[发明专利]轨道车轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种货运轨道车轮，尤其是踏面(tread)制动车轮，其包 括这样的车轮，即，对于该车轮除了主制动系统之外还有踏面制动。本发 明提出了一种车轮设计，其具有在制动操作期间以及之后保持所引起的应 力和挠曲足够低的很高的能力。该车轮尤其适合于重轴载荷货运业务，但 是也适合于客运火车上的特殊应用。

背景技术

即使具有分离的圆圈(轮胎)的所谓的轮胎车轮已被使用，但是时至 今日，铁路车辆的车轮仍主要是通过锻造或铸造整体地制造的，被称为整 体(enbloc)或一体车轮。在这种情况下，仅考虑整体车轮。现代的客车 或货车轮副包括刚性安装在常规钢制车轴上的两个整体钢车轮。

锻钢车轮被轧制以满足所需的尺寸，并且常常被进行机械抛光操作。 通过轮辋淬火可实现硬的和耐磨的踏面表面。此处理在车轮轮辋中引入了 有利的圆周压缩，这有助于抑制横向裂纹的形成和蔓延。车轮必须被设计 成耐受机械载荷，该机械载荷是由于车轮与轨道的接触而导致的，以及由 于在制动踏面系统被应用于运行表面上的情况下由制动产生的热负荷而导 致的。

在踏面上制动是货车最常用的制动系统。在车轮上的制动动作通过将 至少一个制动闸块压在车轮的踏面或运行表面上实现。制动闸块可由铸铁 或复合材料或烧结材料制成。当制动时，运行的火车的动能被转换成热， 所述热在车轮和制动闸块之间被分割。

在踏面制动动作期间，在车轮中产生温度梯度，其中在车轮的踏面处 温度较高。此梯度使得在车轮轮辋的踏面表面附近圆周压缩应力增加。可 达到高于材料的屈服应力的压缩应力，随后，当在制动动作之后车轮冷却 下来时，可在车轮轮辋中在运行表面附近产生圆周拉伸应力。此残余应力 常常产生安全问题，其中可能导致径向裂纹在车轮的轮辋、轮辐和轮毂中 蔓延。

产生温度梯度之后，还会发生车轮挠曲，尤其是车轮轮辋相对于轮毂 发生轴向挠曲。在制动动作期间，车轮的此轴向挠曲改变了轮副的轮距、 即轮副中的两个车轮的轮辋之间的距离，并且当车轮已经冷却下来时会发 生塑性屈服。

使用闸块制动的优点是它使得运行表面变粗糙，因此促进了车轮与轨 道之间的附着力，该附着力是牵引和制动两者的重要参数。但是，闸块制 动系统也存在一些严重缺陷。过量的加热可损坏车轮并且成为一个限制因 素。装配有闸块制动车轮的火车所产生的噪声级高于装配有盘式制动器的 火车，成为干扰环境的重要因素。但是，已发现利用复合或烧结材料制动 的车轮产生的噪声低于当制动闸块由铸铁制成时车轮所产生的噪声。一个 重要方面是对于用于制动闸块的新材料，与传统的铸铁制成的闸块制动器 相比，通常有更高百分比的热进入车轮，这一事实会影响车轮针对踏面制 动的热载荷的尺寸设定。

最近引入的欧洲标准UIC 510-5和EN 13979-1在由车轮-轨道接触产 生的机械载荷和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。根据这些标准，货车车轮应在45分钟的一段时间上满足由依赖于轴载 荷的制动热功率所产生的应力和挠曲要求。车轮的性能应使用制动测试工 作台测试。

在踏面制动的轨道车轮的设计中，常常试图在应力和挠曲之间实现折 衷。具有直的轮辐的车轮具有良好的稳定性，但是在轮辋中的应力非常高。 具有圆锥形轮辐的车轮在制动期间以及之后具有低的应力，但是会遭受非 常高的横向轮辋挠曲。

为了避免这些缺陷，已经尝试了许多不同的具有曲线轮辐的车轮设计。 但是，这些设计中的一些不能满足当前的性能需求，并且由于它们的几何 形状而不能装配到已有的转向架(bogie)上。

具有优化的、部分因子设计的所谓的低应力车轮属于特殊的一类车轮。 FE计算表明具有C形轮辐(具有单一半径)的车轮会经受轮辋的高度挠 曲、即轮辋的高度倾侧，这意味着轮辋的横截面围绕圆周轴线旋转。

轨道车轮的钢材料由用于铸造车轮的EN 1362：2004(CEN)标准限定。 材料应在抗张强度、硬度、粗糙度、延展性、疲劳强度和耐磨性方面具有 合适的特性。此外，材料应能够抵抗由于迅速冷却之前的车轮滑动而产生 的局部加热所导致的易碎的马氏体的产生。

发明内容

本发明的目标是提供一种车轮，该车轮易于制造，并且具有足够高的 径向柔性和轴向刚性以避免上述缺陷，上述缺陷分别与在一些专利文献中 描述的其它车轮设计和车轮中产生的应力和挠曲有关。