一種描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法
2023-06-16 22:55:31
專利名稱：一種描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法
技術領域：
本發明涉及交通運輸、計算機數字模擬、動態數值仿真等技術領域，尤其 涉及一種描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法。
技術背景隨著鐵路運輸高速、重載的發展，帶來的動力學與振動、行車安全性問題 十分突出，輪軌關係變得十分複雜。目前，我國引進的某型動車組在客運專線 上高速試運行時，已經初步暴露出了危及行車安全的動力學問題，已經引起了相關部門的高度重視。如在部分直線軌道區段和曲線軌道上，高速機車車輛 的輪重減載率(安全性指標)不合格。這些問題的核心是輪軌空間動態接觸關係，它是車輛系統與軌道系統之間 的連接紐帶，車輛系統和軌道系統之間的動態反饋作用均由輪軌關係的動態變 化來實現。隨著鐵路的發展，對輪軌空間動態接觸關係的研究提出了更高的要 求。通常，國內外對鐵道機車車輛輪軌接觸進行研究時作了 3種假設，即"鋼軌 靜止不動"、"輪軌均為剛性體"和"輪軌始終保持接觸"。實際上，鋼軌是運動的， 是彈性體，輪軌也時常發生脫離現象，這種描述輪軌接觸狀態的精度和可靠性 較差，與實際運營中的4侖軌接觸狀態不符。因此，對輪軌接觸狀態進行描述時，必須摒棄上面幾種不合理的假設，並 且還要考慮實際運營狀態下輪軌磨耗型面。另外描述輪軌接觸狀態時，要盡可 能的直觀、清晰。這對輪軌動態相互作用及列車脫軌研究，特別是再現列車脫 軌動態過程，對車輪踏面和鋼軌型面的優化設計和製造，具有十分重要的理論 價值和工程實際意義。 發明內容本發明的目的就是提供一種描述鐵路輪軌動態接觸狀態的方法,該方法直 觀、簡單、更加真實的顯示複雜的輪軌空間各種動態接觸狀態，實現鐵路輪、 軌動態接觸幾何關係的研究，為車輪踏面和鋼軌型面的優化設計和製造提供依 據，具有很強的工程應用價值。本發明解決其技術問題，所採用的技術方案是 一種描述鐵路輪軌空間動
態接觸狀態的方法，其步驟為a、 根據車輪與鋼軌型面離散數據點，生成輪、軌輪廓面；b、 按設定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統動力學計算方法，計算 出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，找出對應時刻車輪踏面與鋼 軌垂向相交形成的車4侖空間跡線；c、 計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右 側輪軌接觸點；d、 對每個時刻的左、右側輪軌接觸點進行標記，用直線將左右側車輪和鋼 軌上的點連接，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中的輪軌空間動態接觸狀態。與現有技術相比，本發明的有益效果是1. 將每個時刻的左、右側輪軌接觸點進行標記，用直線將左右側車輪和鋼 軌上的點連接，既可以觀察某一時刻的輪軌接觸點位置，又可以觀察整個過程 輪軌接觸點的分布變化狀態。直觀、簡單的顯示複雜的輪軌空間動態接觸狀態， 包括一點接觸、兩點接觸或多點接觸現象和車輪爬上鋼軌的現象及其整個運動 過程52. 認為"鋼軌是運動的"、"輪軌是彈性體"、"輪軌可以脫離"，考慮了每個時 刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，摒棄了常規方法中幾種不合理的假設， 從而更加真實的描述了鐵路輪軌接觸狀態。動態分析依據。特別是為高速、重載現代化鐵路車輪與鋼軌的最佳匹配設計提 供了理論分析工具，具有^[艮強的工程應用價值。上述的a步中的車輪與鋼軌型面的離散數據點，由現場實測得到，也可由 設計圖紙的輪廓離散得到。這樣，本發明方法可以反映實際磨耗的輪軌型面接觸狀態，從而更為真實 的描述了實際鐵路輪軌接觸狀態。上述的a步中現場實測車輪與鋼軌型面離散數據生成輪、軌輪廓面的具體 作法是對實測的離散數據進行平滑，使一階導數和二階導數連續。上述的b步中還將軌道不平順位移疊加到鋼軌振動位移量中。這樣，本發 明方法可以更為真實的描述了實際鐵路的輪軌接觸狀態。上述的c步中同一時刻，車4侖空間跡線各點與左、右側鋼軌的最小垂向距
離不必相等。兩個最小垂向距離不相等時，反映輪對側滾的狀態。上述的C步計算車輪空間跡線與鋼軌的垂向距離時，先將車輪及車輪空間跡線在鉛垂方向抬高3 50mm距離。這樣使得車輪踏面與鋼軌型面分開，更方 便觀察輪軌接觸狀態。下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作詳細的描述。
圖l是本發明實施例的某一時刻輪軌動態接觸示意圖。圖1中，Ow-Xw7wZw是輪對坐標系，Olc-X^;TlcZlc、 C^-XKc7RcZRc分別是左側、右側接觸斑坐標系， Ok-Xl^I^Zi^ CW-lR^RrZj^分別是左側、右側鋼軌坐標系，&、 &分別是右、 左、側車輪踏面接觸角。圖2是用本發明實施例的方法描述出的車輛通過曲線段時外側的輪軌接觸狀態描述圖。圖3是用本發明實施例的方法描述出的車輛通過曲線段時內側的輪軌接觸狀態描述圖。圖2、圖3中， 一黃坐標與縱坐標均為鋼軌正截面的坐標，i 300和i 80分別 是型面上的曲率半徑。
具體實施方式
實施例本發明的一種具體實施方式
為 一種描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方 法，其步驟為a、根據車輪與鋼軌型面離散數據點，生成輪、軌輪廓面。獲取數據點的方 法有兩種 一種為現場實際測量方法，通過測試儀器，在現場鐵路軌道上測試 鋼軌輪廓型面，在機務段或車輛段測量車輪型面，這樣可以得到實際運營狀態 下(如產生了磨耗)的輪軌型面的型面。另一種方法是理論方案離散法，根據設計圖紙，找到型面的關鍵參數(包 括曲率半徑、切點)，按照等圓弧進行離散，這種方法可以獲得沒有磨耗(標準) 的輪軌型面。為了保證求解精度，輪軌型面數據點必須要達到一定數量，通常為100 ~ 500,建議值為200。生成輪、軌輪廓面時，需先求出輪軌型面的一階導數和二階導數。在輪軌
接觸計算中， 一階導數和二階導數是關鍵參數，為了提高求解速度，因此，將 輪軌型面的這幾個關鍵參數預先計算出來，作為輸入數據。對於實際測量得到 的輪軌型面，如果存在明顯缺陷，如剝離掉塊或扁疤，則一階導數和二階導數 不連續，需進行擬合(平滑)計算，確保一階導數和二階導數連續。b、按設定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統動力學計算方法，計算 出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，鋼軌振動位移量中疊加有軌道不平順位移，找出對應時刻車輪踏面與鋼軌垂向相交形成的車輪空間跡線， 也即車輪與鋼軌軸線垂直的垂向截面的下部輪廓線。顯然4侖軌空間接觸點只可能在該車輪空間跡線上。構建右側車輪空間跡線的公式是formula see original document page 6式中，^是右側車輪踏面接觸角；及w是車輪滾動圓半徑，m為模數， formula see original document page 6;&、 &、 /2分別是車輪初始離散點在Z、 7、 Z方向的餘弦， 且formula see original document page 60W、 "^分別是4侖對側滾和搖頭角位移。 滾動圓圓心5的坐標是formula see original document page 6式中，"是在輪對坐標系中車輪踏面各滾動圓橫坐標。已知輪對當前運動位移量7w、 0W、 ？^v,通過逐步改變輪對坐標系下，車輪 踏面各滾動圓橫坐標t/w，就可以構成某時刻的右側車輪空間跡線。釆用同樣的 方法，可以構成某一時刻左側車輪空間跡線。C、計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右側輪軌接觸點。首先將車輪在鉛垂方向抬高一定距離，通常3~50mm。將車輪 跡線上的每一個點向鋼軌輪廓線上插值，求出對應位置的鋼軌坐標，然後求出 車輪與鋼軌的垂向距離，對比所有離散點的距離，找出最小距離點，即是輪軌 接觸點。同一時刻，車輪空間跡線各點與左、右側鋼軌的最小垂向距離不必相 等。不相等時，反映輪對側滾的狀態。d、對每個時刻的左、右側輪軌接觸點進行標記，用直線將左右側車輪和鋼 軌上的點連接，形成了輪軌接觸狀態圖，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中 的輪軌空間動態接觸狀態。圖2及圖3即為採用本例方法描述出的列車通過某 一彎道時的輪軌接觸狀態圖。
權利要求
1、一種描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其步驟為a、根據車輪與鋼軌型面離散數據點，生成輪、軌輪廓面；b、按設定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統動力學計算方法，計算出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，找出對應時刻車輪踏面與鋼軌垂向相交形成的車輪空間跡線；c、計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右側輪軌接觸點；d、對每個時刻的左、右側輪軌接觸點進行標記，用直線將左右側車輪和鋼軌上的點連接，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中的輪軌空間動態接觸狀態。
2、 根據權利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其特徵 在於所述的a步中的車輪與鋼軌型面的離散數據點，由現場實測得到，也可 由設計圖紙的輪廓離散得到。
3、 根據權利要求2所述的描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其特徵 在於所述的a步中現場實測車輪與鋼軌型面離散數據生成輪、軌輪廓面的具 體作法是對實測的離散數據進行平滑，使一 階導數和二階導數連續。
4、 根據權利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其特徵 在於，所述的b步中還將軌道不平順位移疊加到鋼軌振動位移量中。
5、 根據權利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其特徵 在於，所述的c步中同一時刻，車輪空間跡線各點與左、右側鋼軌的最小垂向 距離不必相等。
6、 根據權利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其特徵 在於，所述的c步計算車輪空間跡線與鋼軌的垂向距離時，先將車輪及車輪空 間跡線在鉛垂方向抬高3 ~ 50mm距離。
全文摘要
一種描述出鐵路輪軌空間動態接觸狀態的方法，其步驟為a.根據車輪與鋼軌型面離散數據點，生成輪、軌輪廓面；b.按設定的運行速度，通過車軌-軌道耦合系統動力學計算方法，得出每個時刻的輪對及鋼軌的振動位移量，找出對應時刻的車輪空間跡線；c.計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，找出左、右側輪軌接觸點；d.對每個時刻的左、右側輪軌接觸點進行標記，用直線將左右側車輪和鋼軌上的點連接，即描述出鐵路輪軌空間動態接觸狀態。該方法直觀、簡單、更加真實的顯示複雜的輪軌空間各種動態接觸狀態，實現鐵路輪、軌動態接觸幾何關係的研究與分析，為車輪踏面和鋼軌型面的優化設計和製造提供依據，具有很強的工程應用價值。
文檔編號B61K9/00GK101117127SQ20071004980
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月21日 優先權日2007年8月21日
發明者王開雲, 翟婉明, 蔡成標 申請人:西南交通大學