admin 百科大全 2023-03-17 21:57:53

【深度】欧洲“自由车轮”突破性创新！铁路有箍车轮重获新生

简介

欧洲“自由车轮”（Liberty Wheel）项目：一种可持续、环保、可靠和节约成本的创新。欧洲“自由车轮”研究项目旨在在可持续性、环境影响和碳足迹方面找到一个可行的替代方案，解决整体轮面临的主要关键问题，并能够持续节约成本。近日，该项目实现突破性创新。

正文

“自由车轮”项目是佛罗伦萨大学、AB咨询公司、两个铸造厂（Zanardi Fonderie和 Fonderia Baraldi Silvano）、一个车轮修理工厂（Nuova Comafer，现Comafer）、一个认证机构（意大利认证机构）和意大利区域客运列车公司Trenord共同合作，开展研究。现行规则要求车轴和车轮均要设计为“无限寿命”，即应力低于“疲劳极限”。NDT（主要是UT和MT）定期检查钢的完整性和损坏情况，以确保安全操作。但这仅仅是理论上的，与实际情况并不符。由于在使用中的自然磨损，必须对整体轮进行镟修（有时非常频繁），直到其不得不报废，然后回收（即重熔）整个车轮。在车轮更换过程中，车轴上的轮座可能（而且经常）损坏，可能需要整修作业。

有一种可能，能够大大减少目前存在的缺点，并回到铁路的起源：采用有箍轮。铁路起源于有箍轮，并已在铁路机车车辆上使用了大约150年。原则上，有箍轮能够满足所有的设计要求。在正常情况下，只需要更换轮箍。然而，最关键的问题是在维保过程中发现的。当轮箍完全磨损或因其他原因需要更换（例如无法拆卸的扁平轮）时，传统的大修程序包括以下步骤：●安全环（也称为“Gibson环”）必须用车床来拆卸●轮箍必须通过加热或使用锯子切割，不可避免地会损坏轮心●轮心必须再次滚动至车床上●原（或半成品）轮箍必须“适应”立式车床上的特定轮心●轮箍被加热和冷装至轮心●一旦冷却完成，必须使用车床进行镟轮。

在此规则下，相比于整体论，有箍轮过于昂贵和费力。因此，该项目的第一阶段调研了维保程序从未更新的原因，并寻找替代方案，使其再次具有竞争力。通过调研，发现了一种适合于此目的的创新解决方案，并兼顾：●现代客运列车都采用了制动盘，轮箍加热不再是一个问题，允许使用更轻的轮箍，组装干扰更少，应力更小，并增加了安全性●一旦消除了热量输入，传统的圆柱形接头就被自锁锥形接头取代，非常容易在普通数控车床上加工●Gibson环已经消失，大大简化了车轮拆卸程序●轮箍加热，无论是用于安装和拆卸，现在可以与中频感应加热装置，而不对轮心造成任何损害●可以购买随时可以安装的完全加工轮箍●因此，经过改良的有箍轮，整个维保周期内均不需要任何机床，可以在任何地方用非常有限和低成本的设备且可以由不熟练的人员进行操作。

新有箍轮设计阶段减少厚度，可能导致轮箍与轮心之间无法实现最佳耦合，从而使安装压力的发生较大变化。

由于无法实现安装压力均匀性，采用热锻造波纹轮心的解决方案不具可行性。研究团队最终决定通过重新评估一种可以追溯到铁路起源的实践来解决这个问题：辐条轮心。它最初用于连接蒸汽机车轴承，在这里采用是为了减重，部分受 Griffin和Boxpok wheels轮的启发：使用两排平行的辐条。这种结构能够满足所有的强度和重量要求。但这种方案的轮心形状过于复杂，无法有效地铸造在钢中。由于钢水的高粘度，因此无法使用薄壁或厚度变化较大的铸件。在铸钢件冷却过程中经常出现裂纹，需要通过研磨和焊接进行局部修复，这在车轮上是不可接受的。研究团队发现了一种相对低成本、低风险、高强度的替代材料。之所以放弃材料铝的方案，是因为过去的尝试，且这种材料尚未工业化应用于车轮，于是焦点转向了铸铁材料。在这种材料的传统观点中，灰色的铸铁非常适合复杂的铸件（例如，装饰性的铸件，如长椅、栏杆、灯柱等和体积笨重的机械部件（大型机床、涡轮机箱、往复发动机缸体等）。但这种材料机械强度不足，而且更重要的是，过于易碎。

这一概念在20世纪40年代引入球墨铸铁的后发生了巨大的改变。首先是20世纪70年代等温淬火热处理的应用，产生了ADI（奥贝球墨铸铁）。ADI的性能令人震惊，在极限拉伸应力、疲劳性能和韧性方面可与淬火合金钢和回火合金钢相媲美。

作为意大利ADI的先驱之一，Zanardi Fonderie资助了一项PhD基金，并由此产生了12个铸造轮心的概念、设计、生产和测试，与上述有箍轮深度审查相结合。

设计过程采用了最先进的计算技术，包括非线性行为的模拟和接触管理以及铸造模拟。与轴对称轮心相比，由于空隙防止了裂纹向整个轮心的传播，所以14辐条轮中心提供了额外的安全。轮箍配件的力量把辐条压缩进一步防止裂纹成核和延伸，使其比传统有箍轮和弹性轮（如地铁和有轨电车）更安全。

车轮被命名为“自由车轮”，因为它确保了在几个领域的自由：●轮箍更换无需机床，更换地点不受限制●轮心和轮轴理论上永远持续，因此轮对可能不需要传统的大修，因为所有的维保缺陷将集中在（容易更换）轮箍上●可以由大量的铸铁铸造厂制造，增加采购替代品，扩大市场●花卉形状让人想起了“自由”时期。2019年7月，在布雷西亚-埃多洛线的特定测试中，对“自由车轮”进行了实车（Trenord公司DMU）测试，证明其完全适用于改装解决方案。

“自由车轮”满足了最初设定的所有目标：●极大地减少了轮对大修过程中所需的能源（只有轮箍需要重新熔化和回收）●几乎无需轮对运输，允许以非常有限的成本进行现场维保，减少了碳足迹●高度可持续，因为它需要最少的原材料，减少能源需求●维保过程节约成本、减少废料、固定资产、物流和工具的完美选择，这些特点特别受到服务收入较低的公立小型/地区铁路企业的欢迎这是一个完全工程化和可靠的整体轮对替代方案，并潜在可能以从更多的制造商获得，且具有极低的全寿命周期成本。最后可以得出结论，“自由车轮”项目是完全成功的。在设计、制造、NDT、组装和测试方面获得的经验，使整个过程可以轻松再现。