基于滾動半徑差的車輪外形優(yōu)化設計.pdf

1、輪軌關系是鐵路運輸系統(tǒng)的關鍵技術之一，也是多年來一直關注的問題。輪軌關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致列車在運行過程中產(chǎn)生許多問題，如運動失穩(wěn)、曲線通過性能低、輪軌接觸應力水平高，因而導致輪軌型面磨損嚴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計，卻能使車輛各性能指標達到一定程度的均優(yōu)狀態(tài)。
　　 本文以數(shù)值方法為手段對輪軌幾何接觸和車輪外形優(yōu)化設計開展了研究工作。輪軌接觸

2、幾何關系研究的關鍵在于輪軌接觸點的求解。假設輪軌為純剛體時，幾何接觸成為一個空間幾何問題。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，進而迭代求出輪軌接觸的空間解。在此思想指導下，編制了接觸求解程序，并以S1002/UIC60輪軌組合為對象，計算并對比結果，證明其實用性和準確性。最后用自編程序對我國的幾種磨耗型踏面JM、JM1、JM2、JM3、LM、LMa進行求解分析，得到各自的滾動半徑差曲線、等效斜

3、度和接觸點位置變化。滾動圓半徑差是描述輪對與軌道接觸的主要特性之一，也決定輪對的動態(tài)特性。
　　 本文采用數(shù)值方法，以輪軌幾何接觸特性為基礎優(yōu)化設計車輪外形。具體是基于目標滾動半徑差函數(shù)進行優(yōu)化設計，使得新設計的車輪外形與給定的軌道外形配合能夠得到預先設定的滾動半徑差曲線。選取一系列坐標點的縱坐標作為設計變量。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、足目標函數(shù)的曲線。并用復合形算法進行尋優(yōu)計算，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所必需的滾動圓半徑差，進而產(chǎn)生足夠的自導向作用力，實現(xiàn)車輛曲線通過并消除或減少輪緣磨耗，而當在直線運行時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。因此目標滾動半徑差曲線是優(yōu)化結果好壞的關鍵。本文也給出了目標函數(shù)的尋找方法。最后，以我國的車輛磨耗踏面為基礎，結合不同的滾動半徑差曲線特性需求，優(yōu)化設計出幾組新