客運專線鐵路曲線段鋼軌型面優(yōu)化

周 駿，劉林芽，萬 鵬

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

客運專線鐵路曲線段鋼軌型面優(yōu)化

周 駿，劉林芽，萬 鵬

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

根據(jù)武廣客運專線某曲線段的實測數(shù)據(jù)，對指定曲線段軌道的水平加速度、鋼軌光帶及側(cè)磨情況進(jìn)行分析，獲得輪軌匹配較好的平均磨耗型面。以改善輪軌接觸狀態(tài)為目的，采用輪軌接觸角曲線反求法，利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB對獲得的平均磨耗型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到共性度較高的優(yōu)化型面。通過多體動力學(xué)軟件SIMPACK進(jìn)行車輛軌道耦合動力學(xué)仿真，確定型面優(yōu)化方案能有效改善輪軌接觸狀態(tài)，并使得列車有較優(yōu)的車輛動力學(xué)性能。

客運專線；鋼軌型面；優(yōu)化；接觸狀態(tài)；車輛動力學(xué)性能

高速鐵路已成為鐵路行業(yè)的發(fā)展主題,輪軌型面優(yōu)化也逐漸成為鐵路發(fā)展熱點問題。Heller［1]等提出了基于車輛動力學(xué)性能的車輪踏面優(yōu)化設(shè)計方法,并編寫了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)封閉式的車輪踏面設(shè)計與仿真。Wu［2]和Zhang［3]基于輪軌型面匹配的設(shè)計概念,提出了由給定鋼軌型面設(shè)計車輪型面的設(shè)計方法。Shen等［4]用接觸角曲線反推的方法設(shè)計車輪踏面外形,使踏面外形不再局限于直線與圓弧曲線的組合。Shevtsov［5]和Shen［6]給出了與接觸角曲線反推的法相似的車輪踏面設(shè)計方法,但選用的目標(biāo)是RRD曲線,在設(shè)計過程中采用MARS法求解優(yōu)化問題的方程。崔大實等［7]使用基于輪軌最小法向間隙的序列二次規(guī)劃(SQP)方法,優(yōu)化了車輪外形。Persson等［8]利用遺傳算法作為優(yōu)化方法對BV50和UIC60鋼軌型面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。Ha-Young Choi等［9]以減緩地鐵曲線段鋼軌磨耗為目的,利用遺傳算法對地鐵實測的鋼軌型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。目前的輪軌型面的優(yōu)化設(shè)計主要集中在需預(yù)先獲得目標(biāo)函數(shù)的反求法上,一般適用于已知車輪踏面或鋼軌型面的輪軌型面優(yōu)化設(shè)計［10-13]。本文在對接觸角曲線反求法進(jìn)行一定研究和簡化的基礎(chǔ)上,基于給定的車輪踏面對磨耗鋼軌型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,獲得了優(yōu)化的鋼軌打磨型面。

1 實測磨耗鋼軌型面

武廣高速鐵路運營以來,曲線路段晃車現(xiàn)象嚴(yán)重,一直影響著武廣高速鐵路的運營品質(zhì)。在保證軌道下結(jié)構(gòu),軌上結(jié)構(gòu)線性幾何尺寸、扣件系統(tǒng)及車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)絕對穩(wěn)定的前提下,軌頭型面則成為影響行車平穩(wěn)性的主要因素之一。根據(jù)已測得的軌檢車的數(shù)據(jù),通過對車輛水平加速度不平順的分析來確定線路的軌道狀態(tài),從中選擇軌道狀態(tài)較好的曲線段為試驗段。對已經(jīng)選取好的試驗段進(jìn)行軌道狀態(tài)的測試,從中選取一段列車晃車最小的試驗段作為后期的研究對象。由于經(jīng)過以上的試驗測試還不足以確定該試驗段鋼軌具有最佳輪廓面,所以需要對該試驗段進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試的主要內(nèi)容有鋼軌的光帶和側(cè)磨情況,在每公里取5個觀測點,對鋼軌光帶與鋼軌側(cè)磨進(jìn)行觀測［14- 16]。

經(jīng)過現(xiàn)場測試得到軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)、鋼軌光帶磨耗數(shù)據(jù)、曲線段鋼軌側(cè)磨以及車輛的晃車數(shù)據(jù),見表1。對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)下行DK1231里程光帶寬度和距作用邊距離正常,鋼軌側(cè)磨量小于其他里程,表明輪軌匹配關(guān)系良好,得到最佳的輪廓面。并利用Simpack仿真計算了CN60型面和磨耗型面和理論設(shè)計動力學(xué)性能,表2給出了性能指標(biāo)最大值對比的數(shù)據(jù)。此外,根據(jù)現(xiàn)場動力測試試驗的統(tǒng)計結(jié)果,統(tǒng)計了CN60型面與磨耗型面的輪軌橫向力和橫向加速度等指標(biāo)。由表2可知,軌頭型面對車輛的動力學(xué)性能有較大影響,獲得的磨耗型面有較優(yōu)的動力學(xué)性能。

表1 下行線DK1230+000～DK1234+000鋼軌光帶與側(cè)磨情況

表2 動力學(xué)指標(biāo)（車速200 km/h)

2 磨耗鋼軌型面優(yōu)化設(shè)計

由于本文車輛模型采用CRH2C型列車參數(shù),所以選擇LMa型踏面為給定車輪外形,并選擇獲得的平均磨耗鋼軌型面為“種子”軌頭外形。對獲得的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得“種子”軌頭外形Zr(Yr)及給定的車輪踏面外形Zw(Yw),利用接觸角反求法對磨耗型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,當(dāng)輪對的橫移量為Ys和輪對的側(cè)滾角為零時,輪軌接觸面上的相互接觸點分別為(yw,zw)和(yr,zr),接觸角為A。隨著輪對的橫移,用最小距離搜索法求接觸點位置,求得接觸點的條件是

并采用雙側(cè)輪軌的接觸角差曲線ΔA(Ys)作為評價指標(biāo)對獲得的軌頭外形進(jìn)行評價,若ΔA(Ys)不滿足要求,則對其進(jìn)行修正,重新確定接觸角曲線對鋼軌進(jìn)行優(yōu)化,獲得優(yōu)化型面如圖1所示。優(yōu)化步驟如圖2所示。

圖1 磨耗型面和優(yōu)化型面

圖2 鋼軌外形設(shè)計一般流程

3 計算結(jié)果及分析

3.1 靜態(tài)輪軌幾何接觸狀態(tài)

不同的輪軌外形配合具有不同的輪軌接觸幾何關(guān)系和接觸幾何參數(shù),當(dāng)2種鋼軌型面與LMA車輪踏面配合時,從輪軌接觸幾何關(guān)系中,可得到滾動圓半徑差與輪對橫移量的關(guān)系,從圖3可以看出,優(yōu)化型面半徑差在3 mm以內(nèi)與磨耗型面基本相同；在3～8 mm間大于磨耗型面。可見優(yōu)化型面在小半徑曲線的通過能力與磨耗型面相差不多,在中等和大半徑曲線的通過能力優(yōu)于磨耗型面。

圖3 輪對滾動圓半徑差

圖4 中給出了優(yōu)化前后輪軌接觸點對分布狀態(tài),輪軌間的豎線為輪對處于中位置時輪軌接觸點位置,車輪與鋼軌踏面之間的連線代表所有情況下輪軌可能的接觸點位置。從圖4中可以看出,優(yōu)化型面較磨耗型面靠近鋼軌右側(cè)輪軌接觸點對分布更加均勻,輪對對中位置的輪軌接觸點位置向左移動了4 mm,使得輪軌接觸斑面積增大,也就是輪對橫移時,輪軌接觸點位置在車輪踏面或軌頂面上移動不會發(fā)生大幅度跳躍現(xiàn)象,接觸壓力水平變化不會像傳統(tǒng)輪對接觸點從一個圓弧轉(zhuǎn)移到另一個圓弧上發(fā)生太大的波動。

圖4 輪軌接觸點分布狀態(tài)

優(yōu)化前后的輪軌間隙如圖5所示,優(yōu)化后間隙值在部分區(qū)域上大于初始踏面的輪軌間隙,也有部分區(qū)域上小于初始踏面的輪軌間隙值,當(dāng)y∈(-4 mm, -1 mm)時,初始輪軌接觸間隙較小,輪軌壓力水平較低,而在其他區(qū)域壓力相對較高,輪軌壓力相對集中,易導(dǎo)致輪軌磨損和接觸疲勞。所以,優(yōu)化后的車輪和原鋼軌計算接觸,使原型面輪軌過小的接觸壓力水平適當(dāng)提高,而使過高的壓力水平降低,達(dá)到輪軌工作面材料受力均勻均衡。

圖5 輪軌間隙值曲線

3.2 動力學(xué)性能計算

選取了CN60鋼軌型面、磨耗鋼軌型面、優(yōu)化鋼軌型面,采用的車輛模型參數(shù),主要是參考我國高速列車中的CRH2C型車,采用武廣高速鐵路實際曲線段參數(shù)。由于獲得的軌檢車數(shù)據(jù)顯示通過指定曲線段的列車速度區(qū)間為180～220 km/h,所以計算了3種不同型面在180、200、220、240 km/h速度下,相應(yīng)的輪軌橫向力、最大赫茲接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)、Sperling平穩(wěn)性指數(shù)的幅值,如圖6、圖7所示。

圖6 輪軌橫向力

圖7 最大赫茲接觸應(yīng)力

圖6 、圖7所示分別為車輛通過曲線時輪軌橫向力與輪軌最大接觸應(yīng)力,優(yōu)化型面與磨耗型面的輪軌橫向力幅值均小于CN60型面,相較于CN60型面軌橫向力幅值分別降低22%和15%,優(yōu)化型面與磨耗型面間差距較小,隨速度增大成增大趨勢,最大降低7%。優(yōu)化前后型面的最大接觸應(yīng)力隨速度的增大基本成增大趨勢,優(yōu)化后鋼軌型面的最大輪軌接觸應(yīng)力均小于優(yōu)化前鋼軌型面,相較于CN60型面最大輪軌接觸應(yīng)力降低27%,相較于磨耗型面最大降低11%,說明此方法優(yōu)化的鋼軌型面可以使輪軌在運行過程中獲得更好的輪軌接觸狀態(tài),有效降低輪軌橫向力與接觸應(yīng)力。

圖8 磨耗指數(shù)

由于隨著速度增大曲線段接觸斑滑動區(qū)面積與滑動量會呈增大趨勢,所以摩擦功逐漸變大。從圖8中可見,優(yōu)化型面摩擦功小于CHN60型面及磨耗型面,磨耗指數(shù)幅值分別降低15%和8%,這可以使鋼軌的磨耗性能得到最大程度的發(fā)揮,有利于提高輪軌的使用壽命,延緩曲線區(qū)段外側(cè)鋼軌的磨耗。采用Sperling平穩(wěn)性指數(shù)對車輛平穩(wěn)性進(jìn)行評價,從圖9可以看出,雖然3種型面的Sperling平穩(wěn)性指數(shù)都小于2.5,處在一級平穩(wěn)性等級,但優(yōu)化型面與磨耗型面相較于CN60型面留有更大余量,使機(jī)車車輛獲得較優(yōu)的平穩(wěn)性和乘坐舒適度。

圖9 Sperling平穩(wěn)性指數(shù)

4 結(jié)論

(1)本文采用的接觸角曲線反求法,選用較優(yōu)的實測磨耗型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,獲得的優(yōu)化型面保持了磨耗型面較好的接觸點對分布狀態(tài),使得LMA型面和優(yōu)化型面間具有較優(yōu)的輪軌接觸狀態(tài),輪軌磨耗程度趨于平穩(wěn),能夠有效降低輪軌磨耗。優(yōu)化的鋼軌型面可以通過現(xiàn)有的打磨技術(shù)進(jìn)行實施,對我國高速鐵路鋼軌預(yù)打磨型面的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行一定的探索。

(2)由于優(yōu)化獲得的優(yōu)化型面與實測的磨耗型面軌頭外形相近,所以只需進(jìn)行輕度鋼軌打磨即可,大大減少了鋼軌打磨的金屬打磨量,從而減少了鋼軌打磨維修費用。

(3)利用SIMPACK軟件進(jìn)行車輛動力學(xué)仿真計算,通過分析輪軌幾何接觸狀態(tài)與車輛動力學(xué)性能,表明獲得的優(yōu)化型面在保持較優(yōu)的輪軌接觸狀態(tài)下,能有效保證車輛具有較優(yōu)的動力學(xué)能力,從而提高車輛運行的安全性和穩(wěn)定性。

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OPtimization of Rail Profile in Curved Section of Railway Passenger Dedicated Line

ZHOU Jun,LIU Lin-ya,WAN Peng
(Ministry of Education's Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on the measured data from a curved section of the Wuhan-Guangzhou railway passenger dedicated line,an analysis on the horizontal acceleration,rail light strip and rail lateral abrasion of the track in this curved section was carried out,and the average wearing rail profile with good wheel-rail matching was obtained.Furthermore,in order to improve the contact status between wheel and rail,the optimization design to the average wearing rail profile was carried out by wheel/rail contact angle curve inverse method and by the mathematical software MATLAB.After that,an optimized rail profile with higher degree of conformity was obtained.Through vehicle-track coupling dynamic simulation via the multi-body dynamics software SIMPACK,it can be seen that the optimized rail profile can effectively improve wheel/rail contact status and can make the trains have better vehicle dynamic performance.

passenger dedicated line；rail profile；optimization；contact status；dynamics performance of vehicle

U213.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.005

1004-2954(2014)07-0020-04

2013-10-06；

2013-12-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51068007)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃項目(NECT-09-0167)

周 駿(1990―),男,碩士研究生,E-mail:zhoujunjxnc@ 163.com。