火車輪結構基礎知識.doc

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車輪結構完全由車輪直徑，輪輞，輪轂尺寸，轂輞距，輻板形狀，輪緣踏面外形所決定。每個尺寸或每部位形狀都有其特殊意義。 一、 直 徑 車輪直徑對其本身及整個車輛都有較大影響。一方面車輪直徑越大，車輛重心越高，車輛的動力性能越差。另一方面，增大車輪直徑，可以降低輪軌的接觸應力，降低車輪磨耗速度，增加車輪的熱容量，提高踏面制動熱負荷的承受能力。因此車輪直徑大小應根據(jù)車輛情況綜合確定。但總的來說，車輛軸重越大，車輪直徑應越大，以提高車輪的熱容量和增加輪軌的接觸面積，減少踏面損傷和磨耗。另外，車輪直徑的取值還應注意規(guī)格的標準化系列問題，以利于車輪制造和檢修。目前我過貨車車輪直徑大多為840mm，特殊貨車車輪直徑為915。 二、輪 輞 輪輞寬度尺寸主要取決于輪軌的搭載量。當輪對運行在曲線上時，外側(cè)車輪輪緣靠近鋼軌，內(nèi)側(cè)輪緣遠離鋼軌。只有內(nèi)側(cè)車輪踏面在鋼軌上的搭載量足夠，才能保證輪對不脫軌。 《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定，當曲線半徑在300m以下時，軌距應加寬15mm。因此，最大軌距為1435+15+6=1456mm（其中：名義軌距L為1435mm，最大公差為6mm）。輪對最小內(nèi)側(cè)距為1354mm，輪緣最小厚度為23mm。車輪踏面外側(cè)倒角5mm，鋼軌頭部圓弧半徑為R13mm，鋼軌內(nèi)側(cè)磨耗2mm，軌枕彎曲、道釘松動等引起軌距擴大8mm，重車時車軸微彎引起輪對內(nèi)側(cè)距離減小2mm，輪軌安全搭載量按7mm考慮，根據(jù)上述數(shù)據(jù)算得輪輞最小寬度為120mm，考慮到車輛過駝峰時實施的制動，車輪外側(cè)面磨損5mm，則輪輞最小寬度應為125mm。目前我國鐵路貨車車輪輪輞寬度為135~140mm。 輪輞厚度通常指新輪輞厚度。我國鐵路對正常服役的車輪的判廢依據(jù)是輪輞剩余厚度，當輪輞剩余厚度小于等于23mm時車輪報廢。新輪輞厚度與輪輞限度之差為輪輞的有效磨耗厚度。輪輞越厚有效磨耗厚度就越大。但車輪自重也大。有效磨耗厚度越厚，車輪使用壽命越長，新舊車輪直徑差就越大。 車輛檢修時，為了滿足車輛之間懸掛的要求，經(jīng)常需要在心盤、旁承等位置增加調(diào)平板。如果新舊車輪直徑差過大，所增加的墊板相應加厚。這樣心盤螺栓就容易折斷，同時也增加了檢修的工作量。 輪輞質(zhì)量占車輪質(zhì)量較大的比例，即輪輞的質(zhì)量在很大程度上決定了車輪的質(zhì)量。特別是鑄鋼車輪，由于澆鑄工藝原因，輪輞質(zhì)量越大，就要求輻板越厚，車輪質(zhì)量將更大。車輪為簧下質(zhì)量，其質(zhì)量的增加對輪軌垂向動作用力有較大影響。 為了提高輪輞硬度以提高其使用壽命，成產(chǎn)中車輪踏面進行淬火處理。由于淬火工藝特性，淬硬深度受到限制。 輪輞越厚，內(nèi)部硬度越低，耐磨性能越來越差。雖然車輪使用壽命隨著輪輞厚度的增加而延長，但延長的比例越來越小。 從車輪的使用壽命的角度來考慮輪輞應越厚越好。但從車輪重量和新舊車輪直徑差的角度輪輞厚度應越小越好。輪輞厚度尺寸大小各有利弊，應根據(jù)車輛具體使用條件及上述各種影響因素綜合確定。 目前國內(nèi)貨車車輪輪輞厚度有50mm和65mm兩種。 三、輪 轂 車輪和車軸靠過盈配合組裝在一起，輪轂的主要作用是將車輪牢牢地固定到車軸上，其尺寸主要由輪軸配合所需要的緊固力所決定。我國車輛車輪輪轂長度名義尺寸均為178mm。輪轂厚度隨軸重的不同而變化。在輪轂長度尺寸和輪軸間配合過盈量一定的情況下，輪轂厚度越厚，車輪質(zhì)量越大，輪軸之間的緊固力也越大。合理的輪轂厚度應該是：在滿足輪軸緊固力要求的前提下厚度盡可能地小，以減輕車輪質(zhì)量。 4、 轂 輞 距 轂輞距指輪輞內(nèi)側(cè)面與輪轂內(nèi)側(cè)面間的軸向距離，該值與輪對內(nèi)側(cè)距、車軸兩輪座之間的距離有關，因此在選取轂輞距時不能僅從車輪的角度考慮，應根據(jù)輪對內(nèi)側(cè)距與車軸協(xié)調(diào)考慮。目前國內(nèi)貨車車輪該值為68mm。 五、輻板形狀 輻板的強度直接關系到行車的安全，因此車輪輻板應有足夠的強度。輻板形狀對車輪的結構強度和剛度有較大的影響。較小的徑向剛度可使車輪具有較大的彈性，可以改善制動熱負荷作用下車輪的應力狀態(tài)和降低輪軌動力作用力，因此輻板的徑向剛度應適量地小。輻板的軸向剛度應盡量的大，否則車輪將產(chǎn)生較大的軸向變形。軸向變形過大會改變輪軌正常接觸位置和輪緣角度，影響車輛運行性能，增加爬軌的可能性。一個好的輻板形狀，可以在不增加自重的條件下大幅度地提高車輪的結構剛度，改善車輪的剛度，因此輻板是車輪結構設計和優(yōu)化的重點部位。 國內(nèi)外普遍采用的輻板形狀有：直輻板、S輻板、波浪形輻板、盆型輻板。 直輻板與其他各形狀輻板相比，優(yōu)點是質(zhì)量小，缺點是徑向剛度過大，軸向剛度較小。不是一個好的輻板形狀。但盡管如此，在輪盤制動的情況下必須采用直輻板，以便安裝制動盤。 S型和盆型輻板可使得車輪具有合理的剛度和較低的熱應力。將輻板設計成S形或盆形的主要目的是為了降低熱應力。踏面制動一般采用這兩種輻板形狀。但由于S形輻板不利于鋼水的流動，因此不適合鑄鋼車輪，鑄鋼車輪大多采用盆形輻板。 波浪形輻板與S形輻板在結構上的區(qū)別主要是輻板的偏心量（靠近輪輞處輻板的中心線與靠近輪轂處的輻板中心線之間的軸向距離）不同，造成這種差別的原因主要是車輪的轂輞距不同。波浪形輻板車輪徑向剛度較小，與S形相比波浪形輻板車輪軸向剛度和應力較大。 輻板形狀即可用優(yōu)選法設計也可用優(yōu)化法設計，不管用什么方法，良好的輻板性能是唯一的目標。另外在車輪輻板設計時，要校核輻板是否與車輛下部界限發(fā)生干涉。 6、 輪緣踏面外形 輪緣踏面外形設計時應考慮與軌頭外形的配合，理想的輪軌型面配合狀態(tài)能有效地降低接觸應力和磨耗，有助于改善列車通過曲線性能，有效地提高列車失穩(wěn)的臨界速度。同時設計的新踏面應盡量與磨耗后的形狀接近，以降低修正踏面時金屬切削量。輪緣踏面外形的設計原則是： （1） 如果輪緣踏面與鋼軌發(fā)生兩點接觸，那么必然要有一個點發(fā)生滑動，滑動的點將發(fā)生嚴重磨耗，因此應盡量避免輪緣踏面與鋼軌發(fā)生兩點接觸。此外，輪對處于任何位置時，輪軌接觸點處的車輪和鋼軌橫向界面曲率半徑差不要過大，以增大輪軌之間的接觸面，減小接觸應力，從而降低輪軌磨耗量和輪軌疲勞損壞。 （2） 保證輪對在直線軌道上運行時有較高的臨界速度，這就要求輪對在橫移量不大時，車輪踏面接觸點處的等效斜率小，即左右輪接觸點處的半徑差小，這樣輪對在直線上運行時不易發(fā)生蛇行運動。 （3） 曲線通過性能好，即輪對在曲線上運行時，輪對和軌道之間應保持較小的沖角，這就要求輪對在橫移量較大時車輪踏面接觸點處的等效斜率要大，即左右接觸點的處的半徑差要大，這樣有利于輪對位置復原，從而可以減輕輪緣磨耗、軌道側(cè)磨和輪對對曲線的沖擊。 （4） 在運用中，由于磨耗、剝離、擦傷等原因，輪緣踏面需要經(jīng)常旋修，如果磨耗后的形狀與輪緣踏面初始差別較大，那么旋修時旋掉的金屬量就多，這樣會降低車輪的使用壽命，因此在進行輪緣踏面設計時，既要考慮上述各種性能因素也要考慮經(jīng)濟因素。 輪緣需有一定高度，過低易發(fā)生脫軌；若輪緣設計的過高，當踏面磨耗深度較大時輪緣頂部可能觸碰鋼軌魚尾板螺栓和魚尾板肩部。輪緣高度一般在26~30mm之間?？紤]通過道岔安全，車輪輪徑越小，輪緣應越高。輪緣有防止車輪脫線的功能，為防止低速車輪爬軌和高速車輪跳軌，輪緣外側(cè)面與水平面之間有足夠的輪緣角，一般在70左右，過小容易爬軌，不能保證安全；過大使修復外形時切削量增加，且當輪對有沖角時輪緣頂部易與鋼軌發(fā)生接觸。 輪緣踏面形狀主要取決于線路情況和列車運行速度，而與車輪本身的結構無關。當運行的路線和列車的速度沒有較大變化時，即使車輪結構發(fā)生了變化，其踏面形狀也無需改變。通常情況下踏面采用標準形狀。車輪設計計算標準中一般不包括輪緣踏面外形設計計算。 目前國內(nèi)貨車只有一種輪緣踏面形式，即LM型，見圖。