轮对基础知识

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有一定弹性，使力在传递时较为缓和。 （7）辐板孔：为了便于加工和吊装轮对而设置，每个车轮上有两个辐板孔。由于在辐 板孔周围容易产生裂纹，同时还影响车轮的平衡性能，因此在 S 形辐板的车轮上已取消辐 板孔。
图 1-2 整体轮的各部分组成 1— 踏面 2—轮缘 3—轮辋 4—轮毂 5—轮毂孔 6—辐板 7—辐板孔
图 1-7 轮对在曲线上运行 车轮通过道岔时，由于车轮踏面外侧有 1:10 的坡度，当 1:20 的坡度的踏面磨耗后，踏 面外侧与基本轨或翼轨间尚有一定间隙，不至于互相接触而产生作用力，造成障碍，从而可 以安全通过道岔，如图 1-8 所示。
图 1-8 轮对通过道岔 1—翼轨 2—辙叉心 3—间隙 4—踏面磨耗后轮廓 5—踏面原型轮廓
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化小，这对保证车辆运行平稳很有利。特别是高速车辆，如日本东海道新干线采用 1:40 锥 形外形，据此确定了悬挂参数，但 1:40 外形很快磨耗，为保证车辆平稳，必须每 3 万公里 就必须镟修踏面，增加了维修成本。欧洲的法国、德国、英国等国家的高速车辆都用磨耗型 踏面，毋须经常镟轮。近年来，日本开发的高速车也采用了磨耗型踏面。
图 1-10 两种踏面轮轨接触点的位置 A—锥形踏面轮轨接触点位置 B—LM 型踏面轮轨接触点位置 （7）减少热轴、偏磨故障。 转向架、轮对加工中不可能没有误差，如对角线差、相对轴距差、相对轮径差等，若工 艺水平低或检验不严，过大的误差将造成燃（热）轴、轮缘偏磨等故障。弧形踏面等效斜度 大，而且位移越大，斜度上升的越快，从而可减少热轴、偏磨，提高了车辆运行安全性和经 济性。 （8）镟修时金属切削量小。 LM 系列外形与磨耗后的外形相近，镟轮时切削量小，使车轮实现了经济镟削，这已被 实践证明。 3、S 形辐板车轮 铁道部四方车辆研究所， 经过对运用车轮裂损情况的调查， 发现车轮的裂纹故障主要是 轮辋、辐板裂纹。其原因除因制造缺陷所致之外，主要是车轮结构不合理。据对现行客货车
图 1-6 轮对在直线上运行 车辆在直线上运行时， 如果轮对中心线与线路中心线不一致时， 造成轮对的两个车轮一
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个导前，一个滞后，则导前车轮以踏面外侧小直径圆周滚动，滞后车轮以踏面内侧大直径圆 后滚动。因此，同样转数，导前车轮滚动距离短，滞后车轮滚动距离长，从而自动纠正两车 轮位置，使两车轮重新处于平行或前后变位，以减少轮缘磨耗，如图 1-6 所示。 车辆在曲线上运行时，由于离心力的作用，使外轨上的车轮轮缘紧靠钢轨，内轨上的车 轮轮缘则远离钢轨。 于是在外轨上的车轮以踏面内侧大直径圆周滚动， 在内轨上的车轮以踏 面外侧小直径圆周滚动。从而在相同转数内，外轨上的车轮滚动距离长，内轨上的车轮滚动 距离短，正好与曲线上外轨长内轨短相适应，可使两轮同时通过曲线，以减少车轮在钢轨上 滑行，如图 1-7 所示。
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2、磨耗型踏面 在长期使用过程中发现，锥形踏面每次镟削后出现踏面外形与钢轨顶部断面形状不匹 配、运用初期磨耗较快、镟削时无益切销量大等问题。同时发现一个规律：不论车轮踏面初 始形状如何，经过运用磨耗后，将趋向一个“稳定形状” ，源自文库在形状稳定之后，磨耗将减缓。 世界各国都对这种“稳定形状”的新型外形进行了研究，各国称呼不一，有的叫磨耗型，有 的叫圆弧形或曲形， 也有的叫凹形。 在认识了锥形踏面存在的问题和掌握了踏面磨耗规律后，
图 1-9 磨耗形踏面外形
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与锥形踏面相比，磨耗型踏面具有以下优点： （1）外形与钢轨匹配合理，能保证轮轨间始终是单点接触。 （2）等效斜度是非恒定的。 这是一个非常重要的特性， 它满足了人们对踏面功能的要求。 在平衡位置时等效斜度较 小轮对位移大时等效斜度大，实现平道时平稳性好，通过曲线时左右滚动半径差大，避免轮 缘接触钢轨，减小轮轨磨耗和列车阻力。 （3）重力复原刚度大。 重力复原刚度简称为重力刚度。 当轮对在钢轨上作横向或旋转运动时， 轮对重心的高度 有所变化，从而产生了一个复原力，其作用相当于一个具有一定刚度的弹簧的复原作用，所 以叫做重力复原刚度。 值得注意的是，对于通常采用的圆锥形踏面来说，重力刚度的数值不大，实际上可以略 去。但是，在磨耗型踏面的情况下就完全不同了，由于磨耗型踏面的接触点位置和接触角随 横向位移或旋转位移的不同，可以在很大的范围内变化，所以由重力所引起的复原力，常常 是不可以略去的。 重力刚度变成了研究磨耗型踏面运行稳定性和曲线通过的一个不可忽视的 重要参数。 磨耗型踏面所具有的随横向位移而递增的重力刚度特性，对于曲线通过性能是有利的。 因为，当机车车辆以超过平衡速度的速度通过曲线时，将产生一个指向曲线外侧的离心力， 在圆锥形踏面的情况下， 这个力传递到轮轨之间， 将有轮缘与钢轨侧面的水平作用力来平衡， 由于该力的作用，将加剧轮轨磨耗。但是在磨耗型踏面的条件下，作用在轮对上的离心力， 可以由重力复原力来平衡而且这个复原力是随着横向位移的增大而很快增大的。 所以磨耗型 踏面，即使收到较大的离心力，也可以不使轮缘与钢轨接触，从而可以减轻轮轨磨耗。 （4）轮轨接触带增宽。 如图 1-10 为锥形和 LM 型踏面上接触点位置示意图。LM 型的轮轨接触带比 TB449 锥形 的接触带宽的多，这有利于轮轨均匀磨耗。 （5）降低轮轨接触应力。 LM 型踏面圆弧与钢轨头部圆弧部的基础应力比锥形的直线与圆弧的接触应力低，可减 低应力 35%左右。接触应力的实测结果与此相同。降低接触应力可以减少轮轨表面剥离等损 伤。 （6）保持性能稳定。 因为 LM 系列外形能保持轮轨单点接触，与磨耗后的外形相近，故磨耗前后等效斜度变
图 1-1 轮对的构成 1—车轴 ； 2—车轮 我国铁路车辆上主要采用的是碾钢整体车轮，简称碾钢轮，以碾钢轮为例，车轮各部 分的名称及作用如图 1-2 所示。 （1）踏面：车轮与钢轨面相接触的外圆周面，具有一定的斜度。踏面与轨面在一定的 摩擦力下完成滚动运行。 （2）轮缘：车轮内侧面的径向圆周突起部分，称为轮缘。其作用是防止轮对脱轨，保 证车辆在直线和曲线上安全运行。 （3）轮辋：车轮具有完整踏面的径向厚度部分，以保证踏面内具有足够的强度，同时 也便于加修踏面。 （4）轮毂：车轮中心圆周部分，固定在车轴轮座上，是整个车轮结构的主干与支承。 （5）轮毂孔：用于车轴的安装，该孔与车轴轮座部分直接固结在一起。 （6）轮辐板：连接轮辋与轮毂的部分，呈板状者称为辐板，辐板呈曲面状，使车轮具
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直辐板车轮所进行的有限元强度计算结果表明，直辐板车轮应力不均，在所有计算工况下， 车轮辐板都出现严重的应力集中现象。 当轮辋磨耗到限时， 在辐板外侧向轮毂过渡处应力已 超过弹性极限，产生塑性变形，降低了车轮强度。辐板应力集中是导致运用中辐板疲劳裂纹 的主要原因之一，辐板孔周边应力集中也容易产生疲劳裂纹。由于直辐板车轮形状不合理， 在制动热负荷作用下还将产生过大的热应力，其数值约为机械应力的 4—6 倍，是运用中车 轮产生裂纹的主要原因。针对这些问题，四方车辆研究所经过分析研究，并借鉴国外先进经 验，设计了改善车轮应力的辐板形状——S 形辐板车轮，见图 1-11。
D1
d0
D3
241 273 279 273 105 110 178 135 110
S1
19
S2
25

12o

20o
344 351 353 394
840
HB HD HE
840
710
138 170 186
915
KD
915
785
170
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图 1-4 碾钢整体车轮（TB/T 2817—1997）
G 3 L3 、 SY10 、 SY30 、 我国 20 世纪 70 年代开始研究设计这种新型磨耗踏面， 先后研制有 SY、
SY50 等多种型号并进行了试验，1984 年对 SY30 型进行了部级鉴定，取名为 LM 型，其中 L
代表“辆”字的汉语拼音第一个字母，M 表示“磨”字的汉语拼音第一个字母意思，其含义 是磨耗型车辆车轮踏面。1985 年开始推广，1987 年上升为标准 TB1967-1987《机车车辆用 车轮磨耗型轮缘踏面外形》 。 磨耗型踏面外形如图 1-9 所示，其轮辋宽度、基准点、基准线及用途、轮缘顶点位置等 与锥形踏面相同，所不同的是踏面采用 R100mm 和 R500mm 及 R220mm 为半径的三段弧线，圆 滑连接成的一条曲线， 并和斜度为 1:8 的一段直线共同组成踏面外形。 轮缘高度是由过基准 点且与车轮内侧面的垂直线到轮缘顶点的距离，标准高度为 27mm。轮缘厚度是由过基准点 且与车轮内侧面的垂直线向轮缘顶点方向 12mm 作一水平线交轮缘内外侧两点之间的距离， 标准厚度为 32mm。
S1
19
S2
25

12o

20o
342 348 391
840
HBS HDS
710 710 785
710 710 785
147 186 186
915
KD
1、锥形踏面 （1）锥形踏面基本外形 锥形踏面基本外形如图 1-5 所示。轮辋内、外侧面之间的距离称为轮辋宽度。标准轮辋 宽度为 1350 mm。由于车轮内侧面到踏面上 70mm 处的点叫基准点。由基准点组成的圆周线 叫基准线。基准线的用途是测量车轮直径、轮缘厚度和踏面圆周磨耗深度。车轮踏面由具有 一定坡度的两端直线组成，由车轮内侧面向外 48mm 和 100mm 之间的踏面为 1：20 的坡度， 由车轮内侧面向外 100—135mm 之间的踏面为 1：10 的坡度。 由车轮内侧面向外 16mm 与轮缘外表面的交点为轮缘顶点。由过车轮内侧面到踏面上
表 1-2：车轮基本尺寸（TB/T 2817——1997） 规格型号 外 径D 轮 辋 内 侧 直 径 轮 毂 孔 径 轮 毂 外 径 毂 长 L 辋 宽 H 毂 辋 距 E R40 处 R50 处 辐板厚度 轮 毂 斜 度 轮 辋 斜 度 理论 重量 （kg）
D1
d0
D3
235 274 274 68 178 135 68
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第一章 轮对基础知识
1.1 轮对的作用及组成
轮对是转向架主要部件之一。 它的功能是最终承受车辆的自重与载重， 并通过轮对在钢 轨上滚动完成车辆的运行。它的运用条件十分恶劣，经常发生擦伤、剥离、掉块、热裂和疲 劳损坏等情况。其性能的好坏，对行车安全具有十分重大的影响。 轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成，如图 1-1 所示，在轮轴接合部位采用过盈配 合，使两者牢固地结合在一起，为保证安全，绝不允许有任何松动现象发生。
950 mm。我国碾钢整体车轮形式和基本尺寸如图 1-3、图 1-4 和表 1-1、表 1-2 所示。
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图 1-3 碾钢整体车轮形式和基本尺寸 （GB 8601—1988）
表 1-1：铸钢整体车轮基本尺寸（GB 8601——1988） 规格型号 外 径D 轮 辋 内 侧 直 径 轮 毂 孔 径 轮 毂 外 径 毂 长 L 辋 宽 H 毂 辋 距 E R40 处 R50 处 辐板厚度 轮 毂 斜 度 轮 辋 斜 度 理论 重量 （kg）
1.2 车轮的类型和轮对型号
1.2.1 车轮类型
车轮按其构造可以分为带箍车轮和整体车轮， 带箍车轮在我国铁道车辆上已经被整体车 轮所取代。车轮按其材质可以分为碾钢车轮和铸钢车轮。碾钢轮最大的优点是强度高，韧性 好，适应速度高的要求，其次是自重低，轮缘磨耗后可以堆焊，踏面磨耗后可以镟修，维修 费用低，碾钢轮的缺点是制造技术较复杂，设备投资较大，踏面耐磨性较差等。因此，我国 现在又重新生产新型的铸钢车轮已解决使用整体碾钢轮所存在的不足。 车轮按踏面形状可分为锥形车轮踏面外形（TB 型）和磨耗性车轮踏面外形（LM 型） ，LM 型踏面已取代了 TB 型踏面。车轮按辐板形状可以分为直辐板车轮和 S 形辐板车轮，S 形辐 板车轮是我国近几年研制的新产品， 是新型车轮的发展方向。 我国铁路货车使用的车轮轮径 为 840 mm ，少量使用 915 mm 。我国铁路客车使用的车轮轮径为 915 mm ，少量使用
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48mm 处的点作车轮内侧面的垂直线称为测量线。 由测量线到轮缘顶点的距离称为轮缘高度， 标准高度为 25mm。由测量线向轮缘顶点方向 10mm 作一水平线交轮缘内、外侧两点之间的距 离称为轮缘厚度，标准厚度为 32mm。
图 1-5 锥形踏面外形 （2）踏面设置坡度的理由