CN111460705B - 一种高速铁路钢轨型面优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述方法包括，步骤1：目标型面参数分解；步骤2：建立钢轨型面数据库；步骤3：建立仿真分析模型；步骤4：计算分析；步骤5：安全性评估；步骤6：轮轨系统性能评估；步骤7：钢轨打磨经济性评估和步骤8：最优钢轨型面择选。本发明提出的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，以实现与高速动车组多种车轮型面良好匹配和保证整条线路钢轨廓形一致性为目标，保障动车组运行品质，兼顾钢轨打磨作业经济性，系统性地提出一种高速铁路钢轨型面优化设计方法。
Description
技术领域
本发明属于高速铁路钢轨技术领域，更具体讲就是涉及一种高速铁路钢轨型面优化设计方法。
背景技术
我国现役的高速铁路动车组装配了LMA、LMB、LMB-10、LMC和LMD五种型面车轮，轮轨型面匹配关系十分复杂，轮轨型面不良匹配影响动车组运行品质及旅客乘车舒适性。同时，由于我国车轮型面种类较多且其对应的动车组车型及配套参数均不同，车轮型面的优化设计工作考虑因素繁多且不易实现与车辆参数的良好匹配。因此，需要从钢轨型面优化设计工作入手，针对初始钢轨型面，采用科学合理的优化设计方法，设计出新的钢轨型面，实现与多种车轮型面的良好匹配，满足高速动车组安全平稳运行要求，保障动车组运行品质及旅客乘车舒适性。
现有钢轨型面优化设计方法主要有两种：
现有技术方案1：以实现轮轨“共形”接触为目标，采用接触角曲线反求法、RRD曲线反求法和最小间隙法等方法优化设计钢轨型面，可明显降低轮轨接触应力。该方法主要用于轮轨接触关系理论研究，基于其方法提出的钢轨型面未被铁路工务部门广泛使用。
以实现轮轨“共形”接触为目标的钢轨型面优化设计方法对动车组运行品质和现场钢轨养护维修经济性考虑不充分，按照此类方法设计出的钢轨新型面难以实现与多种车轮型面良好匹配，同时，会显著增加钢轨打磨作业成本。
现有技术方案2：采用个性化钢轨廓形设计方法指导现场钢轨打磨，即针对不同曲线线路特点，通过轮轨动力学分析计算，以最小打磨量为原则设计不同钢轨打磨目标廓形。该方法主要用于指导我国普速客运铁路钢轨打磨作业。
个性化钢轨廓形设计方法未评估存在连续曲线线路不同钢轨廓形的差异对列车运行性能的影响，还增加了现场钢轨打磨难度和打磨工作量，打磨作业成本高。同时，由于动车组高速运行时的轮轨系统动力性能对于钢轨型面变化极为敏感，不同曲线区段钢轨廓形个性化设计不利于保持整条线路钢轨型面一致性，不利于保障高速动车组运行品质。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述方法包括，
步骤1：目标型面参数分解；步骤2：建立钢轨型面数据库；步骤3：建立仿真分析模型；步骤4：计算分析；步骤5：安全性评估；步骤6：轮轨系统性能评估；步骤7：钢轨打磨经济性评估和步骤8：最优钢轨型面择选。
其中，步骤1：目标型面参数分解主要从钢轨型面几何参数和钢轨服役条件两方面对待优化设计目标型面的基础数据进行分析归纳：
钢轨型面几何参数，
依据线路钢轨型面测试数据、光带分布情况，基于轮轨接触理论，定性分析明确轮轨主要接触部位，确定钢轨型面几何关键区域及其圆弧半径。
钢轨服役条件，
包括线路参数、车辆参数及车轮型面等，其中，线路参数为优化设计目标所属高速铁路的曲线、道岔、坡道、轨道几何平顺性等参数，车辆参数和车轮型面包括服役于该线路的所有类型高速动车组车辆参数和车轮型面。
其中，建立钢轨型面数据库是以控制单一变量为原则，以一定步长分别改变钢轨型面几何关键区域圆弧长度和半径，不同区域圆弧利用相切关系连接以保证不同区域圆弧连接部位平滑过渡，获得不同几何参数的钢轨型面。
将钢轨型面及其几何特征参数数据(包括圆弧位置、圆弧半径及圆弧长度)一一对应建立钢轨型面数据库。
其中，建立仿真分析模型包括高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型和轮轨接触有限元模型，其中，
高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型基于多体动力学理论和轮轨接触理论，输入线路参数、车辆参数及轮轨型面，建立高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型：车辆系统动力学模型由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱、一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，考虑车辆主要结构部件的弹性模态及悬挂系统阻尼器的非线性；轨道系统动力学模型由钢轨、轨道板、路基及扣件组成，
动力学模型还需预留车轮型面、钢轨型面、曲线参数及线路不平顺等数据输入接口；
轮轨接触有限元模型基于有限单元法和弹塑性力学理论，利用有限元分析软件，导入车轮型面和钢轨型面几何数据，对轮轨部件进行网格划分，且对轮轨接触部位网格进行精细化处理，建立轮轨接触有限元模型，并预留轮轨载荷数据输入接口。
其中，计算分析调用步骤2中建立的钢轨型面数据库内不同几何参数的钢轨型面，输入到步骤3中建立的高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型中，利用动力学计算得到不同几何参数钢轨型面对应的安全性、轮轨接触特性、车辆运行性能及钢轨服役性能等各项指标，并将动力学结果输入到步骤3中建立的轮轨接触有限元模型中，计算得到不同几何参数的钢轨型面对应的轮轨接触应力分布状态，
具体计算结果为：
安全性指标：脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力、轮轴横向力；
轮轨接触特性指标：轮轨接触点分布、锥度、轮径差和接触刚度；
车辆运行性能指标：转向架横向振动加速度(时域和频域特征)、车体横向位移(时域和频域特征)、车体振动加速度(时域和频域特征)、平稳性指标和舒适性指标；
钢轨服役性能指标：磨耗指数、表面疲劳指数、接触应力及轮轨接触范围，
所有计算分析结果均将输入到后续优化评估功能模块，以综合评估选出最优钢轨型面。
其中，安全性评估将安全性指标(脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向作用力)作为顶层指标，依据《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10716-2013)要求，脱轨系数应小于0.8；轮轨减载率应小于0.65(准静态)和0.8(动态)；轮轴横向力应小于10+轴重载荷/3(单位：kN)；轮轨垂向作用力应小于170kN，
若安全性指标计算结果不满足安全性限值要求则该钢轨型面不再进行后续评估，若满足安全性限值要求则进行轮轨系统性能和打磨经济性评估。
其中，轮轨系统性能评估依据优化设计需求，首先，结合相关限值对安全性、车辆运行性能和钢轨服役性能的各项指标计算结果进行归一化处理。如《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10716-2013)规定车辆运行平稳性指标限值为2.5，车辆运行平稳性指标归一化处理方法如下：
式中，f1为车辆运行平稳性指标归一化结果，C为车辆运行平稳性指标计算结果；
第二，赋予各指标不同权重，为了保障动车组运行品质，应适当提高转向架横向振动加速度、车体横向位移、车体振动加速度、平稳性和舒适性等车辆运行性能指标的权重值；
第三，利用加权算法得到轮轨系统性能综合评估结果其中，wi为各项评估指标权重，fi为各项评估指标归一化结果；
最后，依据评估结果对不同几何尺寸钢轨型面排序，评估结果分值越低，排名越靠前。
轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面输入至打磨经济性评估步骤。
其中，钢轨打磨经济性评估为钢轨打磨的经济成本主要与钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率等因素相关，
各项评估因素中，钢轨打磨车打磨作业能耗由打磨车打磨作业功率和打磨作业遍数共同决定，与打磨目标型面几何直接相关，通过分析初始钢轨型面与优化设计排名前5的钢轨型面几何尺寸差异，可针对打磨车的特点制定打磨工艺及策略，再由打磨工艺计算打磨车作业能耗；人工成本主要是指打磨作业相关所需的施工人员、技术人员等的酬劳；打磨设备损耗主要为打磨机械、砂轮等设备折旧费用；天窗时间占用率主要是指打磨作业占用钢轨维修养护天窗作业时间的比例，
综合考虑钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率等因素，利用加权平均算法公式针对轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面计算其打磨经济性评估结果，其中，wgi为各项评估指标权重，gi为各项评估因素计算结果。再依据评估结果对不同钢轨型面的打磨经济性进行排序，评估结果越低，排名越靠前。
其中，述最优钢轨型面择选为选择轮轨系统性能评估排名和钢轨打磨经济性评估排名均靠前的钢轨型面作为最终优化设计出的新钢轨型面。
本发明提出的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，以实现与高速动车组多种车轮型面良好匹配和保证整条线路钢轨廓形一致性为目标，保障动车组运行品质，兼顾钢轨打磨作业经济性，系统性地提出一种高速铁路钢轨型面优化设计方法。
本发明提出的技术方案是以初始钢轨型面为基础型面，通过改变轮轨关键接触区域钢轨几何尺寸获得不同几何钢轨拟合型面，利用高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型和轮轨接触有限元模型，输入实际车辆参数和线路参数、实测轨道几何不平顺、实测车轮型面及钢轨拟合型面，仿真分析动车组运行安全性、平稳性、轮轨接触特性及钢轨服役性能，结合钢轨打磨作业经济性评估，综合提出新的钢轨型面，以实现对高速铁路钢轨型面的优化设计
附图说明
图1为本专利所述一种高速铁路钢轨型面优化设计方法示意图。
图2为初始钢轨型面(60kg/m钢轨型面)的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法进行详细描述。
如图一所示，在一个实施例中，以改善动车组运行品质和旅客乘车舒适性为目标，基于初始60kg/m钢轨型面，采用本发明提出的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，设计出新钢轨型面。以下结合实例对本发明详细说明：
步骤1参数分解
A.钢轨型面几何参数：图2所示，初始钢轨型面的轨顶廓形由R13-R80-R300-R80-R13五段圆弧组成，动车组运行时的轮轨关键接触区域为R300圆弧，若轮对横移增大，工作边一侧R80和R13圆弧可能会与车轮轮缘接触。因此，高速铁路钢轨型面优化设计的关键参数为钢轨R300圆弧和工作边R80、R13圆弧，其中，R300圆弧切点水平间距为20mm；R80圆弧切点水平间距为50.7mm；R13圆弧与R80和斜直线相切，切点与轨顶的垂直距离为14.2mm。
B.钢轨服役条件：车辆参数主要包括服役于该线路的CRH2和CRH3和谐动车组质量、结构和悬挂参数；线路参数主要包括钢轨、轨道板及路基结构及质量参数等，此外，某线路最小曲线半径为7000m，超高170mm，实测线路不平顺激扰最大幅值为4mm等轨道几何和曲线参数也均属于线路参数；车轮型面分别以LMA和LMB为初始型面的实测车轮型面。
步骤2：建立钢轨型面数据库
基于步骤1中A钢轨型面几何参数，分别改变钢轨R300、工作边一侧R80圆弧半径及圆弧长度(例如将R300圆弧的圆弧半径由300mm依次改为150mm、200mm、250mm、350mm和400mm，圆弧长度由20mm依次改为16mm，18mm、22mm和24mm等)，各圆弧间采用利用相切关系平滑连接，建立不同几何参数的钢轨型面数据库。表1截取该数据库的部分内容作为示意：
表1：不同几何参数的钢轨型面数据库(部分)列表
| 序号 | 代号 | 备注 |
| 1 | R150-16 | R300圆弧变为长16mm的R150圆弧 |
| 2 | R150-18 | R300圆弧变为长18mm的R150圆弧 |
| 3 | R150-20 | R300圆弧变为长20mm的R150圆弧 |
| 4 | R150-22 | R300圆弧变为长22mm的R150圆弧 |
| 5 | R150-24 | R300圆弧变为长24mm的R150圆弧 |
| 6 | R200-16 | R300圆弧变为长16mm的R200圆弧 |
| 7 | R200-18 | R300圆弧变为长18mm的R200圆弧 |
| 8 | R200-20 | R300圆弧变为长20mm的R200圆弧 |
| 9 | R200-22 | R300圆弧变为长22mm的R200圆弧 |
| 10 | R200-24 | R300圆弧变为长24mm的R200圆弧 |
步骤3：建立仿真分析模型
建立高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型：首先，基于已有的多体动力学理论分别建立车辆系统动力学模型和轨道系统动力学模型，其中，车辆系统动力学模型由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱、一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，考虑车辆主要结构部件的弹性模态及悬挂系统阻尼器的非线性，车体、构架、轮对和轴箱的结构和质量参数及一系、二系悬挂参数均取自步骤1B中车辆参数，本案例建立的车辆系统动力学模型有CRH2型动车组车辆系统动力学模型和CRH3型动车组车辆系统动力学模型；轨道系统动力学模型由钢轨、轨道板及路基组成，钢轨、轨道板和路基结构及质量参数、轨道几何及曲线参数均取自步骤1B中的实测线路参数。然后，基于轮轨接触理论，将车辆系统和轨道系统联接，轮轨法向接触考虑为Hertz接触，轮轨切向接触关系计算利用Kalker接触算法。最终，建立车辆-轨道系统耦合动力学模型，并预留车轮型面、钢轨型面数据输入接口。
轮轨接触有限元模型：首先，向CAD软件输入步骤1B得到的车轮型面和钢轨型面，建立有限元仿真用车轮和钢轨几何模型；第二，将车轮和钢轨几何模型输入到有限元软件(如ANSYS、ABAQUS等)中，对车轮、钢轨模型划分网格，并对轮轨接触部位进行网格细化处理；最后，在有限元软件中构建车轮、钢轨约束条件及载荷条件，建立轮轨接触有限元模型，并预留轮轨载荷数据输入接口。
步骤4：计算分析
利用步骤3中建立的车辆-轨道系统耦合动力学模型，输入步骤2建立的钢轨型面数据库中的钢轨型面，通过动力学计算得到不同钢轨型面对应的安全性、车辆运行性能及钢轨服役性能等各项指标，统计计算结果，并建立各钢轨型面与各项指标的对应关系。表2列出了以部分钢轨型面为例各项指标的对应关系。将动力学计算得到的轮对横移量、侧滚角、冲角、轮轴垂向力、横向力等参数通过载荷输入接口输入到轮轨接触有限元模型中，通过有限元计算获得不同几何参数钢轨型面对应的轮轨接触应力及其分布状态。
表2：计算分析结果统计表
步骤5：安全性评估
将安全性指标(脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向作用力)作为顶层指标，依据《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10716-2013)要求，脱轨系数应小于0.8；轮重减载率应小于0.65(准静态)和0.8(动态)；轮轴横向力应小于10+轴重载荷/3(单位：kN)；轮轨垂向作用力应小于170kN。
结合各项安全性指标限值，基于步骤4的计算结果评估不同几何尺寸钢轨型面对应的列车运行安全性，对于不满足安全性限值的钢轨型面不进行后续评估。本实施例评估结果列于表3，由表3可知，R150-18、R150-20、R150-22、R200-16、R200-18、R200-20、R200-22等钢轨型面将进入后续评估环节。
表3：安全性评估结果示例
步骤6：轮轨系统性能评估
为了改善动车组运行品质和旅客乘车舒适性，对车辆运行性能指标中的转向架横向振动加速度、车体横向位移和车体振动加速度三项指标赋予更高的权重，通过加权算法计算，选出排名前5的钢轨型面。具体步骤为：
首先，结合相关限值对安全性、车辆运行性能和钢轨服役性能的各项指标计算结果进行归一化处理。如《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10716-2013)规定车辆运行平稳性指标限值为2.5，车辆运行平稳性指标归一化处理方法如下：
式中，f1为车辆运行平稳性指标归一化结果，C为车辆运行平稳性指标计算结果。
第二，赋予各指标不同权重，为了保障动车组运行品质，应适当提高转向架横向振动加速度、车体横向位移、车体振动加速度、平稳性和舒适性等车辆运行性能指标的权重值。
第三，利用加权算法得到轮轨系统性能综合评估结果其中，wi为各项评估指标权重，fi为各项评估指标归一化结果。
最后，依据评估结果对不同几何尺寸钢轨型面排序，评估结果分值越低，排名越靠前。
轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面输入至下一打磨经济性评估步骤。本实施例轮轨系统性能评估结果列于表4，依据评估结果排序，R200-18、R200-20、R200-22、R200-16、R150-20进入下一打磨经济性评估步骤。
表4：轮轨系统性能评估结果
步骤7：钢轨打磨经济性评估
钢轨打磨的经济成本主要与钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率等因素相关。各项评估因素中，钢轨打磨车打磨作业能耗由打磨车打磨作业功率和打磨作业遍数共同决定，与打磨目标型面几何直接相关，通过分析初始钢轨型面与优化设计排名前5的钢轨型面几何尺寸差异，可针对打磨车的特点制定打磨工艺及策略，再由打磨工艺计算打磨车作业能耗；人工成本主要是指打磨作业相关所需的施工人员、技术人员等的酬劳；打磨设备损耗主要为打磨机械、砂轮等设备折旧费用；天窗时间占用率主要是指打磨作业占用钢轨维修养护天窗作业时间的比例。
综合考虑钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率等因素，利用加权平均算法公式针对轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面计算其打磨经济性评估结果，其中，wgi为各项评估指标权重，gi为各项评估因素计算结果。再依据评估结果对不同钢轨型面的打磨经济性进行排序，评估结果越低，排名越靠前。
本实施例钢轨打磨经济性评估结果列于表5，“★”数量越多表明打磨经济性越好。由表5可见，R200-18钢轨型面对应的打磨经济性最佳。
表5：打磨经济性评估结果
步骤8：最优钢轨型面择选
选择轮轨系统性能评估排名和钢轨打磨经济性评估排名均靠前的钢轨型面作为最终优化设计出的新钢轨型面。
比较表4和表5的排序，最终确定R200-R60-R16-R8组合圆弧方案为优化设计后的钢轨型面，并将其命名为60-NEW。该新型面由R8-R16-R60-R200-R60-R16-R8圆弧组成，其中，R200圆弧长度为18mm，R60圆弧切点水平间距为51.07mm，R16圆弧切点水平间距为68.83mm，R8圆弧与斜直线切点与轨顶垂直距离为14.2mm，是对初始60kg/m钢轨型面的优化设计。
效果验证：对本实施例设计出新的钢轨型面60-NEW，调出步骤6中其对应的与多种车轮型面(LMA、LMB、LMB-10、LMC和LMD五种型面车轮)匹配评估结果，并再次利用步骤6对初始60kg/m钢轨型面分别进行轮轨型面匹配综合评估分析，对比两者对应的评估结果。评估结果表明，60-NEW能与多种车轮型面都有良好匹配，且匹配效果优于初始60kg/m钢轨型面(数据列于表6)，能满足高速动车组安全平稳运行要求。
表6：轮轨型面匹配综合评估结果
本发明考虑了与多种车轮型面的匹配关系，同时，在钢轨型面优化设计的过程中综合考虑了动车组车辆运行品质、钢轨服役性能及现场钢轨打磨作业经济性。
本发明可保证高速铁路整条线路钢轨型面的一致性，在钢轨型面优化设计评估中以保障动车组运行品质和旅客乘车舒适性为重点，综合考虑各项高速铁路轮轨系统性能指标。基于本发明设计出的新钢轨型面可有效改善动车组运行性能，避免动车组异常振动。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (7)
1.一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述方法包括，
步骤1：目标型面参数分解；步骤2：建立钢轨型面数据库；步骤3：建立仿真分析模型；步骤4：计算分析；步骤5：安全性评估；步骤6：轮轨系统性能评估；步骤7：钢轨打磨经济性评估和步骤8：最优钢轨型面择选，
所述建立仿真分析模型包括高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型和轮轨接触有限元模型，其中，
高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型基于多体动力学理论和轮轨接触理论，输入线路参数、车辆参数及轮轨型面，建立高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型：车辆系统动力学模型由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱、一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，考虑车辆主要结构部件的弹性模态及悬挂系统阻尼器的非线性；轨道系统动力学模型由钢轨、轨道板、路基及扣件组成，
动力学模型还需预留车轮型面、钢轨型面、曲线参数及线路不平顺的数据输入接口；
轮轨接触有限元模型基于有限单元法和弹塑性力学理论，利用有限元分析软件，导入车轮型面和钢轨型面几何数据，对轮轨部件进行网格划分，且对轮轨接触部位网格进行精细化处理，建立轮轨接触有限元模型，并预留轮轨载荷数据输入接口，
所述计算分析调用步骤2中建立的钢轨型面数据库内不同几何参数的钢轨型面，输入到步骤3中建立的高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型中，利用动力学计算得到不同几何参数钢轨型面对应的安全性、轮轨接触特性、车辆运行性能及钢轨服役性能的各项指标，并将动力学结果输入到步骤3中建立的轮轨接触有限元模型中，计算得到不同几何参数的钢轨型面对应的轮轨接触应力分布状态，
具体计算结果为：
安全性指标：脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力、轮轴横向力；
轮轨接触特性指标：轮轨接触点分布、锥度、轮径差和接触刚度；
车辆运行性能指标：转向架横向振动加速度的时域和频域特征、车体横向位移的时域和频域特征、车体振动加速度的时域和频域特征、平稳性指标和舒适性指标；
钢轨服役性能指标：磨耗指数、表面疲劳指数、接触应力及轮轨接触范围，
所有计算分析结果均将输入到后续优化评估功能模块，以综合评估选出最优钢轨型面。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述步骤1：目标型面参数分解主要从钢轨型面几何参数和钢轨服役条件两方面对待优化设计目标型面的基础数据进行分析归纳：
钢轨型面几何参数，
依据线路钢轨型面测试数据、光带分布情况，基于轮轨接触理论，定性分析明确轮轨主要接触部位，确定钢轨型面几何关键区域及其圆弧半径；
钢轨服役条件，
包括线路参数、车辆参数及车轮型面，其中，线路参数为优化设计目标所属高速铁路的曲线、道岔、坡道、轨道几何平顺性参数，车辆参数和车轮型面包括服役于该线路的所有类型高速动车组车辆参数和车轮型面。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述建立钢轨型面数据库是以控制单一变量为原则，以一定步长分别改变钢轨型面几何关键区域圆弧长度和半径，不同区域圆弧利用相切关系连接以保证不同区域圆弧连接部位平滑过渡，获得不同几何参数的钢轨型面；
将钢轨型面及其几何特征参数数据一一对应建立钢轨型面数据库。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述安全性评估将安全性指标即脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向作用力作为顶层指标，依据《高速铁路工程动态验收技术规范》TB 10716-2013要求，脱轨系数应小于0.8；轮轨减载率应小于准静态0.65准静态和动态0.8动态；轮轴横向力应小于10+轴重载荷/3kN；轮轨垂向作用力应小于170kN，
若安全性指标计算结果不满足安全性限值要求则该钢轨型面不再进行后续评估，若满足安全性限值要求则进行轮轨系统性能和打磨经济性评估。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述轮轨系统性能评估依据优化设计需求，首先，结合相关限值对安全性、车辆运行性能和钢轨服役性能的各项指标计算结果进行归一化处理；如《高速铁路工程动态验收技术规范》TB10716-2013规定车辆运行平稳性指标限值为2.5，车辆运行平稳性指标归一化处理方法如下：
式中，f1为车辆运行平稳性指标归一化结果，C为车辆运行平稳性指标计算结果；
第二，赋予各指标不同权重，为了保障动车组运行品质，应适当提高转向架横向振动加速度、车体横向位移、车体振动加速度、平稳性和舒适性的车辆运行性能指标的权重值；
第三，利用加权算法得到轮轨系统性能综合评估结果其中，wi为各项评估指标权重，fi为各项评估指标归一化结果；
最后，依据评估结果对不同几何尺寸钢轨型面排序，评估结果分值越低，排名越靠前；
轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面输入至打磨经济性评估步骤。
6.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述钢轨打磨经济性评估为钢轨打磨的经济成本主要与钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率因素相关，
各项评估因素中，钢轨打磨车打磨作业能耗由打磨车打磨作业功率和打磨作业遍数共同决定，与打磨目标型面几何直接相关，通过分析初始钢轨型面与优化设计排名前5的钢轨型面几何尺寸差异，可针对打磨车的特点制定打磨工艺及策略，再由打磨工艺计算打磨车作业能耗；人工成本主要是指打磨作业相关所需的施工人员、技术人员的酬劳；打磨设备损耗主要为打磨机械、砂轮设备折旧费用；天窗时间占用率主要是指打磨作业占用钢轨维修养护天窗作业时间的比例，
综合考虑钢轨打磨车打磨作业能耗、人工成本、打磨设备损耗和天窗时间占用率因素，利用加权平均算法公式针对轮轨系统性能评估结果排名前5的钢轨型面计算其打磨经济性评估结果，其中，wgi为各项评估指标权重，gi为各项评估因素计算结果；再依据评估结果对不同钢轨型面的打磨经济性进行排序，评估结果越低，排名越靠前。
7.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述最优钢轨型面择选为选择轮轨系统性能评估排名和钢轨打磨经济性评估排名均靠前的钢轨型面作为最终优化设计出的新钢轨型面。
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