度；
S06.根据最大允许滑动系数值η以及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure RE-GDA0003555974980000055
的上偏差值，以及顶隙，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hlow：
Figure RE-GDA0003555974980000056
S07.根据牵引齿轮相对最高点及最低点位置，确定各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量；
S08.根据每组参数各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量，结合齿轮齿条强度及疲劳校核，选取最优的一组齿形参数.
S09.确定上述齿形参数，按下式确定齿轨全齿高h和齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg:
Figure RE-GDA0003555974980000057
Hcg＝h+hs。
所述步骤1根据牵引齿轮作用于齿轨的最大载荷值，根据经验或齿根弯曲疲劳强度计算初步确定多组齿轨参数以开展进一步的参数设计。最小允许重叠系数则保证了齿轨列车运行过程中安全平稳传动，最大滑动系数则对牵引齿轮与齿轨间相对滑动而引起的磨耗进行了有效限制，同时需要齿轨顶面相对钢轨顶面的垂向误差对实际啮合高度进行修正。根据每组参数值计算牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hhigh，以及牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hlow。两者的差值则为单次能适应轮轨磨损的许用单边磨耗量，其值越大，则加长牵引齿轮高度调整周期以及减小轮轨磨耗周期内的高度调整次数。
具体地，下表选取了三组满足既有牵引力强度要求的齿形参数，按照上述设计方法计算出来的结果下表所示。相对比而言，其中方案3的参数次能适应轮轨磨损的许用单边磨耗量值更大，能加长牵引齿轮高度调整周期以及减小轮轨磨耗周期内的高度调整次数。
Figure RE-GDA0003555974980000061
由此可见，本发明通过合理的齿轨参数设计，在保证结构安全的前提下便可显著提高单次啮合高度匹配调整值，有效减小在轮轨磨耗周期内的高度调整次数，可为齿轨列车机务后期养护维修提供调整依据及指导；所设计出的山地齿轨轨道交通用齿轮和齿条具有结构安全性高、耐磨损性强和后期养护维修量少的特点。

Claims (1)

1.一种山地齿轨轨道交通用齿轮-齿条的设计方法，包括如下步骤：
S01.为保证牵引齿轮与齿条在传动过程中安全平稳啮合及减少轮齿磨损，参考传统齿轮传动系统工程安全设计经验值，结合铁路轨道不平顺特点，分别确定齿轮-齿条啮合过程中最小允许重叠系数ε及最大允许滑动系数值η；
S02.根据牵引齿轮最大牵引作用力以及齿条底部轨枕间距施工要求等因素，初步选定多组齿轨模数m；根据机械设计手册齿轮参数推荐值，初步选取压力角α、齿顶高系数
Figure FDA0003332899280000011
顶隙系数c*；
S03.为减小齿轮与车轮圆周线速度差，需保证牵引齿轮分度圆直径尽量与车轮直径保持相近，根据齿轨车辆车轮直径以及齿轨模数m，确定牵引齿轮齿数z；
S04.根据牵引齿轮直径以及岔区跨轨齿轨支撑安全厚度hs，确定齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg；考虑齿条啮合安全以及施工精度难易程度等因素，确定齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure FDA0003332899280000012
其中：
Hcg＝h+hs
Figure FDA0003332899280000013
S05.根据最小允许重叠系数ε及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure FDA0003332899280000014
的下偏差值，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hhigh：
Figure FDA0003332899280000015
式中，rb为基圆半径，ra齿顶圆半径，Pb为基圆齿距，hs为岔区跨轨齿轨支撑安全厚度；
S06.根据最大允许滑动系数值η以及齿条顶部相对钢轨顶部垂向安装误差限值
Figure FDA0003332899280000016
的上偏差值，以及顶隙，确定牵引齿轮中心相对齿轨顶面最高点位置Hlow：
Figure FDA0003332899280000017
S07.根据牵引齿轮相对最高点及最低点位置，确定各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量；
S08.根据每组参数各组参数可适应轮轨磨耗的单次最大调整量，结合齿轮齿条强度及疲劳校核，选取最优的一组齿形参数.
S09.确定上述齿形参数，按下式确定齿轨全齿高h和齿条顶相对于钢轨的高度值Hcg:
Figure FDA0003332899280000021
Hcg＝h+hs。
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