[发明专利]火车车轮及其制造方法

说明书

本发明涉及火车车轮，更明确地讲是涉及钢制车轮，此种车轮具有可提供很小的轴向轮缘变形及较小的残余张应力的结构。这些应力是由于交变热载荷引起的，而该热载荷则通常是由制动块和车轮踏面的摩擦生热而产生的。

火车车轮具有多种形状，设计这些形状一般是为了某种特殊的用途或解决特定的问题，如车轮的挠曲和残余应力。钢制的火车车轮可以用机加工，冲压、锻造或铸造生产。材料、形状和结构的下述每一种变化或配置都是为了补偿或解决上面提到的一个问题。在授予Sylvester的美国专利No.2,768,020中公开并说明的就是早期使用的一种用单一车轮结构来解决多种问题的一个例子，该项专利提供了一种铸钢车轮，它可以补偿或去除不同于冷铁车轮或锻造车轮的铸钢车轮通常所固有的残余应力。这种车轮结构具有可阻止在铸造出来的车轮中生成残余应力的轮廓和形状。该所述的结构在轮毂和轮箍与辐板相连的部分有较大的平面和圆角。另外，这个公开的铸钢车轮结构与早期的铸钢车轮设置相比具有增强轮箍处散热的能力。Sylvester的专利-′020公开了一种火车车轮的形状和轮廓，它可以在不增加材料量的前提下提高强度，以提供较高的车轮承载能力。这也就等于提出一种在不增加车轮的总体质量的同时具有较高承载能力的车轮。在Sylvester的专利-′020所示的结构中，辐板部分的横截面通常为直的并与轮箍用圆角平滑相连，这样可以在轮箍圆角接合点处获得最大的质量。该铸钢车轮的形状及轮廓具有较高的工作强度，在重载和制动情况下可防止热裂纹及裂缝的产生。但是，该项专利却没有讨论或评价这种公开的车轮结构对车轮挠度的影响，即在制动条件下随温度的升高轮缘相对于轮毂所产生的位移。在目前的应用中，车轮的挠度是指在车轮的内侧或外侧及与车轮纵轴平行的方向上轮缘处的位移。当轮箍与轮毂通过辐板或腹板刚性连接时，在挠曲方向上有一轴向分力。车轮的挠度将在下文中进一步加以阐述。

美国专利No.3,038,755-Keysor认为以往的车轮在不同程度上容易在车轮辐板部分上的与轮箍及轮毂相邻的区域内发生应力裂纹。另外，它还进一步证明：在车轮辐板上的应力裂纹主要源于反复的制动，这种反复制动当制动块和轮箍摩擦时可产生大量的集中热。这使得轮箍温度升高，产生径向的伸张，由此而使轮辐部分产生较大的集中应力。这个高应力区随着反复的制动，经过反复的伸张和收缩，很可能发展成为裂纹，这可能会导致车轮最终的损坏。在Keysor-′755专利公开文本中的火车车轮可特别地用作重复工作的车轮。同时也考虑并明确了增加车轮的平均疲劳寿命的需求。这种车轮在工作时本身固有抵抗由反复制动而产生应力裂纹的能力。该项专利特别提到一种具有弧形横截面轮廓的轮辐。这种轮辐与一条位于轮毂前后端面中间的一平面上的直线相切并且和车轮的转轴相切，切点位于轮毂内。该项发明特别地将圆角也作成抛物线形，它们位于轮箍或轮缘部分和轮毂之间的交点处。这种用于每个圆角的特殊的抛物线随铸钢车轮特定的尺寸和种类而变化。在Keysor-′755号专利中公开并说明的结构使车轮具有弧形的辐板，该辐板通过曲率半径逐渐变化的圆角与轮毂和轮箍相连，据称这种结构大大降低了冲击疲劳或由此产生的冲击以及应力裂纹，并且同现有技术的车轮相比，提高了车轮的强度。除这个改进的强度特性之外，这种结构的车轮还可以减轻车轮的重量，同时可提供和现有技术的车轮一样的转速或承载力和寿命。

授于Green field etal.的美国专利No.4,145,079公开了一种火车车轮的结构，但是人们认为当轮子受到由使用而产生的应力的影响时，在轮辐与轮箍或轮辐与轮毂的连接区域上的裂纹之间仍存在一问题。人们已经知道在正常制动过程中，由制动块和车轮之间的接触而产生的热量可导致裂纹或裂缝的生成。更进一步说，由制动带来的交变热负载的张缩引起了残余应力和裂纹的产生。这项专利承认以前的在减小机械应力和热应力影响方面所做的努力，这些努力包括增加散热面积，增加金属以增强强度和改变与轮毂和轮箍相连的辐板的结构。