[发明专利]一种变轨距转向架车轮踏面廓形设计方法

说明书

本发明公开了一种变轨距转向架车轮踏面廓形设计方法。本发明采用多层优化循环设计方法，能够设计出同时适用于不同轨距和不同轨底坡下的变轨距转向架车轮踏面廓形。设计出的车轮踏面廓形，在保证初始等效锥度设计目标的同时，还能够具有很好的轮轨几何参数灵敏度和符合标准要求的车辆动力学性能。

技术领域

本申请涉及铁路轨道技术领域，具体涉及一种变轨距转向架车轮踏面廓形设计方法。

背景技术

不同国家之间的铁路轨距存在较大差异，其中欧洲大部分国家、土耳其、伊朗以及中国为标准轨距1435mm；俄罗斯采用的是轨距为1520mm的宽轨；孟加拉国、巴基斯坦、印度等南亚国家多数采用1676mm的宽轨；东南亚地区的缅甸、越南等国则多数采用轨距为1000mm的窄轨。

为实现不同轨距轨道系统联运，可以采取统一轨距、转运、更换转向架、铁路驼背运输车和变轨距转向架等方案。变轨距转向架方案，即轮对的内侧距可以自行调整以适应不同轨距，完全避免了如转运、更换转向架等方案在车站花费大量换装时间的问题，同时也不需要像铁路驼背运输车那样需要借助其他运输设备，车辆只需经过地面变轨设施即可自行完成轮对内侧距调整，从而适应不同轨距。

国外在20世纪60年代～90年代已经进行了大量的变轨距转向架应用研究。研发最早且最具代表性的是西班牙Talgo独立旋转车轮变轨距转向架，兼容西班牙宽轨1668mm与法国准轨1435mm。德国继西班牙之后于20世纪80年代研制出基于传统整体轮对形式的DBAG/Rafil V型货车变轨距转向架，波兰在20世纪90年代研制出基于传统整体轮对形式的SUW2000型客车变轨距转向架，俄罗斯研制了货运罐车变轨距转向架，用于兼容准轨1435mm和宽轨1520mm。日本于20世纪90年代研制出独立旋转车轮的E30型变轨距转向架，用于兼容准轨1435mm和窄轨1067mm。

中国在2000年后开始变轨距转向架技术相关研究，参考了西班牙Talgo变轨距转向架方案，设计了一种最高运营速度160km/h的客车变轨距转向架，用于准轨和宽轨间转换。我国科技部2016年重点专项已进行260km/h以上变轨距转向架技术研究和样机研制，覆盖多种轨距轨道系统。

日本通过滚振试验研究了变轨距转向架的临界速度，左右侧车轮独立旋转时车辆临界速度达到450km/h以上，而两侧车轮耦合时车辆临界速度仅为150km/h，在1435mm和1067mm两种轨距条件下的结果基本相同。针对我国标准钢轨廓形CHN60及其打磨廓形60D和60N，钢轨廓形对轮轨接触几何关系、滚动接触行为和车辆动力学性能有显著影响，合理的轮轨型面匹配应从局部的轮轨接触关系和宏观的车辆动力学性能两方面综合评价。

针对我国主流的3种车轮踏面LM、LMA和S1002CN，轨距变化会带来轮轨接触关系和车辆运行安全性和平稳性的变化。LM和LMA踏面与标准钢轨CHN60匹配的轮轨接触关系和接触应力分布表明，1/20轨底坡时LM踏面优于LMA踏面，因为LM踏面常接触区近似锥形，对轨底坡适应性好，而LMA仅在1/40轨底坡情况下接触关系良好。

沈钢等研究根据轮径差、接触角和轨面外形为边界条件和设计目标，对车轮踏面廓形进行反向设计。干锋等给出一种根据轮轨初始接触点、轮径差和轨面外形的车轮踏面反向优化设计方法，并应用于低速踏面LM和高速踏面S1002CN的车轮踏面廓形设计中。目前，上述踏面反向设计方法仅针对一种轨距轨道系统展开，若针对两种轨距系统必须考虑踏面在两种轨距轨道系统的兼容性，需要设定更复杂的边界条件，得出的踏面廓形与原始廓形有一定的差异。可以采用优化算法设计适应两种轨距以上轨道系统的车轮踏面。

因此现有研究并未掌握不同轨距轨道系统的轮轨接触关系特征，缺乏适应不同轨距轨道系统的车轮踏面设计方法或轮轨接触关系目标。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种变轨距转向架车轮踏面廓形设计方法解决了缺乏适应不同轨距轨道系统的车轮踏面设计方法的问题。