重載鐵路輪軌磨耗預(yù)測(cè)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(shì)。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(wèn)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(duì)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(duì)于重載鐵路而言，輪軌磨耗問(wèn)題尤為突出，養(yǎng)護(hù)維修工作巨大，磨耗超過(guò)一定限度如果沒(méi)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(duì)重載鐵路發(fā)展過(guò)程中凸顯出的輪軌磨耗問(wèn)題，在對(duì)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(cè)模型，可對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下車輪和鋼軌的磨耗分布特征、發(fā)展過(guò)程、規(guī)律進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。首次對(duì)軌道柔性在磨耗計(jì)算中的影響進(jìn)行了探索研究。對(duì)關(guān)鍵參數(shù)、措施對(duì)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(duì)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(cè)模型。
　　針對(duì)輪軌磨耗問(wèn)題目前的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，對(duì)重載鐵路輪軌磨耗演化過(guò)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(cè)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(yíng)條件的模擬策略、型面更新自適應(yīng)步長(zhǎng)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(guò)多工況仿真并引入無(wú)量綱的權(quán)重因子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際鐵路復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件的合理模擬;采用了一種自適應(yīng)步長(zhǎng)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(kāi)展數(shù)值試驗(yàn)對(duì)輪軌接觸斑網(wǎng)格密度對(duì)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(duì)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(duì)既有研究空白，首次對(duì)軌道柔性對(duì)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(duì)此研究空白，本文對(duì)柔性軌道對(duì)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(jiǎn)化的輪軌磨耗計(jì)算模型，以提高磨耗計(jì)算速度。通過(guò)與所建立的精確磨耗模型對(duì)比，對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(yíng)條件下重載鐵路車輪及鋼軌磨耗演化發(fā)展規(guī)律。
　　通過(guò)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(guò)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(cè)模型的合理性。并對(duì)大秦鐵路實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)條件下重載車輛各車輪的實(shí)際磨耗發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真預(yù)測(cè)。
　　(4)率先對(duì)關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)及措施對(duì)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(yíng)、養(yǎng)護(hù)提供了理論依據(jù)和參考。
　　設(shè)計(jì)開(kāi)展了系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)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(rùn)滑等減磨措施對(duì)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(yíng)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(duì)重載鐵路鋼軌型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)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(guò)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(cè)。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(wèn)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(wèn)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(duì)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(duì)我國(guó)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