鐵路車輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及運(yùn)輸工程，尤其是鐵路運(yùn)輸車輛的車輪。在鐵路車輪的輪輻的外表面上，具有第一外半徑的曲線和具有第二外半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.04到0.05倍。具有第三外半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.08到0.1倍。具有第四外半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.07到0.09倍。對(duì)于輪輻的內(nèi)表面來(lái)說(shuō)，具有第一內(nèi)半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.08到0.1倍。具有第二內(nèi)半徑的曲線和具有第三內(nèi)半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.06到0.08倍。具有第四內(nèi)半徑的曲線的半徑是輪圈直徑的0.04到0.06倍，其中，第一點(diǎn)從中心平面沿遠(yuǎn)離凸緣的方向偏移的距離不大于輪圈寬度的0.08倍。中心點(diǎn)從中心平面偏移的距離在輪圈寬度的0.35至0.4倍的范圍內(nèi)，并且第二點(diǎn)從中心平面沿朝向凸緣的方向偏移的距離不大于輪圈寬度的0.1倍。輪輻在第一點(diǎn)處的厚度與輪輻在第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到1.1，并且輪輻在中心點(diǎn)處的厚度與輪輻在第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到0.9。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了車輪在不同類型的工作載荷的影響下的低應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了最小的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輪圈在熱應(yīng)力下的令人滿意的側(cè)向變形程度。
【專利說(shuō)明】鐵路車輪
[0001]本發(fā)明涉及運(yùn)輸工程，尤其是鐵路車輪設(shè)計(jì)。
[0002]不同國(guó)家所用的鐵路車輪的設(shè)計(jì)是不同的，這些設(shè)計(jì)牽扯到鐵道車輛的工作條件、車輛和機(jī)車設(shè)計(jì)以及在輪組制造及其在鐵路運(yùn)輸作業(yè)中發(fā)展出的某些傳統(tǒng)。除此之外，車輪總是由三個(gè)主要部分構(gòu)成，即輪圈、輪轂和輪輻。
[0003]輪輻形狀的選擇對(duì)于提供車輪基礎(chǔ)性能特征如重量、剛性和負(fù)載能力而言是最重要的任務(wù)。
[0004]輪輻設(shè)計(jì)不同的車輪在世界慣例中是已知的，該設(shè)計(jì)通常由尺寸和輪圈相對(duì)于輪轂的相互位置來(lái)定。本發(fā)明打算用在歐洲鐵路系統(tǒng)中，在這里，最廣泛采用的是具有切向輪輻截面形狀的標(biāo)準(zhǔn)車輪，即，所謂的ORE車輪，其目前被用于每個(gè)輪組軸接近22.5噸力的載荷。該車輪設(shè)計(jì)具有在起源于車輪摩擦接觸制動(dòng)靴的熱負(fù)荷下的高應(yīng)力水平以及當(dāng)車輪運(yùn)行于軌道彎路段時(shí)作用于車輪的機(jī)械載荷。另外，ORE車輪的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是很重。
[0005]根據(jù)專利DE3117572的鐵路車輪設(shè)計(jì)已知具有其中心線由余弦函數(shù)確定的鐘形的輪輻，該輪輻在每個(gè)輪組軸的接近23.5噸力最高載荷下在歐洲鐵路中很流行。本設(shè)計(jì)在所有已知的類似物中具有最小重量。但為了將這種車輪設(shè)計(jì)用于較高的軸載荷，需要輪輻和輪轂壁的厚度增大，對(duì)此損失了車輪重量輕的優(yōu)勢(shì)。
[0006]一種解決此問(wèn)題的變型解決方案在被視為本發(fā)明原型的EP1470006發(fā)明中有所描述，在這里，輪輻的橫截面圍繞經(jīng)過(guò)三個(gè)特征點(diǎn)的理論中心線就位，在輪輻與輪圈匹配銜接的位置處的所示第一點(diǎn)和在輪輻與輪轂匹配銜接的位置處的所示第二點(diǎn)位于相同的平面內(nèi)，該平面垂直于車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并且從中心平面開(kāi)始朝向輪圈外表面偏移。所述平面和輪輻理論中心線的所示的中心點(diǎn)之間的距離最大為輪圈寬度的0.5。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以在輪輻與輪轂匹配銜接的區(qū)域內(nèi)增大輪輻厚度，在此處，由機(jī)械載荷造成的應(yīng)力水平高，但該結(jié)構(gòu)的重量和由熱負(fù)荷造成的應(yīng)力水平與根據(jù)專利DE3117572的車輪相比被顯著增大。本設(shè)計(jì)的車輪未被廣泛采用。
[0007]本發(fā)明的目的是選擇輪輻的最佳形狀，其能提供鐵路車輪的更好的性能特性，即:
[0008]-來(lái)自工作負(fù)荷作用的車輪低應(yīng)力狀態(tài)；
[0009]-可以在超過(guò)每軸23.5噸力的最高載荷下使用的可能性，同時(shí)在所有已知類似物中保證最小結(jié)構(gòu)重量；
[0010]-輪圈在摩擦接觸制動(dòng)靴過(guò)程中受熱和隨后的冷卻時(shí)的低程度側(cè)向變形。
[0011]通過(guò)如下的鐵路車輪獲得該技術(shù)效果，該鐵路車輪具有垂直于該車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的中心平面，所述車輪包括由行駛面和凸緣形成的輪圈，并且所述車輪還包括輪轂以及由外表面和內(nèi)表面形成的輪輻，所述輪輻如此制造，即，輪輻橫截面的理論中心線經(jīng)過(guò)第一點(diǎn)、中心點(diǎn)和第二點(diǎn)，其中，所述第一點(diǎn)位于所述輪輻與所述輪圈匹配銜接的位置，在所述中心點(diǎn)，所述理論中心線具有在與所述凸緣相反的方向上距所述中心平面的最大偏移，并且所述第二點(diǎn)位于所述輪輻與所述輪轂匹配銜接的位置，其中，所述輪輻的外表面在輪圈側(cè)由具有第一外半徑的曲線形成，并且在輪轂側(cè)由具有第二外半徑的曲線形成，所述具有第二外半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一外半徑的曲線的彎曲方向一致，所述具有第一外半徑的曲線和所述具有第二外半徑的曲線在所述輪輻的中心部分借助于位于輪圈側(cè)的具有第三外半徑的曲線和位于輪轂側(cè)的具有第四外半徑的曲線匹配銜接，所述具有第三外半徑的曲線和所述具有第四外半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一外半徑的曲線和所述具有第二外半徑的曲線的彎曲方向相反，所述輪輻的內(nèi)表面在輪圈側(cè)由具有第一內(nèi)半徑的曲線形成，并且在輪轂側(cè)由具有第二內(nèi)半徑的曲線形成，所述具有第二內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向一致，所述具有第一內(nèi)半徑的曲線和所述具有第二內(nèi)半徑的曲線在所述輪輻的中央部分借助于位于輪圈側(cè)的具有第三內(nèi)半徑的曲線和位于輪轂側(cè)的具有第四內(nèi)半徑的曲線匹配銜接，所述具有第三內(nèi)半徑的曲線和所述具有第四內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一內(nèi)半徑的曲線和所述具有第二內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向相反，所述鐵路車輪的特征在于，輪輻外表面的所述具有第一外半徑的曲線和具有第二外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.04到0.05倍，所述具有第三外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.08到0.1倍，所述具有第四外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.07到0.09倍，輪輻內(nèi)表面的所述具有第一內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.08到0.1倍，所述具有第二內(nèi)半徑的曲線和具有第三內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.06到0.08倍，所述具有第四內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.04到0.06倍，其中，所述第一點(diǎn)從所述中心平面沿與所述凸緣相反的方向偏移的距離不大于輪圈寬度的0.08倍，所述中心點(diǎn)從所述中心平面偏移的距離在輪圈寬度的0.35到0.4倍的數(shù)值范圍內(nèi)，所述第二點(diǎn)從所述中心平面朝向所述凸緣偏移的距離不大于輪圈寬度的0.1倍，而且所述輪輻在所述第一點(diǎn)處的厚度與所述輪輻在所述第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到1.1，所述輪輻在所述中心點(diǎn)處的厚度與所述輪輻在所述第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到0.9 ο
[0012]在靴式制動(dòng)器的操作過(guò)程中，當(dāng)輪圈被加熱和隨后冷卻時(shí)，車輪能多次反復(fù)循環(huán)吸收55千瓦熱負(fù)荷達(dá)45分鐘,而沒(méi)有就輪圈變形程度而言的任何不利影響。除此之外,在
0.7到1.1范圍內(nèi)的第一點(diǎn)處的輪輻厚度與第二點(diǎn)處的輪輻厚度之比和在0.7到0.9范圍內(nèi)的中心點(diǎn)處的輪輻厚度與第二點(diǎn)處的輪輻厚度之比連同以上的輪輻構(gòu)型使得加強(qiáng)車輪的在輪輻與輪圈和輪轂匹配銜接之處的最大承受應(yīng)力部分成為可能，由此提供了在高于每軸23.5噸力最高載荷下使用車輪的可能性，此時(shí)的結(jié)構(gòu)重量比所有已知的類似物低了 5%到 10%。
[0013]用于形成具有所述構(gòu)型的車輪的輪輻的外表面和內(nèi)表面的曲線的半徑的其它數(shù)值的選擇、輪輻理論中心線的特征點(diǎn)距中心平面的偏移的距離和方向以及在這些點(diǎn)處的厚度之比不允許實(shí)現(xiàn)在各種工作負(fù)荷下的車輪設(shè)計(jì)的低應(yīng)力狀態(tài)、最小重量和在熱負(fù)荷下的輪圈側(cè)變形的令人滿意程度的最佳組合。
[0014]結(jié)合以下附圖和曲線圖來(lái)解釋本發(fā)明的要點(diǎn)，其中:
[0015]圖1是鐵路車輪的徑向界面圖；
[0016]圖2是鐵路車輪的所要求保護(hù)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)械性能的對(duì)比估計(jì)的圖表；
[0017]圖3a、圖3b和圖4a、圖4b是鐵路車輪的所要求保護(hù)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的熱機(jī)械性能的對(duì)比估計(jì)的圖表。
[0018]如圖1所示的鐵路車輪具有垂直于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸線Z的中心平面P，該車輪包括由行駛面2和凸緣3形成的輪圈1，并且該車輪還包括輪轂4以及由外表面6和內(nèi)表面7形成的輪輻5，該輪輻如此設(shè)計(jì)，即，輪輻橫截面的理論中心線8經(jīng)過(guò)第一點(diǎn)A、中心點(diǎn)C以及第二點(diǎn)B，其中，第一點(diǎn)位于輪輻與輪圈I匹配銜接的位置，在中心點(diǎn)處，理論中心線8具有在與凸緣3相反的方向上距中心平面P的最大偏移，第二點(diǎn)位于輪輻5與輪轂4匹配銜接的位置。輪輻5的所規(guī)定的中心平面P在行駛面直徑D被測(cè)的位置經(jīng)過(guò)輪圈I。
[0019]輪輻5的外表面6在輪圈I側(cè)由具有第一外半徑的曲線Rl形成，并且在輪轂4側(cè)由具有第二外半徑的曲線R2形成，具有第二外半徑的曲線R2的彎曲方向與具有第一外半徑的曲線Rl的彎曲方向一致，這兩條曲線在輪輻的中央部分借助于位于輪圈I側(cè)的具有第三外半徑的曲線R3和位于輪轂4側(cè)的具有第四外半徑的曲線R4匹配銜接，具有第三外半徑的曲線R3和具有第四外半徑的曲線R4的彎曲方向與具有第一外半徑的曲線Rl和具有第二外半徑的曲線R2的彎曲方向相反，并且輪輻5的內(nèi)表面7在輪圈I側(cè)由具有第一內(nèi)半徑的曲線R5形成，并且在輪轂4側(cè)由具有第二內(nèi)半徑的曲線R6形成，具有第二內(nèi)半徑的曲線R6的彎曲方向與具有第一內(nèi)半徑的曲線R5的彎曲方向一致，這兩條曲線在輪輻5的中央部分借助于位于輪圈I側(cè)的具有第三內(nèi)半徑的曲線R7和位于輪轂4側(cè)的具有第四內(nèi)半徑的曲線R8匹配銜接，具有第三內(nèi)半徑的曲線R7和具有第四內(nèi)半徑的曲線R8的彎曲方向與具有第一內(nèi)半徑的曲線R5和具有第二內(nèi)半徑的曲線R6的彎曲方向相反。
[0020]第一點(diǎn)A從中心平面P沿與凸緣3相反的方向偏移的距離Hl不大于輪圈寬度H的0.08倍，中心點(diǎn)C從中心平面P偏移的距離H2為輪圈寬度H的0.35到0.4位，第二點(diǎn)B從中心平面P朝向凸緣3偏移的距離H3不大于輪圈寬度H的0.1倍。
[0021]輪輻5在第一點(diǎn)A處的厚度Tl與輪輻5在第二點(diǎn)B處的厚度T2之比為從0.7到
1.1，輪輻5在中心點(diǎn)C處的厚度T3與輪輻5在第二點(diǎn)B處的厚度T2之比為從0.7到0.9。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)nC510_5標(biāo)準(zhǔn)和WC B169/RP17報(bào)告所述的技術(shù)利用不同設(shè)計(jì)變型的有限元分析來(lái)進(jìn)行輪輻最佳形狀的選擇，所述標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)告允許由在工作使用中大多關(guān)鍵的機(jī)械載荷和熱載荷的作用確定應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
[0023]作為根據(jù)EN13979-1的要求進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，所要求保護(hù)的如圖2所示的設(shè)計(jì)具有分別比類似目的的車輪設(shè)計(jì)VAZ14/324和VAZ18/319更高的輪輻疲勞強(qiáng)度特性，還考慮到了分別輕了 7公斤和19公斤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0024]本 申請(qǐng)人:所進(jìn)行的、包含了專利和研究技術(shù)信息源的檢索和包括關(guān)于所要求保護(hù)的發(fā)明的類似物的數(shù)據(jù)的源頭的查明的現(xiàn)有技術(shù)分析表明了，本 申請(qǐng)人:沒(méi)有發(fā)現(xiàn)以與所要求保護(hù)的發(fā)明的所有重要特征相同的特征為特點(diǎn)的類似物。
[0025]在從所查明的類似物清單中確定原型的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了所要保護(hù)的鐵路車輪的就目標(biāo)技術(shù)效果而言的一組重要的特征并在權(quán)利要求書(shū)中加以記載。
[0026]在制動(dòng)器作用于車輪時(shí)的臺(tái)架試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如圖3a、圖3b和圖4a、圖4b所示并且根據(jù)nC B169/RP17進(jìn)行，該計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果以與現(xiàn)有類似物相比的輪圈側(cè)向變形程度和車輪中的應(yīng)力水平來(lái)表示所要保護(hù)的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。
[0027]由本 申請(qǐng)人:所進(jìn)行的且包含了對(duì)專利文獻(xiàn)和科研文獻(xiàn)的檢索的現(xiàn)有技術(shù)分析以及包含關(guān)于本發(fā)明的類似物的信息的文獻(xiàn)查明使得確定本 申請(qǐng)人:不能發(fā)現(xiàn)由相當(dāng)(相同)于所要保護(hù)的發(fā)明的所有重要特征的特征限定的類似物成為可能。
[0028]從所查明的類似物的清單中限定原型允許查明在所要保護(hù)的“鐵路車輪”中和如權(quán)利要求書(shū)所述的、就所關(guān)注的技術(shù)效果而言是重要的特征的組合。
[0029]檢索結(jié)果表明，專家無(wú)法從本 申請(qǐng)人:所確定的現(xiàn)有技術(shù)中明確了解所要保護(hù)的發(fā)明，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)所要保護(hù)的發(fā)明的重要特征所提供的轉(zhuǎn)變對(duì)技術(shù)效果實(shí)現(xiàn)的影響。
[0030]所提出的發(fā)明可被用于所有型號(hào)的采用靴式制動(dòng)器的鐵路運(yùn)輸設(shè)施車輛，尤其用于鐵路貨運(yùn)列車、前導(dǎo)車輛和機(jī)車。在車輪重要區(qū)域內(nèi)(輪輻轉(zhuǎn)變至輪轂和輪圈之處)的疲勞強(qiáng)度的良好一致性容許也將本設(shè)計(jì)用于在此采用盤(pán)式制動(dòng)器而不是靴式制動(dòng)器的鐵路運(yùn)輸中，就像關(guān)于轎車的情況那樣。根據(jù)本發(fā)明，可以由鐵路行業(yè)所用的任何品質(zhì)的鋼制造車輪，并且可以根據(jù)眾所周知的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)軋制、鍛造或鑄造來(lái)制造。
[0031]具有根據(jù)所要求保護(hù)的權(quán)利要求書(shū)的輪輻構(gòu)型的鐵路車輪的與歐洲鐵路系統(tǒng)貨運(yùn)列車相關(guān)的理論研究和試驗(yàn)已經(jīng)表明了符合所有安全要求和能夠提供車輪最佳性能水平的能力。這證明獲得了本 申請(qǐng)人:所指出的技術(shù)效果。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵路車輪，具有垂直于該車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的中心平面，所述車輪包括由行駛面和凸緣形成的輪圈，并且所述車輪還包括輪轂以及由外表面和內(nèi)表面形成的輪輻，所述輪輻如此制造，即，輪輻橫截面的理論中心線經(jīng)過(guò)第一點(diǎn)、中心點(diǎn)和第二點(diǎn)，其中，所述第一點(diǎn)位于所述輪輻與所述輪圈匹配銜接的位置，在所述中心點(diǎn)，所述理論中心線具有在與所述凸緣相反的方向上距所述中心平面的最大偏移，并且所述第二點(diǎn)位于所述輪輻與所述輪轂匹配銜接的位置，其中，所述輪輻的外表面在輪圈側(cè)由具有第一外半徑的曲線形成，并且在輪轂側(cè)由具有第二外半徑的曲線形成，所述具有第二外半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一外半徑的曲線的彎曲方向一致，所述具有第一外半徑的曲線和所述具有第二外半徑的曲線在所述輪輻的中心部分借助于位于輪圈側(cè)的具有第三外半徑的曲線和位于輪轂側(cè)的具有第四外半徑的曲線匹配銜接，所述具有第三外半徑的曲線和所述具有第四外半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一外半徑的曲線和所述具有第二外半徑的曲線的彎曲方向相反，所述輪輻的內(nèi)表面在輪圈側(cè)由具有第一內(nèi)半徑的曲線形成，并且在輪轂側(cè)由具有第二內(nèi)半徑的曲線形成，所述具有第二內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向一致，所述具有第一內(nèi)半徑的曲線和所述具有第二內(nèi)半徑的曲線在所述輪輻的中央部分借助于位于輪圈側(cè)的具有第三內(nèi)半徑的曲線和位于輪轂側(cè)的具有第四內(nèi)半徑的曲線匹配銜接，所述具有第三內(nèi)半徑的曲線和所述具有第四內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向與所述具有第一內(nèi)半徑的曲線和所述具有第二內(nèi)半徑的曲線的彎曲方向相反，所述鐵路車輪的特征在于， 輪輻外表面的所述具有第一外半徑的曲線和具有第二外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.04到0.05倍，所述具有第三外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.08到0.1倍，所述具有第四外半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.07到0.09倍，輪輻內(nèi)表面的所述具有第一內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.08到0.1倍，所述具有第二內(nèi)半徑的曲線和具有第三內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.06到0.08倍，所述具有第四內(nèi)半徑的曲線的半徑為行駛面直徑的0.04到0.06倍，其中，所述第一點(diǎn)從所述中心平面沿與所述凸緣相反的方向偏移的距離不大于輪圈寬度的0.08倍，所述中心點(diǎn)從所述中心平面偏移的距離在輪圈寬度的0.35到0.4倍的數(shù)值范圍內(nèi)，所述第二點(diǎn)從所述中心平面朝向所述凸緣偏移的距離不大于輪圈寬度的0.1倍，而且所述輪輻在所述第一點(diǎn)處的厚度與所述輪輻在所述第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到1.1，所述輪輻在所述中心點(diǎn)處的厚度與所述輪輻在所述第二點(diǎn)處的厚度之比為從0.7到0.9。
【文檔編號(hào)】B60B17/00GK104136235SQ201280061859
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】R·A·戈雷什科夫, D·E·卡林采夫 申請(qǐng)人:"維克薩"股份公司