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我国高速车辆采用的大圆弧辐板系列高速辗钢车轮

2007-02-09 14:34:44 中国铁路网 537位铁路人已阅读字号:[大][中][小] 参与评论(已有8条)

　　众所周知，随着运行速度的提高，轮轨动作用力将明显加大，所以，减轻簧下质量尤其是轮轴的质量是各国在发展高速铁路时所面临的共同课题。由于在高速运行条件下多采用盘形制动方式，将使车轮免受制动热负荷所带来的热损伤，从而为车轮的轻量化设计创造了有利条件。许多发达国家，根据各自的运行条件，先后开发了适用于高速运行的各种轻型车轮，为我国高速系列轻型车轮的研制和开发提供了有益的借鉴。自1991年以来，按照铁道部的安排，铁道部四方车辆研究所在马鞍山钢铁股份有限公司、铁道部马鞍山材料监测所的密切协作下，先后进行了时速250 km、300 km及200 km的系列高速轻型车轮的研制。试验表明，该系列高速轻型车轮具有足够的结构强度和运行安全性，能满足我国高速运输发展的需要。

　　1、高速轻型车轮研制的技术关键及设计要求

　　鉴于高速运输对车轮的轻量化及结构的安全性、可靠性有特殊的要求，在全面分析国外先进技术的基础上，结合我国实际情况，确定其研制的主要技术关键是：轻量化结构的优化设计；车轮材质的合理选择和优化；车轮制造技术要求的确定及验收要求，成品车轮的试验及测试等。这些问题在研制的各个阶段分别予以研究和解决。

　　为使高速轻型车轮研制达到预期的目标，确定该系列高速轻型车轮的设计要求如下：

　　(1) 具有足够的结构强度和较好的径向弹性；

　　(2) 能采用注油压退工艺；

　　(3) 采用适用于高速运行的车轮材质；

　　(4) 适用于实心轴或空心轴的组装要求；

　　(5) 采用适合于高速运行的踏面外形；

　　(6) 与现有GB客车D轮相比，减重达50 kg以上；

　　(7) 采用先进的技术标准和加工工艺，其全加工后车轮残余静不平衡值满足标准规定的要求；

　　(8) 能适用于批量生产，具有较好的工艺性。

　　2、高速轻型系列辗钢车轮的结构

　　根据200 km/h～300 km/h运用条件的不同，确定具体的设计要求，并在有限元优化设计的基础上，提出了各自大圆弧辐板轻型车轮的结构图纸和踏面外形(优化设计方法已有专文论述，这里不详述)。

　　该系列高速轻型车轮的主要特点是：

　　(1) 辐板呈大圆弧形，且适当减薄辐板厚度(S1＜19 mm，S2≤25 mm)；

　　(2) 薄轮辋，其轮辋厚度为50 mm(现有GB轮为65 mm)；

　　(3) 薄轮毂其壁厚为30 mm；

　　(4) 采用适用于高速的HLM型踏面外形；

　　(5) 在车轮上开有注油孔，以实现注油压退，减少车轴轮座拉伤；

　　(6) 可实现与车轴轮座的突悬组装方式，提高其疲劳强度；

　　(7) 每个车轮减重大于50 kg。

　　上述各型轻型车轮仅适用于采用盘形制动场合，见表1所列，其大圆弧辐板车轮示意图见图1。

表1　各高速大圆弧辐板车轮适用范围

速　度	v=200 km/h	v=250 km/h	v=300 km/h
轴重/t	15.5	14	17
轴型	实心轴	空心轴	空心轴
轮型	HSQ—200	HSW—250	HSW—300

　　注：因均为试制试验用，其轮型名称暂定，以示区别。

图1　大圆弧辐板车轮示意图

　　值得提出的是，该HLM型踏面外形，其轮缘高度28 mm，在1/40轨底坡时轮对位移5 mm范围内等效斜度不大于0.06，位移8.5 mm时等效斜度不小于0.21；在1/20轨底坡时，位移7 mm范围内等效斜度不大于0.01，位移8.5 mm时不小于0.21。由于设计合理，提高了高速运行的稳定性及平稳性，试验表明，其最高蛇行临界速度可达350 km/h。该大圆弧辐板及HLM型踏面外形均已申请专利．

　　此外，为适应提速客车的需要，TB/T2708—1996中规定对于速度低于200 km/h的快速车轮采用由四方所设计的KKD S形辐板车轮，并已在快速客车中应用。为便于运用检修部门对HSQ—200与KKD车轮的特点有所了解，现将这2种车轮的对比列于表2。

表2　HSQ—200型与KKD型车轮对比

轮　　型	HSQ—200	KKD
适用速度/(km^．h^-1)	200	＜200
轴重/t	15.5	18¹⁾
轮径/mm	915	915
轮辋厚度/mm	50	65
踏面外形	HLM	LM
辐板外形	大圆弧形	S形
轮毂孔壁厚/mm	30	40
注油孔	有	无
材质	R_7M	CL60
重量/kg	320	386
适用标准	高速轻型车轮交货技术条件	TB/T2708—1996
适用范围	盘形制动轮对	盘形制动轮对
允许残余静不平衡值/(g^．m)	≤50	≤75

　　注：1)按GB12814—91规定，v≤120 km/h，轴重18 t。

　　3、关于车轮材质的选择

　　国外高速列车的运用表明，在高速采用盘形制动的条件下，车轮擦伤、剥离是主要的损伤方式。所以，对于高速车轮的设计而言，除了应有合理的辐板形状和踏面外形外，还应使所采用的车轮材质既具有足够的强度(σb值)，又具有较好的韧性和抗擦伤剥离的性能。法国TGV车轮采用UIC系列的R7、R8钢所取得的成功经验，为我们提供了很好的启示。为此，在高速系列轻型车轮的研制中，从我国实际情况出发，在马钢等协作单位的共同努力下，先后按CL60、R8和R7M 3种材质进行了250 km/h、300 km/h和200 km/h车轮的研制，该3种材质的理化性能对比见表3、表4(表中数据为马钢按实测结果提供)。结果表明，所研制的车轮性能均达到相应标准的要求。今后将在实际运行中比较其优劣，为我国合理确定高速车轮材质提供试验依据。

表3　高速车轮各种材质化学万分对比　　　　％

种类	C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	V	备注
R_7M	≤0.52	≤0.40	≤0.80	≤0.040	≤0.040	≤0.30	≤0.080	≤0.05	标准值
R_7M(HSQ—200)	0.51	0.23	0.70	0.011	0.012				实测值
UIC R₈	≤0.56	≤0.40	≤0.80	≤0.040	≤0.040	≤0.30	≤0.08	≤0.05	标准值
R₈(HSW—300)	0.55	0.28	0.73	0.0096	0.010				实测值
CL60	0.55～0.65	0.17～0.37	0.5～0.8	≤0.035	≤0.040				标准值
CL60(HSW—250)	0.57	0.19	0.62	0.018	0.021				实测值

表4　高速车轮各种材质机械性能对比

种　类	σ_b/MPa	σ_s/MPa	δ/%	ψ/%	HB	AKu5/J	备　注
R_7M	820～940		≥13		240～300	≥15	标准值
R_7M(HSQ—200)	895		22		261	25.0	实测值
UIC R₈	860～980		≥13		255～285	≥15	标准值
R₈(HSW—300)	920		17		292	20	实测值
CL60	910～1 150		≥8	≥14	≥255	≥16¹^）	标准值
CL60(HSW—250)	1 040	665	14	28	297	23¹^）	实测值

　　注：1)为辐板的AKu2值。

　　由表3、表4可见，所研制的几种高速车轮理化性能均符合相应标准的要求，同时，R7M和R8钢的冲击韧性、延伸率等韧性指标均远优于CL60，而σb、σs、HB等强度指标也能满足设计要求。所以，依照法国TGV的运行经验，采用UIC系列的R7M和R8钢作为我国高速车轮的材质其效果将优于CL60，可为我国优选高速车轮材质提供试验依据。

　　4、高速车轮的制造技术要求

　　在高速运行条件下，由于车轮质量不均匀、车轮偏心及滚动圆不圆等将引起很大的附加动作用力，对车辆的运行安全性、平稳性及轮轨磨耗会带来不利影响。因此，对高速车轮的制造质量及加工精度提出了更高的要求。

　　4.1　提高车轮内在质量要求

　　除理化性能必须满足相应标准规定外，应严格控制车轮钢的纯净度，减少车轮钢内部夹杂物含量。国外的试验已表明，在高速重载运行条件下，哪怕是微小的内部缺陷(如0.2 mm的内部缺陷)都将在运行中萌生疲劳裂纹。因此，在技术条件中对钢的纯净度尤其氢含量作了严格要求，其氢含量应不大于2×10-6，同时必须采用真空脱气、炉外精炼(SKF)等新技术以提高钢的纯净度，且其内部高倍条状氧化物应控制不大于1级。

　　4.2　对车轮加工及形位公差提出更高要求

　　为保证车轮加工质量和加工精度，与其他车轮相比，对高速车轮的加工提出了更高要求，除要求进行数控仿形全加工外，对其尺寸和形位公差的控制也参照国外先进标准，从严要求。辐板及踏面外形加工后均应用样板检查(具体见图纸所示)。其HSQ—200型和ETR车轮主要加工要求对比列于表5。

表5　HSQ—200型与ETR高速车轮加工要求对比

　　注：A为HSQ—200滚动圆基准面，其轮毂孔为粗加工要求；X为ETR车轮滚动圆基准面，其轮毂孔为精加工要求。

　　4.3　关于车轮的静平衡

　　对于所研制的各型高速车轮均应进行静平衡检验，其允许残余静不平衡值小于或等于50 g．m。该静平衡按UIC标准的有关条款执行，每个车轮全加工后均应进行静平衡检验，并在车轮上标出残余不平衡所在的相位，按标准要求以减重法进行静平衡校正。

　　4.4　辐板喷丸强化

　　车轮全加工并经超探、磁探检验合格后，按有关标准要求进行车轮辐板喷丸强化和残余应力检测等，并按出口车轮的包装要求，每4 个车轮为一垛，每垛轮径差不大于0.4 mm。由于在车轮制造加工、质量检验和包装等过程中采取了上述有效措施，从而提高了车轮的供货质量，受到了用户的欢迎。

　　5、实物车轮的静强度及疲劳试验

　　上述各型高速轻型车轮经检验合格后由四方所对其分别进行了静强度及疲劳试验。结果表明，在给定的试验载荷工况下，被试各型车轮均有足够的静强度和疲劳强度，均能满足设计要求，其主要试验结果见表6。

表6　各型高速车轮静强度及疲劳试验结果

轮　型	静　强　度　试　验		疲　劳　试　验		备　注
轮　型	载荷工况	试验结果	载荷工况	试验结果	备　注
HSQ－200 (R_7M钢)	垂直载荷150 kN 垂直载荷150 kN 横向载荷 76 kN	最大应力 78.6 MPa 最大应力 71.3 MPa	脉动载荷 20 kN～155 kN 加载频率 5 Hz	经600 万次试验无任何裂纹，疲劳试验合格	轴重15.5 t
HSW－250 (CL60钢)	垂直载荷150 kN 垂直载荷 150 kN 横向载荷 77 kN	最大应力 62.2 MPa 最大应力 68.4 MPa	脉动载荷 20 kN～140 kN 加载频率 5 Hz	经604 万次试验无任何裂纹，疲劳试验合格	轴重14 t
HSW－300 (R₈钢)	垂直载荷166.6 kN 垂直载荷166.6 kN 横向载荷71.05 kN	最大应力 65.4 MPa 最大应力 93.2 MPa	脉动载荷 20 kN～170 kN 加载频率 5 Hz～8 Hz	经600 万次试验无任何裂纹，疲劳试验合格	轴重17

　　6、高速车轮的运行试验

　　按照设计要求，HSW—250型及HSW—300型车轮仅在试验台上进行高速运行试验，装用该HSW—250型轮对的CW—2型转向架在西南交通大学试验台上试验速度达350 km/h，仍未发生蛇行，说明该车轮HLM型踏面外形适用于高速运行要求，且车轮状态正常，HSW—300型车轮的试验台试验有待进行。
　　1998年4月，铁道部科教司对HSQ—200型车轮进行了技术评审，同意装车试验，在1998年6月郑武线高速动力学试验的5 辆被试车上均装用该HSQ—200型车轮，最高试验速度达240 km/h，车轮运行状态良好。
　　该HSQ—200型车轮经部局安排，在1998年又进一步扩大装车试验，装用该HSQ—200轻型轮对的一动六拖动车组，1999年8月在广深线试验最高速度达223 km/h，车轮状态良好，并于1999年10月1日起在广深线正式运用。该200 km/h轻型轮对还用于沪宁线二动九拖动车组上。此外，还对运行中的动应力进行了测试，结果令人满意。