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原文传递基于接触应力分析的重载铁路钢轨打磨型面优化设计研究

论文题名：	基于接触应力分析的重载铁路钢轨打磨型面优化设计研究
关键词：	重载铁路;钢轨打磨型面;优化设计;接触应力
摘要：	重载铁路是当今铁路运输的重要发展方向之一。作为交通运输的大动脉，其对社会经济的发展起着十分重要的作用。随着重载列车运量不断增大、轴重不断提高，导致车轮与钢轨之间的接触应力增大的同时轮轨相互作用不断加剧，钢轨表面的损伤、病害等缺陷严重影响了列车的运行安全和钢轨的使用寿命。车轮和钢轨型面的匹配是否合理直接影响到轮轨间接触应力的大小，因此降低轮轨间接触应力的有效手段之一是对轮轨廓形进行优化设计。目前钢轨修型绝大部分情况下是通过钢轨打磨实现的。世界上主要的重载铁路大国都非常重视重载铁路钢轨打磨的目标型面设计。通过对钢轨打磨目标型面进行优化设计来降低轮轨间接触应力，实现重载铁路扩能增效、延长钢轨使用寿命等具有着重要的意义。　　本文提出了一种基于轮轨间接触应力分析的钢轨打磨型面优化设计方法。根据轮轨接触几何关系，使用APDL语言建立了轮轨接触有限元参数化模型，基于该模型在轮对动态横移范围内获取了轮轨间最大接触应力分布。以轮轨间接触应力为优化目标，建立了相应的钢轨型面优化方法并编制了优化程序。针对重载铁路轮轨间接触应力大，损伤严重等特点，使用该优化方法分别对重载线路标准型和磨耗型75kg/m钢轨进行了打磨目标廓形的优化设计，得到了与给定车轮匹配的预打磨和修复性打磨的目标廓形。对优化前后的轮轨接触几何性能以及接触应力对比分析。结果表明，优化后的钢轨与车轮匹配显著的降低了轮轨间最大接触应力。为线路钢轨的预打磨和修复性打磨目标型面的设计提供了指导，对预防钢轨表面滚动接触疲劳和延长钢轨更换的周期等具有积极的意义。论文的主要工作和结论如下: 　　(1)对国内外车轮和钢轨型面优化方法以及钢轨打磨技术的研究现状分别进行了综述。对钢轨打磨目标廓形的优化设计方法进行了总结。根据研究现状提出了本论文研究的切入点、研究思路及技术路线。　　(2)建立了直接以轮轨接触应力为优化目标的重载铁路钢轨型面优化设计方法。基于轮轨接触几何关系，使用APDL参数化语言建立了轮轨接触有限元参数化模型获得钢轨型面上不同位置处轮轨间最大接触应力。建立了钢轨廓形优化方法的数值算法。基于三维有限元接触应力分析和钢轨廓形优化算法的联合仿真建立了钢轨廓形优化设计的数值方法。　　(3)提出了一种基于三角函数对钢轨型面进行调整的方法，该调整函数易于控制廓形调整的深度和宽度，同时能够保证钢轨型面经调整后廓形函数光滑可导。基于轮轨间最大接触应力分布建立了钢轨打磨目标廓形的优化点位置、优化宽度、优化深度等参数的计算方法，定义了相关优化系数，讨论并分析了优化系数对轮轨间最大接触应力分布的影响。　　(4)利用所建立的参数化模型和优化方法对重载铁路标准型和磨耗型75kg/m钢轨分别进行了预打磨和修复性打磨目标型面的优化设计。结果表明:所设计的钢轨目标型面使轮轨接触应力和接触几何关系较优化前明显得到了改善，对延长钢轨的使用寿命具有重要的经济意义，为铁路部门钢轨打磨维护作业中目标型面的选择提供了指导。
作者：	黄佳乐
专业：	机械工程
导师：	郭俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文