[发明专利]一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构

说明书

一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，配置在城市轨道交通车辆底部的两排车轮相对的一侧为内侧，另一侧为外侧，车轮辐板区为等厚度辐板区；垂直于车轮轴向作一横截面，辐板区在内、外侧分别带有四段连续弧，形成首尾相连、相邻“S弯”共用的“3S”型辐板；四段连续弧顺次朝向外侧凸出、朝向内侧凹陷、朝向外侧凸出和朝向内侧凹陷，相邻两段连续弧之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；凸出部分与凹陷部分形状相似。本发明在满足车轮机械强度足够的前提下，减小轨道车轮正常运行和制动时受到的疲劳损伤，有效地提高车轮的结构强度和抗疲劳性能，从而具有较高的车轮使用寿命，具有热力耦合应力小而质量轻的特性。

技术领域

本发明涉及城市轨道交通车辆领域，尤其涉及一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构。

背景技术

车轮是保证城市轨道交通车辆运行安全的重要部件之一，其工况比较复杂，由于车辆频繁的启动和制动，车轮的承载工况比较恶劣,不仅承受轮轨间各种静、动机械应力，而且还承受踏面制动时产生的热负荷，引起车轮产生较大的热应力。热应力和机械应力剧烈的共同作用往往造成车轮的疲劳损伤，对城市轨道交通车辆的安全稳定运行造成一定的隐患。通常对车轮的要求是：具有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行，在强度足够和保证一定使用寿命的前提下，使其质量最小，并具有一定的弹性，以减小轮轨之间的相互作用力。

车轮辐板的形状不仅影响着车轮结构的强度，甚至还影响了轨道车轮在复杂工况下安全运行的使用寿命。

现有的轨道车轮按照辐板类型主要分为直辐板式车轮和曲辐板式车轮两大类。直辐板式车轮就是指轮辋和轮毂通过直的辐板相连，如南京地铁1号线等u此类车轮便于采用轴盘制动，有效节约空间，但是其应力分布不合理；曲辐板式车轮是指轮辋和轮毂通过圆弧相连，又分为单S型辐板(2段弧)、双S型辐板(3段弧)两类，如北京地铁13号线等采用的是单S型辐板车轮、上海地铁4号线等采用是双S型辐板车轮，此类车轮应力情况较好，但是其径向变形较大，并且车轮S弯对其应力分布影响显著，同时质量又比较大，导致轮轨之间的相互作用力较大，运行中容易产生疲劳裂纹，影响车轮的使用寿命。

城市轨道车轮在运行过程中不仅仅受到结构场的作用，还受到不可忽视的温度场作用，同时考虑两者之间的相互作用，就是热力耦合问题。

轨道车辆在行进过程中，主要受到机械应力(表现为结构场)的影响，而轨道车辆在制动过程中，车辆在较短的时间内迅速静止，伴随着闸瓦与踏面之间的摩擦，闸瓦与踏面之间产生并聚集大量的热，这些热量顺着轮辋向辐板方向传递，不断传递到车轮的内部，使车轮产生大量的热(车轮的局部最高温度会达到180℃以上)，由于物体在受热或冷却时候不同部分之间的膨胀或收缩程度不一致，这些膨胀或收缩会导致热应力的产生，(表现为温度场)这时候就需要考虑热力耦合对车轮的影响。但是，目前的城市轨道交通车轮在设计及试验过程中，并没有采用热力耦合方法校验，导致车轮的实际受力与理论设计值存在差异。

研究表明，机械应力和热应力共同作用产生的热力耦合应力是导致车轮疲劳失效的主要原因。因此，分别建立直辐板车轮、单S辐板车轮和双S辐板车轮的有限元模型，通过对这三种辐板型式城市轨道车轮的热力耦合分析对比，得到了在热力耦合情况下，直辐板和单S辐板车轮均会产生较大的热力耦合应力，容易导致车轮的疲劳损伤，给车辆安全运行带来一定的隐患，双S辐板车轮的热力耦合应力是最小的，即在这三种辐板型式城市轨道车轮中，双S辐板车轮热力耦合下的抗疲劳性能最优。但是由于双S辐板车轮的质量又比较大，导致轮轨之间的相互作用力较大，运行中容易产生疲劳裂纹，影响车轮的使用寿命。因此，需要综合考虑以上情况，由传统的直辐板、单S辐板(2段弧)、双S辐板(3段弧)进化为4段弧的一种新“3S”型辐板车轮，在热力耦合作用下的抗疲劳性能提高的同时，使车轮的质量尽可能小。