一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法
【專利摘要】一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，該方法將高速列車車輪型面曲線等弧長分割，取N個離散坐標點作為型值點，重構車輪型面曲線。以N個型值頂點的縱坐標為設計變量，以降低車輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標函數，以磨耗車輪型面統計量、型面曲線的凹凸性及連續性為幾何約束條件，建立高速列車車輪型面多目標優化模型，對優化模型進行多目標尋優計算。結果表明，優化型面輪緣部分與軌道側面接觸點明顯減少，一位輪對磨耗功的線路均值比原標準型面降低了26.8%；車輪的輪軌橫向力減小，左、右輪輪軌橫向力的均方根值降低了17.6%和18.3%；左右輪最大接觸應力的均方根值分別降低了21.6%和19.8%；左、右輪脫軌系數的均方根值降低了9.5%和6.2%。
【專利說明】一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，屬高速列車車輪【技術領域】。
【背景技術】
[0002]車輪型面是決定高速列車車輛蛇行穩定性、曲線通過性能、輪軌磨耗以及脫軌安全性等動力學性能的重要參數。在車輪型面優化設計中，需要反復地進行外形曲線修改及性能計算，采用合理的型面參數化設計尤為重要。目前對于車輪型面的數學描述方法主要有幾種:1)有限離散點的數學擬合方法，如Shevtsov等以車輪型面的垂向坐標為設計變量、以車輪的滾動半徑差為目標函數建立車輪型面優化模型；Hamid等提出三次樣條的保凸插值方法，保證車輪型面的凸凹性和單調性；柳擁軍利用離散點的B樣條擬合描述車輪型面，并應用于基于滾動半徑差的優化設計中；張劍，金學松采用離散點3次樣條表示，并保持車輪型面的橫坐標y不變，選用縱坐標z作為設計變量進行型面數值分析；Choromaski用切比雪夫正交多項式來描述車輪型面；2)以型面上點的幾何特性為設計變量的數學描述方法，Heller等以型面上點的切線斜率和該點處的圓弧半徑為設計變量，以車輛的穩定性和曲線通過性能為目標函數進行型面優化；PerSSOn以車輪型面上點的高次導數為設計變量，以車輛動力學性能相關的罰因子的加權和為目標函數建立型面優化模型；3)以有限段圓弧擬合的車輪型面描述方法，Smith等提出了圓弧形輪軌型面同步優化設計方法；成棣，王成國采用多段銜接的不同半徑圓弧及圓心為設計變量，建立型面的多目標優化設計模型。同時有的學者從輪軌接觸幾何特性為設計變量，設計目標優化函數，反推車輪型面，沈鋼、葉志森等提出用接觸角曲線反推的方法來設計車輪踏面外形的優化方法，為車輪型面外形的設計提供了 一個新思路。
[0003]輪軌匹配關系直接影響鐵路車輛的安全特性及運輸成本。在既定的輪軌系統結構及運營環境下，對車輪型面進行優化，尋找良好的輪軌接觸和匹配特性，成為降低輪軌磨耗最直接有效的方法。
[0004]車輪型面優化需要綜合考慮車輛、軌道結構及力學特性、運營條件等諸因素，目前大多優化模型中針對車輪踏面部分進行優化分析，缺少輪緣部分的優化，而輪緣對車輪型面及車輛綜合特性有著重要影響。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是，根據現有車輪型面優化存在的問題，本發明提出一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法。
[0006]實現本發明的技術方案是，本發明一種高速列車車輪型面優化設計方法，將高速列車車輪型面曲線等弧長分割，取得N個離散坐標點作為型值點，重構車輪型面曲線，以N個型值頂點的縱坐標為設計變量，以降低車輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標函數，以車輪磨耗車輪型面統計量、型面曲線的凹凸性及連續性為幾何約束條件，建立高速列車車輪型面多目標優化模型，并采用PSO粒子群智能仿生算法對優化模型進行多目標尋優計算。
[0007]本發明高速列車車輪型面多目標優化模型的設計變量按下列方式確定:對高速列車車輪型面的X = [I, 120]mm內的曲線總長度進行14，19，24段等弧長分割，獲取N =15，20，25個離散坐標點，設定為型值點Cli (i = 0，1...，η)，建立NURBS曲線參數化設計方法，并計算三種情況下的擬合曲線與CN曲線的相關系數分別為0.83，0.93，0.97，對比分析后選取19段分割法即取N = 20個型值點，滿足對車輪型面形狀的良好描述，求取NURBS參數化曲線及型值點的橫坐標位置。以其對應的縱坐標yi(i = 1,2...20)為設計變量，進行車輪型面曲線的參數化設計。
[0008]本發明高速列車車輪型面多目標優化模型以降低車輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標，建立以下目標函數:
[0009](I)降低車輪磨耗目標函數
【權利要求】
1.一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，其特征在于，所述方法將高速列車車輪型面曲線等弧長分割，取得N個離散坐標點作為型值點，重構車輪型面曲線；以N個型值頂點的縱坐標為設計變量，以降低車輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標函數，以車輪磨耗車輪型面統計量、型面曲線的凹凸性及連續性為幾何約束條件，建立高速列車車輪型面多目標優化模型，并采用PSO粒子群智能仿生算法對優化模型進行多目標尋優計
2.根據權利要求1所述的一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，其特征在于，所述目標函數包括降低車輪磨耗目標函數和最大輪軌橫向力目標函數； 所述降低車輪磨耗目標函數的表達式為；
3.根據權利要求1所述的一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，其特征在于，所述幾何約束條件包括車輪幾何約束條件、最大輪軌接觸應力約束條件和脫軌系數約束條件； 所述最大輪軌接觸應力約束條件為； (P1-D I ) < O
、丄 wheel_opti, max I rms 1 wheel, max I rms^ 式中，PwhMl，max為使用原來車輪型面的輪軌最大接觸應力，并對其取均方根值；Pwheel-opti,max為采用優化車輪型面的輪軌最大接觸應力； 所述脫軌系數約束條件為；
4.根據權利要求3所述的一種低磨耗的高速列車車輪型面優化設計方法，其特征在于，所述車輪幾何約束條件包括型值點的縱坐標范圍約束條件，車輪緣頂到踏面曲線的單調非遞減約束條件和車輪型面凹凸性約束條件；所述型值點的縱坐標范圍約束條件為，選取某動車組運營20萬公里的8個車輪磨耗統計型面和其標準車輪型面作為設計變量的上下邊界條件:
Cdown(Yi) ≤ Yi ≤ Cup i e (I, 2, K, 20) 式中，Cdown(Yi)1Cup分別為磨耗統計型面和其標準車輪型面的邊界條件； 所述車輪緣頂到踏面曲線的單調非遞減約束條件為，設優化車輪型面曲線擬合函數為g(Yi)，則車輪輪緣頂到踏面部分的曲線有:f[g' (Yi)]≥Oie (5,..., 20) 所述車輪型面凹凸性約束條件為，基于車輪型面統計分析，設定型面包括兩種凹凸變化情況，即凹-凸變化和凹-凸-凹變化形式； 凹-凸-凹變化約束條件為，
【文檔編號】G06F17/50GK104036089SQ201410288791
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】林鳳濤, 董孝卿 申請人:華東交通大學, 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所