轮轨型面设计方法及应用

轮轨型面设计方法及应用研究沈钢钟晓波2012.5.25铁道与城市轨道交通研究院同济大学25/05/2012轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会汇报内容轮轨型面问题的提出轮轨型面设计方法的现状研制的典型算法简介设计目标及设计方法的选择轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会•铁道与城市轨道交通研究院•同济大学•25/05/2012系列化车轮踏面设计的设想工程应用案例轮轨型面的磨耗与维护关于轮轨系统综合治理的思考轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会众所周知，轮和轨是铁路机车车辆的关键部件，与运行的安全性、经济性密切相关。而踏面和钢轨轨头外形是轮轨关系的核心要素，它们之间的匹配关系，包括几何接触关系和接触力学关系，决定了车辆的动力学性能和接触强度特性，包括稳定性、曲线导向性、平稳性、轮轨磨耗特性、接触应力水平、接触疲劳特性等等。(yr0,zr0)(yw0,zw0)A0A0ZwZrY轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会众所周知，轮和轨是铁路机车车辆的关键部件，与运行的安全性、经济性密切相关。而踏面和钢轨轨头外形是轮轨关系的核心要素，它们之间的匹配关系，包括几何接触关系和接触力学关系，决定了车辆的动力学性能和接触强度特性，包括稳定性、曲线导向性、平稳性、轮轨磨耗特性、接触应力水平、接触疲劳特性等等。轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会众所周知，轮和轨是铁路机车车辆的关键部件，与运行的安全性、经济性密切相关。而踏面和钢轨轨头外形是轮轨关系的核心要素，它们之间的匹配关系，包括几何接触关系和接触力学关系，决定了车辆的动力学性能和接触强度特性，包括稳定性、曲线导向性、平稳性、轮轨磨耗特性、接触应力水平、接触疲劳特性等等。轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会然而轮轨外形又随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。轮轨外形的设计也就显得非常困难，不仅受设计技术和设计理念的影响，也受实际多变的车型、轨型和运输模式的影响。如高速铁路的需求、低速地铁的要求和重载货运的特殊要求，无法获得一致的要求。造成了标准与需求的不完全对应和使用中轮与轨、轮与车、车与速度及曲线等等的匹配问题。在国际铁路界也出现了很多种轮轨踏面外形，并且在设计理念和方法上出现了较大分歧。一高速铁路车辆的踏面外形(运行时已报警)轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会一地铁车辆的踏面外形(有较大轮缘及踏面磨耗和踏面凹槽出现)然而轮轨外形又随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。轮轨外形的设计也就显得非常困难，不仅受设计技术和设计理念的影响，也受实际多变的车型、轨型和运输模式的影响。如高速铁路的需求、低速地铁的要求和重载货运的特殊要求，无法获得一致的要求。造成了标准与需求的不完全对应和使用中轮与轨、轮与车、车与速度及曲线等等的匹配问题。在国际铁路界也出现了很多种轮轨踏面外形，并且在设计理念和方法上出现了较大分歧。轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会一重载货车的踏面外形(有较大踏面磨耗及轮缘和踏面凹槽及塑流出现)然而轮轨外形又随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。轮轨外形的设计也就显得非常困难，不仅受设计技术和设计理念的影响，也受实际多变的车型、轨型和运输模式的影响。如高速铁路的需求、低速地铁的要求和重载货运的特殊要求，无法获得一致的要求。造成了标准与需求的不完全对应和使用中轮与轨、轮与车、车与速度及曲线等等的匹配问题。在国际铁路界也出现了很多种轮轨踏面外形，并且在设计理念和方法上出现了较大分歧。轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会我国目前使用的部分踏面外形轮对内侧距：135313561358…然而轮轨外形又随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。轮轨外形的设计也就显得非常困难，不仅受设计技术和设计理念的影响，也受实际多变的车型、轨型和运输模式的影响。如高速铁路的需求、低速地铁的要求和重载货运的特殊要求，无法获得一致的要求。造成了标准与需求的不完全对应和使用中轮与轨、轮与车、车与速度及曲线等等的匹配问题。在国际铁路界也出现了很多种轮轨踏面外形，并且在设计理念和方法上出现了较大分歧。轮轨型面问题的提出轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会我国目前使用的部分钢轨轨头外形轨距：1435？轨底坡：1/401/20然而轮轨外形又随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。轮轨外形的设计也就显得非常困难，不仅受设计技术和设计理念的影响，也受实际多变的车型、轨型和运输模式的影响。如高速铁路的需求、低速地铁的要求和重载货运的特殊要求，无法获得一致的要求。造成了标准与需求的不完全对应和使用中轮与轨、轮与车、车与速度及曲线等等的匹配问题。在国际铁路界也出现了很多种轮轨踏面外形，并且在设计理念和方法上出现了较大分歧。轮轨型面设计方法的现状轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会最初轮轨型面的设计采用人工经验法，将形线用合适的几何曲线的组合表达，一般用圆弧和直线段。通过几何匹配分析和试验运行，考核设计的成败。这时设计的目标主要顾及安全性和基本的动力学需求，主要是稳定性，无法针对不同的轨型进行优化设计。但为铁路的安全运行奠定了基础，并且类型上逐步由锥形踏面过渡到磨耗型踏面，追求更好的动力学性能、较低的接触应力和均匀的磨耗。轮轨型面设计方法的现状轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会近几十年间，随着计算机技术、动力学仿真技术及实际要求的不断提升出现了多种优化方法，目标是仍然是追求更好的动力学性能、较低的接触应力和均匀的磨耗特性。所不同的是人工的低效率设计代之以计算机软件的有方向性优选，试验部分被计算机仿真所的替代。踏面型线的表达也出现了多样化，如有多次方函数、离散点、和直线圆弧的组合等。设计目标也出现了多样化，如车辆的各种动力学性能组合、轮轨接触函数、轮轨接触应力及疲劳特性等等。这些技术发展为不同应用领域提供了多样化的设计和优化，丰富了轮轨型面，但也的带来了一定的问题。如‘先有车’？‘还是先有轮外形’的问题？英国学者甚至提出了有多少英国车队就会有多少轮外形！因为踏面是根据所运用线路和车辆优化得出的。这将给车辆设计制造厂商带来转向架悬挂设计的不便！-60-40-200204060-60-50-40-30-20-10010203040从2000年的一个德国的专利申请可见轮轨外形设计当时已引起了西欧国家的高度重视。该专利提出了以轮径差函数及等效斜度为目标的设想和基本方法，但未能给出有效算法外文代表性文献调研轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会[1]EricEMagel,JosephKalousek.Theapplicationofcontactmechanicstorailprofiledesignandrailgrinding,Wear,Volume253,Issues1–2,July2002,Pages308-316[2]G.Shen,J.Ayasse,H.Chollet,I.Pratt,Auniquedesignmethodforwheelprofilesbyconsideringthecontactanglefunction,Proc.Inst.Mech.Engrs.PartFJ.RailRapidTransit217(2003),pp.25-30.doi:10.1243/095440903762727320.[3]I.Persson,S.D.Iwnicki,Optimisationofrailwaywheelprofilesusingageneticalgorithm.Veh.Sys.Dyn.41(Suppl.)(2004),pp.517-527.[4]HamidJahed,BehroozFarshi,MohammadA.Eshraghi,AsgharNasr.Anumericaloptimizationtechniquefordesignofwheelprofiles,Wear,Volume264,Issues1–2,4January2008,Pages1-10[5]I.Y.Shevtsov,V.L.Markine,C.Esveld,Designofrailwaywheelprofiletakingintoaccountrollingcontactfatigueandwear,Wear265(2008),pp.1273-1282.doi:DOI:10.1016/j.wear.2008.03.018.[6]PolachO,Wheelprofiledesignforthetargetedconicityandawidecontactspreading,8thInternationalConferenceonContactMechanicsandWearofRail/WheelSystems(CM2009),Firenze,September2009.按日期排例了在国际上外文发表的代表性论文—可见该领域的研究不断趋于深入外文代表性文献调研轮轨外形匹配关系技术研讨会中国铁道学会车辆委员会,中国铁道学会工务委员会外文代表性文献调研[7]D.Cui,L.Li,X.Jin,X.Li,Optimaldesignofwheelprofilesbasedonweighedwheel/railgap,Wear271(2011),pp.218-226.doi:10.1016/j.wear.2010.10.005.[8]YongjunLiu,XiaofangLiu,RailwayWheelProfileOptimizationDesignBasedonNurbsCurve,SecondInternationalConferenceonComputerModelingandSimulation(ICCMS'10),2010,pp.331-335.[9]G.Shen,X.Zhong,Adesignmethodforwheelprofilesaccordingtotherollingradiusdifferencefunction,Proc.Inst.Mech.Engrs.PartFJ.RailRapidTransit225(2011),pp.457-462.doi:10.1177/2041301710394920.[10]JurajGerlici,TomášLack.Railwaywheelandrailheadprofilesdevelopmentbasedonthegeometriccharacteristicsshapes,Wear,Volume271,Issues1–2,18May2011,Pages246-258[11]J.Santamaria,J.Herreros,E.G.Vadillo,N.Correa,O.Oyarzabal,Wheelprofileoptimizationforhighspeedrailwaysconsider