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178mm。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。4、 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。6、 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2630mm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。