一种具有仿生非光滑表面的高速列车车轮的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于运输技术领域，涉及一种高速列车车轮，尤其涉及一种具有仿生非光滑表面的高速列车车轮。
【背景技术】
[0002]高速列车的不断发展在给人提供方便、快捷、舒适的交通服务的同时，对列车对环境的影响以及本身的质量安全也提出新的要求。
[0003]列车在高速行驶时车轮与轮轨之间的会产生刺耳的噪声，这主要是由列车车轮与轨道间的冲击、接触、摩擦引起的。特别随着我国高速铁路事业的蓬勃发展，列车运营速度的不断提高，列车在行进过程车轮与轮轨间接触噪音也不断增大，对铁路线附近的居民生活造成了影响，降低了沿线居民的生活品质。车轮的降噪技术也是列车在发展中需要解决的一个重要技术问题。
[0004]为了降低列车运行时轮轨间产生的噪声，国内外的学者和工程技术人员提出了应对方法，并取得了一定的效果。具体有以下几种方法:
[0005](1)车轮表面涂抹阻尼材料
[0006]列车车轮辐板表面涂抹阻尼材料可以有效的阻隔列车辐板的振动，从而减小了由于车轮机械振动产生的噪声。但是，通过在轮辐表面涂抹阻尼材料来降低噪声的方法只对频率在2KHz以上高频噪声有一定的效果，对于频率在ΙΚΗζ以下的噪声，其减噪的作用不明显。
[0007](2)采用具有弹性的车轮
[0008]弹性车轮是现阶段国内外列车普遍采用的降噪方式，有的是在轮辋内侧阻尼块，有的是在辐板上安装弹性阻尼片，也有的是在轮辋与辐板间加橡胶环。弹性车轮结构复杂，生产成本较高，橡胶环易老化，运行安全性差。
[0009](3)改变车轮的形状
[0010]列车车轮产生的噪声与车轮的形状有关，斜形辐板车轮产生的噪声要比S形辐板车轮产生的噪声大，而直辐板车轮产生的噪声最小。据分析，主要是因为直辐板车轮的滚动接触点两边的受力对称，使踏面上传来的力直接传到轴上，确保车轮上的载荷相对轨道接触能对称分布，从而减小轮辋的摇头，增加了车轮半径方向的刚度。出于制造及成本的考虑，改变车轮形状在实践中难以推广。
[0011]随着高速列车速度及运量的提高，承载整个车体重量并且传递着机车的牵引力和制动力的列车车轮的耐磨损和抗疲劳性能就更显突出。据北美铁路运输系统统计，每年更换踏面损伤的车轮就耗资近1.5亿美元。而我国的大连机车厂仅在2001年上半年，处理踏面损伤的车轮耗资就高达2700多万。由此可见，提高列车车轮的耐磨性及抗疲劳性是一个亟待解决的问题。
[0012]为了提高列车车轮的使用寿命，必须最大限度地降低车轮的疲劳和磨损，国内外的学者和工程技术人员在该方面提出了应对方法，并取得了一定的效果。具体有以下几种方法:
[0013](1)车轮润滑
[0014]为了减少轨顶面的摩擦系数，通常采用轮缘轨侧润滑来减轻磨损。根据轮轨系统的特点，润滑形式通常只能为边界润滑。通过第三介质的作用，形成边界润滑膜，从而减小滑动阻力，降低了车轮表面的磨损。车轮润滑减磨的效果直接取决于润滑剂性能。通过润滑油减磨的方式存在污染踏面，诱发空转的缺陷，且经济成本较高。
[0015](2)优化车轮的踏面形式
[0016]列车车轮踏面应用最广泛的一种形式为磨耗型车轮踏面，这种踏面以圆弧形代替锥形踏面车轮的直线形。这样的设计很大程度上减免了车轮经过曲线时与轨道出现的两点接触，从而大大减缓了车轮的侧磨，同时磨耗型踏面也有利于降低踏面磨损。踏面优化减磨的方式给车轮的加工制造提出了新的要求，设计成本较高。
[0017](3)改善车轮的材料强度
[0018]根据车轮的工作要求，一方面要求车轮材质具有高强度和高耐磨性，另一方面还要具有良好的抗断裂性能和抗热裂性能。其主要设计思路是保证材料强度和硬度不太降低的前提下，提高材料的韧性。设计方案包括降低碳含量并掺入合金元素，应用低碳贝氏体车轮等，同时提高车轮钢的冶金质量，保证车轮钢应有的高纯度，改进热处理工艺等对防止高速列车车轮损伤失效非常有利。改善材料减磨的方式需找到材质强度与抗断裂性能间的最佳平衡点，材料的热处理工艺十分复杂。
[0019]综上所述，目前各种降低列车车轮噪声以及提高列车轮轨耐磨性和抗疲劳性的方法都有一定的局限性，无法从根本上解决列车车轮的降噪以及磨损和疲劳问题。列车车轮的噪声严重影响铁道周围居民的日常生活，降低其生活质量。列车车轮的疲劳破坏和磨损消耗大量能源和花费人力财力。因此降低列车车轮的噪声以及摩擦磨损是目前的当务之急。尤其是在高速铁路事业蓬勃发展，运营速度不断提高的今天，更需要具备低噪声、耐磨性好、抗疲劳的车轮，所以亟需一种有效的方法来应对该问题。
【发明内容】
[0020]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有仿生非光滑表面的高速列车车轮，该车轮模仿潮间贝壳表面的凹坑结构以及信鸽表面、鲨鱼表皮的沟槽形结构，具备噪声低、耐磨性能好、抗疲劳特征好的特点。
[0021]本发明所采用的技术方案是具有仿生非光滑表面的列车车轮，包括车轮体，所述的车轮体上通过激光毛化的工艺在车轮踏面表面制作有规则布置的凹坑状或沟槽状的仿生单元体。
[0022]上述技术方案中，车轮的踏面表面有菱形分布的半球形的凹坑状单元体，半球形的凹坑大小一致，各半球体的深度均为30—50μηι，同一排的半球体中心距为200—300μηι，任意相邻两排半球体的垂直中心距为180—230μπι，任意相邻两排半球体水平中心距为100—150μπιο
[0023]车轮踏面表面有平行分布的截面呈矩形的沟槽单元体，矩形沟槽的深度均为40—50μπι，矩形沟槽宽度为50—80μπι，任意相邻两排沟槽的间距为200—250μπι，沟槽与车轮轴线方向的夹角为30° — 60°。
[0024]本发明所述的高速列车车轮通过对信鸽羽毛表面、贝壳表面以及鲨鱼表皮的充分研究，提取信鸽羽毛表面、潮间贝壳表面以及鲨鱼表面形态取代原始的光滑车轮踏面表面结构，减小车轮的固有频率范围，改善列车车轮的散热条件，从而降低了车轮噪声，提高了车轮的耐磨性以及抗疲劳的性能。
【附图说明】
[0025]图1贝壳表面凹坑状非光滑形态的显微结构图；
[0026]图2鲨鱼表皮沟槽状非光滑形态的显微结构图；
[0027]图3本发明具体实施例的仿生非光滑列车车轮效果图；
[0028]图4半球形凹坑结构尺寸示意图；
[0029]图5半球形凹坑深度尺寸示意图；
[0030]图6矩形沟槽结构尺寸示意图；
[0031 ]图7矩形沟槽深度尺寸示意图。
【具体实施方式】
[0032]大自然的动植物经过亿万年的发展，其自身表面的形状结构具有某些优异特性。信鸽在天空中飞翔时，翅膀产生的噪声非常小，显微观察可以发现，信鸽翅膀羽毛表面成非光滑沟槽形态。常年生活在潮间带的贝类，常年受到海水冲刷但其表面却丝毫没有疲劳破坏和磨损的痕迹，科学研究发现，贝类生物体表并不是光滑形态，而是具有凹坑状的形态，如图1所示。还有一些行动敏捷的海洋生物例如鲨鱼，科学研究表明其体表也并不是光滑形态，通过显微研究表明其表皮底下有由皮下结缔组织构成的特殊沟槽状形态，如图2所示。
[0033]因此，通过研究借鉴信鸽、贝类和鲨鱼的表面结构，本发明提出了一种仿生非光滑的高速列车车轮。以下结合附图和具体实施例，对本发明所述的仿生非光滑列车车轮进行详细说明。
[0034]如图3所示，本发明所采用的技术方案是具有仿生非光滑表面的列车车轮，包括车轮体，所述的车轮体上通过激光毛化的工艺在车轮踏面表面有规则的布置凹坑状、沟槽状的仿生单元体。
[0035]如图4、图5所示，在列车车轮的踏面表面加工成有菱形分布的半球形凹坑状单元体。车轮踏面表面布置的半球体大小一致，各半球体的半径R1均为50μπι。同一排的半球体中心距L2为200μπι。任意相邻两排半球体的垂直中心距S1为180μπι。任意相邻两排半球体水平中心距L1为ΙΟΟμπι。
[0036]如图6、图7所示，在列车车轮的踏面表面加工成规律分布的矩形沟槽单元体。车轮踏面表面的矩形沟槽大小一致，矩形沟槽的深度L3均为40μπι。矩形沟槽宽度W为50μπι。任意相邻两排沟槽的间距S为200μπι。沟槽与车轮轴线的夹角α为60°。
[0037]在高速列车车轮表面布置不同形态的仿生非光滑结构可以有效降低车轮与轮轨间振动幅度，减小其固有频率范围，使二者运行趋势更为平稳，从而降低其运行产生的噪声。
[0038]在高速列车车轮表面布置不同形态的仿生非光滑结构相当于扩大了车轮踏面表面积，在产生相同热量的情况下，其热扩散的能力更好，从而提高了其耐磨性及抗疲劳性。
[0039]在车轮表面布置有非光滑形态后，车轮与轮轨间磨损产生的碎肩会积存在非光滑单元体中，碎肩的磨损反而提高了车轮本身的耐磨性。
[0040]因此，相比于现有的高速列车车轮，具有仿生非光滑结构的高速列车车轮具有低噪声、耐磨损、抗疲劳的优异特点。
【主权项】
1.一种具有仿生非光滑表面的高速列车车轮，包括车轮体，其特征在于:所述的车轮体上车轮踏面表面通过激光毛化工艺制作有规则布置的凹坑状或沟槽状的仿生单元体。2.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的高速列车车轮，其特征在于，所述的车轮体上踏面表面有呈菱形排列的凹坑状单元体，所述的凹坑状单元体为半球形，深度为30—50μπι，菱形排列中位于同一排的单元体中心距为200—300μπι，任意相邻两排单元体的垂直中心距为180—230μηι，任意相邻两排单元体的水平中心距为100—150μηι。3.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的高速列车车轮，其特征在于，所述的车轮体上踏面表面有平行分布的沟槽状单元体，所述的沟槽状单元体截面呈矩形，矩形沟槽的深度为40—50μηι，矩形沟槽宽度为50—80μηι，任意相邻两排沟槽的间距为200—250μηι，沟槽与车轮轴线方向的夹角为30° — 60°。
【专利摘要】本发明公开了一种具有仿生非光滑表面的高速列车车轮，所述车轮踏面表面上通过激光毛化工艺制作有规则布置的凹坑状或者沟槽状仿生单元体。该车轮通过设置仿生的非光滑结构，具有降低列车车轮与轨道间噪声、增强耐磨性、抗机械疲劳的特点。本发明相对于现有技术，能有效的降低轮轨间噪声，提高列车车轮的抗机械疲劳性能以及耐磨损性能。
【IPC分类】B60B17/00
【公开号】CN105480012
【申请号】CN201510908455
【发明人】张国耕, 宋小文, 张鸣晓, 王耘, 黄长林, 胡树根
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月9日