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原文传递高速列车车轮磨耗及型面优化研究

论文题名：	高速列车车轮磨耗及型面优化研究
关键词：	高速列车;车轮磨耗;型面优化;轮轨匹配;动力学性能
摘要：	轮轨匹配问题是轮轨系统最基本的问题之一，它直接影响轮轨相互作用和车辆动力学性能。随着我国动车组大规模的高速运营，轮轨磨耗问题日益突出，严重的磨耗影响车轮的使用寿命及列车运行的安全性、平稳性。在既定的轮轨系统结构及运营环境下，对车轮型面优化设计，寻找轮轨接触特性良好的低磨耗车轮型面，就成为缓解轮轨磨耗问题最经济、有效的方法。　　本文基于轮轨滚动接触理论、采用轮轨磨耗数值分析方法，结合车轮-轨道系统动力学开展车轮磨耗预测研究，并与京津实测车轮磨耗对比分析，在此基础上，建立低磨耗车轮型面的多目标优化模型，设计粒子群优化求解算法获得优化车轮型面，并对其磨耗及动力学特性进行对比验证。　　本文主要内容有: 　　1)从数值预测分析、现场测量和实验等三个方面对磨耗研究的历史、发展及研究成果进行回顾，详细叙述磨耗数值分析中较有影响的Pearce，Zobory，Jendel，Enblomd四种磨耗计算模型;同时对国内外车轮型面优化的研究历史、方法，技术手段及成果进行阐述，详细介绍了Heller，Choromanski，Shevtsov的设计方法及基于轮轨法向间隙和圆弧型车轮型面的优化设计方法; 　　2)论述了车轮型面几何特性、轮轨接触状态及基于迹线法的轮轨滚动接触几何计算。对等效锥度计算常用的KLINGEL方法和Δr函数线性回归法进行对比计算，结果表明，对于LMA/CHN60和CN/CHN60轮轨副来说，在y＜6mm的横移量内，两种算法计算值很接近，在y＞6mm横移量内，两种算法所得等效锥度的差值有所增大;对于XP55/CHN60轮轨副来说，在3＜y＜9mm横移量内，两种算法计算等效锥度差值很小，在y＜3mm和y＞9mm的横移量范围内，两种算法的等效锥度差值很大; 　　3)基于轮轨滚动法向接触和切向接触的相关理论，采用Kalker线性蠕滑理论及其简化理论、非椭圆滚动接触理论和半赫兹滚动接触理论四种模型对小曲线的轮轨蠕滑力进行计算，对比分析后选用半赫兹滚动接触理论模型做为本文轮轨蠕滑计算模型; 　　4)建立CRH3动车组的车辆-轨道系统动力学计算模型，通过三种工况下的仿真计算与及实测的振动特性对比，完成对车辆动力学模型的验证:①在抗蛇行为T60情况下，将CN型面更换为LMA型面时，出现车体横向共振;②将抗蛇行减振器T60更换为T70时，车体横向存在单频晃动;③运行20-30万公里时，采用T60抗蛇行减振器，构架横向出现明显的蛇行失稳现象，更换为T70减震器后，构架横向单频振动减弱，由此判定所建立的车辆轨道动力学模型可用于实际工程计算; 　　5)建立Archard和Specht车轮磨耗计算模型，并集成车辆动力学计算模型、轮轨滚动接触分析模块，计算车轮踏面磨耗、磨耗型面等效锥度的演化历程，与京津城际铁路CRH3001C列动车组的ZE300100车的21.2～40.2万公里实测数据对比，分析结果表明Archard磨耗模型的计算及磨耗预测更能反映实测规律，选用该模型用于车轮磨耗分析; 　　6)基于标准粒子群算法基本原理，对算法中的惯性权重和加速因子两个参数的进行改进，并使用3个基准函数测试优化算法的性能，结果显示，改进的优化算法计算耗时缩短9.85％～13.25％，平均全局优化迭代次数加快18.21％～23.03％，表明改进的优化粒子群算法有很好的寻优能力和收敛特性; 　　7)基于非均匀有理B样条曲线理论(NURBS)，结合车轮型面曲线特点，对车轮型面x=[1，120]mm内曲线等弧长均匀分割取得N个型值点并确定N+2个权因子，提出车轮型面的连续性、平滑性、凹凸性的几何约束条件，建立CN型面曲线的三次NURBS的描述方法，计算在N=15，20，25个型值点三种情况下，CN型面重构曲线与原CN标准曲线相关系数分别为0.83，0.93，0.95，综合分析，选用N=20个型值点进行车轮型面描述，为型面优化模型中的参变量设计提供依据; 　　8)建立CRH3低磨耗车轮型面优化设计的多目标优化模型，结合车辆轨道系统动力学模型，采用改进的粒子群算法进行寻优计算求解，获得低磨耗的优化车轮型面CN-OPTI，并与CN标准型面进行对比分析: 　　①相对CN/CHN60轮轨副来说，CN-OPTI的接触分布更均匀，有较少的轮缘轨侧接触，这一改变对减少轮缘磨耗和轨道侧磨有利;CN-OPTI型面对不同轨底坡和轨距变化的适应性更好; 　　②采用Archard磨耗模型计算15万公里的CN和CN-OPTI两种型面磨耗，相对CN磨耗型面来说，CN-OPTI磨耗型面磨耗速率小，等效锥度变化慢; 　　③从大半径曲线通过的统计对比分析发现，把CN型面更换成CN-OPTI型面后，轮轨接触点横移量、轮缘冲角、轮轨最大接触压力及磨耗功等车辆动态特性得到改善，车体和构架横向振动特性改善不大;脱轨系数基本不变，而轮重减载率略有增大，但在安全限值内; 　　④采用Archard磨耗模型对两种型面进行15万公里车轮磨耗分析，对新轮/磨耗轨，磨耗轮/新轨和磨耗轮/磨耗轨三种匹配的直线和曲线工况分析来看，CN-OPTI型面磨耗速率较小，磨耗后型面的综合特性优于CN磨耗后型面;15万公里磨耗后型面的脱轨系数、轮轴横向力和轮重减载率等动力学指标均在安全限值范围内。
作者：	林凤涛
专业：	载运工具运用工程
导师：	王悦明
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2014
正文语种：	中文