一种动车组车轮的踏面优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁路高速车辆转向架技术领域，尤其涉及CRH3型转向架的车轮踏面 优化设计。
【背景技术】
[0002] 高速铁路轮轨接触关系尤其是车轮踏面的等效锥度对铁道车辆的动力学性能影 响很大：当车轮踏面等效锥度过大时，车辆容易发生二次蛇行失稳，当车轮踏面等效锥度 过小时，车辆容易发生一次蛇行失稳。车辆蛇行失稳一方面对行车安全构成威胁，另一方面 严重影响乘坐舒适度。
[0003] 等效锥度与轮轨接触点位置分布有很大关系：当轮轨接触点分布到轮缘根部时， 就容易产生大的等效锥度；当轮轨接触点分布到车轮踏面外端时，就容易产生小的等效锥 度。
[0004] 轮轨接触点的分布位置与车轮踏面外形和钢轨外形密切相关。
[0005] 目前，我国铁路普遍采用的是CH60钢轨，但由于各种原因，实际线路上的钢轨廓 形并非标准的外廓形状：如果钢轨打磨不及时，钢轨的轨肩就容易突出；如果钢轨打磨过 度，钢轨的轨肩就容易下沉。目前，CRH3型动车组采用的车轮踏面外形是西门子公司提供 的（简称原始车轮踏面），该原始车轮踏面的轮缘根部斜度太大而车轮踏面外端的斜度又 太小。
[0006] 当原始车轮踏面与轨肩突出而未打磨的钢轨匹配时，轮轨接触点集中在轮缘根 部，该区域的车轮踏面斜度大，极易产生大的等效锥度，进而容易引起车辆二次蛇行失稳。 当原始车轮踏面与过度打磨钢轨匹配时，轮轨接触点集中在车轮踏面外端，该区域的车轮 踏面斜度小，极易产生小的等效锥度，进而容易引起车辆一次蛇行失稳。因此CRH3型动车 组的原始车轮踏面对钢轨的廓形变化十分敏感，对线路的适应能力较差。
[0007] 所以设计一种对钢轨廓形变化适应能力较强的车轮踏面外形已成为CRH3型动车 组的一项具有重要价值的关键技术。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种动车组车轮的踏面优化设计方法，它能有效地解决CRH3 型动车组原始车轮踏面对钢轨廓形变化适应能力较差的问题。
[0009] 本发明的目的通过以下技术方案来实现的：一种动车组车轮的踏面优化设计方 法，在原始车轮踏面的基础上进行改良设计，首先，通过大量的轮轨匹配仿真试验，找出车 轮踏面与不同钢轨廓形匹配的轮轨接触关系，通过轮轨接触关系分析，找到车轮踏面常用 工作区，选择优化车轮踏面常用工作区（_15_~15_)的廓形与原始车轮踏面基本重合； 第二，为提高车轮踏面对未打磨钢轨的适应能力，需将车轮踏面喉根圆斜度降低：故将优 化车轮踏面的轮缘厚度d8确定为32. 5_，这样可以降低轮缘根部的斜度，以适应优化车轮 踏面与轨肩突出而未打磨的钢轨匹配时，也不易产生过大的等效锥度；第三，为提高车轮踏 面对过度打磨钢轨的适应能力，需将车轮踏面外端的斜度提高：故将优化车轮踏面外端直 线段CD的斜度确定为1:20,以适应优化车轮踏面与过度打磨钢轨匹配时，也不易产生过小 的等效锥度。
[0010] 具体做法即优化车轮踏面的各特征点的描述如下：
[0011] ⑴、确定坐标系0ΧΥ，0为坐标原点，0X和0Y为坐标轴，0X轴为优化车轮踏面基线；
[0012] ⑵、从点D(d5,0)画直线段DC，斜度为L1，水平投影长度为d4 ;
[0013] ⑶、画直线段CB，斜度为L2,水平投影长度为d3 ;
[0014] ⑷、画直线段BA为dlxd2的倒角；
[0015] (5)、以D点为切点画半径为R1的圆弧DE，其水平投影长度为d6，DE与Y轴相交于 01点；
[0016] (6)、把已画出的轮廓线AB⑶E从交点01垂向平移到原点0 ;
[0017] (7)、以E点为切点画半径为R2的圆弧EF ;
[0018] ⑶、以圆弧EF的圆心画半径为R2-R3的圆，以点02 (_dll+d8, d7)为圆心画半径为 R3的圆，两圆交与03点，再以03点为圆心画半径为R3的圆弧FG ;
[0019] (9)、画与圆弧FG相切并与X轴成a角度的直线段GH ;
[0020] (1Φ、从点L(-dll，0)画一条与X轴垂直的直线段KL ;
[0021] (11)、以点04(-dll+dl0, d9-R5)为圆心画半径为R5的圆弧IJ ;
[0022] (12)、以R4为半径，画与直线GH和圆弧IJ相切的圆弧HI ;
[0023] (13)、以R6为半径，画与直线KL和圆弧IJ相切的圆弧JK ;
[0024] (14)、顺序连接各特征点画出的轮廓线AB⑶EFGHIJKL即为优化车轮踏面的外形。
[0025] 各特征点的具体参数为：L1 = 1:20, L2 = 1:15, R1 = 305mm，R2 = 160mm，R3 = 15. 5mm, R4 = 20mm, R5 = 10mm, R6 = 25mm, a = 70°，dl = 5mm, d2 = 5mm, d3 = 30mm, d4 =23mm, d5 = 7mm, d6 = 16mm, d7 = 10mm, d8 = 32. 5mm, d9 = 28mm, dlO = 16mm, dll = 70mm〇
[0026] 本发明与现有技术相比的优点和积极效果如下：
[0027] 1、优化车轮踏面的常用工作区（_15mm~15_)的外形与原始踏面基本重合，确保 优化车轮踏面不影响CRH3型系列动车组的正常运营性能。
[0028] 2、优化车轮踏面的轮缘厚度比原始车轮踏面的轮缘厚度减小了 2mm，同时降低了 轮缘根部的斜度，即使它与轨肩突出而未打磨的钢轨匹配时，也不易产生过大的等效锥度， 提高了车轮踏面对未打磨钢轨的适应能力。同时，可缓解车辆二次蛇行失稳带来的动力学 问题。
[0029] 3、优化车轮踏面外端直线段CD的斜度比原始车轮踏面该部位的斜度增大了一 倍。即使它与过度打磨钢轨匹配时，也不易产生过小的等效锥度，提高了车轮踏面对过度打 磨钢轨的适应能力。同时，可缓解车辆一次蛇行失稳带来的动力学问题。
[0030] 表1优化车轮踏面与原始车轮踏面关键参数对比
【附图说明】
[0032] 图1优化车轮踏面的设计方法示意图
[0033] 图2优化车轮踏面与原始车轮踏面对比示意图
[0034] 图3车轮踏面与标准钢轨匹配时的轮轨接触关系示意图
[0035] 图4车轮踏面与轨肩突出未打磨钢轨匹配时的轮轨接触关系示意图
[0036] 图5车轮踏面与过度打磨钢轨匹配时的轮轨接触关系示意图
[0037] 图6原始车轮踏面与不同廓形钢轨匹配时的等效锥度示意图
[0038] 图7优化车轮踏面与不同廓形钢轨匹配时的等效锥度示意图
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