[發明專利]一種基于改進的粒子群算法的車輪型面多目標優化方法

在審

• 申請號: 201811010496.5
• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN109408854A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 章清;胡雪冰;付寧;朱佳偉;邢宗義
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種基于改進的粒子群算法的車輪型面多目標優化方法。方法為：首先建立基于NURBS理論的車輪型面多目標優化模型；然后選擇磨耗指數、脫軌系數、橫向平穩性指標和臨界速度，作為優化目標函數；接著以滿足輪軌橫向力、輪軸橫向力以及輪重減載率為動力學約束條件，以優化型面曲線的凹凸性及連續性、平滑性為幾何約束條件，建立多目標優化模型；最后利用改進的粒子群算法對多目標優化模型進行迭代求解，最終獲得優化的低磨耗車輪型面。本發明基于改進的粒子群算法，優化的型面具有良好的車輛運行安全性、運行平穩性、曲線通過性能，同時降低了輪軌磨耗。

技術領域

本發明屬于列車車輪設計技術領域，特別是一種基于改進的粒子群算法的車輪型面多目標優化方法。

背景技術

車輪作為列車車輛系統最為關鍵的部件之一，不但要承受列車與運行軌道之間全部的相互作用載荷及直接性沖擊，而且還要和軌道相互粘著產生列車行進的牽引力和到站的制動力。靜止時，車輪承擔列車全部重量；在軌道上高速運行時，車輪額外承受列車和軌道相互作用傳遞的垂向力；進站制動時，車輪因踏面和軌道面的擠壓力而不斷承受摩擦力。高負荷的工作強度，使得車輪出現踏面擦傷與剝離，車輪直徑也因摩擦而變小，從而影響列車的行車安全及運行穩定，需要引起格外重視。

從列車行車安全方面來講，車輪長時間高負荷的作業不可避免的帶來了車輪磨耗損傷甚至是車輪外形輪廓的改變，這些均會直接影響輪軌之間的接觸系統，進而影響列車的運行安全。因此，選擇合適的低磨耗型車輪型面外形，即選擇與軌道平穩性和曲線行進路線更貼切擬合的車輪型面，改善輪軌間接觸性能，會減少車輪與軌道的直接接觸應力，避免車輪由于踏面剝離、踏面擦傷、多邊形磨耗或是嚴重磨損導致的列車脫軌等重大交通事故的發生。

因此，建立的列車車輪磨耗數值預測模型，仿真分析不同運行里程的車輪磨耗，獲得某線路列車的車輪磨耗規律，并以此為車輪型面的優化設計依據，制定合理的車輪型面外形十分必要。國內外許多學者對車輪型面的優化進行了大量的研究，其中2015年，任文娟為了解決我國某動車組存在輪緣磨耗嚴重問題，提出一種改進的并行反求設計方法；2016年，蘇建提出了一種基于輪緣磨耗控制的多目標型面優化方法，在利用改進的粒子群迭代求解時建立車輪型面曲線庫。從以上的研究文獻的綜述可知，大多數研究方法主要是對車輪主踏面進行優化設計，很少面向整個車輪型面、針對車輪輪緣磨耗和考慮車輛的綜合動力學性能；而車輪型面單目標優化設計可能會帶來其它性能指標下降。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于改進的粒子群算法的車輪型面多目標優化方法，能夠使優化的型面具有良好的車輛運行安全性、運行平穩性、曲線通過性能，同時降低輪軌磨耗。

實現本發明目的的技術解決方案是：一種基于改進的粒子群算法的車輪型面多目標優化方法，包括以下步驟：

步驟1，建立基于NURBS理論的車輪型面多目標優化模型；

步驟2，選擇磨耗指數、脫軌系數、橫向平穩性指標和臨界速度，作為優化目標函數；

步驟3，以滿足輪軌橫向力、輪軸橫向力以及輪重減載率為動力學約束條件，以優化型面曲線的凹凸性及連續性、平滑性為幾何約束條件，建立多目標優化模型；

步驟4，利用改進的粒子群算法對多目標優化模型進行迭代求解，最終獲得優化的低磨耗車輪型面。

進一步地，步驟1所述的建立基于NURBS理論的車輪型面多目標優化模型，具體如下：

通過用二次NURBS曲線構造LM車輪型面外形，選取車輪和鋼軌的正常磨耗部分作為車輪型面優化區域，將車輪型面外形中的圓弧段中的控制點坐標以及相對應的權因子作為設計變量。

進一步地，步驟2所述的選擇輪軌磨耗指數、脫軌系數、橫向平穩性指標和臨界速度，作為優化目標函數，具體如下：

(2.1)磨耗指數相關的目標函數f₁：