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《北京交通大学》 2017年
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重载铁路轮轨磨耗预测及钢轨型面优化研究

王璞  
【摘要】:重载铁路运输运能大、效率高、运输成本低,是世界铁路货物运输发展的共同趋势。在铁路轮轨系统存在的诸多病害中,车轮与钢轨的磨耗现象一直是最为普遍并且难以解决的问题。轮轨磨耗引起车轮与钢轨型面的改变,进而会导致轮轨接触状态和系统动力性能发生变化,对列车运行稳定性、安全性及系统各部件使用寿命都会产生较大影响。对于重载铁路而言,轮轨磨耗问题尤为突出,养护维修工作巨大,磨耗超过一定限度如果没有及时更换,则可能引起列车脱轨等重大事故。本文针对重载铁路发展过程中凸显出的轮轨磨耗问题,在对既有研究进行调研分析的基础上,创建了较完善的轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型,可对实际运营条件下车轮和钢轨的磨耗分布特征、发展过程、规律进行分析预测。首次对轨道柔性在磨耗计算中的影响进行了探索研究。对关键参数、措施对于轮轨磨耗具体分布发展的影响规律进行了系统的研究。提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法,并采用此方法对重载铁路R75钢轨型面进行了优化设计,给出了R75钢轨优化型面。主要研究工作和成果如下:(1)创建了轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型·针对轮轨磨耗问题目前的研究现状及存在的问题,对重载铁路轮轨磨耗演化过程的数值模拟进行了深入研究,提出并建立了整套的轮轨磨耗演化发展预测模型。模型由车辆-轨道耦合动力学计算、轮轨滚动接触分析、材料摩擦损失模型、复杂运营条件的模拟策略、型面更新自适应步长方法等内容组成。基于Archard材料磨损理论模型,在车辆轨道耦合动力学仿真和轮轨局部接触分析基础上进行轮轨接触斑磨耗深度分布计算;通过多工况仿真并引入无量纲的权重因子来实现对实际铁路复杂运营条件的合理模拟;采用了一种自适应步长算法进行轮轨型面的更新,可有效减少误差累积、改善数值模型的稳定性和可靠性。开展数值试验对轮轨接触斑网格密度对于粘着区滑动区分布、蠕滑力分布、轮轨磨耗深度分布、轮轨磨耗速率指标等的影响进行了系统分析,对磨耗模型中合理的接触斑网格密度取值进行了探讨。(2)针对既有研究空白,首次对软道柔性对于轮软磨耗计算的影响进行了探索研究·既有磨耗数值仿真研究中均未考虑轨道柔性的影响,针对此研究空白,本文对柔性轨道对轮轨磨耗的影响进行了探索研究。首先,基于Pearce-Sherratt摩擦功磨耗理论建立了一种简化的轮轨磨耗计算模型,以提高磨耗计算速度。通过与所建立的精确磨耗模型对比,对简化模型的合理性进行了验证。然后基于有限单元浮动坐标方法(FE/FFR)建立柔性轨道模型,通过缩减模态技术减少钢轨振动变形模态坐标数目、消除高频模态以减小计算代价。然后通过合理的轮轨接触算法和钢轨几何型面更新策略实现车辆系统与柔性轨道系统的动力学耦合。最后基于所建模型通过数值试验明确了理想轨道条件下和不平顺轨道条件下柔性轨道对于轮轨磨耗发展的影响特性。(3)系统研究掌握了实际运营条件下重载铁路车轮及钢轨磨耗演化发展规律。通过系统的仿真分析,掌握了重载铁路直线地段和曲线地段钢轨的磨耗分布特征和发展规律、以及车辆通过曲线条件下不同位置车轮的磨耗分布发展特性,同时也验证了所建立的磨耗预测模型的合理性。并对大秦铁路实际线路运营条件下重载车辆各车轮的实际磨耗发展过程进行了数值仿真预测。(4)率先对关键材料、结构参数及措施对于轮轨磨耗分布发展的影响规律进行了系统研究,为线路设计、运营、养护提供了理论依据和参考。设计开展了系统的数值试验,对轮轨材料硬度、钢轨轨底坡、货车轴重、运行速度等主要的材料结构参数及钢轨润滑等减磨措施对于轮轨磨耗水平以及具体分布发展状况的影响规律、特点进行了系统研究,并提出了系列的建议和原则。为线路设计、运营管理及养护维修提供了理论依据和参考。(5)提出了一种新的钢轨型面优化模型方法,并给出了重载铁路R75钢轨优化型面,可有效改善轮轨动力相互作用,减缓磨耗发展。对重载铁路钢轨型面的优化设计问题进行了深入研究,提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法。将钢轨型面参数化处理,表示为一系列离散点坐标变化量的广义函数。然后以所有可能轮轨接触情形下接触点附近轮轨型面共形度最高为原则设计优化目标函数。在目标函数构造过程中,编制了轮轨接触几何算法以实现轮轨接触点位置的快速探测。为了满足一些基本限制,施加了一系列线性/非线性约束条件。这样,将钢轨型面优化问题创新性地抽象为一个典型的单目标多变量多约束非线性数学优化问题。采用序列二次规划算法(SQP)结合拉格朗日方程、拟牛顿方法实现对此优化模型的快速准确求解。基于所建立的优化模型,对我国重载铁路R75钢轨型面进行优化设计以更好地匹配LM型车轮型面,并提出了 R75优化型面。分别从型面几何特征、轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力学性能并最终从轮轨磨耗发展方面对优化型面和原始型面进行了系统的对比分析。结果表明,优化型面可有效改善轮轨接触几何关系及动态相互作用,有效减缓轮轨磨耗的发展,可考虑作为我国重载铁路钢轨设计的一个较好的选择。
【关键词】:重载铁路 车辆-轨道耦合动力学 轮轨磨耗预测 影响规律分析 钢轨型面优化
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U211.5
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 中文摘要6-9
  • ABSTRACT9-15
  • 第一章 绪论15-31
  • 1.1. 研究背景15-16
  • 1.2. 重载铁路发展概况16-20
  • 1.2.1. 国外重载铁路16-19
  • 1.2.2. 我国重载铁路19-20
  • 1.3. 轮轨磨耗研究现状20-28
  • 1.3.1. 轮轨磨耗机理21-22
  • 1.3.2. 轮轨磨耗演变的数值模拟22-25
  • 1.3.3. 轮轨磨耗现场测量和实验室研究25-26
  • 1.3.4. 轮轨磨耗减缓措施研究26-28
  • 1.4. 本文主要研究内容及创新点28-31
  • 1.4.1. 主要研究内容28-29
  • 1.4.2. 创新点29-31
  • 第二章 轮轨磨耗演化发展的数值模拟31-83
  • 2.1. 材料磨耗理论模型32-36
  • 2.1.1. 摩擦功磨耗理论模型32-35
  • 2.1.2. Archard材料磨损理论模型35-36
  • 2.2. 车辆轨道耦合动力学及轮轨接触模型36-52
  • 2.2.1. 车辆动力学模型36-40
  • 2.2.2. 轮轨接触模型40-52
  • 2.3. 轮轨接触斑磨耗分布计算模型52-55
  • 2.4. 重载铁路复杂运营条件的模拟55-57
  • 2.4.1. 针对车轮磨耗的复杂线路条件的模拟55-56
  • 2.4.2. 针对钢轨磨耗的复杂行车条件的模拟56-57
  • 2.5. 轮轨磨耗演化的型面更新策略57-62
  • 2.5.1. 车轮磨耗演化的型面更新策略58-59
  • 2.5.2. 钢轨磨耗演化的型面更新策略59-62
  • 2.6. 轮轨接触斑合理网格密度的探讨62-68
  • 2.7. 轨道柔性在轮轨磨耗计算中的影响研究68-81
  • 2.7.1. 轮轨磨耗简化计算模型69-71
  • 2.7.2. 不同磨耗计算模型的对比71-72
  • 2.7.3. 基于有限单元浮动坐标方法( FE/FFR)的柔性轨道建模72-74
  • 2.7.4. 考虑轨道柔性的轮轨接触算法及钢轨几何型面更新策略74-76
  • 2.7.5. 轨道柔性对轮轨磨耗的影响规律分析76-81
  • 2.8. 本章小结81-83
  • 第三章 重载铁路轮轨磨耗演化发展规律分析及预测83-101
  • 3.1. 重载铁路典型地段钢轨磨耗发展规律分析83-88
  • 3.2. 重载车辆车轮磨耗发展规律分析88-93
  • 3.3. 大秦铁路实际线路条件下重载车辆车轮的磨耗发展预测93-97
  • 3.4. 本章小结97-101
  • 第四章 轮轨磨耗关键影响因素、规律及减磨措施研究101-135
  • 4.1. 轮轨材料的合理硬度研究102-105
  • 4.2. 钢轨轨底坡对轮轨磨耗分布发展的影响及轨底坡取值的探讨105-115
  • 4.2.1. 直线地段106-108
  • 4.2.2. 曲线地段108-115
  • 4.3. 货车轴重对轮轨磨耗分布发展的影响分析115-121
  • 4.3.1. 直线地段115-118
  • 4.3.2. 曲线地段118-121
  • 4.4. 重载列车运行速度对轮轨磨耗分布发展的影响分析121-126
  • 4.4.1. 直线地段121-123
  • 4.4.2. 曲线地段123-126
  • 4.5. 轮轨润滑减磨效果分析及摩擦控制方法研究126-131
  • 4.5.1. 直线轨道126-128
  • 4.5.2. 曲线轨道128-131
  • 4.6. 本章小结131-135
  • 第五章 基于SQP算法的重载铁路钢轨型面优化研究135-165
  • 5.1. 轮轨接触几何模型及求解算法136-140
  • 5.1.1. 轮轨接触几何模型136-137
  • 5.1.2. 接触点的探测算法137-140
  • 5.2. 钢轨型面优化数学模型140-144
  • 5.2.1. 方法描述141
  • 5.2.2. 优化模型141-144
  • 5.3. 优化模型的求解144-147
  • 5.4. 重载铁路R75钢轨型面的优化设计147-163
  • 5.4.1. 优化结果148-150
  • 5.4.2. 轮轨接触几何关系对比分析150-152
  • 5.4.3. 动力学性能对比分析152-158
  • 5.4.4. 轮轨磨耗分布发展的对比分析158-163
  • 5.5. 本章小结163-165
  • 第六章 结论与展望165-173
  • 6.1. 结论165-170
  • 6.2. 展望170-173
  • 参考文献173-179
  • 作者简历179-183
  • 学位论文数据集183

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