[发明专利]一种低磨耗的高速列车车轮型面优化设计方法

说明书

一种低磨耗的高速列车车轮型面优化设计方法，该方法将CN车轮型面曲线等弧长分割，取N个离散坐标点作为型值点，重构车轮型面曲线。以N个型值顶点的纵坐标为设计变量，以降低车轮磨耗功的线路均值和轮轨横向力为目标函数，以磨耗车轮型面统计量、型面曲线的凹凸性及连续性为几何约束条件，建立高速列车车轮型面多目标优化模型，采用粒子群智能仿生算法对优化模型进行多目标寻优计算。结果表明，优化型面轮缘部分与轨道侧面接触点明显减少，一位轮对磨耗功的线路均值比CN型面降低了26.8%；车轮的轮轨横向力减小，左、右轮轮轨横向力的均方根值降低了17.6%和18.3%；左右轮最大接触应力的均方根值分别降低了21.6%和19.8%；左、右轮脱轨系数的均方根值降低了9.5%和6.2%。

技术领域

本发明涉及一种低磨耗的高速列车车轮型面优化设计方法，属高速列车车轮技术领域。

背景技术

车轮型面是决定高速列车车辆蛇行稳定性、曲线通过性能、轮轨磨耗以及脱轨安全性等动力学性能的重要参数。在车轮型面优化设计中,需要反复地进行外形曲线修改及性能计算,采用合理的型面参数化设计尤为重要。目前对于车轮型面的数学描述方法主要有几种：1）有限离散点的数学拟合方法，如Shevtsov等以车轮型面的垂向坐标为设计变量、以车轮的滚动半径差为目标函数建立车轮型面优化模型；Hamid等提出三次样条的保凸插值方法，保证车轮型面的凸凹性和单调性；柳拥军利用离散点的B样条拟合描述车轮型面，并应用于基于滚动半径差的优化设计中；张剑, 金学松采用离散点3次样条表示，并保持车轮型面的横坐标y不变，选用纵坐标z作为设计变量进行型面数值分析；Choromaski用切比雪夫正交多项式来描述车轮型面；2）以型面上点的几何特性为设计变量的数学描述方法，Heller等以型面上点的切线斜率和该点处的圆弧半径为设计变量，以车辆的稳定性和曲线通过性能为目标函数进行型面优化；Persson以车轮型面上点的高次导数为设计变量，以车辆动力学性能相关的罚因子的加权和为目标函数建立型面优化模型；3）以有限段圆弧拟合的车轮型面描述方法，Smith等提出了圆弧形轮轨型面同步优化设计方法；成棣，王成国采用多段衔接的不同半径圆弧及圆心为设计变量，建立型面的多目标优化设计模型。同时有的学者从轮轨接触几何特性为设计变量，设计目标优化函数，反推车轮型面，沈钢、叶志森等提出用接触角曲线反推的方法来设计车轮踏面外形的优化方法,为车轮型面外形的设计提供了一个新思路。

轮轨匹配关系直接影响铁路车辆的安全特性及运输成本。在既定的轮轨系统结构及运营环境下，对车轮型面进行优化，寻找良好的轮轨接触和匹配特性，成为降低轮轨磨耗最直接有效的方法。

车轮型面优化需要综合考虑车辆、轨道结构及力学特性、运营条件等诸因素，目前大多优化模型中针对车轮踏面部分进行优化分析，缺少轮缘部分的优化，而轮缘对车轮型面及车辆综合特性有着重要影响。

发明内容

本发明的目的是，根据现有车轮型面优化存在的问题，本发明提出一种低磨耗的高速列车车轮型面优化设计方法。

实现本发明的技术方案是，本发明一种高速列车车轮型面优化设计方法，将高速列车车轮型面曲线等弧长分割，取得N个离散坐标点作为型值点，重构车轮型面曲线，以N个型值顶点的纵坐标为设计变量，以降低车轮磨耗功的线路均值和轮轨横向力为目标函数，以车轮磨耗车轮型面统计量、型面曲线的凹凸性及连续性为几何约束条件，建立高速列车车轮型面多目标优化模型，并采用PSO粒子群智能仿生算法对优化模型进行多目标寻优计算。

本发明高速列车车轮型面多目标优化模型的设计变量按下列方式确定：对高速列车车轮型面的x=[1,120]mm内的曲线总长度进行14,19,24段等弧长分割，获取N=15,20,25个离散坐标点，设定为型值点，建立NURBS曲线参数化设计方法，并计算三种情况下的拟合曲线与CN曲线的相关系数分别为0.83,0.93, 0.97，对比分析后选取19段分割法即取N=20个型值点，满足对车轮型面形状的良好描述，求取NURBS参数化曲线及型值点的横坐标位置。以其对应的纵坐标为设计变量，进行车轮型面曲线的参数化设计。