重載鐵路輪軌磨耗預(yù)測及鋼軌型面優(yōu)化研究.pdf

1、重載鐵路運(yùn)輸運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低，是世界鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展的共同趨勢。在鐵路輪軌系統(tǒng)存在的諸多病害中，車輪與鋼軌的磨耗現(xiàn)象一直是最為普遍并且難以解決的問題。輪軌磨耗引起車輪與鋼軌型面的改變，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致輪軌接觸狀態(tài)和系統(tǒng)動(dòng)力性能發(fā)生變化，對列車運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性及系統(tǒng)各部件使用壽命都會(huì)產(chǎn)生較大影響。對于重載鐵路而言，輪軌磨耗問題尤為突出，養(yǎng)護(hù)維修工作巨大，磨耗超過一定限度如果沒有及時(shí)更換，則可能引起列車脫軌等重大事故。
　　本文

2、針對重載鐵路發(fā)展過程中凸顯出的輪軌磨耗問題，在對既有研究進(jìn)行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了較完善的輪軌磨耗演化發(fā)展的數(shù)值仿真預(yù)測模型，可對實(shí)際運(yùn)營條件下車輪和鋼軌的磨耗分布特征、發(fā)展過程、規(guī)律進(jìn)行分析預(yù)測。首次對軌道柔性在磨耗計(jì)算中的影響進(jìn)行了探索研究。對關(guān)鍵參數(shù)、措施對于輪軌磨耗具體分布發(fā)展的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。提出了一種新的鋼軌型面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型方法，并采用此方法對重載鐵路R75鋼軌型面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了R75鋼軌優(yōu)化型面。主要研

3、究工作和成果如下:
　　(1)創(chuàng)建了輪軌磨耗演化發(fā)展的數(shù)值仿真預(yù)測模型。
　　針對輪軌磨耗問題目前的研究現(xiàn)狀及存在的問題，對重載鐵路輪軌磨耗演化過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究，提出并建立了整套的輪軌磨耗演化發(fā)展預(yù)測模型。模型由車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算、輪軌滾動(dòng)接觸分析、材料摩擦損失模型、復(fù)雜運(yùn)營條件的模擬策略、型面更新自適應(yīng)步長方法等內(nèi)容組成。基于Archard材料磨損理論模型，在車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真和輪軌局部接觸分析基礎(chǔ)上

4、進(jìn)行輪軌接觸斑磨耗深度分布計(jì)算;通過多工況仿真并引入無量綱的權(quán)重因子來實(shí)現(xiàn)對實(shí)際鐵路復(fù)雜運(yùn)營條件的合理模擬;采用了一種自適應(yīng)步長算法進(jìn)行輪軌型面的更新，可有效減少誤差累積、改善數(shù)值模型的穩(wěn)定性和可靠性。
　　開展數(shù)值試驗(yàn)對輪軌接觸斑網(wǎng)格密度對于粘著區(qū)滑動(dòng)區(qū)分布、蠕滑力分布、輪軌磨耗深度分布、輪軌磨耗速率指標(biāo)等的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對磨耗模型中合理的接觸斑網(wǎng)格密度取值進(jìn)行了探討。
　　(2)針對既有研究空白，首次對軌道柔性對于

5、輪軌磨耗計(jì)算的影響進(jìn)行了探索研究。
　　既有磨耗數(shù)值仿真研究中均未考慮軌道柔性的影響，針對此研究空白，本文對柔性軌道對輪軌磨耗的影響進(jìn)行了探索研究。首先，基于Pearce-Sherratt摩擦功磨耗理論建立了一種簡化的輪軌磨耗計(jì)算模型，以提高磨耗計(jì)算速度。通過與所建立的精確磨耗模型對比，對簡化模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。然后基于有限單元浮動(dòng)坐標(biāo)方法(FE/FFR)建立柔性軌道模型，通過縮減模態(tài)技術(shù)減少鋼軌振動(dòng)變形模態(tài)坐標(biāo)數(shù)目、消除高頻

6、模態(tài)以減小計(jì)算代價(jià)。然后通過合理的輪軌接觸算法和鋼軌幾何型面更新策略實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)與柔性軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合。
　　最后基于所建模型通過數(shù)值試驗(yàn)明確了理想軌道條件下和不平順軌道條件下柔性軌道對于輪軌磨耗發(fā)展的影響特性。
　　(3)系統(tǒng)研究掌握了實(shí)際運(yùn)營條件下重載鐵路車輪及鋼軌磨耗演化發(fā)展規(guī)律。
　　通過系統(tǒng)的仿真分析，掌握了重載鐵路直線地段和曲線地段鋼軌的磨耗分布特征和發(fā)展規(guī)律、以及車輛通過曲線條件下不同位置車輪的磨耗分

7、布發(fā)展特性，同時(shí)也驗(yàn)證了所建立的磨耗預(yù)測模型的合理性。并對大秦鐵路實(shí)際線路運(yùn)營條件下重載車輛各車輪的實(shí)際磨耗發(fā)展過程進(jìn)行了數(shù)值仿真預(yù)測。
　　(4)率先對關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)及措施對于輪軌磨耗分布發(fā)展的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為線路設(shè)計(jì)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)提供了理論依據(jù)和參考。
　　設(shè)計(jì)開展了系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)，對輪軌材料硬度、鋼軌軌底坡、貨車軸重、運(yùn)行速度等主要的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)及鋼軌潤滑等減磨措施對于輪軌磨耗水平以及具體分布發(fā)展?fàn)顩r的影響

8、規(guī)律、特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了系列的建議和原則。為線路設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理及養(yǎng)護(hù)維修提供了理論依據(jù)和參考。
　　(5)提出了一種新的鋼軌型面優(yōu)化模型方法，并給出了重載鐵路R75鋼軌優(yōu)化型面，可有效改善輪軌動(dòng)力相互作用，減緩磨耗發(fā)展。
　　對重載鐵路鋼軌型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了深入研究，提出了一種新的鋼軌型面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型方法。將鋼軌型面參數(shù)化處理，表示為一系列離散點(diǎn)坐標(biāo)變化量的廣義函數(shù)。然后以所有可能輪軌接觸情形下接觸點(diǎn)附近輪軌

9、型面共形度最高為原則設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造過程中，編制了輪軌接觸幾何算法以實(shí)現(xiàn)輪軌接觸點(diǎn)位置的快速探測。為了滿足一些基本限制，施加了一系列線性/非線性約束條件。這樣，將鋼軌型面優(yōu)化問題創(chuàng)新性地抽象為一個(gè)典型的單目標(biāo)多變量多約束非線性數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。采用序列二次規(guī)劃算法(SQP)結(jié)合拉格朗日方程、擬牛頓方法實(shí)現(xiàn)對此優(yōu)化模型的快速準(zhǔn)確求解。
　　基于所建立的優(yōu)化模型，對我國重載鐵路R75鋼軌型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以更好地匹配LM型車