[发明专利]一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法

权利要求书

1.一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先给定钢轨外形、轨底坡、钢轨顶面的接触点区域及其待优化的轮踏面外形，根据轮轨几何匹配计算，求出左右轮径差相对于不同轮对横移量的曲线，即轮径差曲线；

2)根据车辆的动力学性能要求通过三点一斜度法将轮径差曲线优化，直到满足车辆直线运行稳定性和曲线通过性能为止，将优化后的轮径差曲线作为设计目标函数；

3)将优化后的轮径差曲线反推踏面外形，得到与钢轨相接处部分的外形；

4)通过拼接原踏面外形得到整个外形，调整轮缘厚度、轮缘高度、轮缘角度；

5)再对设计好的踏面外形进行轮轨几何匹配计算，求出实际的轮径差曲线，并与设计目标曲线进行比较，计算相对误差，判断该误差是否超过设定值，若为是，执行步骤6)，若为否，得到最终的车轮踏面外形；

6)调整迭代计算参数，并返回步骤4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的三点一斜度法为：

在曲线上选取三个控制点，在两点之间进行埃尔米特插值；第三个控制点为不动点，其后的一段函数曲线不作调整，并采用原始轮径差，调整第一个控制点，将其横坐标固定，通过调整其纵坐标来改变等效斜率，以满足的直线稳定性或直线对中性；调整第二个控制点，优化列车的曲线通过性能，减少轮缘磨耗。

3.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的将优化后的轮径差曲线反推踏面外形包括以下步骤：

定义优化后的轮径差曲线ΔR(Ys)，Ys为轮对相对于轨道的横移量，欲求的踏面曲线为Zw(Yw)，给定的钢轨曲线为Zr(Yr)，gw(Yw)和gr(Yr)分别为轮和轨外形的梯度，d(Ys)为接触点在钢轨头部的偏移量；

给定ΔR(Ys)、Zr(Yr)和d(Ys)，求Zw(Yw)；

首先假定：

a)左右轮轨几何外形对称；

b)轮径差曲线为单调变化；

c)钢轨上的接触点偏移单向，即d(Ys)≥0，当Ys≥0；d(Ys)＜0，当Ys＜0；

d)轮轨刚性，接触为单点接触；

当Ys＝a时，轮径差为ΔR(a)，右轮与右轨的接触点为Aw(Ywa，Zwa)，左轮与左轨的接触点为Bw(Ywb，Zwb)，对应的踏面梯度为gw(Ywa)和gw(Ywb)，这时轮对的侧滚角为φa，右轨与右轨的接触点为Ar(Yra，Zra)，左轨与左轨的接触点为Br(Yrb，Zrb)，对应的钢轨外形梯度为gr(Yra)和gr(Yrb)，设踏面与钢轨外形的原点为轮对横移量Ys＝0时的接触点，也是名义滚动圆的圆心处，则它们之间存在如下关系：

Z_wa-Z_wb＝ΔR(a)                                         (1)

Y_wacos(φ_a)-Z_wasin(φ_a)+r₀+sin(φ_a)-b(1-cos(φ_a))＝-a+δ(a)(2)

Y_wbcos(φ_a)-Z_wbsin(φ_a)+r₀+sin(φ_a)-b(1-cos(φ_a))＝a+δ(-a)(3)

g_w(Y_wa)+φ_a＝g_r(Y_ra)                                    (4)

g_w(Y_wb)-φ_a＝g_r(Y_rb)                                    (5)

Z_wacos(φ_a)+Y_wasin(φ_a)+bsin(φ_a)+r₀(1-cos(φ_a))＝Z_ra   (6)

Z_wbcos(φ_a)+Y_wbsin(φ_a)+bsin(φ_a)+r₀(1-cos(φ_a))＝Z_rb   (7)

φa=atan(Zrb-Zra2b)---(8)]]>

这里b为左右滚动园间距之半，r0为名义滚动园半径；

令Ys＝0时，Aw、Bw、Ar、Br重合于一点，且该点的gw(0)＝gr(0)＝ΔR′(0)，φa＝0，d(0)＝0；

当Ys有微小增量a时，假定踏面和钢轨线形的梯度为常数，可以根据公式(1)～(8)求出踏面接触点的微增量，依次类推，构成一迭代方程组，求出在指定横移量变化范围内的踏面接触点的离散坐标值。