火车车轮及其制造方法

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Greenfield 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。

一种如B-28和D-28所述的特殊类型的辐板是一种直辐板车轮。同样CB-28和CD-28中所述的是两个曲线辐板的设计方案，它们除轮箍厚度外与B-28和D-28完全相同。内侧和外侧的凹曲面或在每个连接处的圆角限定了轮箍与轮辐或轮毂与轮辐之间的过渡区。这些曲面形成了从轮辐到轮毂或轮辐到轮箍的平滑过渡区，并可以最大限度地减小这些区域中的应力集中。同样已知的具有B-28结构的直辐板锻造钢制车轮具有在轮箍与轮辐的内侧或后部圆角处以及轮毂与轮辐的前部或外侧圆角处产生裂纹的倾向。因此，将D-28的车轮设计成在轮毂的辐板连接处具有较大的横截面并且使过渡曲面具有通常沿径向从辐板引出的抛物曲线型的母线。这些在车轮结构方面进行变更的唯一意图就是要减小主要过渡区内或轮箍与轮辐、轮毂与轮辐之间区域内的应力水平。

Greenfield-′079专利考虑了切向的、垂直的和横向的机械载荷以及因制动而产生的热载荷。该车轮在轮箍、轮毂和辐板的结构上作了特殊的设计，由此它可能会将过渡圆角或过渡半径减至最小的程度。使辐板的内缘与轮毂的边缘相连，同时，使辐板内侧的锥曲面与轮毂的内圆表面相贯。将轮箍和辐板之间的连接处设置成至少可使一个辐板的内侧或外侧圆锥形表面与轮箍的对应的内侧径向表面或外侧径向表面直接相连。在该申请中对几个实施例进行了说明，但是该结构用于轮箍与轮辐的悬臂梁设置，它允许在向轮箍施加载荷，如制动时，产生扭曲变形。人们认为该车轮本身内部的自然运动将应力削减至由垂直和横向载荷所产生的应力大小，而不是增强这些应力的大小。这种运动意味着减小了总体应力，从而大大改进了直辐板设计并且使工作应力在给定的许用极限内。但是这是由轮辐限定的至少一个表面与每个轮箍和轮毂的至少一个周面的直接相连，这使得传统的凹曲面形的过渡圆角的应用减为最小，由此可以提高在这些危险区域内抵抗应力集中的能力。

美国专利No.4，471，990-Hirakawa提供了轧制成形的火车车轮，这种车轮的每个圆角具有与水平方向大约成20°的倾角。辐板的连接部分与轮轴正交并且尽可能长。轮辐部分和轮毂部分相连于位于轮毂部分宽度中心的沿轨道方向稍向内的一点处，即轮毂部分和辐板部分实际上是在轮箍宽度的中间与轮箍相连的。这种车轮的形状可以在于轮箍处向车轮施加制动力之后最大限度地减小其内部的残余应力。本申请既没有在车轮运行的同时对车轮的工作挠度进行调节，也没有对正常工作时的车轮的径向伸张进行讨论。

美国专利No.5，039-Esaulov提供了一种由大量的方程定义和由基本的车轮参数限定的火车车轮，基本的车轮参数包括滚动表面的直径和轮毂的外径。该装置及公开的目的是提供一种火车车轮结构以在复杂的载荷下保证轮内产生的应力的相互补偿。在这项专利中，连接轮箍和轮毂的辐板有一中间纵轴及曲线，该曲线形成由一倒角的径向曲线使轮箍和轮毂的轮廓共轭的线，径向曲线的半径由所给的数学方程式确定。脊面的横断面是等尺寸的，将脊面定义为与轮毂同轴的一圆柱形的正割表面，但脊面中间纵轴线与轮毂的共轭点从中部偏移，并且脊面轮廓的中间纵轴线介于直线和曲线之间。脊面中间纵轴线在轮箍侧面与第一曲线部分共轭的直线部分由第二方程式来描述，并且该中间纵轴线与由另一个表达式描述的第二曲线部分共轭，接下来的每个曲线部分均由方程式描述。总之，这种车轮的结构具有一个曲线部分，这部分由位于轮辐与轮毂、轮辐与轮箍相连部分上的至少三条曲线段和前、后圆角组成，前、后圆角明显地具有相同的半径，该组合体与曲线脊面或辐板部分相连。这种复杂的车轮结构是具体分析和由大量方程式限定的结构设置的产物。这种公开的结构给出了中间连接辐板形状上的各种变化以适应由机械和热负载而引起的在轮箍上的拉伸应力和切向应力间的应力变化。

本发明提供一种火车车轮，它可减小轮缘的轴向挠度并降低由伴随着制动，特别是在拉紧或拉断条件下制动而产生的热交变应力所导致的残余拉伸应力。该发明给出了轮箍、轮毂和连接辐板间的关系。所存在的关系提供了用于车轮的轮辐一轮箍和轮辐一轮毂的相对位置。辐板形状相对于车轮外侧表面或为凹曲线或为凸曲线，在给定位置处的曲线有一位于给定范围内的曲率半径。由本发明定义的参数所设计的车轮具有较小的轮缘挠度并且在轮箍内具有较低的残余拉伸应力。

在附图中，相同的参考标号代表相同的零件，其中：图1为一火车车轮外轮面的立体图;

图2为图1中沿A-A线剖开的剖面图;

图3为图2中辐板横截面的部分放大图;

图4为与图2所示相似的车轮剖面图，图中的辐板弯曲方向与图2所示的相反;

图5为图2所示的车轮剖面图，图中示出轮缘的轴向挠曲偏向车轮的后轮毂表面;

图6为图4所示的车轮剖面图，图中示出轮缘的轴向挠度偏向车轮的前轮毂表面;

图7为目前使用的车轮及其在受到与图5相同的载荷时挠度发生变化的剖面图;

图8为一设置在轴上的火车车轮的立面图。

在图1中以透视的方式示出了一个带有前面或外侧面12的火车车轮10。这些火车车轮可用机加工，铸造、锻造或冲压成形等方法制造。火车车轮10一般成对安装在火车轮座的轴11的两端，如图8所示，用来支撑车箱（图中未示出）。一列火车（图中未示出）由多个车轮组成，但是，和其它车辆一样，火车不但需要能量启动，而且还需要消耗能量以使车轮和列车停下来。列车在运行时车轮要始终跟踪轨道，其位置有少量变化或无变化。但是，有许多变化因素影响车轮的行驶及沿轨道的直线运行。影响车轮与铁轨间相互作用的因素有轨距，轮间距，车轮的磨损程度，轨道的磨损程度，车轮的形状，轨道的形状，轮轴的挠度以及影响车轮磨损和位置的轮式货车组件的磨损程度（如，轮轴承的磨损）。

在图8中，车轮10位于轴11上，它们的轮缘36之间的外侧间距23最初小于轨距21。在运行期间，此轮缘间距会随每个车轮10的轮缘36的挠度发生变化。在持续时间较长的刹车过程中，车轮10受热并且轮箍16会沿毂14向外径向伸长，同时产生轴向偏斜。轮缘36的向外轴向偏斜可导致压迫，而向内的偏斜可能会导致接触不良。我们希望能够保持轮缘36之间的间距，以使其避免太宽，因为这可能会加剧车轮对铁轨的压迫，使轮10在铁轨上产生爬行。相反，太窄的轮缘间距又会使车轮与铁轨的接触状态不良，造成列车倾斜和摆动。

在列车的刹车过程中，制动块通常与轮箍及踏面接触，并且在轮箍处产生大量的热能。在正常运行过程中由制动块（图中未示出）与车轮10间的摩擦接触所产生的热量会导致车轮部件的膨胀和收缩，这在车轮10中会产生应力和应变。这些不同的应力源和应力因素的大小和作用频率不同，从而使车轮10的部件沿不同的方向移动，由此可导致车轮的机械损坏。据称，这些热能可使轮箍的温度升高至500℃以上。车轮10，特别是轮箍16，对于残余拉伸应力很敏感，这在周围温度变化时更应引起注意，所述周围温度变化是指伴随刹车时的受热和冷却，特别是从轮箍到轮毂间的温度梯度。轮箍内的残余拉伸应力在轮内的带有必要的温度梯度的交变冷热状态下得到发展。本发明中的车轮结构最大限度地减小了轮缘的轴向挠度，并且降低了车轮中，特别是在轮箍中由于交变热载荷所引起的残余拉伸应力。

图2表示沿图1中线A-A剖开的剖面的一半。在图2中，车轮10具有轮毂14和轮箍16，它们通过型板或辐板18相连。车轮10包括前面或外轮面12和后面或内轮面20。更特别的是，轮毂14有外轮毂面22，内轮毂面24和带有纵轴28的轴孔26。同样地，轮箍16有外轮箍面30，内轮箍面32，踏面34和轮缘36。

图2中的辐板18为具有中心线38且壁厚均匀的弓形或弧形断面，但其还有一最小壁厚x。轮辐18与轮毂14相接并在第一前轮毂圆角40和第一后轮毂圆角42处与轮毂14相贯。同样地，轮辐18在第二前轮箍圆角44和第二后轮箍圆角46处与轮箍16相连。轮辐18的形状一般是弧形，该弧形的形状不一定是均匀的形状或曲线。但是，在图2和图3所示的实施例中，轮箍16和轮毂14之间的最小壁厚x在5/8（0.625）英寸（1.59cm）和11/8（1.125）英寸（2.86cm）之间。在上述图中，轮辐18从前轮面12外看是凹入的，而从后轮面20外看是凸出的。

在车轮10中，辐板18的结构与轮箍16和轮毂14有着特殊的关系，它可以削弱或最大程度地减小轮箍16的因严重制动所产生的发热而造成的残余拉伸应力以及在制动和正常运行过程中的轮缘36的轴向挠度。在图2中的车轮10的剖面图上用角度和距离描述并表征了上述轮毂一辐板一轮箍的关系。

在图2中，轮箍16在圆角44与前端面30的相交处有一圆角45;在后轮箍圆角46与后轮箍端面32的交角处有一第二圆角47。圆角45和前轮箍端面30相切且相交于点54;第二圆角47与后轮箍端面32相交并相切于点56，延伸于两切点之间的连线52有一中点50。轴向半径，或第一半径62从纵轴28延伸穿过轮箍16上的中点50。

第三圆角49位于轮毂前端面22和其前圆角40的交汇处，且第四圆角51位于轮毂后端面24和其后圆角42的交汇处。轮毂的第三圆角49与其前或外端面22相切并相交于点66，而第四圆角51与其后或内端面24相切并相交于点68，将两切点相连得到轮毂线64。轮毂的偏移线或参考线70平行于轮毂线64，并沿径向向外偏离轮毂线64  2英寸，这个向外的尺寸是以纵轴28作基准的。偏移线70与辐板的前表面72和后表面74分别交于点76和78，线70位于点76和78之间的线段有中点80。在本说明书中，轮毂的偏移线70用以消除由圆角处的质量和车轮的几何形状在轮辐18同轮毂14的接合处所造成的有害影响，并且它不是在制造车轮10时的一个特殊装配点或装配结构。

在图2和图3所示的实施例中，起始于纵轴28的第二半径81在切点82处与轮辐后表面74的最凸点相接触。在图3中，在切点82处经过第二半径81的法线83与辐板的中心线38相交于第三参考点86。从图3中可以更清楚地看到，辐板18的几何形状及在切点82处的相切关系。该图是图2中车轮10的辐板部分在切线81处与轮辐18在最低点或最凸点处的放大图。图中，第一条投影线88通过第二参考点80和第三参考点86延伸，并在第四参考点90处与轮毂线64相交。

第二条投影线94通过中点50和位于轮毂线64上的第四参考点90延伸。通过第三参考点86的结构线84与第二投影线94垂直相交于点92。在轮辐中心线38上的第三参考点86和交点92之间存在的最大辐板曲率半径y是这种车轮结构的一个特性。此外，弧间距或倾角A为径向轴线62和投影线94相对于中点50的两个转动方向上的弧距。在图2和图3所示结构中的最大曲率半径，特别参考了直径大于30英寸（76.2cm）的火车车轮，应大于或等于1.75英寸（4.45cm）并且小于或等于2.5英寸（6.35cm）。在几幅图中，当辐板的特征不在于曲线的单一半径时考虑“最大曲率半径”，但是它也可以在轮毂14和轮箍16之间具有连续变化的径向轮廓。

在图2和图3所示的优选及典型实施例中，车轮10为-36英寸（大约920mm）的火车车轮，辐板18对于车轮前表面12为凹曲面，对于车轮后表面20则为凸曲面。车轮10从直线94和84的交点92至曲线的曲率半径至少为1.75英寸（4.45cm）。如上所述，辐板的曲率半径或最大的曲率半径y最好不大于2.5英寸（6.35cm）。

直线94上点50和90间的距离为Z，在图2中用分别从点90和50引出的两条平行的尺寸线表示，其间距离用Z表示。在这个优选实施例中，交点92位于直线94上的一预定位置处，该位置在沿朝向中点50的方向上与点90的距离大约在长度Z的58%-67%之间。在图2所示的实施例中，将中点50用作焦点或基准点，直线94与径向轴线62成一角度，在朝向车轮前表面12的方向上，这个角度小于10°。点50和90的连线为直线94，在图2中，它延长后与纵轴28相交于点91，交点92到点91的距离大约为点91到中点50的距离的71.5%-77.6%。

在图4所示的另一实施例中，车轮10有轮辐18，它在朝向前轮面12的方向上为凸曲面，由此它在朝向后轮面20的方向上为凹曲面。在图4中，用带“′”的符号标注与图2和图3所示实施例中的标号类似的要素。轮辐18′中心线38′上的点86′具有一最大曲率半径y′，其方向与图2-4中的轮10的凸形辐板18的曲率半径y相反。在轮10′的这种结构中，y′大致在1.95英寸（4.95cm）到3.25英寸（8.26cm）之间。但是，在这个实施例中，直线94仍可绕中点50从径向轴线62朝车轮前表面12的方向转动大约10°，并朝车轮后表面20的方向从轴线62转动大约5°。交点92′的位置仍然位于直线94上，它距点90的距离为点90到中点50之间距离的58%-67%。交点92或92′也可位于点50及90的连线上，它大约在从纵轴28到中点50的距离的71.5%-77.6%处，在图4中，上述连线与轴28交于点91。

车轮10提供了控制轮缘36的轴向挠度和减小轮箍16中残余拉伸应力的措施，所述残余拉伸应力是在火车和车轮制动时由发热导致轮箍反复的扩张和收缩而产生的。进一步参照图2和图3中的车轮10，挠度是轮缘36相对于轮毂14在朝向轮毂后端面24的方向上产生的轴向位移，该位移最大可达约0.050英寸（1.25mm）。在图2和图3中，轮缘36的轴向挠度可以认为是在轮毂14保持静止时，轮缘36的轴向向上或向下的位移。这个轮缘挠度一般是火车车轮10上的轮缘36相对于轮毂14的位移特征，在图5-7中用距离′D′表示。

在图5和图7中表示的轮缘36的挠度，更准确地说是轮缘表面102的挠度用于表示相应的正挠度和负挠度。相应地，在图5和图6中，轮辐18相对于轮毂的外侧面22或凹或凸，并在轮箍16的轮缘面102上标注出中点100。用低倍放大的视图表示的轴向轮箍的挠曲可以看作是中点100的轴向位移D，为表示清楚起见，将其在图5-7中放大了10倍。在图5中，车轮10受热产生径向伸长，同时轮箍16在点100处向轮毂后端面24偏斜一距离D。为了便于参考和讨论，将点100作为面102上的一个清楚的基准点。面102是轮箍16与铁轨13的侧接触面。如图6所示，轮箍16也可偏向轮毂的外表面22。

图7表示目前正在使用的现有技术的火车车轮，它在整个欧洲大量使用。我们用比较的方法作一下分析，在图5和图6中所示的本发明的车轮10上，将功率为45马力的负载施加在直径为920mm（约36英寸）的车轮踏面上，时间为60分钟，该输入载荷使轮箍产生的偏斜如图5所示。在同样的条件下，上述图7所示的欧洲车轮的总的轮缘偏移量明显增大并且沿朝向轮毂前端面22的方向。研究结果是在等量的负载条件下获得的，因此可以看出，在同样负载下，本发明的车轮的挠度要明显低于目前所设计的车轮，并且在图5和图7的特殊示例中，轮缘36的挠度方向相反。

在轮箍16或车轮踏面34上进行制动时，轮箍16的温度将会升高，并且车轮10趋于径向膨胀。但是，固定在轮毂14上的辐板18强迫轮缘36相对于轮毂14和轴28产生一径向向外的位移和一轴向位移。车轮10在轮箍16和辐板18处的温度将会升高，当车轮温度降至环境温度或达到平衡温度时，由于反复的扩张和收缩，可在轮箍16中产生残余拉伸应力。本发明的车轮结构可将轴向轮缘挠度限制在0.05英寸（1.25mm）以下，相比之下，以往设计的车轮的轴向轮缘挠度则可高达0.225英寸（约5.72mm）。

图6所示的车轮10带有朝轮毂前表面22弯曲的凸形轮辐并有一朝向轮毂前表面22的轴向轮缘挠度D。但是该轴向挠度D明显地小于图7所示的现有技术的车轮的挠度。在一个结构与上述发明一致并且直径为30-38英寸（76.2-96.52mm）的车轮中，将轴向轮缘挠度抑制在小于0.05英寸（1.25mm）的范围内，并且使残余拉伸应力明显低于图7所示的车轮的残余拉伸应力。根据本发明所提供的降低残余拉伸应力、减小轮缘挠度的措施适用于任何用机加工、铸造、冲压或锻造等制造方法生产出来的车轮。

本领域的技术人员将注意到，在所述实施例中可作一定的变化。尽管只对本发明的特殊实施例进行了描述和表示，但显而易见，可对它们进行各种改动及改进。因此，权利要求书的意图是覆盖在本发明的范围和实质之内的所有改进及变动。