文章

自由轮:可持续、环保、可靠、节约成本的创新

3.
股票

Andrea Bracciali和Gianluca Megna探索了自由轮项目的结果,该项目旨在寻找可持续性、环境影响和碳足迹方面的单体车轮的可行替代品,解决单体车轮的主要关键问题,并产生持续的资金节省。

DMU用来测试自由轮

用于测试自由轮的DMU (Iseo, 2019年11月)

自由轮是佛罗伦萨大学、AB咨询公司、两家铸造厂(Zanardi Fonderie和Fonderia Baraldi Silvano)、一家车轮修理厂(Nuova Comafer,现为Comafer)、一家认证机构(Italcertifer)和一家意大利区域客运列车公司Trenord合作项目的结果。

数字

轮胎车轮:轮胎安装在没有基台和吉布森环的车轮上(Comafer, 2018年10月)。

目前的规定要求双轴和轮子设计为“无限寿命”,即应力低于“疲劳极限”。通过NDT(主要是UT和MT)定期检查钢材的完整性和损坏情况,以确保安全操作。尽管理论上这种表演是永恒的,但现实却截然不同。由于使用中的自然磨损,单体车轮必须重新成型(有时相当频繁),直到它们不得不报废,回收(即重新熔化)整个车轮。在车轮更换过程中,轮轴上的轮座可能(而且经常是)损坏,可能需要转动。不幸的是,这个过程只能进行有限的次数,直到轴需要报废(和回收)。

数字

轮胎车轮:通过在线测试期间的热测量验证新轮胎设计(Iseo, 2019年7月)。

大幅减少目前状况的弊端的可能性是存在的,这可以追溯到铁路的起源:轮胎。

铁路起源于装备机车和牵引机车车辆的轮胎,已有大约150年的历史。原则上,轮胎可以满足所有的设计要求,并且基本上可以在汽车上看到,在正常情况下,轮胎是更换的,而轮辋是从不更换的。

数字

轮胎车轮:收缩安装在一个燕尾轮中心完全机械轮胎。注意没有任何基台和吉普森环。

虽然下面将介绍轮胎的优点,但人们首先试图了解轮胎在几十年前消失的原因。人们很快发现,与单块车轮相比,轮胎特别厚、特别重,因为胎面制动时的加热需要很大的质量和热惯性,以及与车轮中心的特别“坚固”的连接。结果,车轮中心也很笨重,增加了非簧载质量的价值。

然而,在维护过程中发现了最关键的问题。当轮胎完全磨损或因其他原因需要更换时(例如,无法拆卸胎平),传统的大修程序包括以下步骤:

  • 安全环(也称为“吉布森环”)必须用车床将其拆卸
  • 轮胎必须用手电筒或锯子切割,不可避免地会损坏车轮中心
  • 然后必须在车床上再次转动车轮中心
  • 原始(或半成品)轮胎必须“适应”特定的车轮中心在垂直车床上
  • 然后轮胎被加热并收缩到车轮中心
  • 一旦冷却完成,整个轮对必须在车床上重新成型。
数字

轮胎车轮:一套完成轮胎轮对(两个驱动,两个拖)为ALn 668。

这一过程导致了轮胎车轮的灭绝,因为与单块车轮相比,轮胎车轮过于昂贵和费力。

因此,该项目的第一阶段调查了维护过程从未更新的原因,并寻找替代方案,使其再次具有竞争力。考虑到以下因素,找到了适合这一目的的创新解决办法:

  • 现代客运列车都配备了制动盘,轮胎加热不再是问题,允许使用更轻的轮胎,减少装配干扰,减少压力,提高安全性
  • 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所取代,这非常容易在普通数控车床上加工
  • 吉布森环已经消失,大大简化了车轮拆卸程序
  • 轮胎加热,无论是安装还是拆卸,现在都可以使用中频感应加热器,而不会对车轮中心造成丝毫损害
  • 这最后一点使我们可以购买完全加工的轮胎,随时准备安装
  • 因此,这些改良轮胎车轮的整个维护周期不需要任何机床,可以在任何地方由不熟练的人员使用非常有限和低成本的设备进行。
数字

轮胎车轮:在线测试期间(Bornato/Calino, 2018年11月21日)。

在新轮胎的设计阶段,很明显,厚度的减少可能导致轮胎与车轮中心的次优耦合,导致安装压力的巨大变化。

数字

自由轮:检查轮胎冷却过程中的应力和应变自由轮

需要为轮胎找到一个更宽的支撑证明是非常具有挑战性的。使用热锻波纹轮中心的可能性被放弃,因为这种解决方案不能提供必要的安装压力均匀性。

数字

自由轮:全尺寸疲劳试验(Italcertifer Labs, 2019年5月)。

最终,他们决定通过重新评估一种可以追溯到铁路起源的做法来解决这个问题:轮辐中心。它最初被用于蒸汽机车的轴承,在这里被采用是为了节省质量,部分灵感来自Griffin和boxpok轮:使用两排平行辐条。这种结构被证明能满足所有的强度和重量要求。

不幸的是,车轮中心的形状太复杂,无法有效地用钢铸造。众所周知,由于钢水的高粘度,铸钢可能很困难,这阻碍了薄壁或厚度变化大的铸件的使用。裂纹经常出现在钢铸件冷却过程中,需要通过磨削和焊接进行局部修复,这在车轮上是不可接受的。

他们寻求一种相对低成本、低风险、高强度的替代材料。抛弃铝作为过去的尝试,这种材料并没有导致车轮上的任何工业应用,重点转向铸铁。在这种材料的传统观点中,灰铸铁非常适合用于复杂的铸件(例如,装饰性铸件,如长凳、栏杆、栏杆、灯柱等)和笨重的机械部件(大型机床、涡轮箱、往复式发动机缸体等),但缺乏机械强度,更重要的是,它很脆弱。

数字

自由轮线测试DMU (Iseo, 2019年7月)。

20世纪40年代球墨铸铁的引入彻底改变了这一概念,最重要的是,20世纪70年代等温热处理的应用,产生了ADI(等温球墨铸铁)。ADI的性能是惊人的,并直接与调质合金钢在极限拉应力,疲劳性能和韧性方面进行比较。

数字

自由轮: aln668 DMU转向架配备自由轮(2019年5月)。

作为ADI在意大利的先驱者之一,Zanardi Fonderie资助了一项博士资助,该资助导致了一套12个铸造车轮中心的概念,设计,生产和测试,融合了上述轮胎车轮深度审查的好处。

数字

自由轮:自由轮加工后的中心完全平衡(2019年3月)。

设计过程使用了最先进的计算技术,包括非线性行为模拟和接触管理以及铸造模拟。与轴对称轮毂中心相比,14条轮毂中心提供了额外的安全性,因为空隙防止裂纹扩展到整个轮毂中心,而且轮胎配件力将辐条压缩进一步防止裂纹形成和扩展,使其比传统轮胎车轮和弹性车轮更安全,例如在地铁和有轨电车中使用。

数字

自由轮:原始和自由轮中心(-50公斤)。

轮子被命名为自由轮因为它保证了几个领域的自由:

  • 它不需要更换轮胎的机床,这可以在任何地方进行
  • 从理论上讲,轮心和轮轴都可以永久使用,因此轮对可能不需要常规的大修,因为所有使用缺陷都集中在(容易更换的)轮胎上
  • 它可以由大量的铸铁铸造厂生产,增加了采购选择,扩大了市场
  • 它的花朵形状让人想起了“自由”时期。

2019年7月,自由轮在bres西亚- edolo线的具体试运行期间,在一辆真实的车辆(Trenord运营的DMU)上进行了测试,证明其完全有效,完全适合作为改造解决方案。

数字

自由轮:一套成品轮胎轮对(两个自由轮在前面)的ALn 668(2019年4月)。

自由轮满足最初设定的所有目标:

  • 它大大减少了轮对大修过程中所需的能源(只有轮胎需要重新熔化和回收)
  • 它几乎取消了轮对的物流,现在通常由卡车运输,允许现场维护成本非常有限,减少碳足迹
  • 它是高度可持续的,因为它需要最少的原材料和更少的能源需求
  • 它是在维护过程中节省资金、减少报废、固定资产、物流和工具的完美选择,这一特点特别受到公共资助的小型/区域铁路企业的欢迎,这些企业的服务收入较低
  • 这是一个完整的工程和可靠的替代单块轮对,潜在可从大量的制造商和极低的生命周期成本。

总之

可以得出这样的结论自由轮项目完全成功了。我们在设计、制造、无损检测、组装和测试方面获得的经验,使整个过程可以毫无顾虑地重复,我们很乐意帮助任何希望在其车辆上引入这一概念的公司。

安德里亚Bracciali

教授。安德里亚Bracciali自1994年起担任顾问,为铁路部门的私营和上市公司提供从轨道到列车问题的服务,特别关注车辆-轨道相互作用、运行动力学、高级结构计算、噪声、振动、磨损、滚动接触疲劳和部件的机械性能。作为意大利佛罗伦萨大学工程学院的教授,安德里亚自1989年以来,他就铁路问题发表演讲,发表了大约140篇论文和一本关于铁路噪音的书。他获得了几项机车车辆和轨道创新设备的专利。

蒋禄卡Megna

蒋禄卡Megna他是佛罗伦萨大学工业工程系的研究员。他于2015年毕业于机械工程专业,于2020年获得博士学位,讨论了一篇关于等温球墨铸铁在轨道车辆结构部件上应用的论文。结构动力学和运行动力学分析是他的主要研究领域,尤其关注轮轨接触管理和车轨相互作用。

相关的话题

相关的组织

相关区域