有軌電車車輪輪緣磨耗最大限度的探討

周業(yè)明 劉玉文

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,266331,青島∥第一作者,教授級高級工程師)

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有軌電車車輪輪緣磨耗最大限度的探討

周業(yè)明 劉玉文

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,266331,青島∥第一作者,教授級高級工程師)

共用路權(quán)的有軌電車大多使用槽型鋼軌,其車輪輪緣的最小厚度受軌槽寬度等因素的影響。參考德國BOStrab和EN相關(guān)標準,以Ri60R2槽型軌為例,從車輪導(dǎo)向尺寸匹配、車輪強度和踏面鏇修經(jīng)濟性等方面討論了有軌電車車輪輪緣的最大磨耗限度問題,并給出了車輪輪緣磨耗的最大推薦值。

有軌電車; 輪緣; 磨耗; 槽型軌

Author′s address CRRC Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co.,Ltd., 266331,Qingdao,China

作為城市公共交通的一種重要模式,有軌電車在我國正在進入發(fā)展的快車道。據(jù)統(tǒng)計,截至2015年底,我國開通運營有軌電車的城市將達11個,而正在建設(shè)有軌電車的城市也有十幾個,還有近50個城市在進行規(guī)劃。據(jù)不完全統(tǒng)計,至2020年,我國有軌電車規(guī)劃線路超過2 500 km,工程總投資預(yù)計達3 000億元。

有軌電車通常采用混合路權(quán)形式運營。由于軌道鋪設(shè)在道路上,有軌電車的軌道通常采用槽型軌。我國新建有軌電車線路通常采用Ri59R2和Ri60R2兩種型號的槽型軌,為了降低造價,有些線路也采用了CN50等工字軌。

目前,我國有軌電車大多數(shù)是引進國外的成熟技術(shù)。根據(jù)有軌電車的運營維護需要,應(yīng)對車輪輪緣的磨耗厚度進行限制。國外有軌電車規(guī)格多樣,我國引進的有軌電車車輪外形也沒有統(tǒng)一的規(guī)格,而我國的相關(guān)標準中對有軌電車的車輪輪緣最小厚度更沒有限定[1]。因此,迫切需要解決車輪輪緣的最小厚度問題。

1 輪緣厚度與槽型軌的關(guān)系

本文以Ri60R2槽型軌為例,分析輪緣厚度與槽型軌的關(guān)系。圖1為Ri60R2的槽型軌剖面圖,其軌槽寬WBC為36 mm (軌頂下14 mm處,圖中B點至C點),護軌斜率為1∶6[2]。

圖1 Ri60R2槽型鋼軌

對于槽型軌和車輪,輪軌間隙、輪緣厚度和軌槽厚度有以下約束關(guān)系(見圖2):

W=d+sp+sk

式中:

W——軌槽寬度;

d——輪緣厚度;

sp——輪軌間隙;

sk——輪背間隙。

圖2 輪軌間隙、輪背間隙、輪緣厚和軌槽寬度的尺寸關(guān)系

在德國BOStrab TR-sp規(guī)范(文獻[3])中,對有軌電車的導(dǎo)向尺寸進行了嚴格規(guī)定。根據(jù)文獻[3],在槽型軌的區(qū)間軌道上,輪對的橫向尺寸需要滿足以下條件:

(1) 新軌和新輪的輪軌總間隙至少為5 mm。

(2) 新輪的d應(yīng)小于新槽型軌的W。

(3) 車輪在磨耗最大的情況下,輪背也不宜與護軌接觸,即sk應(yīng)大于sp。這是為了保證輪緣先接觸鋼軌而不是輪背先接觸槽型護軌。但sp也不能取值過大,否則即使輪緣磨耗到限后,輪背也碰不上槽型護軌,護軌就起不到安全保護作用[3]。

表1給出了輪緣在不同磨耗量下,某低地板有軌電車車輪和Ri60R2槽型軌的輪軌間隙。從表1中看出:當輪緣磨耗量取值小于5.5 mm時,sk大于sp;當輪緣磨耗量取值大于5.5 mm后,sk小于sp。

表1 不同輪緣磨耗量下的輪軌間隙和輪背間隙 mm

文獻[3]規(guī)定,使用槽型軌的車輪最小輪緣厚度應(yīng)大于11 mm。有軌電車的轉(zhuǎn)向架通常采用軸箱內(nèi)置的結(jié)構(gòu)。軸箱內(nèi)置結(jié)構(gòu)使得輪對內(nèi)側(cè)距增加約0.5～2.0 mm。故輪軌實際間隙小于名義間隙,而輪背實際間隙大于名義間隙。這意味著在輪緣磨耗6.0 mm后,輪背仍有一定的間隙。因此,輪緣最大磨耗量可取6.0 mm。這時輪緣最小厚度為12.8 mm。

2 車輪輪緣強度

車輪在輪緣磨耗到限制值后,也應(yīng)滿足強度條件。車輪的強度可參考EN標準,校核車輛通過曲線和道岔工況下的應(yīng)力。

2.1 計算工況

車輛在曲線和道岔上運行時,車輪所承受的輪軌機械載荷包括垂向載荷和橫向載荷。載荷作用位置如圖3所示。當車輪通過曲線時,輪緣受力;當車輪通過道岔時,輪背受力。根據(jù)文獻[4],不同工況的各載荷取值見表2。

注：Q為輪重;Fz為輪軌垂向力;Fy2和Fy3分別為曲線工況和道岔工況下的輪軌橫向力

圖3 車輪斷面內(nèi)載荷作用位置

2.2 計算結(jié)果

表3為某有軌電車的車輪在不同輪緣磨耗量時以空車(輪重為36 kN)及重車(輪重為53 kN)狀態(tài)通過道岔時,輪背的最大Von Mises應(yīng)力。從表3中看出,隨著輪緣磨耗量的增大,車輪通過道岔時的輪背應(yīng)力也在增大; 重車工況下,輪背的最大應(yīng)力小于屈服極限,也小于疲勞極限。

表3 車輪通過道岔時的輪背最大Von Mises應(yīng)力

表4為車輪在輪緣磨耗量不同時,空車及重車工況下,通過曲線時輪緣處的Von Mises 最大應(yīng)力值。從表4中看出,隨著輪緣磨耗量的增大,車輪通過曲線時的輪緣應(yīng)力也在增大; 空車時輪緣的最大應(yīng)力小于屈服極限,也小于疲勞極限; 重車時輪緣的最大應(yīng)力小于屈服極限,輪緣磨耗量為6 mm時,輪緣的最大應(yīng)力為215.7 MPa,已接近車輪材料的疲勞極限; 當輪緣磨耗達到8 mm時,輪緣的最大應(yīng)力達到338.1 MPa,大于車輪材料的疲勞極限,不滿足疲勞強度[5]。

表4 車輪通過曲線時的輪緣最大Von Mises應(yīng)力

3 輪緣磨耗厚度與鏇修經(jīng)濟性

車輪的輪緣和輪背發(fā)生磨耗后,需要通過鏇修恢復(fù)踏面的外形。根據(jù)統(tǒng)計,有軌電車的車輪磨耗外形,可通過AutoCAD軟件作圖得到恢復(fù)踏面原始外形時的車輪踏面鏇修量和輪背對應(yīng)鏇修量[6]。

圖4為輪緣磨耗量不同時,車輪踏面和輪背的鏇修圖。圖4對應(yīng)的新輪直徑為660 mm,且最后一次鏇修時車輪直徑不小于597 mm。因此,車輪踏面在最后一次鏇修前的最大允許磨耗量為31.5 mm。

根據(jù)車輪踏面在最后一次鏇修前的最大允許磨耗量,可推斷出不同車輪輪緣磨耗量狀態(tài)下恢復(fù)車輪踏面的最大鏇修次數(shù)(見表5)。從表5看出,當輪緣磨耗6 mm時,恢復(fù)踏面外形需要的鏇修量為18.0 mm。考慮到車輪的最大允許鏇修量,只能踏面鏇修1次,輪緣磨耗4 mm時鏇修1次。

圖4 輪緣磨耗時的車輪鏇修量

輪緣磨耗厚度/mm踏面鏇修量/mm輪背相應(yīng)鏇修量/mm最大鏇修次數(shù)/次12.160.361425.830.97539.821.643413.382.442515.702617.971

圖5為輪背磨耗1 mm時,車輪踏面的鏇修量和輪背對應(yīng)的鏇修量。從圖5中可看出,輪背磨耗1 mm時,恢復(fù)踏面外形需要的最小鏇修量為6 mm;而且輪背的鏇修量是踏面鏇修量的3倍左右。同樣,根據(jù)車輪踏面在最后一次鏇修前的最大允許磨耗量,可推斷出不同車輪輪背磨耗量下恢復(fù)車輪踏面的最大鏇修次數(shù)(見表6)。

圖5 輪背磨耗1 mm的車輪鏇修量

輪背磨耗厚度/mm踏面鏇修量/mm輪緣相應(yīng)鏇修量/mm最大鏇修次數(shù)/次15.982.045211.983.532

由于輪背的斜度為1∶6,故如輪背磨耗1 mm,則在輪徑方向要鏇修6 mm才能得到補償。相應(yīng)地,輪緣的斜度約為1∶3,故如輪緣磨耗1 mm,則在輪徑方向鏇2.2 mm即可得到補償。可見,磨耗輪緣比磨耗輪背更經(jīng)濟一些。因此,根據(jù)輪緣、輪背磨耗量和車輪鏇修量的關(guān)系,輪緣最大磨耗量取5 mm時車輪鏇修的經(jīng)濟性最好。

4 結(jié)語

有軌電車與槽型軌配合時,車輪輪緣的磨耗極限值需從與槽型軌槽寬的匹配、車輪強度和車輪的鏇修經(jīng)濟性等三個方面考慮確定。

有軌電車與槽型軌導(dǎo)向尺寸的配合可參考德國BOStrab標準。同時,還應(yīng)考慮軸箱的布局形式,以保證輪對在磨耗極限狀態(tài)時輪背間隙大于輪軌間隙。

車輪輪緣的強度通常不是制約輪緣最小厚度的因素,只需校核輪緣最薄狀態(tài)的強度。輪緣最小厚度的選擇還要考慮車輪鏇修的經(jīng)濟性。車輪外形設(shè)計時,應(yīng)盡量避免磨耗輪背,因為輪背的鏇修系數(shù)通常是踏面鏇修系數(shù)的3倍左右。

相對于剛性輪對,獨立車輪輪緣磨耗的速度快,輪緣磨耗往往是獨立車輪鏇修的主因。

在本文的案例中,車輪輪緣的最大磨耗量可取6 mm,考慮到鏇修的經(jīng)濟性,建議取值為5 mm。

[1] 中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件:CJ/T 417—2012[S].北京:中國標準出版社,2012.

[2] European committee for standardization.Railway applications—Track—Special purpose rail—Grooved and associated construction:BS EN 14811[S].Brussels:CEN management centre,2006.

[3] KURZ K,BOSCH H,KUREK E,et al.Regulations on the Guidance of Rail Vehicles in accordance with the German Federal Regulations on the Construction and Operation of Light Rail Transit Systems (BOStrab)-Guidance Regulations (SpR)[M].2nd ed.München:Erich Schmidt Verlag,1994.

[4] European committee for standardization.Railway application—Wheelsets and bogies—Mono bloc wheels—Technical approval procedure—Part1:Forged and rolled wheels:BS EN 13979-1[S].Brussels:CEN management centre,2003.

[5] 劉英會,張澎湃,米彩盈.鐵道車輛車輪強度設(shè)計方法探討[J].鐵道學報,2007,29(2):1.

[6] 汪彥宏,鄭小花.HXD1型機車二年檢車輪踏面磨耗分析與鏇修量研究[J].軌道交通裝備與技術(shù),2015(4):42.

On the Maximum Wear Limit of Tram Wheel Flange

ZHOU Yeming, LIU Yuwen

The groove rail is widely used for tram running on shared right roads,the flange thickness of tram wheel is restricted by the width of groove rail and other factors.Referring to German BOStrab and the related EN standards,by taking Ri60R2 groove rail as the example,the maximum wear limit of tram wheel flange is discussed from the angles of guidance regulation,wheel strength and economical efficiency of tread lathing,the maximum wear limit value of wheel flange is recommended.

tram; flange; wear; groove rail

U270.331+.1：U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.06.006

2015-12-09)