CN114290850A

CN114290850A - 一种低应力反s型辐板车轮及其设计方法

Info

Publication number: CN114290850A
Application number: CN202210067072.2A
Authority: CN
Inventors: 黄孝卿; 刘智; 陈讲彪; 陈刚; 潘胜利
Original assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明公开了一种低应力反S型辐板车轮及其设计方法，其车轮包括轮毂、辐板和轮辋，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，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，所述辐板为反S型结构，所述轮毂‑辐板过渡区包括圆弧曲线R1、R7，圆弧曲线R1连接位于轮毂外侧，圆弧曲线R7连接轮毂内侧，R1尺寸45mm‑125mm，R7尺寸25mm‑105mm；所述轮辋‑辐板过渡区包括圆弧曲线R4、R5，圆弧曲线R4连接位于轮辋外侧，圆弧R5连接位于轮辋内侧，R4尺寸＝R5尺寸40mm‑120mm。降低了车轮应力，易于成型。

Description

一种低应力反S型辐板车轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及列车车轮技术领域，尤其是涉及一种低应力反S型辐板车轮及其设计方法。

背景技术

提速和重载是提高铁路运输能力的有效措施，已成为铁路发展的趋势。货车目前的制动方式仍然是踏面制动，列车车轮在强摩擦、高负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作。列车在制动过程中，动能逐渐转变为制动装置产生的热能，对于采用踏面制动的高速重载铁路货车，这样的制动过程非常苛刻，由此产生的的热裂纹损伤已成为车轮的主要失效形式之一。车轮经过多次制动后，会在车轮与铁轨的接触踏面上产生均匀分布的横向裂纹，周围会伴随剥离、掉块等现象。因此，在倡导货运列车提速的前提下，现有踏面制动正面临的严峻的挑战，也对车轮的抗热损伤能力和疲劳寿命提出了更高的要求。由于热损伤和疲劳损伤都与车轮在紧急制动过程中的温度场和应力场分布有密切的关系。因此货车车轮的低应力设计一直备受关注。

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，双S型辐板，盆型辐板，直辐板，斜辐板。其中S型辐板车轮，又分为正S型辐板车轮和反S型辐板车轮，反S型辐板车轮是轮毂连接处的辐板比轮辋连接处辐板更靠近外侧。

设计踏面制动轨道车轮，须考虑车轮辐板热-机械应力；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；一般轮毂内侧面比轮辋内侧面更靠内侧，这样的接口尺寸按照S型辐板车轮进行设计，但是当轮毂内侧面比轮辋内侧面更靠外侧时，这样的接口尺寸就不能按照正S型辐板车轮进行设计，一般按照斜辐板车轮和直辐板车轮进行设计，但是这两种轮型车轮热-机械应力性能较差，所以选择反S型辐板进行设计。

但现有的反S型辐板车轮结构设计不是太合理，还是存在应力较高，不易成型的问题。如中国专利CN112060834A公开的一种机车整体车轮及其设计方法，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；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；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，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；该车轮应力较高，不易轧制成型，产品合格率低。

发明内容

针对现有技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种低应力反S型辐板车轮及其设计方法，以达到降低车轮应力，易于成型的目的。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种低应力反S型辐板车轮，包括轮毂、辐板和轮辋，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，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，所述辐板为反S型结构，所述轮毂-辐板过渡区包括圆弧曲线R1、R7，圆弧曲线R1连接位于轮毂外侧，圆弧曲线R7连接轮毂内侧，R1尺寸45mm-125mm，R7尺寸25mm-105mm；所述轮辋-辐板过渡区包括圆弧曲线R4、R5，圆弧曲线R4连接位于轮辋外侧，圆弧R5连接位于轮辋内侧，R4尺寸＝R5尺寸40mm-120mm。

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。

所述辐板主体的外侧包括相连的圆弧曲线R2和R3，圆弧曲线R2与圆弧曲线R1相连，圆弧曲线R3与圆弧曲线R4相连，R2尺寸75mm-225mm，R3尺寸120mm-240mm。

所述辐板主体的内侧包括圆弧曲线R6，圆弧曲线R6下端与圆弧曲线R7相连，圆弧曲线R6上端与圆弧曲线R5相连，R6尺寸120mm-240mm。

所述轮辋-辐板过渡区的厚度S1≥12mm，轮毂-辐板过渡区的厚度S2≥20mm。

一种低应力反S型辐板车轮的设计方法，包括以下步骤：

步骤1.找到辐板R3定位点(X1，X2)，以此位点做R3的圆弧；

步骤2.根据轮辋-辐板过渡区的厚度S1，做R6圆弧；

步骤3.找到定位尺寸X3，做出R2；

步骤4.找到轮毂-辐板过渡区的S2厚度测量位置X4，做圆弧R2；

步骤5.设计轮毂-辐板过渡区：以R3和轮辋外侧做一个R4的圆弧，以R6和轮辋外侧做一个R5的圆弧；

步骤6.设计轮辋-辐板过渡区：以R2和轮毂外侧做一个R1的圆弧，以R6和定位尺寸S2，做出R7圆弧。

其中，所述X1尺寸600mm-760mm，X2尺寸50mm-100mm，X3尺寸30mm-90mm，X4尺寸320mm-540mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

该低应力反S型辐板车轮及其设计方法结构设计合理，车轮在制动载荷+机械载荷作用下，最大应力≤550MPa，优于同载荷下的正S型辐板，较同类反S型辐板车轮，热-机械应力降低15％以上；并且车轮易于成型，利于批量生产，实际轧制合格率≥99.9％。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明车轮剖面示意图。

图中：

1-轮毂；2-内毂面；3-外毂面；4-轮毂-辐板过渡区；5-辐板主体；14-辐板主体一侧轮廓线；15-辐板主体另一侧轮廓线；6-轮辋-辐板过渡区；7-轮辋；8-内辋面；9-外辋面；10-轮缘；11-踏面；S1-轮辋-辐板过渡区厚度；S2-轮毂-辐板过渡区厚度。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，该低应力反S型辐板车轮，包括轮毂、辐板和轮辋；辐板为反S型结构，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。

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。辐板主体为反S型结构，辐板通过三条圆弧，分别与轮辋及轮毂连接。

轮毂-辐板过渡区包括圆弧曲线R1、R7，圆弧曲线R1连接位于轮毂外侧，圆弧曲线R7连接轮毂内侧，R1尺寸45mm-125mm，R7尺寸25mm-105mm；所述轮辋-辐板过渡区包括圆弧曲线R4、R5，圆弧曲线R4连接位于轮辋外侧，圆弧R5连接位于轮辋内侧，R4尺寸＝R5尺寸40mm-120mm。

辐板主体的外侧包括相连的圆弧曲线R2和R3，圆弧曲线R2与圆弧曲线R1相连，圆弧曲线R3与圆弧曲线R4相连，R2尺寸75mm-225mm，R3尺寸120mm-240mm。

辐板主体的内侧包括圆弧曲线R6，圆弧曲线R6下端与圆弧曲线R7相连，圆弧曲线R6上端与圆弧曲线R5相连，R6尺寸120mm-240mm。

轮辋-辐板过渡区的厚度S1≥12mm，轮毂-辐板过渡区的厚度S2≥20mm；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。

辐板主体是由R2、R3、R6组成，R3的定位尺寸(X1，X2)，R2轴向定位尺寸为X3。

基于上述一种反S型车轮，本发明还涉及一种反S型低应力车轮的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

步骤1.找到辐板R3定位点(X1，X2)，以此位点做R3的圆弧；

步骤2.根据轮辋-辐板过渡区的厚度S1，做R6圆弧；

步骤3.找到定位尺寸X3，做出R2；

步骤4.找到轮毂-辐板过渡区的S2厚度测量位置X4，做圆弧R2；

其中，设计步骤中，R1尺寸45mm-125mm，R2尺寸75mm-225mm，R3＝R6尺寸120mm-240mm，S2尺寸≥20mm，R4尺寸＝R5尺寸40mm-120mm，R7尺寸25mm-105mm，S1≥12mm，X1尺寸600mm-760mm，X2尺寸50mm-100mm，X3尺寸30mm-90mm，X4尺寸320mm-540mm。

采用本发明技术方案的优点为：

1.应用本发明设计的车轮，基于AAR S-660标准，此车轮在制动载荷+机械载荷作用下，最大应力≤550MPa，优于同载荷下的正S型辐板，较同类反S型辐板车轮，热-机械应力降低15％以上。

2.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、具有优异的抗热-机械应力能力、易于批量化生产的反S型辐板结构车轮；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AAR S-660标准。

3.本发明设计的轮型，此车轮在生产过程中易于成型，不易带来的轧制废品；利于批量生产，实际轧制合格率≥99.9％。

上述仅为对本发明较佳的实施例说明，上述技术特征可以任意组合形成多个本发明的实施例方案。

上面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，只要采用了本发明的构思和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

1.一种低应力反S型辐板车轮，包括轮毂、辐板和轮辋，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，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，其特征在于：所述辐板为反S型结构，所述轮毂-辐板过渡区包括圆弧曲线R1、R7，圆弧曲线R1连接位于轮毂外侧，圆弧曲线R7连接轮毂内侧，R1尺寸45mm-125mm，R7尺寸25mm-105mm；所述轮辋-辐板过渡区包括圆弧曲线R4、R5，圆弧曲线R4连接位于轮辋外侧，圆弧R5连接位于轮辋内侧，R4尺寸＝R5尺寸40mm-120mm。

2.如权利要求1所述低应力反S型辐板车轮，其特征在于：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。

3.如权利要求1所述低应力反S型辐板车轮，其特征在于：所述辐板主体的外侧包括相连的圆弧曲线R2和R3，圆弧曲线R2与圆弧曲线R1相连，圆弧曲线R3与圆弧曲线R4相连，R2尺寸75mm-225mm，R3尺寸120mm-240mm。

4.如权利要求3所述低应力反S型辐板车轮，其特征在于：所述辐板主体的内侧包括圆弧曲线R6，圆弧曲线R6下端与圆弧曲线R7相连，圆弧曲线R6上端与圆弧曲线R5相连，R6尺寸120mm-240mm。

5.如权利要求4所述低应力反S型辐板车轮，其特征在于：所述轮辋-辐板过渡区的厚度S1≥12mm，轮毂-辐板过渡区的厚度S2≥20mm。

6.一种如权利要求5所述低应力反S型辐板车轮的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：

步骤1.找到辐板R3定位点(X1，X2)，以此位点做R3的圆弧；

步骤2.根据轮辋-辐板过渡区的厚度S1，做R6圆弧；

步骤3.找到定位尺寸X3，做出R2；

步骤4.找到轮毂-辐板过渡区的S2厚度测量位置X4，做圆弧R2；

7.如权利要求6所述设计方法，其特征在于：所述X1尺寸600mm-760mm，X2尺寸50mm-100mm，X3尺寸30mm-90mm，X4尺寸320mm-540mm。