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弹性车轮的分析(华东交通大学 杨星)
弹性车轮的分析
弹性车轮的诞生背景:
目前我国铁路上大多数采用的车轮为整体辗钢轮
1—踏面 2—轮缘 3—轮辋 4—辐板 5—轮毂
我们大家都了解整体辗钢轮中的踏面、轮缘、轮辋、辐板、
轮毂都是同一种合金钢。以下表格中是几种马鞍山厂生产的几款
整体辗钢车轮的化学成分:
火车车轮直接与钢轨接触,并承受车辆的全部载荷,这就要
求火车车轮具有高强度,高硬度,良好的耐磨性等技术要求。
随着整体辗钢轮的强度,硬度的提高,整体辗钢车轮的刚性
也就随之提高了。车轮刚性的提高,也就是说车轮的整体弹性会
有一定的下降,导致车轮的振动问题也就日益突出。
之后,人们将轮箍与轮心分开制造,轮箍(在整体辗钢轮是
由踏面、轮缘、轮辋组成),轮心(在整体辗钢轮中是由轮毂,
辐板组成)。
轮箍和轮心分别用两种不同的材料制造,轮箍用高硬度,高
强度,良好的耐磨性材料制造,轮心在满足刚度的条件下,用弹
性较好的材料。
这就是所谓的轮箍轮,也就是弹性车轮的鼻祖。
就这样弹性车轮这一概念也就诞生了。
弹性车轮的发展:
随着弹性车轮这一概念的产生,人们就不断的优化升级弹性
车轮的设计,目前弹性车轮主要分为这几类:
1、压缩型弹性车轮:最初的弹性车轮钢件及橡胶元件都比较
简单,橡胶元件只承受压应力,其轴向弹性比径向弹性
大得多。这种弹性车轮结构简单,质量小,适用于小半
径车轮。在运行和制动时,垂向变形较小,变形热也不
大,不用加热即可更换轮箍。
2、剪切型弹性车轮:剪切型弹性车轮在垂直载荷和冲击载荷
作用下,其橡胶元件主要承受径向和切向的剪切作用,轴向承受
压缩载荷产生压缩变形,轴向弹性较小。
3、压剪复合型弹性车轮:压剪复合型弹性车轮采用既能承剪
又能承压的结构。橡胶元件通常采用 V 型布置, 不仅能广泛利用
车轮侧面的空间,而且压应力和剪应力的合理分配可以随橡胶环
???倾角大小而改变,即轴向刚度和径向刚度能达到期望的最佳匹
配。这种形式的弹性车轮结构简单,安装和检修很方便,节约检
修时间及费用,使用比较普遍,它代表着弹性车轮的发展方向。
接下来我们来欣赏几张现代弹性车轮的照片
总而言之,弹性车轮最基本的就是:轮箍与轮心分开制造,轮箍
与轮心之间有橡胶夹层。
弹性车轮的优点:
1、弹性车轮减小曲线噪声的效果比较显著。弹性车轮降低曲线
噪声的能力与车轮模态损失因子有关(模态是结构的固有振动特
性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型)弹性
元件能增加车轮模态阻尼因子,可以抑制可能发生的弯曲模态而
产生的自激共振。弹性车轮不能阻止车辆在曲线上运行时产生的
噪声,但可降低噪声
2、与钢制车轮相比,弹性车轮的轮重减载率和轴箱垂直振动速
度都较低,具有抑制钢轨激振力,减小 30%~20% 轨道动作用力、
减小渣床沉降和轨道损坏方面的作用。同时弹性车轮具有垂向、
横向和纵向弹性,还能减小轮轨接触面、踏面和轮缘的磨耗,使
轮轨的使用寿命提高 20%~40%。
3、弹性车轮改变平直轨道上滚动噪声频谱特征。使用弹性车轮
后,滚动噪声的低频成分比钢性车轮低,高频成分比钢性车轮的
高频成分高。又因为列车地板结构过滤高频成分,所以车内的噪
声要比普通车轮车内低。
弹性车轮的缺点:
1、相对于钢性车轮,弹性车轮结构复杂,制造以及维修成本高,
运行安全性差。
2、弹性车轮对轴重要求比较严格,较大轴重受到橡胶强度等条
件的限制以及橡胶原件易老化,从而限制了它的应用和发展。
3、连接轮箍和弹性垫之间的定位槽尖角应力集中、螺栓孔边的
应力集中
弹性车轮的受力模型:
建立弹性车轮车辆动力学模型时,将橡胶层模拟成由弹簧和
阻尼构成的弹性层,则弹性车轮可以考虑成除轮箍外的簧下质量
及轮箍质量两部分,两部分之间由弹性层连接,用具有刚度和阻尼
的弹性单元来代替
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