机车车轮薄轮缘镟修外形设计_张英才
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第 36 卷 增刊 1 2015 年 9 月
JOUＲNAL
大 连 交 通 大 学 学 报 OF DALIAN JIAOTONG UNIVEＲSITY
Vol． 36 Supp． 1 Sep． 2015
文章编号： 1673-9590 （ 2015 ） 增刊 1-0050-05
图8 Ⅳ期型面作为镟修型面的镟修量
52
大
连
交
通
大
学
学
报
第 36 卷
作 为 镟 修 型 面 后，车 轮 报 废 时 直 径 约 为 1152. 6mm， 与电力机车到限轮径 1150 mm 非常接 近， 说明以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面时， 车轮有 用金属的利用率达到最高．
图9
不同镟修型面的车轮直径镟修量
图 13
磨耗Ⅲ期型面轮轨匹配
应用 Hypermesh 软件建立 JM － 3 型面的车轮 和磨耗Ⅲ期型面的车轮分别与磨耗后曲线钢轨接 触的三维 有 限 元 模 型． 再 导 入 MAＲC 中 进 行 求 解， 建模过程中三维实体接触单元边长为 1 mm． 轮轨接触的三维有限元模型见图 14 ， 计算模型中 轨距为 1 435 mm， 轮缘内侧距为 1353 mm， 机车轴 重为 25 t， 横向力按照机车 80 km / h 速度产生的 离心力施加， 钢轨底面施加固定约束． 泊松比取 0． 3 ， 弹性模量 205 GPa ， 轮轨摩擦系数为 0． 3．
表1
镟修型面 JM － 3 型面 磨耗Ⅰ期 磨耗Ⅳ 期
图 10
不同镟修型面的车轮报废时直径
1． 3
机车车轮使用寿命分析
根据机车轮缘厚度与运行里程的关系， 同时考 虑机车车轮踏面磨耗量、 镟修次数以及镟修量． 计 算得到以不同型面作为镟修型面时车轮寿命如图 11． 以 JM － 3 型面作为镟修型面， 车轮寿命约为 150 万公里； 以磨耗 Ⅰ 期型面作为镟修型面， 车轮寿 命约为 144 万公里； 以磨耗 Ⅱ 期型面作为镟修型面， 车轮寿命约为 138 万公里； 以磨耗Ⅲ期型面作为镟 修型面， 车轮寿命约为 173 万公里； 以磨耗Ⅳ期型 面作为镟修型面， 车轮寿命约为 128 万公里．
2 比 JM － 3 镟修型面接触总面积达到了 486 mm ， 型增大约 34% ， 轮轨接触匹配较好．
（ 1 ） 将磨耗 Ⅲ 期车轮型面作为镟修型面后， 车轮直径镟修量减少 相比 JM － 3 镟 修 型 面， 6mm， 报废时车轮直径最小， 踏面处金属的利用率 显著提高； 镟修次数达到 3 次， 轮对的寿命达到了 173 万公里， 寿命延长约 16% ； （ 2 ） 通过有限元法建模分析计算后得到， 本 文设计的磨耗Ⅲ期镟修型面与磨耗后钢轨的接触 2 斑总面积达到了 486 mm ， 而 JM － 3 型面的接触
图 16 JM － 3 型面接触应力
图 17
磨耗Ⅲ期接触应力
图 14
有限元模型
3
结论
2． 2
轮轨接触分析 图 15 是 JM － 3 型面和磨耗 Ⅲ 期型面的轮轨 模型在相同工况下计算得到的接触斑， 两种模型 JM － 3 型面的接 接触斑的形状及面积差别较大， 2 触斑总面积为 362 mm ， 而本文设计的磨耗 Ⅲ 期
列车曲线通过速度的不断提高， 机车车轮轮缘磨耗日益严重． 根据大量实测数据表明， 机车车轮平均镟修 量在直径方向达到 32 mm， 使得踏面处有用金属浪费严重． 针对镟修优化问题， 提出了以磨耗Ⅲ期型面作为 镟修型面． 该镟修型面使得车轮直径镟修量减少 6 mm， 且相比 JM － 3 型面可多镟修一次， 轮对寿命可达到 173 万公里， 寿命延长约 16% ． 同时， 该方案使得轮轨接触匹配较好， 进一步减缓车轮的磨耗． 关键词： 机车车轮； 薄轮缘； 镟修； 外形设计； 有限元 文献标识码： A DOI:10.13291/ki.djdxac.2015.s1.012
*
增刊 1
张英才， 等： 机车车轮薄轮缘镟修外形设计
51
JM － 3 型面为标准的镟修将轮缘恢复到 34 mm 时， 车轮半径镟修量达到 16 mm（ 如图 4 ） ．
图1
机车轮缘厚度与运行里程的关系
图4
JM － 3 型面镟修量
根据本文得到的机车轮缘厚度与运行里程的 按照 关系， 将处于机车轮缘快速磨耗阶段的车轮， 轮缘厚度大致分 4 个时期， 分别为： 磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期、 磨耗Ⅲ期、 磨耗Ⅳ期， 如图 2 所示． 车轮在经历不 同磨耗时期， 主要是轮缘磨耗， 踏面处磨耗量很小， 从标准 JM － 3 型面到轮缘磨耗到限型面， 踏面的垂 直磨耗量约为 3． 2 mm， 如图 3 所示． 磨耗 Ⅰ 期轮缘厚 度为 32． 6 mm、 磨耗 Ⅱ 期轮缘厚度为 31． 2 mm、 磨耗 Ⅲ期轮缘厚度为 29． 8 mm、 磨耗Ⅳ期轮缘厚度为 28mm， 磨耗到限时轮缘厚度为 24 mm．
， 并形成
了镟修用的车轮踏面外形标准． 俄罗斯曾经研究 过用轮缘厚度 30 和 27 mm 修理用的车轮踏面外 形代替轮缘厚度 33 mm 的国标踏面外形进行车 轮旋修时能减少 34% 50 % 的金属切削量， 同时
［4 ］
也增加了轮对总使用寿命
． 国内学者在车轮踏
［57 ］
面外形设计和优化方面也进行过大量研究
， 如
沈钢、 叶志森等学者用接触角曲线反推法设计铁
10 收稿日期： 2015-03： （ 1990 －） ， 作者简介 张英才 男， 硕士研究生； 张军（ 1972 － ） ， 男， 教授， 博士， 主要从事轮轨关系2191@ qq． com．
不同型面作为镟修型面车轮可镟修次数
可镟修次数 2 2 3 镟修型面 磨耗Ⅱ期 磨耗Ⅲ期 可镟修次数 2 3
2
2． 1
轮轨型面匹配的有限元分析
有限元模型 本文选择 JM － 3 型面和磨耗Ⅲ期型面数据建
立车轮与磨耗后曲线钢轨发生两点接触的有限元
增刊 1
张英才， 等： 机车车轮薄轮缘镟修外形设计
53
模型， 并进行对比分析． 如图 12、 图 13 分别为 JM － 3 型面轮轨匹配位置、 磨耗Ⅲ期型面轮轨匹配位置， 相比 JM － 3 型车轮， 磨耗Ⅲ期车轮已经经过了所谓 ［ 89 ］ “快速磨合期” ， ． 的 故轮轨接触匹配较好
0
引言
在我国， 三分之一的铁路线是曲线， 而其中半
［1 ］ 径小于 600 m 的线路约占半数 ． 机车通过曲线
路车轮踏面外形等， 但针对车轮轮缘的镟修外形 ． 研究较少 本文通过型面测量仪， 对苏家屯机务段的机 车车轮外形进行长期跟踪测量， 并依据所得大量 数据分析车轮型面磨耗规律， 建立轮轨弹塑性接 触模型， 为机车车轮镟修型面外形设计以及延长 降低机车维护成本、 减少资源浪费 车轮使用寿命、 等提供理论依据．
时，由于轮轨之间的接触几何关系和接触状态发 生变化， 导致车轮与钢轨之间存在不同程度的磨 耗问题， 尤其是随着列车曲线通过速度的不断提 高， 机车车轮轮缘磨耗日益严重， 情况严重的区 机车走行数万公里轮缘就磨耗到限 ， 到限后的 段， 车轮需要进行镟修修复车轮外形， 按照 JM － 3 型 面镟修最多可镟修两次， 之后就需更换新的车轮， 这在很大程度上影响我国铁路的发展 ． 车轮镟修是服役机车维护的重要内容， 而镟 修后车轮踏面外形直接影响服役机车的轮轨关系 和车轮直径镟修量． 欧洲高速铁路科研人员对镟 修用的车轮踏面外形进行过大量研究
［23 ］
1
1． 1
薄轮缘机车轮缘外形设计
机车车轮磨耗情况分析
本文对沈阳铁路局苏家屯机务段大量轮缘检 修数据进行统计分析后， 将机车轮缘磨耗大致分 为 2 个阶段： 第 1 阶段， 车轮轮缘厚度从 34 降低 至 29 mm， 机车运行公里数大致为 14 万公里， 轮 缘磨耗量随运行里程数呈线性递增， 初期轮缘磨 呈快速磨耗 耗速率较快约为 0． 36 mm / 万公里， 轮缘厚度从 29 降低至 24 mm， 机车 期； 第 2 阶段， 运行公里数大致为 36 万公里， 机车运行单位万公 里轮缘磨耗量相对减少， 轮缘磨耗速率约为 0． 14 mm / 万公里， 相对第 1 阶段明显变小， 车轮轮缘磨 耗进入相对稳定时期． 如图 1 所示．
以磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期、 磨耗 Ⅲ 期、 磨耗 Ⅳ 期 的型面作为镟修型面时， 车轮半径镟修量分别为： 16． 3 、 14． 5 、 13 、 10 mm． 如图 5 29 、 26 、 20 mm． 8 所示． 图 9 为不 32． 6 、 同镟修型面的车轮直径镟修量， 分别为 32 ，
JM － 3 型面车轮直径为 1 250 mm， 根据统计 ， 50 数据 运 行 约 万公里后轮缘磨耗到限为 24mm， 踏面垂直磨耗量 3． 2 mm， 此时对车轮进行 第一次镟修， 按照 JM － 3 型面镟修时直径镟修量 达到 32 mm， 即第一个镟修周期后车轮直径变为 1 211． 6 mm， 同理可得， 第二个镟修周期后车轮直 径变为 1 173． 2 mm， 而电力机车规定的到限车轮 直径为 1 150 mm， 车轮直径已经无法满足第三次 镟修量的要求， 故以 JM － 3 型面作为镟修型面， 车轮在轮径到限之前可镟修 2 次． 若以磨耗 Ⅲ 期型面作为镟修型面， 当 JM － 3 型面的新车轮运行约 50 万公里后进行第一次镟 修， 以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面的直径镟修量 为 26 mm， 所以第一次镟修后车轮直径变为 1217. 6 mm， 由于此镟修后轮缘厚度为 29． 8mm， 按照图 1 机车轮缘厚度与运行里程的关系， 车轮 41 ， 运行约 万公里后轮缘到限 踏面垂直磨耗量约 2． 1 mm， 第二次镟修后车轮直径变为 1 187． 2mm， 再运行约 41 万公里后进行第三次镟修后车轮直 径变为 1 156． 8 mm， 再运行 41 万公里后， 车轮直 径变为 1 152． 6 mm 已经不满足第四次镟修量的 要求， 故以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面， 车轮在轮 径到限之前可镟修 3 次． 依次类推出车轮按照不 同型面作为镟修型面进行镟修时， 车轮可镟修次 数和报废时车轮直径如表 1 、 图 10． 可以看出： 磨 耗Ⅲ期和磨耗Ⅳ期的型面作为镟修型面时镟修次 数比 JM － 3 型、 磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期的型面作为 镟修型面时多一次， 达到 3 次， 但以磨耗Ⅲ期型面
图 15
接触斑比较
图 12
JM － 3 型面轮轨匹配
JM － 3 型面和磨耗 Ⅲ 期型 在相同的工况下， 面的轮轨模型的接触应力比较如图 16 、 图 17 所 示． JM － 3 型最大接触应力发生在轮缘与钢轨贴 靠处， 约为 868 MPa， 本文所设计磨耗 Ⅲ 期镟修型 面最大接触应力同样发生在轮缘与钢轨贴靠处 ， 但其值仅约为 647 MPa， 相比 JM － 3 型面轮轨间 最大接触应力减小了约 220 MPa， 这对进一步减 轻磨耗十分有利．
机车车轮薄轮缘镟修外形设计
1 2 张英才 ， 张军
（ 1． 大连交通大学 交通运输工程学院 ， 辽宁 大连 116028 ； 2． 北京建筑大学 机电与车辆工程学院 ， 北京 100044 ） * 摘 要： 我国铁路线的曲线较多， 机车通过曲线时， 车轮与钢轨之间存在不同程度的磨耗问题， 尤其是随着
图 11
不同型面作为镟修型面时车轮寿命
不但 可见， 以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面后， 车轮报废时轮径最小， 金属利用率最高， 且车轮寿 命达到 173 万公里， 相比以 JM － 3 型面作为镟修 型面时的寿命提高约 16% ． 因此本文设计最终选 择磨耗Ⅲ期型面作为车轮最优镟修型面， 其轮缘 厚度为 29． 8 mm．
图5
Ⅰ期型面作为镟修型面的镟修量
图2
不同磨耗时期车轮型面轮廓线 图6 Ⅱ期型面作为镟修型面的镟修量
图3
不同磨耗时期轮缘厚度 图7 Ⅲ期型面作为镟修型面的镟修量
1． 2
机车车轮镟修量分析
本文设计中选择磨耗 Ⅰ 期、 Ⅱ 期、 Ⅲ 期、 Ⅳ期 ， 四个时期的型面作为不同镟修型面 通过车轮直 径镟修量、 镟修次数以及整个车轮寿命的分析选 出最优镟修型面． 最优镟修型面再和 JM － 3 镟修 型面进行对比， 最终确定该设计型面的可行性． 由 大量实测数据得， 机车车轮磨耗到限时， 轮缘厚度 为 24 mm， 车轮踏面处垂直磨耗量约 3． 2 mm， 以
JOUＲNAL
大 连 交 通 大 学 学 报 OF DALIAN JIAOTONG UNIVEＲSITY
Vol． 36 Supp． 1 Sep． 2015
文章编号： 1673-9590 （ 2015 ） 增刊 1-0050-05
图8 Ⅳ期型面作为镟修型面的镟修量
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第 36 卷
作 为 镟 修 型 面 后，车 轮 报 废 时 直 径 约 为 1152. 6mm， 与电力机车到限轮径 1150 mm 非常接 近， 说明以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面时， 车轮有 用金属的利用率达到最高．
图9
不同镟修型面的车轮直径镟修量
图 13
磨耗Ⅲ期型面轮轨匹配
应用 Hypermesh 软件建立 JM － 3 型面的车轮 和磨耗Ⅲ期型面的车轮分别与磨耗后曲线钢轨接 触的三维 有 限 元 模 型． 再 导 入 MAＲC 中 进 行 求 解， 建模过程中三维实体接触单元边长为 1 mm． 轮轨接触的三维有限元模型见图 14 ， 计算模型中 轨距为 1 435 mm， 轮缘内侧距为 1353 mm， 机车轴 重为 25 t， 横向力按照机车 80 km / h 速度产生的 离心力施加， 钢轨底面施加固定约束． 泊松比取 0． 3 ， 弹性模量 205 GPa ， 轮轨摩擦系数为 0． 3．
表1
镟修型面 JM － 3 型面 磨耗Ⅰ期 磨耗Ⅳ 期
图 10
不同镟修型面的车轮报废时直径
1． 3
机车车轮使用寿命分析
根据机车轮缘厚度与运行里程的关系， 同时考 虑机车车轮踏面磨耗量、 镟修次数以及镟修量． 计 算得到以不同型面作为镟修型面时车轮寿命如图 11． 以 JM － 3 型面作为镟修型面， 车轮寿命约为 150 万公里； 以磨耗 Ⅰ 期型面作为镟修型面， 车轮寿 命约为 144 万公里； 以磨耗 Ⅱ 期型面作为镟修型面， 车轮寿命约为 138 万公里； 以磨耗Ⅲ期型面作为镟 修型面， 车轮寿命约为 173 万公里； 以磨耗Ⅳ期型 面作为镟修型面， 车轮寿命约为 128 万公里．
2 比 JM － 3 镟修型面接触总面积达到了 486 mm ， 型增大约 34% ， 轮轨接触匹配较好．
（ 1 ） 将磨耗 Ⅲ 期车轮型面作为镟修型面后， 车轮直径镟修量减少 相比 JM － 3 镟 修 型 面， 6mm， 报废时车轮直径最小， 踏面处金属的利用率 显著提高； 镟修次数达到 3 次， 轮对的寿命达到了 173 万公里， 寿命延长约 16% ； （ 2 ） 通过有限元法建模分析计算后得到， 本 文设计的磨耗Ⅲ期镟修型面与磨耗后钢轨的接触 2 斑总面积达到了 486 mm ， 而 JM － 3 型面的接触
图 16 JM － 3 型面接触应力
图 17
磨耗Ⅲ期接触应力
图 14
有限元模型
3
结论
2． 2
轮轨接触分析 图 15 是 JM － 3 型面和磨耗 Ⅲ 期型面的轮轨 模型在相同工况下计算得到的接触斑， 两种模型 JM － 3 型面的接 接触斑的形状及面积差别较大， 2 触斑总面积为 362 mm ， 而本文设计的磨耗 Ⅲ 期
列车曲线通过速度的不断提高， 机车车轮轮缘磨耗日益严重． 根据大量实测数据表明， 机车车轮平均镟修 量在直径方向达到 32 mm， 使得踏面处有用金属浪费严重． 针对镟修优化问题， 提出了以磨耗Ⅲ期型面作为 镟修型面． 该镟修型面使得车轮直径镟修量减少 6 mm， 且相比 JM － 3 型面可多镟修一次， 轮对寿命可达到 173 万公里， 寿命延长约 16% ． 同时， 该方案使得轮轨接触匹配较好， 进一步减缓车轮的磨耗． 关键词： 机车车轮； 薄轮缘； 镟修； 外形设计； 有限元 文献标识码： A DOI:10.13291/ki.djdxac.2015.s1.012
*
增刊 1
张英才， 等： 机车车轮薄轮缘镟修外形设计
51
JM － 3 型面为标准的镟修将轮缘恢复到 34 mm 时， 车轮半径镟修量达到 16 mm（ 如图 4 ） ．
图1
机车轮缘厚度与运行里程的关系
图4
JM － 3 型面镟修量
根据本文得到的机车轮缘厚度与运行里程的 按照 关系， 将处于机车轮缘快速磨耗阶段的车轮， 轮缘厚度大致分 4 个时期， 分别为： 磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期、 磨耗Ⅲ期、 磨耗Ⅳ期， 如图 2 所示． 车轮在经历不 同磨耗时期， 主要是轮缘磨耗， 踏面处磨耗量很小， 从标准 JM － 3 型面到轮缘磨耗到限型面， 踏面的垂 直磨耗量约为 3． 2 mm， 如图 3 所示． 磨耗 Ⅰ 期轮缘厚 度为 32． 6 mm、 磨耗 Ⅱ 期轮缘厚度为 31． 2 mm、 磨耗 Ⅲ期轮缘厚度为 29． 8 mm、 磨耗Ⅳ期轮缘厚度为 28mm， 磨耗到限时轮缘厚度为 24 mm．
， 并形成
了镟修用的车轮踏面外形标准． 俄罗斯曾经研究 过用轮缘厚度 30 和 27 mm 修理用的车轮踏面外 形代替轮缘厚度 33 mm 的国标踏面外形进行车 轮旋修时能减少 34% 50 % 的金属切削量， 同时
［4 ］
也增加了轮对总使用寿命
． 国内学者在车轮踏
［57 ］
面外形设计和优化方面也进行过大量研究
， 如
沈钢、 叶志森等学者用接触角曲线反推法设计铁
10 收稿日期： 2015-03： （ 1990 －） ， 作者简介 张英才 男， 硕士研究生； 张军（ 1972 － ） ， 男， 教授， 博士， 主要从事轮轨关系2191@ qq． com．
不同型面作为镟修型面车轮可镟修次数
可镟修次数 2 2 3 镟修型面 磨耗Ⅱ期 磨耗Ⅲ期 可镟修次数 2 3
2
2． 1
轮轨型面匹配的有限元分析
有限元模型 本文选择 JM － 3 型面和磨耗Ⅲ期型面数据建
立车轮与磨耗后曲线钢轨发生两点接触的有限元
增刊 1
张英才， 等： 机车车轮薄轮缘镟修外形设计
53
模型， 并进行对比分析． 如图 12、 图 13 分别为 JM － 3 型面轮轨匹配位置、 磨耗Ⅲ期型面轮轨匹配位置， 相比 JM － 3 型车轮， 磨耗Ⅲ期车轮已经经过了所谓 ［ 89 ］ “快速磨合期” ， ． 的 故轮轨接触匹配较好
0
引言
在我国， 三分之一的铁路线是曲线， 而其中半
［1 ］ 径小于 600 m 的线路约占半数 ． 机车通过曲线
路车轮踏面外形等， 但针对车轮轮缘的镟修外形 ． 研究较少 本文通过型面测量仪， 对苏家屯机务段的机 车车轮外形进行长期跟踪测量， 并依据所得大量 数据分析车轮型面磨耗规律， 建立轮轨弹塑性接 触模型， 为机车车轮镟修型面外形设计以及延长 降低机车维护成本、 减少资源浪费 车轮使用寿命、 等提供理论依据．
时，由于轮轨之间的接触几何关系和接触状态发 生变化， 导致车轮与钢轨之间存在不同程度的磨 耗问题， 尤其是随着列车曲线通过速度的不断提 高， 机车车轮轮缘磨耗日益严重， 情况严重的区 机车走行数万公里轮缘就磨耗到限 ， 到限后的 段， 车轮需要进行镟修修复车轮外形， 按照 JM － 3 型 面镟修最多可镟修两次， 之后就需更换新的车轮， 这在很大程度上影响我国铁路的发展 ． 车轮镟修是服役机车维护的重要内容， 而镟 修后车轮踏面外形直接影响服役机车的轮轨关系 和车轮直径镟修量． 欧洲高速铁路科研人员对镟 修用的车轮踏面外形进行过大量研究
［23 ］
1
1． 1
薄轮缘机车轮缘外形设计
机车车轮磨耗情况分析
本文对沈阳铁路局苏家屯机务段大量轮缘检 修数据进行统计分析后， 将机车轮缘磨耗大致分 为 2 个阶段： 第 1 阶段， 车轮轮缘厚度从 34 降低 至 29 mm， 机车运行公里数大致为 14 万公里， 轮 缘磨耗量随运行里程数呈线性递增， 初期轮缘磨 呈快速磨耗 耗速率较快约为 0． 36 mm / 万公里， 轮缘厚度从 29 降低至 24 mm， 机车 期； 第 2 阶段， 运行公里数大致为 36 万公里， 机车运行单位万公 里轮缘磨耗量相对减少， 轮缘磨耗速率约为 0． 14 mm / 万公里， 相对第 1 阶段明显变小， 车轮轮缘磨 耗进入相对稳定时期． 如图 1 所示．
以磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期、 磨耗 Ⅲ 期、 磨耗 Ⅳ 期 的型面作为镟修型面时， 车轮半径镟修量分别为： 16． 3 、 14． 5 、 13 、 10 mm． 如图 5 29 、 26 、 20 mm． 8 所示． 图 9 为不 32． 6 、 同镟修型面的车轮直径镟修量， 分别为 32 ，
JM － 3 型面车轮直径为 1 250 mm， 根据统计 ， 50 数据 运 行 约 万公里后轮缘磨耗到限为 24mm， 踏面垂直磨耗量 3． 2 mm， 此时对车轮进行 第一次镟修， 按照 JM － 3 型面镟修时直径镟修量 达到 32 mm， 即第一个镟修周期后车轮直径变为 1 211． 6 mm， 同理可得， 第二个镟修周期后车轮直 径变为 1 173． 2 mm， 而电力机车规定的到限车轮 直径为 1 150 mm， 车轮直径已经无法满足第三次 镟修量的要求， 故以 JM － 3 型面作为镟修型面， 车轮在轮径到限之前可镟修 2 次． 若以磨耗 Ⅲ 期型面作为镟修型面， 当 JM － 3 型面的新车轮运行约 50 万公里后进行第一次镟 修， 以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面的直径镟修量 为 26 mm， 所以第一次镟修后车轮直径变为 1217. 6 mm， 由于此镟修后轮缘厚度为 29． 8mm， 按照图 1 机车轮缘厚度与运行里程的关系， 车轮 41 ， 运行约 万公里后轮缘到限 踏面垂直磨耗量约 2． 1 mm， 第二次镟修后车轮直径变为 1 187． 2mm， 再运行约 41 万公里后进行第三次镟修后车轮直 径变为 1 156． 8 mm， 再运行 41 万公里后， 车轮直 径变为 1 152． 6 mm 已经不满足第四次镟修量的 要求， 故以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面， 车轮在轮 径到限之前可镟修 3 次． 依次类推出车轮按照不 同型面作为镟修型面进行镟修时， 车轮可镟修次 数和报废时车轮直径如表 1 、 图 10． 可以看出： 磨 耗Ⅲ期和磨耗Ⅳ期的型面作为镟修型面时镟修次 数比 JM － 3 型、 磨耗 Ⅰ 期、 磨耗 Ⅱ 期的型面作为 镟修型面时多一次， 达到 3 次， 但以磨耗Ⅲ期型面
图 15
接触斑比较
图 12
JM － 3 型面轮轨匹配
JM － 3 型面和磨耗 Ⅲ 期型 在相同的工况下， 面的轮轨模型的接触应力比较如图 16 、 图 17 所 示． JM － 3 型最大接触应力发生在轮缘与钢轨贴 靠处， 约为 868 MPa， 本文所设计磨耗 Ⅲ 期镟修型 面最大接触应力同样发生在轮缘与钢轨贴靠处 ， 但其值仅约为 647 MPa， 相比 JM － 3 型面轮轨间 最大接触应力减小了约 220 MPa， 这对进一步减 轻磨耗十分有利．
机车车轮薄轮缘镟修外形设计
1 2 张英才 ， 张军
（ 1． 大连交通大学 交通运输工程学院 ， 辽宁 大连 116028 ； 2． 北京建筑大学 机电与车辆工程学院 ， 北京 100044 ） * 摘 要： 我国铁路线的曲线较多， 机车通过曲线时， 车轮与钢轨之间存在不同程度的磨耗问题， 尤其是随着
图 11
不同型面作为镟修型面时车轮寿命
不但 可见， 以磨耗Ⅲ期型面作为镟修型面后， 车轮报废时轮径最小， 金属利用率最高， 且车轮寿 命达到 173 万公里， 相比以 JM － 3 型面作为镟修 型面时的寿命提高约 16% ． 因此本文设计最终选 择磨耗Ⅲ期型面作为车轮最优镟修型面， 其轮缘 厚度为 29． 8 mm．
图5
Ⅰ期型面作为镟修型面的镟修量
图2
不同磨耗时期车轮型面轮廓线 图6 Ⅱ期型面作为镟修型面的镟修量
图3
不同磨耗时期轮缘厚度 图7 Ⅲ期型面作为镟修型面的镟修量
1． 2
机车车轮镟修量分析
本文设计中选择磨耗 Ⅰ 期、 Ⅱ 期、 Ⅲ 期、 Ⅳ期 ， 四个时期的型面作为不同镟修型面 通过车轮直 径镟修量、 镟修次数以及整个车轮寿命的分析选 出最优镟修型面． 最优镟修型面再和 JM － 3 镟修 型面进行对比， 最终确定该设计型面的可行性． 由 大量实测数据得， 机车车轮磨耗到限时， 轮缘厚度 为 24 mm， 车轮踏面处垂直磨耗量约 3． 2 mm， 以