【原】【深度】歐洲“自由車輪”突破性創(chuàng)新！鐵路有箍車輪重獲新生

蔚藍(lán)軌跡Rail 2023-03-17 發(fā)布于北京

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簡介

歐洲“自由車輪”（Liberty Wheel）項目：一種可持續(xù)、環(huán)保、可靠和節(jié)約成本的創(chuàng)新。

歐洲“自由車輪”研究項目旨在在可持續(xù)性、環(huán)境影響和碳足跡方面找到一個可行的替代方案，解決整體輪面臨的主要關(guān)鍵問題，并能夠持續(xù)節(jié)約成本。近日，該項目實現(xiàn)突破性創(chuàng)新。

正文

“自由車輪”項目是佛羅倫薩大學(xué)、AB咨詢公司、兩個鑄造廠（Zanardi Fonderie和 Fonderia Baraldi Silvano）、一個車輪修理工廠（Nuova Comafer，現(xiàn)Comafer）、一個認(rèn)證機(jī)構(gòu)（意大利認(rèn)證機(jī)構(gòu)）和意大利區(qū)域客運列車公司Trenord共同合作，開展研究。

現(xiàn)行規(guī)則要求車軸和車輪均要設(shè)計為“無限壽命”，即應(yīng)力低于“疲勞極限”。NDT（主要是UT和MT）定期檢查鋼的完整性和損壞情況，以確保安全操作。但這僅僅是理論上的，與實際情況并不符。由于在使用中的自然磨損，必須對整體輪進(jìn)行鏇修（有時非常頻繁），直到其不得不報廢，然后回收（即重熔）整個車輪。在車輪更換過程中，車軸上的輪座可能（而且經(jīng)常）損壞，可能需要整修作業(yè)。

有一種可能，能夠大大減少目前存在的缺點，并回到鐵路的起源：采用有箍輪。

鐵路起源于有箍輪，并已在鐵路機(jī)車車輛上使用了大約150年。原則上，有箍輪能夠滿足所有的設(shè)計要求。在正常情況下，只需要更換輪箍。

然而，最關(guān)鍵的問題是在維保過程中發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)輪箍完全磨損或因其他原因需要更換（例如無法拆卸的扁平輪）時，傳統(tǒng)的大修程序包括以下步驟：

●安全環(huán)（也稱為“Gibson環(huán)”）必須用車床來拆卸

●輪箍必須通過加熱或使用鋸子切割，不可避免地會損壞輪心

●輪心必須再次滾動至車床上

●原（或半成品）輪箍必須“適應(yīng)”立式車床上的特定輪心

●輪箍被加熱和冷裝至輪心

●一旦冷卻完成，必須使用車床進(jìn)行鏇輪。

在此規(guī)則下，相比于整體論，有箍輪過于昂貴和費力。

因此，該項目的第一階段調(diào)研了維保程序從未更新的原因，并尋找替代方案，使其再次具有競爭力。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了一種適合于此目的的創(chuàng)新解決方案，并兼顧：

●現(xiàn)代客運列車都采用了制動盤，輪箍加熱不再是一個問題，允許使用更輕的輪箍，組裝干擾更少，應(yīng)力更小，并增加了安全性

●一旦消除了熱量輸入，傳統(tǒng)的圓柱形接頭就被自鎖錐形接頭取代，非常容易在普通數(shù)控車床上加工

●Gibson環(huán)已經(jīng)消失，大大簡化了車輪拆卸程序

●輪箍加熱，無論是用于安裝和拆卸，現(xiàn)在可以與中頻感應(yīng)加熱裝置，而不對輪心造成任何損害

●可以購買隨時可以安裝的完全加工輪箍

●因此，經(jīng)過改良的有箍輪，整個維保周期內(nèi)均不需要任何機(jī)床，可以在任何地方用非常有限和低成本的設(shè)備且可以由不熟練的人員進(jìn)行操作。

新有箍輪設(shè)計階段減少厚度，可能導(dǎo)致輪箍與輪心之間無法實現(xiàn)最佳耦合，從而使安裝壓力的發(fā)生較大變化。

由于無法實現(xiàn)安裝壓力均勻性，采用熱鍛造波紋輪心的解決方案不具可行性。

研究團(tuán)隊最終決定通過重新評估一種可以追溯到鐵路起源的實踐來解決這個問題：輻條輪心。它最初用于連接蒸汽機(jī)車軸承，在這里采用是為了減重，部分受 Griffin和Boxpok wheels輪的啟發(fā)：使用兩排平行的輻條。這種結(jié)構(gòu)能夠滿足所有的強(qiáng)度和重量要求。

但這種方案的輪心形狀過于復(fù)雜，無法有效地鑄造在鋼中。由于鋼水的高粘度，因此無法使用薄壁或厚度變化較大的鑄件。在鑄鋼件冷卻過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，需要通過研磨和焊接進(jìn)行局部修復(fù)，這在車輪上是不可接受的。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種相對低成本、低風(fēng)險、高強(qiáng)度的替代材料。之所以放棄材料鋁的方案，是因為過去的嘗試，且這種材料尚未工業(yè)化應(yīng)用于車輪，于是焦點轉(zhuǎn)向了鑄鐵材料。在這種材料的傳統(tǒng)觀點中，灰色的鑄鐵非常適合復(fù)雜的鑄件（例如，裝飾性的鑄件，如長椅、欄桿、燈柱等和體積笨重的機(jī)械部件（大型機(jī)床、渦輪機(jī)箱、往復(fù)發(fā)動機(jī)缸體等）。但這種材料機(jī)械強(qiáng)度不足，而且更重要的是，過于易碎。

這一概念在20世紀(jì)40年代引入球墨鑄鐵的后發(fā)生了巨大的改變。首先是20世紀(jì)70年代等溫淬火熱處理的應(yīng)用，產(chǎn)生了ADI（奧貝球墨鑄鐵）。ADI的性能令人震驚，在極限拉伸應(yīng)力、疲勞性能和韌性方面可與淬火合金鋼和回火合金鋼相媲美。

作為意大利ADI的先驅(qū)之一，Zanardi Fonderie資助了一項PhD基金，并由此產(chǎn)生了12個鑄造輪心的概念、設(shè)計、生產(chǎn)和測試，與上述有箍輪深度審查相結(jié)合。

設(shè)計過程采用了最先進(jìn)的計算技術(shù)，包括非線性行為的模擬和接觸管理以及鑄造模擬。與軸對稱輪心相比，由于空隙防止了裂紋向整個輪心的傳播，所以14輻條輪中心提供了額外的安全。輪箍配件的力量把輻條壓縮進(jìn)一步防止裂紋成核和延伸，使其比傳統(tǒng)有箍輪和彈性輪（如地鐵和有軌電車）更安全。