[發明專利]一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法

在審

• 申請號: 202010194557.9
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111460705A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 楊光;劉豐收;侯茂銳;俞喆;張金;周韶博;胡曉依
• 申請（專利權）人: 中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所;北京中鐵科新材料技術有限公司;中國鐵道科學研究院集團有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 北京瑞恒信達知識產權代理事務所(普通合伙) 11382
• 代理人: 黃慶芳

1.一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述方法包括，

步驟1：目標型面參數分解；步驟2：建立鋼軌型面數據庫；步驟3：建立仿真分析模型；步驟4：計算分析；步驟5：安全性評估；步驟6：輪軌系統性能評估；步驟7：鋼軌打磨經濟性評估和步驟8：最優鋼軌型面擇選。

2.根據權利要求1所述的一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述步驟1：目標型面參數分解主要從鋼軌型面幾何參數和鋼軌服役條件兩方面對待優化設計目標型面的基礎數據進行分析歸納：

鋼軌型面幾何參數，

依據線路鋼軌型面測試數據、光帶分布情況，基于輪軌接觸理論，定性分析明確輪軌主要接觸部位，確定鋼軌型面幾何關鍵區域及其圓弧半徑；

鋼軌服役條件，

包括線路參數、車輛參數及車輪型面等，其中，線路參數為優化設計目標所屬高速鐵路的曲線、道岔、坡道、軌道幾何平順性等參數，車輛參數和車輪型面包括服役于該線路的所有類型高速動車組車輛參數和車輪型面。

3.根據權利要求1所述的一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述建立鋼軌型面數據庫是以控制單一變量為原則，以一定步長分別改變鋼軌型面幾何關鍵區域圓弧長度和半徑，不同區域圓弧利用相切關系連接以保證不同區域圓弧連接部位平滑過渡，獲得不同幾何參數的鋼軌型面；

將鋼軌型面及其幾何特征參數數據(包括圓弧位置、圓弧半徑及圓弧長度)一一對應建立鋼軌型面數據庫。

4.根據權利要求1所述的一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述建立仿真分析模型包括高速動車組車輛-軌道耦合系統動力學模型和輪軌接觸有限元模型，其中，

高速動車組車輛-軌道耦合系統動力學模型基于多體動力學理論和輪軌接觸理論，輸入線路參數、車輛參數及輪軌型面，建立高速動車組車輛-軌道耦合系統動力學模型：車輛系統動力學模型由1個車體、2個構架、4個輪對、8個軸箱、一系懸掛系統和二系懸掛系統組成，考慮車輛主要結構部件的彈性模態及懸掛系統阻尼器的非線性；軌道系統動力學模型由鋼軌、軌道板、路基及扣件組成，

動力學模型還需預留車輪型面、鋼軌型面、曲線參數及線路不平順等數據輸入接口；

輪軌接觸有限元模型基于有限單元法和彈塑性力學理論，利用有限元分析軟件，導入車輪型面和鋼軌型面幾何數據，對輪軌部件進行網格劃分，且對輪軌接觸部位網格進行精細化處理，建立輪軌接觸有限元模型，并預留輪軌載荷數據輸入接口。

5.根據權利要求1所述的一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述計算分析調用步驟2中建立的鋼軌型面數據庫內不同幾何參數的鋼軌型面，輸入到步驟3中建立的高速動車組車輛-軌道耦合系統動力學模型中，利用動力學計算得到不同幾何參數鋼軌型面對應的安全性、輪軌接觸特性、車輛運行性能及鋼軌服役性能等各項指標，并將動力學結果輸入到步驟3中建立的輪軌接觸有限元模型中，計算得到不同幾何參數的鋼軌型面對應的輪軌接觸應力分布狀態，

具體計算結果為：

安全性指標：脫軌系數、輪重減載率、輪軌作用力、輪軸橫向力；

輪軌接觸特性指標：輪軌接觸點分布、錐度、輪徑差和接觸剛度；

車輛運行性能指標：轉向架橫向振動加速度(時域和頻域特征)、車體橫向位移(時域和頻域特征)、車體振動加速度(時域和頻域特征)、平穩性指標和舒適性指標；

鋼軌服役性能指標：磨耗指數、表面疲勞指數、接觸應力及輪軌接觸范圍，

所有計算分析結果均將輸入到后續優化評估功能模塊，以綜合評估選出最優鋼軌型面。

6.根據權利要求1所述的一種高速鐵路鋼軌型面優化設計方法，其特征在于，所述安全性評估將安全性指標(脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向作用力)作為頂層指標，依據《高速鐵路工程動態驗收技術規范》(TB10716-2013)要求，脫軌系數應小于0.8；輪軌減載率應小于0.65(準靜態)和0.8(動態)；輪軸橫向力應小于10+軸重載荷/3(單位：kN)；輪軌垂向作用力應小于170kN，

若安全性指標計算結果不滿足安全性限值要求則該鋼軌型面不再進行后續評估，若滿足安全性限值要求則進行輪軌系統性能和打磨經濟性評估。