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原文传递重载铁路钢轨个性化打磨廓形设计方法研究

论文题名：	重载铁路钢轨个性化打磨廓形设计方法研究
关键词：	重载铁路钢轨;纵向动力学;轮轨磨耗规律;NURBS曲线
摘要：	重载货运线路中各区段轮轨磨耗规律及打磨方法直接影响钢轨的服役寿命及列车运行安全，尽管我国的钢轨打磨技术发展日益成熟，但是在对于某些钢轨廓形曲率变化较快的线路区段上仍使用单一的钢轨打磨廓形进行打磨操作，获得的钢轨廓形可能并不适用于如今的铁路运营现状，并且造成较大的打磨误差和打磨成本，因此构建个性化多目标钢轨打磨廓形，对于优化轮轨关系，减少钢轨打磨成本，提高钢轨服役寿命及列车运行品质具有十分重要的意义。　　本文以我国重载铁路75kg/m钢轨作为研究对象，针对重载铁路动力学特性差异及不同区段钢轨磨耗规律，开展个性化钢轨打磨廓形设计方法研究，得到适用于重载铁路不同区段钢轨打磨目标廓形，为实现钢轨个性化打磨提供参考。主要研究工作和成果如下：　　（1）建立了单节列车及多编组列车纵向动力学模型，以及车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，比较并分析单节及多编组列车动力学性能差异，对列车纵向动力学建模及分析提供一定的参考。　　针对车辆行驶过程中各节列车之间的强烈非线性耦合关系，轨道结构参数对重载铁路轮轨关系的影响，建立了C70型货运列车、HXD2C型电力机车单节动力学模型，以17型车钩连接为代表的多编组3动2拖列车纵向动力学模型，并将刚性体75kg/m钢轨处理为柔性体，分析比较了钢轨刚性体情况下单节列车与多编组列车动力学特性差异，钢轨柔性体情况下单节列车与多编组列车动力学特性差异；纵向动力学模型由列车纵向动力学方程建立，车辆-轨道耦合动力学模型由轮轨刚柔耦合理论建立，动力学性能由车辆动力学评价指标体系进行分析。　　（2）基于重载铁路运营实际线路情况，系统地分析得出了不同线路区段钢轨的磨耗发展规律。　　以大秦重载铁路运营实际线路条件作为研究对象，通过轮轨磨耗理论进行轮轨磨耗演化发展规律的探究，得出了多编组列车通过钢轨不同区段的外轨和内轨，主要包括钢轨直线区段、缓和曲线区段、曲线区段的磨耗区间分布特征及磨耗发展规律。　　（3）基于NURBS曲线理论，提出了一种钢轨个性化打磨廓形设计方法，并构建了一种以减少钢轨材料打磨去除量，且改善轮轨接触几何特性为目标的磨耗钢轨个性化打磨廓形优化设计模型，并得到适用于不同区段钢轨的打磨目标廓形。　　针对重载铁路75kg/m钢轨廓形，提出一种钢轨个性化打磨目标廓形设计方法。基于NURBS曲线理论，采用三次非均匀有理B曲线设计方法，结合Cox-deBoor算法对钢轨廓形进行NURBS曲线拟合，基于内点算法并选取最优控制点位置、数量，并计算曲线拟合误差，最终确定了选用N=18的最优的控制点数，拟合、重构的误差最小，从而得到较准确的钢轨打磨廓形；结合重载铁路不同区段钢轨磨耗发展规律，建立了磨耗钢轨打磨廓形优化设计模型，设计以减少钢轨材料打磨去除量及改善轮轨接触几何特性的多目标优化函数，选取钢轨设计廓形上下边界、左右边界、首末控制点斜率、曲线凹凸性作为优化设计辅助约束函数，通过所建立相应的优化设计模型，不断地进行优化迭代，获得适用于不同区段钢轨的优化设计打磨目标廓形。对比分析了LM磨耗型车轮型面与标准75kg/m钢轨、运行不同里程磨耗钢轨、不同区段钢轨的优化设计打磨目标廓形的钢轨材料打磨去除量、轮轨接触几何特性。结果表明：三次NURBS曲线能够较高精度地对钢轨廓型曲线进行拟合、重构，能够到较准确的钢轨打磨廓形；采用个性化打磨廓形优化设计模型得到的不同区段优化设计廓形，能够有效地减少钢轨材料打磨去除量，改善轮轨接触过程中的应力集中，降低了轮轨间接触应力。　　（4）基于实测大秦线曲线区外轨磨耗廓形及现场打磨廓形，选取磨耗钢轨代表廓形，对所提出的个性化打磨廓形设计方法进行验证，并得到适用于现场打磨的个性化打磨目标廓形。　　基于实测曲线区磨耗钢轨廓形选取具有代表性的磨耗廓形作为打磨目标廓形设计输入条件，针对打磨现场传统做法为选取曲线区主要区段的截面磨耗廓形，并对比选取磨耗严重廓形，在此基础上分析得出曲线打磨廓形，即定义为传统单一打磨目标廓形，左右股采用相同打磨方式的局限性，采用所提出的个性化打磨廓形设计方法，分别对实测大秦线曲线区外轨磨耗廓形缓和曲线区段、恒定半径曲线区段进行优化设计，得到适用于现场的个性化打磨目标廓形；对比分析了LM磨耗型车轮型面与目标廓形、传统单一打磨目标廓形的轮轨接触几何特性、动力学性能、磨耗发展规律及轮轨滚动接触力学特性，进行多方向对比验证。结果表明：相较于传统单一打磨廓形，优化设计廓形轮轨接触几何分布均匀，动力学性能显著提升，改善了车辆入弯前后的运行性能和曲线通过性能，轮轨接触斑面积增加，且随轮对横移量变化平缓，最大Mises应力和最大法向接触应力相对于优化前均有明显改善，且能够有效延长曲线区段钢轨使用寿命。
作者：	庞华飞
专业：	车辆工程
导师：	林凤涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2022