書名: 車輛構造與檢修(第二版)作者名: 袁清武 于值親本章字數: 3024字更新時間: 2019-09-30 12:06:43
第二節 車輪
車輪是車輛直接與鋼軌接觸的部分,它將車輛的載荷傳給鋼軌,并在鋼軌上滾動,使車輛運行。目前我國鐵道車輛上使用的車輪為整體輾鋼輪和新型鑄鋼輪,簡稱為整體輪。我國鑄鋼整體輪主要是依賴國外進口的,近年來,國產化進程較快。為滿足高速車輛的要求,近年又研制了高速輕型車輪,使車輪輕量化,以減少高速運行時輪軌之間的動力作用力。車輪按其輻板形狀可分為直輻板形輪和S形輻板輪。
一、車輪各部分名稱及作用
整體輾鋼輪車輪各部分名稱及功用如圖2-4所示。
(1)踏面:車輪與鋼軌接觸的外圓周面,具有一定的斜度,其與軌面在一定摩擦力下完成滾動運行。
(2)輪緣:車輪內側面的徑向圓周突起部分,稱為輪緣。是為保持車輪沿鋼軌運動,起導向作用,防止脫軌的重要部分。
(3)輪輞:車輪具有完整踏面的徑向厚度部分,以保證踏面具有足夠強度的同時也便于加修。
(4)輪轂:輪與軸相互配合的部分,輪轂是保證車輪和車軸相互結合且保證有足夠壓裝力的部分。
(5)輪轂孔:安裝車軸的孔,它與車軸上的輪座部分實現過盈配合。
(6)輻板:輪輞與輪轂的板狀連接部分。
(7)輻板孔:便于輪對在切削加工時與機床固定和吊運輪對而設(新造車輪已取消)。

圖2-4 車輪
1—踏面;2—輪緣;3—輪輞;4—輪轂;5—輪轂孔;6—輻板;7—輻板孔
二、輪緣與踏面的形狀及作用
1.車輪踏面外形
為使輪對在鋼軌上平穩運行,能順利通過曲線和道岔,且使踏面磨耗比較均勻,對輪緣和踏面外型尺寸必須有嚴格的規定。我國鐵道車輛所使用的車輪輪緣和踏面有錐形(TB型)、磨耗型(LM型)和高速磨耗型(HLM型)三種,外形如圖2-5所示。錐形踏面已沿用多年,在長期使用過程中,發現其外形與鋼軌頭部斷面形狀不匹配,造成運用初期輪緣、踏面及鋼軌磨耗快、車輪使用壽命短等問題。針對這些問題,有關部門對踏面形狀和鋼軌頭部斷面形狀進行了大量的研究和試驗,設計制造了磨耗形踏面,并于1984年開始逐步在全路車輛上使用。磨耗型是在原錐型踏面的基礎上發展起來的,磨耗形踏面的幾何形狀與錐形踏面相比,其主要不同之處在于該踏面采用由三段弧線(R100mm,R500mm及R220mm)圓滑連接成的一條曲線和斜度為1∶8的一段直線所組成的幾何圖形,并具有非線性的等效斜度特性。錐形踏面有兩個斜度,在輪緣內側48~100mm范圍內設有1∶20的斜度,在離輪緣內側100mm以外的部分設有1∶10的斜度。《鐵路貨車輪對組裝檢修及管理規則》規定:車輪踏面及輪緣必須按磨耗型(LM型)踏面的外形加工及測量,車輪踏面及輪緣須采用數控的方式加工。

圖2-5 車輪輪緣踏面外形
車輪內側面為加工基準面,車輪內側面和踏面外側面之間的距離稱為輪輞寬度,標準車輪的輪輞寬度為mm。
由車輪內側面向外70mm處踏面上一點稱為基點,基點沿車輪一周組成的圓稱為滾動圓,車輪的直徑、輪輞的厚度、踏面的圓周磨耗深度都在此處測量。
以LM型為例。由車輪內側面向外16mm處輪緣上一點稱為輪緣頂點,過踏面上基點做一水平線,為輪緣高度測定線。由輪緣頂點至輪緣高度測定線之垂直距離為輪緣高度,標準輪緣高度為27mm。由輪緣高度測定線鉛垂線上12mm作一水平線與輪緣相交,兩交點間的距離稱為輪緣厚度,標準輪緣厚度為32mm。
2.車輪踏面基本外形的作用
(1)便于通過曲線
車輛在曲線上運行時,由于離心力的作用,輪對偏向外軌,于是在外軌上滾動的車輪與鋼軌接觸的部分直徑較大,而沿內軌滾動的車輪與鋼軌接觸部分直徑較小。這樣,造成在同一轉角內,外輪行走的路程長而內輪行走的路程短,正好和曲線區間線路的外軌長內軌短的情況相適應,使輪對較順利地通過曲線,減少車輪在鋼軌上的滑行,如圖2-6所示。
(2)可自動調中
由于踏面中部設有斜度,為使踏面與鋼軌頂面接觸良好,鋼軌鋪設時也使它向線路中心有相同的斜度,因此鋼軌對車輪作用力的方向是指向線路中心的。車輛在直線線路上運行,當輪對受到橫向力的作用使車輛中心線與軌道中心不一致時,則輪對在滾動過程中能自動糾正偏離方向。
(3)能順利通過道岔
線路上的道岔對車輛運行的平穩性和安全性影響極大,因此踏面的幾何形狀也應適應通過道岔的需要。由于尖軌前端頂面低于基本軌頂面,當輪對由道岔的尖軌過渡到基本軌時(圖2-7),為了防止撞到基本軌,要求踏面具有一定的斜度,并且把踏面的最外側做成5×45°的倒角,以增大踏面和軌頂的間隔,保證車輪順利地通過道岔。

圖2-6 輪對通過曲線

圖2-7 輪對通過道岔尖軌
1—尖軌;2—基本軌
(4)使踏面磨耗沿寬度方向比較均勻
由于車輪踏面具有一定的斜度,當車輪在軌道上運行時,回轉圓的直徑也在不停地變化,致使車輪和鋼軌的接觸點也不停地變換著位置,結果使踏面磨耗比較均勻。
三、車輪的種類、尺寸及材質要求
車輪的結構、形狀、尺寸和材質是多種多樣的,按其用途可以分為客車用、貨車用、機車用車輪;按其結構分為整體輪和輪箍輪。整體輪按其材質又可分為輾鋼整體輪、鑄鋼整體輪等,輪箍輪又可分為鑄鋼輻板輪心、輾鋼輻板輪心及鑄鋼輻條輪心的車輪。為了降低噪聲,減小簧下質量,國外還采用彈性車輪、消聲車輪、S形輻板車輪等新型車輪。
1.輾鋼輪
目前,我國鐵道車輛上主要采用輾鋼整體輪(簡稱輾鋼輪),也有部分鑄鋼整體輪(簡稱鑄鋼輪)。輾鋼輪最大的優點是強度高,韌性好,適應載重大和速度高的要求。其次是自重較輕,輪緣磨耗后可以堆焊,踏面磨耗后可以旋削,維修費用較低。但輾鋼輪制造技術較復雜,設備投資較大,踏面耐磨性較差等。為了與不同的車輪相配合,輾鋼輪相應地規定了幾種形式,其各部分尺寸如圖2-8~圖2-10及表2-5~表2-7所示。

圖2-8 TB/T2817—1997標準的輾鋼整體車輪
表2-5 輾鋼輪尺寸(mm)


圖2-9 TB/T1013—1999標準的鑄鋼整體車輪形式
表2-6 鑄鋼輪型號和尺寸


圖2-10 GB8601—1988、TB/T2817—1997和TB/T2708—1996標準整體車輪形式
表2-7 GB8601—1988、TB/T2817—1997和TB/T2708—1996標準整體車輪基本尺寸

注:轂輞距F為輪輞內側面至外轂外側面距離。
輾鋼輪的材質用Ⅱ牌號CL60鋼材,其化學成分和機械性能見表2-8~表2-11。
表2-8 (GB8601—1988)車輪化學成分(%)

表2-9 (TB/T2817—1997)車輪化學成分(%)

表2-10 (GB8601-1988)車輪機械性能

表2-11 (TB/T2817—1997)車輪機械性能

2.S形輻板車輪
為了適應高速、重載運輸發展的需求,近些年來又開發、研制了S形輻板整體輾鋼輪,如圖2-11所示。它主要的結構特點是輻板為不同圓弧連接成的S形狀、LM型踏面,取消了輻板孔,適當減薄輪轂孔壁厚度(為40mm)。各S形輻板系列車輪的使用范圍及代號見表2-12。S形輻板輪大多采用CL60車輪鋼,要求嚴格控制其純凈度,以提高車輪內在質量。采用先進的間歇淬火或三面淬火工藝,提高輪輞的淬透性和輪輞斷面的硬度分布均勻性。車輪為全加工、全噴丸、全探傷,有效消除了由于尺寸公差超差所造成的踏面不圓,車輪偏心等問題,故明顯有別于現有國際車輪。要求嚴控車輪殘余靜平衡值,使制造精度比現有國標車輪均普遍提高。

圖2-11 S形輻板車輪
表2-12 各種型號車輪的使用范圍及代號

3.新型鑄鋼輪
新型鑄鋼輪采用的生產工藝有電弧爐煉鋼、石墨鑄型、雨淋式澆口澆鑄工藝。
新型鑄鋼輪與輾鋼輪相比,明顯的區別有以下幾點。
(1)鑄鋼車輪是由鋼水在生產線上直接鑄造成型。與輾鋼車輪相比,省去了鑄錠、截斷再加熱、水壓機壓型、沖孔等許多工序,勞動力消耗少、生產能耗低。
(2)由于采用石墨型澆鑄工藝,避免了輾鋼輪由于下料偏差引起的尺寸和重量偏差,使新型鑄鋼尺寸精確,幾何形狀好,內部工藝組織均勻,質量分布均勻,輪軌之間的動力作用相對小。
(3)新型鑄鋼輪輻板為流線型結構,耐疲勞、抗熱裂性的性能均優于輾鋼輪。
新型鑄鋼輪的化學成分與輾鋼輪相近,二者的標準中所有技術要求相同,探傷和檢驗的標準也相同。新型鑄鋼輪輪輞的要求更高一些。