CN112060834B - 一种机车整体车轮及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车整体车轮，包括轮毂、辐板和轮辋，所述辐板为弯曲结构，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，轮辋上远离辐板的一端设有轮缘和踏面。本发明的车轮可应用于铁路机车上，适用于踏面制动或轴盘制动，且易于批量生产。辐板包括轮毂‑辐板过渡区、辐板主体和轮辋‑辐板过渡区，轮毂‑辐板过渡区位于轮毂与辐板主体之间，轮辋‑辐板过渡区位于轮辋与辐板主体之间。轮毂‑辐板过渡区和轮辋‑辐板过渡区均为圆弧结构，轮毂‑辐板过渡区的圆弧方向与轮辋‑辐板过渡区的圆弧方向相反，辐板主体为斜直结构，辐板主体的两端部分别与轮毂‑辐板过渡区和轮辋‑辐板过渡区相切。本发明还公开了一种机车整体车轮的设计方法。
Description
技术领域
本发明属于机车车轮技术领域，具体涉及一种机车整体车轮及其设计方法。
背景技术
轨道车辆的车体重量直接影响能耗，车辆组成构件通过结构的优化设计及新材料的运用可有效降低重量，进而减少能耗。
轨道车轮主要由轮毂，辐板，轮辋三部分组成，车轮结构主要指的是辐板结构。辐板结构主要分为5种：S型辐板(分为正向S型辐板及反向S型辐板)，铃形辐板(又称双S型辐板)，盆型辐板，直辐板，斜辐板。S型辐板，铃型辐板(又称双S型辐板)，盆型辐板又可归类于弯曲辐板。
设计踏面制动轨道车轮，须同时考虑应力及变形。辐板结构对轨道车辆车轮的刚度、强度及变形有直接影响。直辐板因便于安装制动盘，常用于轮盘制动的轨道客车车辆，但其力学性能较差，导致重量较重。弯曲辐板因具有较小的径向刚度及最优的热力学性能，常用于踏面制动轨道车辆，也可用于轴盘制动轨道车辆。
欧洲的车轮设计校核标准UIC 510-5和EN 13979-1对由车轮-轨道接触产生的机械载荷及由踏面制动产生的热载荷方面对轨道车轮的设计做出了规定。正向S型辐板车轮及盆型辐板车轮因在踏面制动条件下，轴向变形超出UIC 510-5及EN 13979-1标准规定范围，故不适用于UIC 510-5及EN 13979-1标准。欧洲的ORE920车轮是典型的铃形辐板踏面制动车轮，定型于UIC 510-5及EN 13979-1标准问世前，目前，已安全运行几十年，运用UIC510-5及EN 13979-1对其结构进行有限元计算，其静强度及疲劳强度均超出标准规定范围。直辐板车轮在踏面制动条件下，轴向变形较易符合UIC 510-5及EN 13979-1标准规定范围，但因重量较重，不利于节能减排，故不推荐将其运用于踏面制动条件下。
美国的车轮设计校核标准AAR-S660及AAR-S669对由车轮-轨道接触产生的机械载荷及由踏面制动产生的热载荷方面对轨道车轮的设计做出了规定。在同等轴重载荷及车轮重量条件下，S型辐板(包括正向S型辐板及反向S型辐板)的计算结果符合AAR-S660及AAR-S669标准之规定，直辐板、斜辐板及铃型辐板的计算结果很难符合AAR-S660及AAR-S669标准之规定。
设计轨道车轮，也需考虑其结构适合批量生产，特别是易于锻造。在生产中发现，某些轨道车轮，力学性能优异，但锻造有较大难度，锻造合格率较低，导致成本升高、交货期延迟。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的机车整体车轮，本发明还提供了一种机车整体车轮的设计方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种机车整体车轮，其特征在于：包括轮毂、辐板和轮辋，所述辐板为弯曲结构，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，轮辋上远离辐板的一端设有轮缘和踏面。
进一步的，所述辐板包括轮毂-辐板过渡区、辐板主体和轮辋-辐板过渡区，轮毂-辐板过渡区位于轮毂与辐板主体之间，轮辋-辐板过渡区位于轮辋与辐板主体之间。
进一步的，所述轮毂-辐板过渡区和轮辋-辐板过渡区均为圆弧结构，轮毂-辐板过渡区的圆弧方向与轮辋-辐板过渡区的圆弧方向相反，辐板主体为斜直结构，辐板主体的两端部分别与轮毂-辐板过渡区和轮辋-辐板过渡区相切。
进一步的，所述轮毂-辐板过渡区包括圆弧曲线R1、R2、R3、R4，圆弧曲线R1与R2连接位于轮毂-辐板过渡区的轴线B的一侧，圆弧曲线R3与R4连接位于轮毂-辐板过渡区的轴线B的另一侧，圆弧曲线R1、R2、R4的弧度方向相同且均与R3的弧度方向相反。
进一步的，所述轮辋-辐板过渡区包括圆弧曲线R8、R7、R6、R5，圆弧曲线R8与R7连接位于轮辋-辐板过渡区的轴线A的一侧，圆弧曲线R6与R5连接位于轮辋-辐板过渡区的轴线A的另一侧，圆弧曲线R8、R7、R5的弧度方向相同且均与R6的弧度方向相反。
进一步的，所述轮毂-辐板过渡区的轴线B与轮辋-辐板过渡区的轴线A之间的距离X3≥36mm。
进一步的，所述辐板的厚度自辐板轮毂结合处至辐板轮辋结合处逐渐由厚变薄，轮毂-辐板过渡区的厚度为S1≥20mm，轮辋-辐板过渡区的厚度为S2≥26m。
进一步的，所述轮毂的外侧上设有注油孔，轮毂的内孔面上设有导油槽，注油孔的外端设有与油杯外螺纹相适配的内螺纹，注油孔的另一端与导油槽连通。
基于上述一种机车整体车轮，本发明还涉及一种机车整体车轮的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
步骤1.辅助线设置：X-X轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向。Y轴线为轮毂中间轴线，指示垂直于X-X轴向的径向，X-X轴线箭头所指方向为外侧，X-X轴线箭头的反方向为内侧；X-X轴向上，轮毂-辐板过渡区4的轴线B位于轮辋-辐板过渡区6的轴线A的反方向，且轴线A与轴线B的轴向距离X3≥36mm；
步骤2.设计轮毂-辐板过渡区：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸X2，绘制轴线B，将轴线B沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度S2，分别绘制曲线R1、R2、R4、R3；
步骤3.设计轮辋-辐板过渡区：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸X1，绘制轴线A，将轴线A沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮辋-辐板过渡区的辐板厚度S1，分别绘制曲线R8、R7、R6、R5；
步骤4：设计辐板主体：辐板主***于轮毂-辐板过渡区与轮辋-辐板过渡区之间，辐板主体的轮廓线分别与轮毂-辐板过渡区及轮辋-辐板过渡区处的相应曲线相切；辐板的厚度由轮毂-辐板过渡区至轮辋-辐板过渡区逐渐变薄。
进一步的，所述步骤2中，R1尺寸在40mm～60mm范围内，R2尺寸在110mm～200mm范围内，R4尺寸在150mm～240mm范围内，R3尺寸在40mm～120mm范围内，S2≥26mm；所述步骤3中，R8尺寸在40mm～60mm范围内，R7尺寸在70mm～150mm范围内，R5尺寸在100mm～180mm范围内，R6尺寸在40mm～80mm范围内，S1≥20mm。
采用本发明技术方案的优点为：
1.应用本发明设计的车轮，制动热力学及机械强度校核结果符合UIC 510-5标准及EN 13979-1标准及AAR-S660标准及AAR-S669标准相关规定。应用本发明设计的车轮，可实现轻量化。以外径Φ1220mm机车轮为例，新车轮外径Φ1220mm，报废车轮外径Φ1140mm，轴重26t，用本发明设计的车轮，重量小于610kg，相较同类机车轮，重量降低10％以上。本发明适用于滚动圆直径Φ950mm-Φ1250mm的所有机车车轮。
2.本发明的目标是提供一种轻量化机车车轮，该车轮易于制造，并且具有足够高的径向刚度和轴向刚度。本发明通过在轮毂及轮辋间引入一种新型弯曲辐板实现。该辐板可调整设计，以在低应力与小的轮辋轴向变形与重量间获得平衡。
3.本发明的车轮可应用于铁路机车上，适用于踏面制动或轴盘制动，且易于批量生产。
4.本发明从合理化轨道车轮辐板结构出发，发展出了一种新型的、轻量化的、具有良好制动性能的、易于批量化生产的弯曲辐板结构车轮。保证车轮具有合理的强度、刚度及制动热力学性能，车轮强度校核结果符合UIC 510-5标准及EN 13979-1标准及AAR-S660标准及AAR-S669标准相关要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明机车整体车轮结构示意图。
上述图中的标记分别为：1-轮毂；4-轮毂-辐板过渡区；5-辐板；51-辐板主体；6-轮辋-辐板过渡区；7-轮辋；8-内辋面；10-轮缘；11-踏面；12-注油孔；13-导油槽。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“平面方向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种机车整体车轮，包括轮毂1、辐板5和轮辋7，所述辐板5为弯曲结构，辐板5的一端与轮毂1连接，辐板5的另一端与轮辋7连接，轮辋7上远离辐板5的一端设有轮缘10和踏面11。本发明的车轮可应用于铁路机车上，适用于踏面制动或轴盘制动，且易于批量生产。
辐板5包括轮毂-辐板过渡区4、辐板主体51和轮辋-辐板过渡区6，轮毂-辐板过渡区4位于轮毂1与辐板主体51之间，轮辋-辐板过渡区6位于轮辋7与辐板主体51之间。轮毂-辐板过渡区4和轮辋-辐板过渡区6均为圆弧结构，轮毂-辐板过渡区4的圆弧方向与轮辋-辐板过渡区6的圆弧方向相反，辐板主体51为斜直结构，辐板主体51的两端部分别与轮毂-辐板过渡区4和轮辋-辐板过渡区6相切。
轮毂-辐板过渡区4包括圆弧曲线R1、R2、R3、R4，圆弧曲线R1与R2连接位于轮毂-辐板过渡区4的轴线B的一侧，圆弧曲线R3与R4连接位于轮毂-辐板过渡区4的轴线B的另一侧，圆弧曲线R1、R2、R4的弧度方向相同且均与R3的弧度方向相反。
轮辋-辐板过渡区6包括圆弧曲线R8、R7、R6、R5，圆弧曲线R8与R7连接位于轮辋-辐板过渡区6的轴线A的一侧，圆弧曲线R6与R5连接位于轮辋-辐板过渡区6的轴线A的另一侧，圆弧曲线R8、R7、R5的弧度方向相同且均与R6的弧度方向相反。轮毂-辐板过渡区4的轴线B与轮辋-辐板过渡区6的轴线A之间的距离X3≥36mm。
辐板5的厚度自辐板轮毂结合处至辐板轮辋结合处逐渐由厚变薄，轮毂-辐板过渡区4的厚度为S1≥20mm，轮辋-辐板过渡区6的厚度为S2≥26m。
轮毂1的外侧上设有注油孔12，轮毂1的内孔面上设有导油槽13，注油孔12的外端设有与油杯外螺纹相适配的内螺纹，注油孔12的另一端与导油槽13连通，导油槽13为环状导油槽。具体使用时，可将油杯直接旋进注油孔12内并向其中注油，油进入导油槽15内，这时将车轮从车轴上拆卸下来。注油孔12的外端开口大于注油孔12的内端开口，注油孔12与导油槽13连接的一端为注油孔12的内端，注油孔12远离导油槽13的一端为注油孔12的外端。
本发明的辐板为弯曲的结构形式，辐板有两条直的轴线为轴线A和轴线B，用于辐板定位及辅助作图。辐板第一条直的轴线位于辐板与轮辋结合处，有轴向定位尺寸用于确定其轴向位置；辐板第二条直的轴线位于辐板与轮毂结合处，轮毂轴向中线靠近外毂面一侧，有轴向定位尺寸用于确定其轴向位置。两条直的轴线，轴向距离大于等于36mm，且在轴线方向上，辐板第一条直的轴线位于辐板第二条直的轴线负方向。在辐板与轮毂结合处，辐板厚度方向两侧均由两条弧线构成；在辐板与轮辋结合处，辐板厚度方向两侧均由两条弧线构成。辐板轮毂结合处与辐板轮辋结合处之间由直线连接。辐板厚度，自辐板轮毂结合处至辐板轮辋结合处，由厚变薄。在满足结构强度要求的同时，实现轻量化。
基于上述一种机车整体车轮，本发明还涉及一种机车整体车轮的设计方法，该设计方法包括：
步骤1.辅助线设置：X-X轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向。Y轴线为轮毂中间轴线，指示垂直于X-X轴向的径向，X-X轴线箭头所指方向为外侧，X-X轴线箭头的反方向为内侧；X-X轴向上，轮毂-辐板过渡区4的轴线B位于轮辋-辐板过渡区6的轴线A的反方向，且轴线A与轴线B的轴向距离X3≥36mm；
步骤2.设计轮毂-辐板过渡区：以轮辋7的内辋面8定位轴向尺寸X2，绘制轴线B，将轴线B沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度S2，分别绘制曲线R1、R2、R4、R3；其中，R1尺寸在40mm～60mm范围内，R2尺寸在110mm～200mm范围内，R4尺寸在150mm～240mm范围内，R3尺寸在40mm～120mm范围内，S2≥26mm。
步骤3.设计轮辋-辐板过渡区：以轮辋7的内辋面8定位轴向尺寸X1，绘制轴线A，将轴线A沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮辋-辐板过渡区的辐板厚度S1，分别绘制曲线R8、R7、R6、R5；其中，R8尺寸在40mm～60mm范围内，R7尺寸在70mm～150mm范围内，R5尺寸在100mm～180mm范围内，R6尺寸在40mm～80mm范围内，S1≥20mm。
步骤4：设计辐板主体：辐板主体51位于轮毂-辐板过渡区4与轮辋-辐板过渡区6之间，辐板主体51的轮廓线分别与轮毂-辐板过渡区4及轮辋-辐板过渡区6处的相应曲线相切；辐板51的厚度由轮毂-辐板过渡区4至轮辋-辐板过渡区6逐渐变薄。
应用本发明设计的车轮，制动热力学及机械强度校核结果符合UIC 510-5标准及EN 13979-1标准及AAR-S660标准及AAR-S669标准相关规定。应用本发明设计的车轮，可实现轻量化。以外径Φ1220mm机车轮为例，新车轮外径Φ1220mm，报废车轮外径Φ1140mm，轴重26t，用本发明设计的车轮，重量小于610kg，相较同类机车轮，重量降低10％以上。本发明适用于滚动圆直径Φ950mm-Φ1250mm的所有机车车轮。
本发明的目标是提供一种轻量化机车车轮，该车轮易于制造，并且具有足够高的径向刚度和轴向刚度。本发明通过在轮毂及轮辋间引入一种新型弯曲辐板实现。该辐板可调整设计，以在低应力与小的轮辋轴向变形与重量间获得平衡。
本发明车轮的设计极大降低了车轮重量，车轮辐板力学性能优于直辐板、S形辐板及铃形辐板。一款正在南非线路运用的外径Φ1220机车轮，轴重22t，重量为684kg。运用此专利设计的Φ1220mm机车轮，轴重26t，车轮重量为610kg，在适用轴重高于现有机车轮的条件下，重量轻于现有机车轮。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种机车整体车轮设计方法，其特征在于：所述机车整体车轮包括轮毂（1）、辐板（5）和轮辋（7），所述辐板（5）为弯曲结构，辐板（5）的一端与轮毂（1）连接，辐板（5）的另一端与轮辋（7）连接，轮辋（7）上远离辐板（5）的一端设有轮缘（10）和踏面（11）；所述辐板（5）包括轮毂-辐板过渡区（4）、辐板主体（51）和轮辋-辐板过渡区（6），轮毂-辐板过渡区（4）位于轮毂（1）与辐板主体（51）之间，轮辋-辐板过渡区（6）位于轮辋（7）与辐板主体（51）之间；所述轮毂-辐板过渡区（4）包括圆弧曲线R1、圆弧曲线R2、圆弧曲线R3、圆弧曲线R4，圆弧曲线R1与圆弧曲线R2连接位于轮毂-辐板过渡区（4）的轴线B的一侧，圆弧曲线R3与圆弧曲线R4连接位于轮毂-辐板过渡区（4）的轴线B的另一侧，圆弧曲线R1、圆弧曲线R2、圆弧曲线R4的弧度方向相同且均与圆弧曲线R3的弧度方向相反；所述轮辋-辐板过渡区（6）包括圆弧曲线R8、圆弧曲线R7、圆弧曲线R6、圆弧曲线R5，圆弧曲线R8与圆弧曲线R7连接位于轮辋-辐板过渡区（6）的轴线A的一侧，圆弧曲线R6与圆弧曲线R5连接位于轮辋-辐板过渡区（6）的轴线A的另一侧，圆弧曲线R8、圆弧曲线R7、圆弧曲线R5的弧度方向相同且均与圆弧曲线R6的弧度方向相反；
所述设计方法包括如下步骤：
步骤1. 辅助线设置：X-X轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向，Y轴线为轮毂中间轴线，指示垂直于X-X轴向的径向，X-X轴线箭头所指方向为外侧，X-X轴线箭头的反方向为内侧；X-X轴向上，轮毂-辐板过渡区4的轴线B位于轮辋-辐板过渡区6的轴线A的反方向，且轴线A与轴线B的轴向距离X3≥36mm；
步骤2. 设计轮毂-辐板过渡区：以轮辋（7）的内辋面（8）定位轴向尺寸X2，绘制轴线B，将轴线B沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度S2，分别绘制圆弧曲线R1、圆弧曲线R2、圆弧曲线R4、圆弧曲线R3；
步骤3. 设计轮辋-辐板过渡区：以轮辋（7）的内辋面（8）定位轴向尺寸X1，绘制轴线A，将轴线A沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮辋-辐板过渡区的辐板厚度S1，分别绘制圆弧曲线R8、圆弧曲线R7、圆弧曲线R6、圆弧曲线R5；
步骤4：设计辐板主体：辐板主体（51）位于轮毂-辐板过渡区（4）与轮辋-辐板过渡区（6）之间，辐板主体（51）的轮廓线分别与轮毂-辐板过渡区（4）及轮辋-辐板过渡区（6）处的相应曲线相切；辐板（5）的厚度由轮毂-辐板过渡区（4）至轮辋-辐板过渡区（6）逐渐变薄。
2.如权利要求1所述的一种机车整体车轮设计方法，其特征在于：所述轮毂-辐板过渡区（4）和轮辋-辐板过渡区（6）均为圆弧结构，轮毂-辐板过渡区（4）的圆弧方向与轮辋-辐板过渡区（6）的圆弧方向相反，辐板主体（51）为斜直结构，辐板主体（51）的两端部分别与轮毂-辐板过渡区（4）和轮辋-辐板过渡区（6）相切。
3.如权利要求2所述的一种机车整体车轮设计方法，其特征在于：所述辐板（5）的厚度自辐板轮毂结合处至辐板轮辋结合处逐渐由厚变薄，轮毂-辐板过渡区（4）的厚度为S2≥26mm，轮辋-辐板过渡区（6）的厚度为S1≥20mm。
4.如权利要求3所述的一种机车整体车轮设计方法，其特征在于：所述轮毂（1）的外侧上设有注油孔（12），轮毂（1）的内孔面上设有导油槽（13），注油孔（12）的外端设有与油杯外螺纹相适配的内螺纹，注油孔（12）的另一端与导油槽（13）连通。
5.如权利要求4所述的一种机车整体车轮设计方法，其特征在于：所述步骤2中，圆弧曲线R1尺寸在40mm～60mm范围内，圆弧曲线R2尺寸在110mm～200mm范围内，圆弧曲线R4尺寸在150mm～240mm范围内，圆弧曲线R3尺寸在40mm～120mm范围内，S1≥20mm；所述步骤3中，圆弧曲线 R8尺寸在40mm～60mm范围内，圆弧曲线R7尺寸在70mm～150mm范围内，圆弧曲线R5尺寸在100mm～180mm范围内，圆弧曲线R6尺寸在40mm～80mm范围内，S2≥26mm。
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