CN101117127A - 一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种描述出铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其步骤为：a.根据车轮与钢轨型面离散数据点，生成轮、轨轮廓面；b.按设定的运行速度，通过车轨－轨道耦合系统动力学计算方法，得出每个时刻的轮对及钢轨的振动位移量，找出对应时刻的车轮空间迹线；c.计算车轮空间迹线各点与钢轨的垂向距离，找出左、右侧轮轨接触点；d.对每个时刻的左、右侧轮轨接触点进行标记，用直线将左右侧车轮和钢轨上的点连接，即描述出铁路轮轨空间动态接触状态。该方法直观、简单、更加真实的显示复杂的轮轨空间各种动态接触状态，实现铁路轮、轨动态接触几何关系的研究与分析，为车轮踏面和钢轨型面的优化设计和制造提供依据，具有很强的工程应用价值。

Description

一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法

技术领域

本发明涉及交通运输、计算机数字模拟、动态数值仿真等技术领域，尤其涉及一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法。

背景技术

随着铁路运输高速、重载的发展，带来的动力学与振动、行车安全性问题十分突出，轮轨关系变得十分复杂。目前，我国引进的某型动车组在客运专线上高速试运行时，已经初步暴露出了危及行车安全的动力学问题，已经引起了相关部门的高度重视。如：在部分直线轨道区段和曲线轨道上，高速机车车辆的轮重减载率(安全性指标)不合格。

这些问题的核心是轮轨空间动态接触关系，它是车辆系统与轨道系统之间的连接纽带，车辆系统和轨道系统之间的动态反馈作用均由轮轨关系的动态变化来实现。随着铁路的发展，对轮轨空间动态接触关系的研究提出了更高的要求。通常，国内外对铁道机车车辆轮轨接触进行研究时作了3种假设，即“钢轨静止不动”、“轮轨均为刚性体”和“轮轨始终保持接触”。实际上，钢轨是运动的，是弹性体，轮轨也时常发生脱离现象，这种描述轮轨接触状态的精度和可靠性较差，与实际运营中的轮轨接触状态不符。

因此，对轮轨接触状态进行描述时，必须摒弃上面几种不合理的假设，并且还要考虑实际运营状态下轮轨磨耗型面。另外描述轮轨接触状态时，要尽可能的直观、清晰。这对轮轨动态相互作用及列车脱轨研究，特别是再现列车脱轨动态过程，对车轮踏面和钢轨型面的优化设计和制造，具有十分重要的理论价值和工程实际意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种描述铁路轮轨动态接触状态的方法，该方法直观、简单、更加真实的显示复杂的轮轨空间各种动态接触状态，实现铁路轮、轨动态接触几何关系的研究，为车轮踏面和钢轨型面的优化设计和制造提供依据，具有很强的工程应用价值。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其步骤为：

a、根据车轮与钢轨型面离散数据点，生成轮、轨轮廓面；

b、按设定的列车运行速度，通过车轨-轨道耦合系统动力学计算方法，计算出每个时刻的轮对振动位移量及钢轨振动位移量，找出对应时刻车轮踏面与钢轨垂向相交形成的车轮空间迹线；

c、计算车轮空间迹线各点与钢轨的垂向距离，垂向距离最小点即为左、右侧轮轨接触点；

d、对每个时刻的左、右侧轮轨接触点进行标记，用直线将左右侧车轮和钢轨上的点连接，即得到铁道机车车辆整个运行过程中的轮轨空间动态接触状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.将每个时刻的左、右侧轮轨接触点进行标记，用直线将左右侧车轮和钢轨上的点连接，既可以观察某一时刻的轮轨接触点位置，又可以观察整个过程轮轨接触点的分布变化状态。直观、简单的显示复杂的轮轨空间动态接触状态，包括一点接触、两点接触或多点接触现象和车轮爬上钢轨的现象及其整个运动过程；

2.认为“钢轨是运动的”、“轮轨是弹性体”、“轮轨可以脱离”，考虑了每个时刻的轮对振动位移量及钢轨振动位移量，摒弃了常规方法中几种不合理的假设，从而更加真实的描述了铁路轮轨接触状态。

从而本发明方法为车轮与钢轨截面的优化设计提供了统一、直观、清晰的动态分析依据。特别是为高速、重载现代化铁路车轮与钢轨的最佳匹配设计提供了理论分析工具，具有很强的工程应用价值。

上述的a步中的车轮与钢轨型面的离散数据点，由现场实测得到，也可由设计图纸的轮廓离散得到。

这样，本发明方法可以反映实际磨耗的轮轨型面接触状态，从而更为真实的描述了实际铁路轮轨接触状态。

上述的a步中现场实测车轮与钢轨型面离散数据生成轮、轨轮廓面的具体作法是对实测的离散数据进行平滑，使一阶导数和二阶导数连续。

上述的b步中还将轨道不平顺位移叠加到钢轨振动位移量中。这样，本发明方法可以更为真实的描述了实际铁路的轮轨接触状态。

上述的c步中同一时刻，车轮空间迹线各点与左、右侧钢轨的最小垂向距离不必相等。两个最小垂向距离不相等时，反映轮对侧滚的状态。

上述的c步计算车轮空间迹线与钢轨的垂向距离时，先将车轮及车轮空间迹线在铅垂方向抬高3～50mm距离。这样使得车轮踏面与钢轨型面分开，更方便观察轮轨接触状态。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的某一时刻轮轨动态接触示意图。图1中，O_w-X_wY_wZ_w是轮对坐标系，O_Lc-X_LcY_LcZ_Lc、O_Rc-X_RcY_RcZ_Rc分别是左侧、右侧接触斑坐标系，O_Lr-X_LrY_LrZ_Lr、O_Rr-X_RrY_RrZ_Rr分别是左侧、右侧钢轨坐标系，δ_R、δ_L分别是右、左、侧车轮踏面接触角。

图2是用本发明实施例的方法描述出的车辆通过曲线段时外侧的轮轨接触状态描述图。

图3是用本发明实施例的方法描述出的车辆通过曲线段时内侧的轮轨接触状态描述图。

图2、图3中，横坐标与纵坐标均为钢轨正截面的坐标，R300和R80分别是型面上的曲率半径。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式为：一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其步骤为：

a、根据车轮与钢轨型面离散数据点，生成轮、轨轮廓面。获取数据点的方法有两种：一种为现场实际测量方法，通过测试仪器，在现场铁路轨道上测试钢轨轮廓型面，在机务段或车辆段测量车轮型面，这样可以得到实际运营状态下(如产生了磨耗)的轮轨型面的型面。

另一种方法是理论方案离散法，根据设计图纸，找到型面的关键参数(包括曲率半径、切点)，按照等圆弧进行离散，这种方法可以获得没有磨耗(标准)的轮轨型面。

为了保证求解精度，轮轨型面数据点必须要达到一定数量，通常为100～500，建议值为200。

生成轮、轨轮廓面时，需先求出轮轨型面的一阶导数和二阶导数。在轮轨接触计算中，一阶导数和二阶导数是关键参数，为了提高求解速度，因此，将轮轨型面的这几个关键参数预先计算出来，作为输入数据。对于实际测量得到的轮轨型面，如果存在明显缺陷，如剥离掉块或扁疤，则一阶导数和二阶导数不连续，需进行拟合(平滑)计算，确保一阶导数和二阶导数连续。

b、按设定的列车运行速度，通过车轨-轨道耦合系统动力学计算方法，计算出每个时刻的轮对振动位移量及钢轨振动位移量，钢轨振动位移量中叠加有轨道不平顺位移，找出对应时刻车轮踏面与钢轨垂向相交形成的车轮空间迹线，也即车轮与钢轨轴线垂直的垂向截面的下部轮廓线。显然轮轨空间接触点只可能在该车轮空间迹线上。

构建右侧车轮空间迹线的公式是：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_B+l_x{R}_w\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_R\\ y=y_B-\frac{R_w}{1-{l_x}^2}({l_x}^2{l}_y\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_R+l_{z}m)\\ z=z_B-\frac{R_w}{1-{l_x}^2}({l_x}^2{l}_z\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_R-l_{y}m)\end{array}\right.$

式中，δ_R是右侧车轮踏面接触角；R_w是车轮滚动圆半径，m为模数， $m=\sqrt{1-{l_x}^2(1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\δ}}_R)};$ l_x、l_y、l_z分别是车轮初始离散点在X、Y、Z方向的余弦，且

$\left\{\begin{array}{c}{l}_x=-\cos {\mathrm{\φ}}_w\sin {\mathrm{\ψ}}_w\\ l_y=\cos {\mathrm{\φ}}_w\cos {\mathrm{\ψ}}_w\\ l_z=\sin {\mathrm{\φ}}_w\end{array}\right.$

Φ_w、Ψ_w分别是轮对侧滚和摇头角位移。

滚动圆圆心B的坐标是

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=d_w{l}_x\\ y_B=d_w{l}_y+Y_w\\ z_B=d_w{l}_z\end{array}\right.$

式中，d_w是在轮对坐标系中车轮踏面各滚动圆横坐标。

已知轮对当前运动位移量Y_w、Φ_w、Ψ_w，通过逐步改变轮对坐标系下，车轮踏面各滚动圆横坐标d_w，就可以构成某时刻的右侧车轮空间迹线。采用同样的方法，可以构成某一时刻左侧车轮空间迹线。

c、计算车轮空间迹线各点与钢轨的垂向距离，垂向距离最小点即为左、右侧轮轨接触点。首先将车轮在铅垂方向抬高一定距离，通常3～50mm。将车轮迹线上的每一个点向钢轨轮廓线上插值，求出对应位置的钢轨坐标，然后求出车轮与钢轨的垂向距离，对比所有离散点的距离，找出最小距离点，即是轮轨接触点。同一时刻，车轮空间迹线各点与左、右侧钢轨的最小垂向距离不必相等。不相等时，反映轮对侧滚的状态。

d、对每个时刻的左、右侧轮轨接触点进行标记，用直线将左右侧车轮和钢轨上的点连接，形成了轮轨接触状态图，即得到铁道机车车辆整个运行过程中的轮轨空间动态接触状态。图2及图3即为采用本例方法描述出的列车通过某一弯道时的轮轨接触状态图。

Claims (6)

1.一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其步骤为：

a、根据车轮与钢轨型面离散数据点，生成轮、轨轮廓面；

b、按设定的列车运行速度，通过车轨-轨道耦合系统动力学计算方法，计算出每个时刻的轮对振动位移量及钢轨振动位移量，找出对应时刻车轮踏面与钢轨垂向相交形成的车轮空间迹线；

c、计算车轮空间迹线各点与钢轨的垂向距离，垂向距离最小点即为左、右侧轮轨接触点；

d、对每个时刻的左、右侧轮轨接触点进行标记，用直线将左右侧车轮和钢轨上的点连接，即得到铁道机车车辆整个运行过程中的轮轨空间动态接触状态。

2.根据权利要求1所述的描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其特征在于：所述的a步中的车轮与钢轨型面的离散数据点，由现场实测得到，也可由设计图纸的轮廓离散得到。

3.根据权利要求2所述的描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其特征在于：所述的a步中现场实测车轮与钢轨型面离散数据生成轮、轨轮廓面的具体作法是对实测的离散数据进行平滑，使一阶导数和二阶导数连续。

4.根据权利要求1所述的描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其特征在于，所述的b步中还将轨道不平顺位移叠加到钢轨振动位移量中。

5.根据权利要求1所述的描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其特征在于，所述的c步中同一时刻，车轮空间迹线各点与左、右侧钢轨的最小垂向距离不必相等。

6.根据权利要求1所述的描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法，其特征在于，所述的c步计算车轮空间迹线与钢轨的垂向距离时，先将车轮及车轮空间迹线在铅垂方向抬高3～50mm距离。