一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构制造技术

一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，配置在城市轨道交通车辆底部的两排车轮相对的一侧为内侧，另一侧为外侧，车轮辐板区为等厚度辐板区；垂直于车轮轴向作一横截面，辐板区在内、外侧分别带有四段连续弧，形成首尾相连、相邻“S弯”共用的“3S”型辐板；四段连续弧顺次朝向外侧凸出、朝向内侧凹陷、朝向外侧凸出和朝向内侧凹陷，相邻两段连续弧之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；凸出部分与凹陷部分形状相似。本发明专利技术在满足车轮机械强度足够的前提下，减小轨道车轮正常运行和制动时受到的疲劳损伤，有效地提高车轮的结构强度和抗疲劳性能，从而具有较高的车轮使用寿命，具有热力耦合应力小而质量轻的特性。

A \3S\ type spoke plate structure of a vehicle wheel in Urban Rail Transit

A city rail vehicle wheel type \3S\ plate structure, configuration in the two row city rail vehicle wheels at the bottom the side opposite to the inside, the other side is the outside wheel plate area such as thickness of plate area; a cross section perpendicular to the wheel axis, the inner and outer side plate area respectively with four consecutive arc formation, adjacent to the \S curve\ end to end in \3S\ type of plate; four successive arc sequentially toward the outside toward the inner bulge and depression, toward the outside and protruding toward the inner sag, two adjacent segments of the fillet between continuous arc smooth transition or tangent smooth transition; bulge and depression partial shape similarity. The present invention in order to meet the demand of the wheels of sufficient mechanical strength, fatigue damage by reducing the track wheel normal running and braking, effectively improve the structural strength of the wheel and anti fatigue performance, which has high service life of wheels, with thermal coupling stress is small and lightweight characteristics.

【技术实现步骤摘要】
一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构
本专利技术涉及城市轨道交通车辆领域，尤其涉及一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构。
技术介绍
车轮是保证城市轨道交通车辆运行安全的重要部件之一，其工况比较复杂，由于车辆频繁的启动和制动，车轮的承载工况比较恶劣,不仅承受轮轨间各种静、动机械应力，而且还承受踏面制动时产生的热负荷，引起车轮产生较大的热应力。热应力和机械应力剧烈的共同作用往往造成车轮的疲劳损伤，对城市轨道交通车辆的安全稳定运行造成一定的隐患。通常对车轮的要求是：具有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行，在强度足够和保证一定使用寿命的前提下，使其质量最小，并具有一定的弹性，以减小轮轨之间的相互作用力。车轮辐板的形状不仅影响着车轮结构的强度，甚至还影响了轨道车轮在复杂工况下安全运行的使用寿命。现有的轨道车轮按照辐板类型主要分为直辐板式车轮和曲辐板式车轮两大类。直辐板式车轮就是指轮辋和轮毂通过直的辐板相连，如南京地铁1号线等u此类车轮便于采用轴盘制动，有效节约空间，但是其应力分布不合理；曲辐板式车轮是指轮辋和轮毂通过圆弧相连，又分为单S型辐板(2段弧)、双S型辐板(3段弧)两类，如北京地铁13号线等采用的是单S型辐板车轮、上海地铁4号线等采用是双S型辐板车轮，此类车轮应力情况较好，但是其径向变形较大，并且车轮S弯对其应力分布影响显著，同时质量又比较大，导致轮轨之间的相互作用力较大，运行中容易产生疲劳裂纹，影响车轮的使用寿命。城市轨道车轮在运行过程中不仅仅受到结构场的作用，还受到不可忽视的温度场作用，同时考虑两者之间的相互作用，就是热力耦合问题。轨道车辆在行进过程中，主要受到机械应力(表现为结构场)的影响，而轨道车辆在制动过程中，车辆在较短的时间内迅速静止，伴随着闸瓦与踏面之间的摩擦，闸瓦与踏面之间产生并聚集大量的热，这些热量顺着轮辋向辐板方向传递，不断传递到车轮的内部，使车轮产生大量的热(车轮的局部最高温度会达到180℃以上)，由于物体在受热或冷却时候不同部分之间的膨胀或收缩程度不一致，这些膨胀或收缩会导致热应力的产生，(表现为温度场)这时候就需要考虑热力耦合对车轮的影响。但是，目前的城市轨道交通车轮在设计及试验过程中，并没有采用热力耦合方法校验，导致车轮的实际受力与理论设计值存在差异。研究表明，机械应力和热应力共同作用产生的热力耦合应力是导致车轮疲劳失效的主要原因。因此，分别建立直辐板车轮、单S辐板车轮和双S辐板车轮的有限元模型，通过对这三种辐板型式城市轨道车轮的热力耦合分析对比，得到了在热力耦合情况下，直辐板和单S辐板车轮均会产生较大的热力耦合应力，容易导致车轮的疲劳损伤，给车辆安全运行带来一定的隐患，双S辐板车轮的热力耦合应力是最小的，即在这三种辐板型式城市轨道车轮中，双S辐板车轮热力耦合下的抗疲劳性能最优。但是由于双S辐板车轮的质量又比较大，导致轮轨之间的相互作用力较大，运行中容易产生疲劳裂纹，影响车轮的使用寿命。因此，需要综合考虑以上情况，由传统的直辐板、单S辐板(2段弧)、双S辐板(3段弧)进化为4段弧的一种新“3S”型辐板车轮，在热力耦合作用下的抗疲劳性能提高的同时，使车轮的质量尽可能小。专利201620658687.2公开了一种轨道车辆的S型辐板车轮，其内、外侧分别带有3段连续的相切圆弧，形成的是双S型辐板，整体上辐板区域呈现的是中心对称结构，从轮辋、轮毂到辐板的3段相切圆弧的设计尺寸，都是依据数学理论得来的，属于对双S辐板的尺寸优化，没有突破已有的辐板结构。此外，该辐板并没有考虑上述热力耦合的情况，也没有验证车轮是否满足合理的刚度和强度要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，该“3S”型辐板车轮与同尺寸直辐板车轮相比，在几乎不增加质量的情况下，充分考虑热力耦合对车轮的影响，提高车轮的结构强度，有效地减小轨道车轮正常运行和制动时受到的疲劳损伤，提高车轮的抗疲劳性能，从而提高车轮的使用寿命。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，所述车轮包括轮辋区、轮毂区和用于连接两者的辐板区，配置在城市轨道交通车辆底部的两排车轮相对的一侧为内侧，相背的一侧为外侧，其特征在于：垂直于所述车轮轴向作一横截面，由轮辋区朝向轮毂区，所述辐板区在内、外侧分别带有四段连续弧，形成首尾相连、相邻“S弯”共用的“3S”型辐板；位于同侧的四段连续弧的半径相同，或者不相同，或者部分相同，这四段连续弧顺次朝向外侧凸出、朝向内侧凹陷、朝向外侧凸出和朝向内侧凹陷，凸出部分与凹陷部分形状相似，相邻两段连续弧之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；辐板区与轮辋区之间、辐板区与轮毂区之间分别通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；如果将辐板区位于车轮内、外侧的端部以线段相连，形成理论直辐板区，“3S”型辐板与理论直辐板对比，表面积增加小于等于5％，即“3S”型辐板车轮质量与理论直辐板车轮质量之间的比值≤1.05。传统的直辐板、2段弧小S辐板和3段弧双S辐板，随着辐板上的S弯数量增加，车轮轮辐的散热面会增大，散热效果好，其热应力会随之减小，同时，辐板的弧度也会使车轮的机械应力减小，但是，S弯并非越多越好，随着S弯数量的增多，在有限的辐板区域内，过多的S弯会使每个S弯的弧度减小、趋于平直，并不利于加工；同时，某些S弯的外形也容易导致辐板区域的整体质量相对于同尺寸的直辐板质量有一个较大的增加量，反而会导致辐板区域的应力增大，本辐板的4段弧、“3S”型辐板结构设计，在辐板质量增量几乎可以忽略不计的前提下，应力性能优化可达10％以上，并且不仅考虑车辆正常运行，还考虑了车轮制动过程中产生的热，热力耦合条件下综合应力优化(见具体实施方式)。进一步的，一种优选的“3S”型辐板结构是：所述辐板区为近似等厚度辐板，设辐板区的厚度系数为d，0.9d≤辐板区厚度≤1.1d；内、外侧的四段连续弧分别为内外一一对应的4组弧，其中三组弧一定同圆心，另一组弧为不等长平行弧。内外侧圆心分别为O1、O2、O3(O3’)、O4，即：设内侧的四段弧的半径分别为R1，r2，R3和r4，外侧的四段弧的半径分别为r1，R2，r3和R4，同组弧半径不等，O3O3’所在直线分别平分r3、R3的对应弧，且满足：r1＝R1-d；r2＝R2-d；r3≈R3-d+O3O3’；r4＝R4-d；R1的对应弧与轮辋区连接；R2的对应弧通过r1的对应弧与轮辋区连接；R1的对应弧和R3的对应弧之间通过与R2的对应弧同圆心的r2的对应弧过渡连接；R2的对应弧和R4的对应弧之间通过与R3的对应弧平行的r3的对应弧过渡连接；R3的对应弧通过与R4的对应弧同圆心的r4的对应弧过渡后与轮毂区连接；R4的对应弧与轮毂区连接。为方便加工，同时尽可能的使辐板表面光滑，辐板区采用近似等厚度设计；辐板区与轮辋区之间、辐板区与轮毂区之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡，以尽量减小应力。再进一步，辐板区内部的四组弧中，其中三组弧是同圆心且厚度相等，三组弧对应的辐板区域厚度值为d，这三组弧同侧相邻两段连续弧之间相切光滑过渡；另外一组弧为不等长平行弧，优先相切过渡，若不能相切则光滑过渡，此时，0.9d≤过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，所述车轮包括轮辋区(1)、轮毂区(3)和用于连接两者的辐板区(2)，配置在城市轨道交通车辆底部的两排车轮相对的一侧为内侧，相背的一侧为外侧，其特征在于：垂直于所述车轮轴向作一横截面，由轮辋区(1)朝向轮毂区(3)，所述辐板区(2)在内、外侧分别带有四段连续弧，形成首尾相连、相邻“S弯”共用的“3S”型辐板；位于同侧的四段连续弧的半径相同，或者不相同，或者部分相同，这四段连续弧顺次朝向外侧凸出、朝向内侧凹陷、朝向外侧凸出和朝向内侧凹陷，凸出部分与凹陷部分形状相似，相邻两段连续弧之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；辐板区(2)与轮辋区(1)之间、辐板区(2)与轮毂区(3)之间分别通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；如果将辐板区(2)位于车轮内、外侧的端部以线段相连，形成理论直辐板区(4)，“3S”型辐板与理论直辐板对比，表面积增加小于等于5％，即“3S”型辐板车轮质量与理论直辐板车轮质量之间的比值≤1.05。

【技术特征摘要】
1.一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，所述车轮包括轮辋区(1)、轮毂区(3)和用于连接两者的辐板区(2)，配置在城市轨道交通车辆底部的两排车轮相对的一侧为内侧，相背的一侧为外侧，其特征在于：垂直于所述车轮轴向作一横截面，由轮辋区(1)朝向轮毂区(3)，所述辐板区(2)在内、外侧分别带有四段连续弧，形成首尾相连、相邻“S弯”共用的“3S”型辐板；位于同侧的四段连续弧的半径相同，或者不相同，或者部分相同，这四段连续弧顺次朝向外侧凸出、朝向内侧凹陷、朝向外侧凸出和朝向内侧凹陷，凸出部分与凹陷部分形状相似，相邻两段连续弧之间通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；辐板区(2)与轮辋区(1)之间、辐板区(2)与轮毂区(3)之间分别通过圆角光滑过渡或者相切光滑过渡；如果将辐板区(2)位于车轮内、外侧的端部以线段相连，形成理论直辐板区(4)，“3S”型辐板与理论直辐板对比，表面积增加小于等于5％，即“3S”型辐板车轮质量与理论直辐板车轮质量之间的比值≤1.05。2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构，其特征在于：所述辐板区(2)为近似等厚度辐板，设辐板区(2)的厚度系数为d，0.9d≤辐板区(2)厚度≤1.1d；内、外侧的四段连续弧分别为内外一一对应的4组弧，其中三组弧一定同圆心，另一组弧为不等长平行弧。内外侧圆心分别为O1、O2、O3(O3’)、O4，即：设内侧的四段弧的半径分别为R1，r2，R3和r4，外侧的四段弧的半径分别为r1，R2，r3和R4，同组弧半径不等，O3O3’所在直线分别平分r3、R3的对应弧，且满足：r1＝R1-d；r2＝R2-d；r3≈R3-d+O3O3’；r4＝R4-d；R1的对应弧与轮辋区(1)连接；R2的对应弧通过r1的对应弧与轮辋区(1)连接；R1的对应弧和R3的对应弧之间通过与R2的对应弧同圆心的r2的对应弧过渡连接；R2的对应弧和R4的对应弧之间通过与R3的对应弧平行的r3的对应弧过渡连接；R3的对应弧通过与R4的对应弧同圆心的r4的对应弧过渡后与轮毂区(3)连接；R4的对应弧与轮毂区(3)连接。3.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通车辆车轮的“3S”型辐板结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：文永蓬，郑晓明，李丰恩，周伟浩，宗志祥，郭林生，尹波润，纪忠辉，祁慧，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31