CN107415575A - 一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮，包括轮毂、轮辐和轮辋，连接在轮毂和轮辋之间的轮辐并包括朝向轨道外侧的外侧面和朝向轨道内侧的内侧面，外侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂至轮辋包括顺次相切的外侧第一内凹段、外侧外凸段、外侧第二内凹段、外侧第三内凹段；内侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂至轮辋包括顺次相切的内侧第一外凸段、内侧第二外凸段、内侧内凹段、内侧第三外凸段。本发明的铁路车轮能够消除轮轨***的摩擦自激振动，从而可以消除钢轨波磨，对控制轮轨噪声、防止扣件弹簧和螺栓断裂也起到有益的作用；地铁线路将不再需轨道打磨车，钢轨的使用寿命将大幅提高，轨道扣件断裂的现象将大为减少。

Description

一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮
技术领域
本发明涉及铁路运输技术领域，具体为一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮。
背景技术
钢轨波磨rail corrugation是指新铺设或者打磨过的钢轨使用一段时间后，在钢轨的工作表面产生的一种近似波浪形的磨耗。为了解决城市交通拥堵问题，我国的大中型城市都在建设地铁运输***。由于受到地面建筑物基础的影响，绝大部分地铁线路都存在曲线半径R≤350m的路段。在这些小半径R≤350m线路路段上的钢轨内轨，几乎百分之百发生波磨。对一条新投入使用的地铁线路，波磨出现的时间少则2～3个月，多则1～2年。钢轨一旦出现波磨，则该波磨就难以消除，即使将出现波磨的钢轨更换成全新的钢轨，也很快就在原来出现波磨的地方产生新的波磨。波磨会引起严重的轮轨噪声以及地面建筑物的低频振动，影响到乘客的乘坐舒适性和环境噪声。波磨是世界性问题，世界各国的小半径铁路线路都存在或多或少的波磨问题。目前，在国内外可用于抑制和消除波磨的方法不多，主要是钢轨打磨法和轨面涂抹摩擦调节剂的方法，其中钢轨打磨法是目前用来控制波磨影响的主要方法。但钢轨打磨法需要使用价值数千万元的轨道打磨车设备，且打磨过的钢轨轨头轮廓形状变化较大，影响到轮轨接触几何关系和轮轨动力学性能。该方法既不经济，也不能从根本上消灭钢轨的波磨。轨面涂抹摩擦调节剂的方法技术性比较高，不容易保证涂抹质量，容易影响到列车的牵引动力性能，也不能彻底消灭钢轨波磨问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮，该车轮能够明显减少甚至消除铁路小半径曲线半径R≤350m的内轨波磨，也能明显减少甚至消除不常见的铁路小半径曲线外轨、大半径曲线内、外钢轨和直线线路左、右钢轨的波磨。技术方案如下：
一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮，包括轮毂、轮辐和轮辋，连接在轮毂和轮辋之间的轮辐并包括朝向轨道外侧的外侧面和朝向轨道内侧的内侧面，外侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂至轮辋包括顺次相切的外侧第一内凹段、外侧外凸段、外侧第二内凹段、外侧第三内凹段；内侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂至轮辋包括顺次相切的内侧第一外凸段、内侧第二外凸段、内侧内凹段、内侧第三外凸段；所述外侧第一内凹段的曲率半径为50mm-80mm，外侧外凸段的曲率半径为100mm-160mm，外侧第二内凹段的曲率半径150mm-210mm，外侧第三内凹段的曲率半径为20mm-60mm，内侧第一外凸段的曲率半径20mm-60mm，内侧第二外凸段的曲率半径为80mm-140mm，内侧内凹段的曲率半径为170mm-230mm，内侧第三外凸段的曲率半径为20mm-60mm。
进一步的，所述外侧第一内凹段的曲率半径为62mm，外侧外凸段的曲率半径为130mm，外侧第二内凹段的曲率半径为180mm，外侧第三内凹段的曲率半径为40mm，内侧第一外凸段的曲率半径为40mm，内侧第二外凸段的曲率半径为110mm，内侧内凹段的曲率半径为199mm，内侧第三外凸段的曲率半径为40mm。
一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮的尺寸形状确定方法，所述轮毂、轮辐和轮辋的尺寸和形状确定均基于轮轨***有限元模态特性分析：根据下述轮轨***摩擦振动方程建立轮轨***摩擦自激振动模型；
式中，M为轮轨***质量矩阵，C为轮轨***阻尼矩阵，K为轮轨***刚度矩阵，Kf为摩擦力耦合引起的刚度矩阵，u、和分别为轮轨***摩擦振动的位移、速度和加速度，△F为作用在轮轨***的外力合力；
通过复特征值分析，找到去除引起轮轨***摩擦自激振动的不稳定模态；
通过改变车轮的形状和尺寸，来改变轮轨***的刚度矩阵K，以消除轮轨***的摩擦自激振动。
本发明发有益效果是：本发明的铁路车轮与没有波磨的钢轨配套使用，当车轮在钢轨上滚动通过时，能够消除轮轨***的摩擦自激振动，从而可以消除钢轨波磨；不仅从源头上控制了钢轨波磨的发生，对控制轮轨噪声、防止扣件弹簧和螺栓断裂也起到有益的作用；且只需要修改车轮的局部尺寸和形状参数，而不需改动线路的任何结构和参数，简单易实现，经济效益明显；由于可使地铁的小半径曲线线路的波磨将大大减少，甚至完全消失，那么地铁线路将不需轨道打磨车，钢轨的使用寿命将大幅提高，轨道扣件断裂的现象将大为减少。
附图说明
图1为本发明不会引起钢轨波磨的铁路车轮的结构示意图。
图2为本发明不会引起钢轨波磨的铁路车轮的具体实施例。
图3为传统的有波磨车轮的示例。
图4为轮轨摩擦自激振动模型的示意图。
图中：1-轮毂；2-轮辐；21-第一内凹段；22-外侧外凸段；23-外侧第二内凹段；24外侧第三内凹段；25-内侧第一外凸段；26-内侧第二外凸段；27-内侧内凹段；28-内侧第三外凸段；3-轮辋；4-磨面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮，包括轮毂1、轮辐2和轮辋3，连接在轮毂1和轮辋3之间的轮辐2并包括朝向轨道外侧的外侧面和朝向轨道内侧的内侧面，外侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂1至轮辋3包括顺次相切的外侧第一内凹段21、外侧外凸段22、外侧第二内凹段23、外侧第三内凹段24；内侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂1至轮辋3包括顺次相切的内侧第一外凸段25、内侧第二外凸段26、内侧内凹段27、内侧第三外凸段28。
各弧段半径的取值范围如下：外侧第一内凹段21的曲率半径为50mm-80mm，外侧外凸段22的曲率半径为100mm-160mm，外侧第二内凹段23的曲率半径150mm-210mm，外侧第三内凹段24的曲率半径为20mm-60mm，内侧第一外凸段25的曲率半径20mm-60mm，内侧第二外凸段26的曲率半径为80mm-140mm，内侧内凹段27的曲率半径为170mm-230mm，内侧第三外凸段28的曲率半径为20mm-60mm。
如图2所示，本实施例中外侧第一内凹段21的曲率半径为62mm，外侧外凸段22的曲率半径为130mm，外侧第二内凹段23的曲率半径为180mm，外侧第三内凹段24的曲率半径为40mm，内侧第一外凸段25的曲率半径为40mm，内侧第二外凸段26的曲率半径为110mm，内侧内凹段27的曲率半径为199mm，内侧第三外凸段28的曲率半径为40mm。车轮踏面4轮廓采用中国国家标准TB/T 449-2003规定的磨耗形踏面，保证每个车轮与钢轨均为一点接触。
图3为传统的有波磨车轮的剖视图示例，其轮辐走向不能抑制波磨。本实施例是在此基础上对车轮的轮毂1、轮辐2和轮辋3的形状和尺寸进行重新设计，在保证车轮强度的基础上，改变车轮的自振频率、消除轮轨耦合摩擦自激振动的模态，去除钢轨波磨发生的条件，进而防止了钢轨波磨的发生。
而且本实施例中轮毂1、轮辐2和轮辋3的尺寸和形状确定均基于有限元模态特性分析，去除引起轮轨摩擦自激振动的模态，如图4所示。通过复特征值分析，找到去除引起轮轨***摩擦自激振动的不稳定模态，从而消除波磨。
波磨是由轮轨***摩擦振动引起，轮轨***摩擦振动方程：
式中，M为轮轨***质量矩阵，C为轮轨***阻尼矩阵，K为轮轨***刚度矩阵，Kf为摩擦力耦合引起的刚度矩阵，u、和分别为轮轨***摩擦振动的位移、速度和加速度，△F为作用在轮轨***的外力合力。由于刚度矩阵K-Kf是一个非对称矩阵，在一定条件下使轮轨***产生摩擦自激振动，即引起钢轨波磨。通过改变车轮的形状和尺寸，改变轮轨***的刚度矩阵K，就有可能消除轮轨***的摩擦自激振动，也即消除钢轨波磨。
该车轮能够明显减少甚至消除铁路小半径曲线半径R≤350m线路内轨的波磨，也能明显减少甚至消除不常见的铁路小半径曲线外轨、大半径曲线内、外轨和直线线路左、右钢轨的波磨。该车轮的质量和轮廓尺寸与现有铁路车轮的质量和轮廓尺寸基本相当，车轮的制造和维修成本与现有铁路车轮的制造和维修成本几乎无异。使用该车轮能够从根本上解决地铁等小半径曲线的钢轨波磨问题。该车轮既可以在新线路新车辆上使用，也可以在旧线路上使用。在旧线路上使用时必须把旧线路钢轨已发生的波磨打磨干净，这样就可以保证后续行车过程中不会引起新的钢轨波磨。使用该车轮，不用对铁路线路进行任何改造，就可以控制钢轨波磨的产生，因而此种控制波磨的方法是目前最简单易行，使用成本最低的方法。
技术效果验证：
1)铁道车辆采用本实施例不会引起钢轨波磨的铁路车轮,线路钢轨为新造钢轨。因为地铁车辆多为固定路段使用，在地铁车辆运行过程中，无论是小半径R≤350m曲线线路还是大半径曲线或者直线线路，钢轨都不会产生波磨。
2)铁道车辆采用本实施例不会引起钢轨波磨的铁路车轮,线路钢轨为既有旧线路。因为既有线路的小半径曲线线路几乎百分之百会出现钢轨波磨，因此在实施本方案之前，需要对既有线路所有出现波磨的路段进行彻底的打磨，全部去除钢轨上的波磨。在此条件下，采用本实施例的车轮，此时铁道车辆在既有线路上运行过程中，无论是小半径R≤350m曲线线路还是大半径曲线或者直线线路，钢轨都不会产生波磨。

Claims (3)

1.一种不会引起钢轨波磨的铁路车轮，包括轮毂(1)、轮辐(2)和轮辋(3)，连接在轮毂(1)和轮辋(3)之间的轮辐(2)并包括朝向轨道外侧的外侧面和朝向轨道内侧的内侧面，其特征在于，外侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂(1)至轮辋(3)包括顺次相切的外侧第一内凹段(21)、外侧外凸段(22)、外侧第二内凹段(23)、外侧第三内凹段(24)；内侧面在垂直轮面的截面上形成的曲线由轮毂(1)至轮辋(3)包括顺次相切的内侧第一外凸段(25)、内侧第二外凸段(26)、内侧内凹段(27)、内侧第三外凸段(28)；所述外侧第一内凹段(21)的曲率半径为50mm-80mm，外侧外凸段(22)的曲率半径为100mm-160mm，外侧第二内凹段(23)的曲率半径150mm-210mm，外侧第三内凹段(24)的曲率半径为20mm-60mm，内侧第一外凸段(25)的曲率半径20mm-60mm，内侧第二外凸段(26)的曲率半径为80mm-140mm，内侧内凹段(27)的曲率半径为170mm-230mm，内侧第三外凸段(28)的曲率半径为20mm-60mm。
2.根据权利要求1所述的不会引起钢轨波磨的铁路车轮，其特征在于，所述外侧第一内凹段(21)的曲率半径为62mm，外侧外凸段(22)的曲率半径为130mm，外侧第二内凹段(23)的曲率半径为180mm，外侧第三内凹段(24)的曲率半径为40mm，内侧第一外凸段(25)的曲率半径为40mm，内侧第二外凸段(26)的曲率半径为110mm，内侧内凹段(27)的曲率半径为199mm，内侧第三外凸段(28)的曲率半径为40mm。
3.一种如权利要求1所述的不会引起钢轨波磨的铁路车轮的尺寸形状确定方法，其特征在于，所述轮毂、轮辐和轮辋的尺寸和形状确定均基于轮轨***有限元模态特性分析：根据下述轮轨***摩擦振动方程建立轮轨***摩擦自激振动模型；
<mrow> <mi>M</mi> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>u</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>F</mi> </mrow>
式中，M为轮轨***质量矩阵，C为轮轨***阻尼矩阵，K为轮轨***刚度矩阵，Kf为摩擦力耦合引起的刚度矩阵，u、和分别为轮轨***摩擦振动的位移、速度和加速度，△F为作用在轮轨***的外力合力；
通过复特征值分析，找到去除引起轮轨***摩擦自激振动的不稳定模态；
通过改变车轮的形状和尺寸，来改变轮轨***的刚度矩阵K，以消除轮轨***的摩擦自激振动。
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