基于滾動(dòng)半徑差的車輪外形優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、輪軌關(guān)系是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是多年來一直關(guān)注的問題。輪軌關(guān)系的研究主要基于一定的輪軌幾何型面，輪軌外形不匹配將導(dǎo)致列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生許多問題，如運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)、曲線通過性能低、輪軌接觸應(yīng)力水平高，因而導(dǎo)致輪軌型面磨損嚴(yán)重和過早的形成疲勞裂紋、乘坐舒適性差、噪音大等問題。而匹配合理的輪軌外形設(shè)計(jì)，卻能使車輛各性能指標(biāo)達(dá)到一定程度的均優(yōu)狀態(tài)。
　　 本文以數(shù)值方法為手段對(duì)輪軌幾何接觸和車輪外形優(yōu)化設(shè)計(jì)開展了研究工作。輪軌接觸

2、幾何關(guān)系研究的關(guān)鍵在于輪軌接觸點(diǎn)的求解。假設(shè)輪軌為純剛體時(shí)，幾何接觸成為一個(gè)空間幾何問題。本文利用最小距離法得到的平面解，此平面解可作為牛頓法解一階近似理論方程的初始解，進(jìn)而迭代求出輪軌接觸的空間解。在此思想指導(dǎo)下，編制了接觸求解程序，并以S1002/UIC60輪軌組合為對(duì)象，計(jì)算并對(duì)比結(jié)果，證明其實(shí)用性和準(zhǔn)確性。最后用自編程序?qū)ξ覈膸追N磨耗型踏面JM、JM1、JM2、JM3、LM、LMa進(jìn)行求解分析，得到各自的滾動(dòng)半徑差曲線、等效斜

3、度和接觸點(diǎn)位置變化。滾動(dòng)圓半徑差是描述輪對(duì)與軌道接觸的主要特性之一，也決定輪對(duì)的動(dòng)態(tài)特性。
　　 本文采用數(shù)值方法，以輪軌幾何接觸特性為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)車輪外形。具體是基于目標(biāo)滾動(dòng)半徑差函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得新設(shè)計(jì)的車輪外形與給定的軌道外形配合能夠得到預(yù)先設(shè)定的滾動(dòng)半徑差曲線。選取一系列坐標(biāo)點(diǎn)的縱坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量。用三次樣條曲線擬合表示整條外形曲線。添加輪緣接觸點(diǎn)約束和末端斜率約束以及凹凸形狀約束。在一系列滿足約束的外形曲線中尋找滿

4、足目標(biāo)函數(shù)的曲線。并用復(fù)合形算法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，完成了優(yōu)化程序的編制。在給定的線路條件下，合理的車輪型面可提供車輛曲線通過時(shí)所必需的滾動(dòng)圓半徑差，進(jìn)而產(chǎn)生足夠的自導(dǎo)向作用力，實(shí)現(xiàn)車輛曲線通過并消除或減少輪緣磨耗，而當(dāng)在直線運(yùn)行時(shí)又需要保持較低的等效斜度，使列車具有良好的蛇形穩(wěn)定性。因此目標(biāo)滾動(dòng)半徑差曲線是優(yōu)化結(jié)果好壞的關(guān)鍵。本文也給出了目標(biāo)函數(shù)的尋找方法。最后，以我國的車輛磨耗踏面為基礎(chǔ)，結(jié)合不同的滾動(dòng)半徑差曲線特性需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出幾組新