火车轮结构基础知识

车轮结构完全由车轮直径,轮辋，轮毂尺寸，毂辋距，辐板形状，轮缘踏面 外形所决定。每个尺寸或每部位形状都有其特殊意义。一、直 径车轮直径对其本身及整个车辆都有较大影响。一方面车轮直径越大， 车辆重心越高,车辆的动力性能越差.另一方面,增大车轮直径，可以降低轮轨 的接触应力，降低车轮磨耗速度,增加车轮的热容量，提高踏面制动热负荷 的承受能力。因此车轮直径大小应根据车辆情况综合确定。但总的来说， 车辆轴重越大，车轮直径应越大，以提高车轮的热容量和增加轮轨的接触 面积,减少踏面损伤和磨耗.另外，车轮直径的取值还应注意规格的标准化系 列问题，以利于车轮制造和检修。目前我过货车车轮直径大多为840mm,特 殊货车车轮直径为 915。二、轮 辋轮辋宽度尺寸主要取决于轮轨的搭载量。当轮对运行在曲线上时,外侧车轮 轮缘靠近钢轨,内侧轮缘远离钢轨。只有内侧车轮踏面在钢轨上的搭载量足够, 才能保证轮对不脱轨。铁路技术管理规程规定,当曲线半径在 300m 以下时，轨距应加宽 15mm。 因此，最大轨距为1435+15+6=1456mm （其中：名义轨距L为1435mm，最大公差 为6mm）。轮对最小内侧距为1354mm,轮缘最小厚度为23mm。车轮踏面外侧倒 角5mm,钢轨头部圆弧半径为R13mm,钢轨内侧磨耗2mm,轨枕弯曲、道钉松 动等引起轨距扩大8mm，重车时车轴微弯引起轮对内侧距离减小2mm,轮轨安 全搭载量按7mm考虑，根据上述数据算得轮辋最小宽度为120mm,考虑到车辆 过驼峰时实施的制动，车轮外侧面磨损5mm，则轮辋最小宽度应为125mm。目 前我国铁路货车车轮轮辋宽度为 135140mm。轮辋厚度通常指新轮辋厚度。我国铁路对正常服役的车轮的判废依据是轮辋 剩余厚度，当轮辋剩余厚度小于等于23mm时车轮报废。新轮辋厚度与轮辋限度 之差为轮辋的有效磨耗厚度。轮辋越厚有效磨耗厚度就越大。但车轮自重也大。 有效磨耗厚度越厚，车轮使用寿命越长，新旧车轮直径差就越大。车辆检修时，为了满足车辆之间悬挂的要求，经常需要在心盘、旁承等位置 增加调平板。如果新旧车轮直径差过大，所增加的垫板相应加厚 .这样心盘螺栓 就容易折断,同时也增加了检修的工作量.轮辋质量占车轮质量较大的比例，即轮辋的质量在很大程度上决定了车轮的 质量。特别是铸钢车轮,由于浇铸工艺原因，轮辋质量越大，就要求辐板越厚， 车轮质量将更大.车轮为簧下质量，其质量的增加对轮轨垂向动作用力有较大影 响。为了提高轮辋硬度以提高其使用寿命，成产中车轮踏面进行淬火处理。由于 淬火工艺特性，淬硬深度受到限制。 轮辋越厚,内部硬度越低，耐磨性能越来越 差。虽然车轮使用寿命随着轮辋厚度的增加而延长，但延长的比例越来越小。从车轮的使用寿命的角度来考虑轮辋应越厚越好。但从车轮重量和新旧车轮 直径差的角度轮辋厚度应越小越好.轮辋厚度尺寸大小各有利弊，应根据车辆具 体使用条件及上述各种影响因素综合确定.目前国内货车车轮轮辋厚度有 50mm 和 65mm 两种。三、轮 毂车轮和车轴靠过盈配合组装在一起，轮毂的主要作用是将车轮牢牢地 固定到车轴上，其尺寸主要由轮轴配合所需要的紧固力所决定。我国车辆 车轮轮毂长度名义尺寸均为178m m。轮毂厚度随轴重的不同而变化。在轮 毂长度尺寸和轮轴间配合过盈量一定的情况下，轮毂厚度越厚，车轮质量 越大,轮轴之间的紧固力也越大。合理的轮毂厚度应该是：在满足轮轴紧固 力要求的前提下厚度尽可能地小,以减轻车轮质量。四、毂 辋 距毂辋距指轮辋内侧面与轮毂内侧面间的轴向距离，该值与轮对内侧距、 车轴两轮座之间的距离有关，因此在选取毂辋距时不能仅从车轮的角度考 虑，应根据轮对内侧距与车轴协调考虑.目前国内货车车轮该值为 68mm。五、辐板形状辐板的强度直接关系到行车的安全,因此车轮辐板应有足够的强度.辐板 形状对车轮的结构强度和刚度有较大的影响。较小的径向刚度可使车轮具有 较大的弹性，可以改善制动热负荷作用下车轮的应力状态和降低轮轨动力作 用力，因此辐板的径向刚度应适量地小。辐板的轴向刚度应尽量的大，否则 车轮将产生较大的轴向变形 .轴向变形过大会改变轮轨正常接触位置和轮缘 角度，影响车辆运行性能，增加爬轨的可能性。一个好的辐板形状，可以在 不增加自重的条件下大幅度地提高车轮的结构刚度,改善车轮的刚度，因此辐 板是车轮结构设计和优化的重点部位.国内外普遍采用的辐板形状有:直辐板、S辐板、波浪形辐板、盆型辐板。直辐板与其他各形状辐板相比，优点是质量小，缺点是径向刚度过大， 轴向刚度较小。不是一个好的辐板形状.但尽管如此，在轮盘制动的情况下必 须采用直辐板，以便安装制动盘。S 型和盆型辐板可使得车轮具有合理的刚度和较低的热应力 .将辐板设 计成S形或盆形的主要目的是为了降低热应力。踏面制动一般采用这两种辐 板形状.但由于 S 形辐板不利于钢水的流动，因此不适合铸钢车轮,铸钢车轮 大多采用盆形辐板.波浪形辐板与S形辐板在结构上的区别主要是辐板的偏心量（靠近轮辋 处辐板的中心线与靠近轮毂处的辐板中心线之间的轴向距离）不同,造成这种 差别的原因主要是车轮的毂辋距不同 .波浪形辐板车轮径向刚度较小，与 S 形相比波浪形辐板车轮轴向刚度和应力较大.辐板形状即可用优选法设计也可用优化法设计，不管用什么方法，良好 的辐板性能是唯一的目标。另外在车轮辐板设计时，要校核辐板是否与车辆 下部界限发生干涉。六、轮缘踏面外形轮缘踏面外形设计时应考虑与轨头外形的配合 ,理想的轮轨型面配合状态能有效地降低接触应力和磨耗，有助于改善列车通过曲线性能， 有效地提高列车失稳的临界速度。同时设计的新踏面应尽量与磨耗后的 形状接近，以降低修正踏面时金属切削量.轮缘踏面外形的设计原则是：（1）如果轮缘踏面与钢轨发生两点接触，那么必然要有一个点发生 滑动，滑动的点将发生严重磨耗,因此应尽量避免轮缘踏面与钢轨发生两 点接触.此外,轮对处于任何位置时,轮轨接触点处的车轮和钢轨横向界面 曲率半径差不要过大，以增大轮轨之间的接触面，减小接触应力，从而 降低轮轨磨耗量和轮轨疲劳损坏.（2）保证轮对在直线轨道上运行时有较高的临界速度 ,这就要求轮 对在横移量不大时，车轮踏面接触点处的等效斜率小，即左右轮接触点 处的半径差小，这样轮对在直线上运行时不易发生蛇行运动.（3）曲线通过性能好，即轮对在曲线上运行时，轮对和轨道之间应 保持较小的冲角,这就要求轮对在横移量较大时车轮踏面接触点处的等 效斜率要大，即左右接触点的处的半径差要大,这样有利于轮对位置复原, 从而可以减轻轮缘磨耗、轨道侧磨和轮对对曲线的冲击。（4）在运用中，由于磨耗、剥离、擦伤等原因 ,轮缘踏面需要经常 旋修，如果磨耗后的形状与轮缘踏面初始差别较大，那么旋修时旋掉的 金属量就多，这样会降低车轮的使用寿命，因此在进行轮缘踏面设计时， 既要考虑上述各种性能因素也要考虑经济因素。轮缘需有一定高度，过低易发生脱轨；若轮缘设计的过高 ,当踏面磨耗深度 较大时轮缘顶部可能触碰钢轨鱼尾板螺栓和鱼尾板肩部。轮缘高度一般在26 30mm 之间。考虑通过道岔安全，车轮轮径越小，轮缘应越高。轮缘有防止车轮 脱线的功能,为防止低速车轮爬轨和高速车轮跳轨,轮缘外侧面与水平面之间有足 够的轮缘角,一般在 70左右，过小容易爬轨，不能保证安全；过大使修复外形 时切削量增加，且当轮对有冲角时轮缘顶部易与钢轨发生接触.轮缘踏面形状主要取决于线路情况和列车运行速度，而与车轮本身的结构无 关.当运行的路线和列车的速度没有较大变化时，即使车轮结构发生了变化，其 踏面形状也无需改变。通常情况下踏面采用标准形状。车轮设计计算标准中一般 不包括轮缘踏面外形设计计算。目前国内货车只有一种轮缘踏面形式，即LM型，见图。