[发明专利]一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法

说明书

一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括使用三次NURBS曲线构建磨损廓形的参数化模型；以磨损钢轨廓形NURBS参数化模型的可调整权因子为设计变量，轮轨接触应力和轮轨动力学性能指标为因变量，建立磨损钢轨打磨目标廓形性能的Kriging模型；以可调整权因子为设计变量，以钢轨打磨目标廓形性能的Kriging模型为目标函数，建立钢轨打磨目标廓形的优化设计模型，实现对磨损钢轨打磨目标廓形的最优设计；本发明的方法可实现对任意磨损钢轨进行打磨目标廓形的快速设计，具有设计效率高、设计结果准确的特点，解决了钢轨打磨需要使用数值仿真方法反复验算打磨目标廓形准确性而导致的设计效率低的问题。

技术领域

本发明属于机械工程钢轨打磨技术领域，特别涉及一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法。

背景技术

高速铁路钢轨打磨可以提高车辆的运行平稳性与稳定性，在钢轨打磨施工之前，为了保证钢轨打磨之后获得最优的车辆运行性能，通常需要在打磨之前根据打磨线路钢轨的损伤情况，对钢轨打磨目标廓形进行设计，确保获得最佳的轮轨接触状态。但是，由于车辆载荷和工况条件的差异，使得磨损钢轨的廓形千差万别，在每次打磨施工前都需要针对钢轨的磨损情况，重新设计钢轨打磨目标廓形。而当前，主要采用经验设计的方法确定钢轨初始打磨目标廓形，然后数值仿真计算方法，对该目标廓形下轮轨接触性能进行数值计算，通过反复修正、计算，直到获得最优的打磨目标廓形(马跃伟,任明法,胡广辉,等.高速铁路钢轨预打磨型面优化分析.机械工程学报,2012,48(8):90-97.)。该种设计方法存在着计算量大、计算周期长的问题，影响了钢轨打磨施工效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种针对磨损钢轨的打磨目标廓形快速设计方法，构建基于NURBS可调权因子的钢轨目标廓形参数化模型，建立轮轨接触性能指标关于可调权因子的Kriging代理模型，并以此为目标函数，以轮轨接触性能指标为优化目标，构建钢轨打磨目标廓形的优化设计模型，对打磨目标廓形进行设计。由于设计模型中目标函数使用了Kriging代理模型，不需要使用数值仿真计算方法计算不同打磨目标廓形的轮轨接触性能，避免了数值仿真计算导致的计算成本高、耗时长的问题，可显著提高打磨目标廓形的设计效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括以下步骤：

(1)使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型；

(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，并建立钢轨与车轮踏面的轮轨接触模型，用于分析轮轨接触应力值F；

(3)在动力学分析软件中建立磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，分析轮轨动力学性能指标H，包括轮轨滚动圆半径差λ，轮重减载率J；

(4)利用步骤(2)在有限元软件中构建磨损钢轨参数化模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量X对应的轮轨接触应力值F；

(5)利用步骤(3)建立的磨损钢轨与轨道车辆轮对接触的动力学分析模型，调整参数化变量X，获得具有不同廓形的钢轨模型，计算获得不同参数化变量对应的轮轨接触动力学性能指标H；

(6)使用步骤(4)和步骤(5)中的参数化变量X、轮轨接触应力值F和轮轨接触动力学性能指标H作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，构建钢轨廓形曲线参数X关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型；

(7)以轮轨接触应力F，轮轨滚动圆半径差λ和轮重减载率J作为优化目标，以钢轨参数化模型的参数化变量X为优化变量，以构建的钢轨廓形曲线参数关于轮轨接触应力F与动力学性能指标H的Kriging模型为目标函数，建立磨损钢轨的打磨目标廓形优化设计模型；