一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法將高速列車(chē)車(chē)輪型面曲線等弧長(zhǎng)分割，取N個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)作為型值點(diǎn)，重構(gòu)車(chē)輪型面曲線。以N個(gè)型值頂點(diǎn)的縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，以降低車(chē)輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標(biāo)函數(shù)，以磨耗車(chē)輪型面統(tǒng)計(jì)量、型面曲線的凹凸性及連續(xù)性為幾何約束條件，建立高速列車(chē)車(chē)輪型面多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)計(jì)算。結(jié)果表明，優(yōu)化型面輪緣部分與軌道側(cè)面接觸點(diǎn)明顯減少，一位輪對(duì)磨耗功的線路均值比原標(biāo)準(zhǔn)型面降低了26.8%；車(chē)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(yīng)力的均方根值分別降低了21.6%和19.8%；左、右輪脫軌系數(shù)的均方根值降低了9.5%和6.2%。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬高速列車(chē)車(chē)輪【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]車(chē)輪型面是決定高速列車(chē)車(chē)輛蛇行穩(wěn)定性、曲線通過(guò)性能、輪軌磨耗以及脫軌安全性等動(dòng)力學(xué)性能的重要參數(shù)。在車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要反復(fù)地進(jìn)行外形曲線修改及性能計(jì)算，采用合理的型面參數(shù)化設(shè)計(jì)尤為重要。目前對(duì)于車(chē)輪型面的數(shù)學(xué)描述方法主要有幾種:1)有限離散點(diǎn)的數(shù)學(xué)擬合方法，如Shevtsov等以車(chē)輪型面的垂向坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量、以車(chē)輪的滾動(dòng)半徑差為目標(biāo)函數(shù)建立車(chē)輪型面優(yōu)化模型；Hamid等提出三次樣條的保凸插值方法，保證車(chē)輪型面的凸凹性和單調(diào)性；柳擁軍利用離散點(diǎn)的B樣條擬合描述車(chē)輪型面，并應(yīng)用于基于滾動(dòng)半徑差的優(yōu)化設(shè)計(jì)中；張劍，金學(xué)松采用離散點(diǎn)3次樣條表示，并保持車(chē)輪型面的橫坐標(biāo)y不變，選用縱坐標(biāo)z作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行型面數(shù)值分析；Choromaski用切比雪夫正交多項(xiàng)式來(lái)描述車(chē)輪型面；2)以型面上點(diǎn)的幾何特性為設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)描述方法，Heller等以型面上點(diǎn)的切線斜率和該點(diǎn)處的圓弧半徑為設(shè)計(jì)變量，以車(chē)輛的穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行型面優(yōu)化；PerSSOn以車(chē)輪型面上點(diǎn)的高次導(dǎo)數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能相關(guān)的罰因子的加權(quán)和為目標(biāo)函數(shù)建立型面優(yōu)化模型；3)以有限段圓弧擬合的車(chē)輪型面描述方法，Smith等提出了圓弧形輪軌型面同步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；成棣，王成國(guó)采用多段銜接的不同半徑圓弧及圓心為設(shè)計(jì)變量，建立型面的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。同時(shí)有的學(xué)者從輪軌接觸幾何特性為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，反推車(chē)輪型面，沈鋼、葉志森等提出用接觸角曲線反推的方法來(lái)設(shè)計(jì)車(chē)輪踏面外形的優(yōu)化方法，為車(chē)輪型面外形的設(shè)計(jì)提供了 一個(gè)新思路。
[0003]輪軌匹配關(guān)系直接影響鐵路車(chē)輛的安全特性及運(yùn)輸成本。在既定的輪軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，對(duì)車(chē)輪型面進(jìn)行優(yōu)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(chē)輪型面優(yōu)化需要綜合考慮車(chē)輛、軌道結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性、運(yùn)營(yíng)條件等諸因素，目前大多優(yōu)化模型中針對(duì)車(chē)輪踏面部分進(jìn)行優(yōu)化分析，缺少輪緣部分的優(yōu)化，而輪緣對(duì)車(chē)輪型面及車(chē)輛綜合特性有著重要影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是，根據(jù)現(xiàn)有車(chē)輪型面優(yōu)化存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明一種高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將高速列車(chē)車(chē)輪型面曲線等弧長(zhǎng)分割，取得N個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)作為型值點(diǎn)，重構(gòu)車(chē)輪型面曲線，以N個(gè)型值頂點(diǎn)的縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，以降低車(chē)輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標(biāo)函數(shù)，以車(chē)輪磨耗車(chē)輪型面統(tǒng)計(jì)量、型面曲線的凹凸性及連續(xù)性為幾何約束條件，建立高速列車(chē)車(chē)輪型面多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用PSO粒子群智能仿生算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)計(jì)算。
[0007]本發(fā)明高速列車(chē)車(chē)輪型面多目標(biāo)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量按下列方式確定:對(duì)高速列車(chē)車(chē)輪型面的X = [I, 120]mm內(nèi)的曲線總長(zhǎng)度進(jìn)行14，19，24段等弧長(zhǎng)分割，獲取N =15，20，25個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)，設(shè)定為型值點(diǎn)Cli (i = 0，1...，η)，建立NURBS曲線參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，并計(jì)算三種情況下的擬合曲線與CN曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.83，0.93，0.97，對(duì)比分析后選取19段分割法即取N = 20個(gè)型值點(diǎn)，滿足對(duì)車(chē)輪型面形狀的良好描述，求取NURBS參數(shù)化曲線及型值點(diǎn)的橫坐標(biāo)位置。以其對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)yi(i = 1,2...20)為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行車(chē)輪型面曲線的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
[0008]本發(fā)明高速列車(chē)車(chē)輪型面多目標(biāo)優(yōu)化模型以降低車(chē)輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標(biāo)，建立以下目標(biāo)函數(shù):
[0009](I)降低車(chē)輪磨耗目標(biāo)函數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法將高速列車(chē)車(chē)輪型面曲線等弧長(zhǎng)分割，取得N個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)作為型值點(diǎn)，重構(gòu)車(chē)輪型面曲線；以N個(gè)型值頂點(diǎn)的縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，以降低車(chē)輪磨耗功的線路均值和輪軌橫向力為目標(biāo)函數(shù)，以車(chē)輪磨耗車(chē)輪型面統(tǒng)計(jì)量、型面曲線的凹凸性及連續(xù)性為幾何約束條件，建立高速列車(chē)車(chē)輪型面多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用PSO粒子群智能仿生算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)計(jì)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)包括降低車(chē)輪磨耗目標(biāo)函數(shù)和最大輪軌橫向力目標(biāo)函數(shù)； 所述降低車(chē)輪磨耗目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為；



3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述幾何約束條件包括車(chē)輪幾何約束條件、最大輪軌接觸應(yīng)力約束條件和脫軌系數(shù)約束條件； 所述最大輪軌接觸應(yīng)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(lái)車(chē)輪型面的輪軌最大接觸應(yīng)力，并對(duì)其取均方根值；Pwheel-opti,max為采用優(yōu)化車(chē)輪型面的輪軌最大接觸應(yīng)力； 所述脫軌系數(shù)約束條件為；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低磨耗的高速列車(chē)車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述車(chē)輪幾何約束條件包括型值點(diǎn)的縱坐標(biāo)范圍約束條件，車(chē)輪緣頂?shù)教っ媲€的單調(diào)非遞減約束條件和車(chē)輪型面凹凸性約束條件；所述型值點(diǎn)的縱坐標(biāo)范圍約束條件為，選取某動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)20萬(wàn)公里的8個(gè)車(chē)輪磨耗統(tǒng)計(jì)型面和其標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪型面作為設(shè)計(jì)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(tǒng)計(jì)型面和其標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪型面的邊界條件； 所述車(chē)輪緣頂?shù)教っ媲€的單調(diào)非遞減約束條件為，設(shè)優(yōu)化車(chē)輪型面曲線擬合函數(shù)為g(Yi)，則車(chē)輪輪緣頂?shù)教っ娌糠值那€有:f[g' (Yi)]≥Oie (5,..., 20) 所述車(chē)輪型面凹凸性約束條件為，基于車(chē)輪型面統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)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(hào)】G06F17/50GK104036089SQ201410288791
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】林鳳濤, 董孝卿 申請(qǐng)人:華東交通大學(xué), 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所