基于改善轮轨接触状态的重载车轮型面优化

摘要

随着我国重载货车运输量的逐年增大，提高铁路列车的运行速度和轴重成为发展铁路运输的有效方式，也是我国铁路货运的发展方向。但是，这会加剧轮轨间的相互作用，导致车辆及轨道设备损坏增多、行车安全性降低以及轮轨间磨耗加剧等，这是我国发展重载运输急需解决的问题。轮轨接触几何关系是轮轨动力学及轮轨型面研究的基础之一，良好的钢轨型面与车轮踏面匹配，能够有效减少接触应力、降低轮轨磨耗速率以及延长车轮与钢轨的使用寿命。为了获得良好的动力学性能，改善轮轨接触状态和轮轨作用力，有必要根据现有线路优化出更优的重载车轮型面。
　　目前，重载线路主要采用60 kg/m和75 kg/m两种型号的钢轨，与LM磨耗型踏面配合必然会产生不同的静态接触性能和动力学性能，为了比较LM磨耗型踏面与两种钢轨的各项性能，分别建立了轮轨静态接触模型和车辆动力学模型。结果表明:LM磨耗型踏面与60 kg/m钢轨配合有更好的静态接触几何特性与静态接触力学性能，在不同曲线工况下，LM磨耗型踏面与60 kg/m钢轨配合拥有更好的曲线通过性能，车轮在高、低轨侧都具有更低的裂纹损伤值和磨耗损伤值。因此，应该针对75 kg/m钢轨优化出与其更加匹配的重载车轮型面。
　　滚动圆半径差是车辆动力学性能紧密相关的主要参数之一，决定着轮对的动态性能。对轮轨接触几何关系进行了详细的推导，得出了轮轨接触点轨头偏移量函数、滚动圆半径差以及轮轨型面间的函数关系，设计出根据滚动圆半径差逆向求解车轮型面的方法。优化中选取滚动圆半径差为优化目标函数，调整轮轨接触点轨头偏移量函数来保证目标滚动圆半径差函数，用直接求解约束优化问题的算法-复合形法作为寻优计算方法，以改善轮轨接触状态为优化目标，使得新设计的车轮型面与给定的钢轨外形配合得到目标滚动圆半径差曲线，并编制了相应的Matlab程序。
　　对75 kg/m钢轨进行逆向求解，求解出满足目标滚动圆半径差函数的重载车轮型面。优化结果表明:优化后的车轮型面能够显著改善轮轨接触点的分布，使分布更加合理，降低轮轨接触应力，提高了轮轨静态接触性能与曲线通过性能，并且能有效减少过曲线轮轨间的裂纹损伤值和磨耗损伤值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文主要工作

第2章 轮轨滚动接触模型

2．1 轮轨接触几何关系

2．1．1 最小距离搜索法

2．2 轮轨静态接触力学模型

2．3 重载货车动力学模型

2．3．1 重载货车及转向架的选型

2．3．2 重载货车动力学模型建立

2．4 滚动接触疲劳预测模型

2．4．1 轮轨磨耗损伤函数

2．5 小结

第3章 LM磨耗型踏面与两种钢轨型面的轮轨匹配关系

3．1 LM磨耗型踏面与两种钢轨的接触关系

3．1．1 LM磨耗型踏面与两种钢轨型面简介

3．1．2 LM磨耗型踏面与两种钢轨的接触几何关系

3．2 轮轨接触性能分析

3．2．1 数值计算参数

3．2．2 静态接触力学性能

3．3 重载铁路动力学性能分析

3．3．1 直线工况动力学性能分析

3．3．2 曲线工况动力学性能分析

3．3．3 轮轨磨耗损伤分析

3．4 小结

第4章 基于滚动圆半径差的车轮踏面优化研究

4．1 基本原理

4．1．1 滚动圆半径差函数

4．2 数值优化模型

4．2．1 优化模型的建立

4．2．2 目标优化曲线的选择

4．2．3 优化程序流程

4．3 小结

第5章 改善轮轨接触状态的车轮型面优化实例

5．1 目标滚动圆半径差的选择

5．2 轮轨接触性能对比

5．3 车辆动力学性能对比分析

5．3．1 车辆曲线通过性能对比

5．3．2 表面疲劳指数对比

5．3．3 滚动接触疲劳对比

5．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目