CN112507478A - 一种60kg/m钢轨廓形改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种60kg/m钢轨廓形改进方法，包括以下步骤：S1、选择60kg/m钢轨廓形上与车轮接触区域，将所述接触区域在纵向截面上离散化为n个可竖向移动的点，设各所述点竖向坐标y坐标为yn，各所述点的竖向坐标y坐标变化量为Δyn；S2、通过各所述点的竖向坐标y坐标变化量Δyn获得接触点间隙值，通过所述接触点间隙值获得目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，并施加以下约束条件：各自变量设置有限变化区间、优化后钢轨廓形基本特征保持不变；S3、采用序列二次规划法对所述廓形优化模型进行求解，得到各所述Δyn；S4、根据得到的所述Δyn调整改进60kg/m钢轨廓形。

Description

一种60kg/m钢轨廓形改进方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种钢轨廓形改进方法。
背景技术
60kg/m钢轨是目前中国铁路使用最普遍的一种钢轨，而在普速铁路尤其是重载铁路运营过程中，钢轨伤损问题较为普遍，这与轮轨接触关系及动力相互作用直接相关。而车轮与钢轨廓形对于轮轨接触关系具有直接影响，良好的轮轨型面匹配关系可有效地改善轮轨动力相互作用，进而减缓钢轨伤损的出现和发展。
轮轨型面的优化设计一直是铁路研究领域的热点问题，针对此问题已开展了大量的研究工作。然而，目前大部分工作集中于车轮踏面的改进，对于钢轨廓形的优化研究较少，大家通常认为在既有铁路线路上更换钢轨存在较大难度。而实际上，随着打磨技术及工艺的不断提高，逐渐可实现通过打磨来精确修改钢轨的廓形，因此钢轨廓形的科学优化可通过打磨在既有线路上实现。另外，世界多个国家也不断有新建铁路规划，对于新建线路，直接采用改进的钢轨廓形对于线路设施长期服役具有重要意义。
现需一种钢轨廓形可以改善与LM车轮踏面(普速及重载铁路上普遍使用)的匹配关系，改善钢轨使用状态、提高服役寿命。
发明内容
本发明为了解决现有技术中需要改善与LM车轮踏面(普速及重载铁路上普遍使用)的匹配关系，改善钢轨使用状态、提高服役寿命的问题，提供了一种60kg/m钢轨廓形改进方法，通过数值优化算法提供一种60kg/m钢轨的优化廓形，将60kg/m钢轨廓形进行参数化处理，以各种可能的轮对横移条件下轮轨接触点附近的轮轨廓形共形度最高为原则设计目标函数，将钢轨廓形优化转变为一个单目标、多变量、多约束非线性数学优化问题的方法，解决了上述问题。
本发明提供一种60kg/m钢轨廓形改进方法，包括以下步骤：
S1、选择60kg/m钢轨廓形上与车轮接触区域，将接触区域在纵向截面上离散化为n个可竖向移动的点，设各点竖向坐标y坐标为yn，各点的竖向坐标y坐标变化量为Δyn；
S2、通过各点的竖向坐标y坐标变化量Δyn获得接触点间隙值，通过接触点间隙值获得目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，并施加以下约束条件：各自变量设置有限变化区间、优化后钢轨廓形基本特征保持不变；
S3、采用序列二次规划法对廓形优化模型进行求解，得到各Δyn；
S4、根据得到的Δyn调整改进60kg/m钢轨廓形。
选择60kg/m钢轨可能与车轮接触的范围作为优化区域，离散化为一系列可上下移动的点，通过点的上下移动来调整钢轨廓形。取优化区域各点的y坐标变化量Δy1,Δy2,Δy3,...Δyn为独立变量，给定一组Δy1,Δy2,Δy3,...Δyn时，可唯一确定出新的钢轨廓形。
以各种可能的轮对横移条件下轮轨接触点附近的轮轨廓形共形度最高为原则设计目标函数，首先引入“接触点轮轨间隙”的概念。实际列车运行过程中，轮对相对于钢轨会发生横向移动(垂直于车辆运行方向)，当轮对横移量确定时，可唯一确定轮轨接触点的位置。轮轨接触点位置确定后，选取接触点周围区域计算轮轨间的平均距离，即各点位置轮轨廓形垂向距离di的平均值，即为“接触点轮轨间隙”。
本发明所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，作为一种优选方式，步骤S2具体为：
S2、通过各点的竖向坐标y坐标变化量Δyn获得接触点间隙值，并代入廓形优化模型，廓形优化模型如下：
Figure BDA0002779746660000021
其中SD为接触点轮轨间隙变化曲线的面积，Zi为第i个约束方程。
本发明所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，作为一种优选方式，步骤S2具体包括：
S21、根据实际列车运行的轮对相对于钢轨会发生横向移动量确定轮轨接触点的位置；
S22、根据精度需求在轮轨接触点两侧选取接触点周围区域范围[r1，r2]，其中r1为轮轨接触点一侧区间横向长度，r2为轮轨接触点一侧区间横向长度；
S23、将接触点周围区域范围分为均匀的m-1段，得到对应的m个端点；
S24、对于不同的轮对横移量计算得到不同的接触点轮轨间隙，计算公式如下：
Figure BDA0002779746660000031
其中D为接触点轮轨间隙，di为各点位置轮轨廓形垂向距离；
S25、通过不同的接触点轮轨间隙构成接触点轮轨间隙变化曲线；
S26、确定钢轨廓形，得到目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，公式如下：
SD＝f(Δy1,Δy2,Δy3,...,Δyn)，并取最小值为最优解；
S27、对步骤S26结果施加约束条件，约束条件如下：
Zi(Δy1，Δy2，...，Δyn)≤0 i＝1，2，...，k。
对于不同的轮对横移量可得到不同的“接触点轮轨间隙”值，通过改变轮对横移量，可得到“接触点轮轨间隙”的变化曲线。“接触点轮轨间隙”越大，轮轨型面共形程度越差，轮轨接触应力越大。因此“接触点轮轨间隙”越小越好，选择不同轮对横移量下“接触点轮轨间隙”变化曲线的面积作为目标函数，可较好地反映各种接触状态下的轮轨廓形的共形程度，令目标函数值最小为最优解，可实现钢轨型面的优化。
本发明所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，作为一种优选方式，改进60kg/m钢轨廓形包括基础廓形和控制廓形，基础廓形与控制廓形相切且相连，基础廓形为四段彼此相连并相切的圆弧组成的弧曲部，控制廓形包括若干控制点和控制廓线，控制点等距设置于控制廓线上。
本发明所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，作为一种优选方式，基础廓形包括中间弧度部、第一弧度部和第二弧度部，中间弧度部、第一弧度部和第二弧度部依次连接，中间弧度部圆心设置于钢轨廓形中线位置，中部弧度部圆弧半径为300mm，第一弧度部与中间弧度部相切且相连，第一弧度部圆弧半径为80mm，第二弧度部与第一弧度部相切且相连，第二弧度部圆弧半径为13mm。
本发明所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，作为一种优选方式，控制点包括第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点、第五控制点、第六控制点、第七控制点、第八控制点、第九控制点、第十控制点、第十一控制点、第十二控制点、第十三控制点、第十四控制点、第十五控制点和第十六控制点，第一控制点设置于钢轨廓形中线内侧20mm位置且高度等于基础廓形对应位置，第二控制点设置于钢轨廓形中线内侧5mm位置且高度高于基础廓形对应位置0.15mm，第三控制点设置于钢轨中线且高度高于基础廓形对应位置0.1172mm，第四控制点设置于钢轨中线外侧5mm位置且高度高于基础廓形对应位置0.0659mm，第五控制点设置于钢轨中线外侧10mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0095mm，第六控制点设置于钢轨中线外侧13mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0290mm，第七控制点设置于钢轨中线外侧16mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0296mm，第八控制点设置于钢轨中线外侧19mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0366mm，第九控制点设置于钢轨中线外侧22mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0414mm，第十控制点设置于钢轨中线外侧24mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0529mm、第十一控制点设置于钢轨中线外侧26mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0538mm、第十二控制点设置于钢轨中线外侧28mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0538mm、第十三控制点设置于钢轨中线外侧30mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0572mm、第十四控制点设置于钢轨中线外侧32mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0573mm、第十五控制点设置于钢轨中线外侧34mm位置且高度低于基础廓形对应位置0.0575mm，第十六控制点设置于钢轨中线外侧35mm位置且高度等于基础廓形对应位置。
本发明有益效果如下：
以各种可能的轮对横移条件下轮轨接触点附近的轮轨廓形共形度最高为原则设计目标函数，采用钢轨优化廓形后，与LM车轮踏面的接触点分布更为均匀，列车运行中安全性指标无明显变化，轮轨接触面积明显增大，轮轨接触应力显著减小，可有效降低钢轨接触疲劳伤损的出现；另外，轮轨磨耗功率有所下降，可减缓钢轨磨耗的发展速度。因此，钢轨优化廓形在几个主要方面较原始廓形均有更好的表现。
附图说明
图1是一种60kg/m钢轨廓形改进方法流程示意图；
图2是一种60kg/m钢轨廓形改进方法改进60kg/m钢轨廓形示意图；
图3是一种60kg/m钢轨廓形改进方法控制廓形示意图；
图4是一种60kg/m钢轨廓形改进方法基础廓形示意图；
图5是一种60kg/m钢轨廓形改进方法控制点示意图。
附图标记：
1、基础廓形；11、中间弧度部；12、第一弧度部；13、第二弧度部；2、控制廓形；21、控制点；211、第一控制点；212、第二控制点；213、第三控制点；214、第四控制点；215、第五控制点；216、第六控制点；217、第七控制点；218、第八控制点；219、第九控制点；2110、第十控制点；2111、第十一控制点；2112、第十二控制点；2113、第十三控制点；2114、第十四控制点；2115、第十五控制点；2116、第十六控制点；22、控制廓线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种60kg/m钢轨廓形改进方法，包括以下步骤：
S1、选择60kg/m钢轨廓形上与车轮接触区域，将接触区域在纵向截面上离散化为n个可竖向移动的点，设各点竖向坐标y坐标为yn，各点的竖向坐标y坐标变化量为Δyn；
S2、根据实际列车运行的轮对相对于钢轨会发生横向移动量确定轮轨接触点的位置；
S3、根据精度需求在轮轨接触点两侧选取接触点周围区域范围[r1，r2]，其中r1为轮轨接触点一侧区间横向长度，r2为轮轨接触点一侧区间横向长度；
S4、将接触点周围区域范围分为均匀的m-1段，得到对应的m个端点；
S5、对于不同的轮对横移量计算得到不同的接触点轮轨间隙，计算公式如下：
Figure BDA0002779746660000061
其中D为接触点轮轨间隙，di为各点位置轮轨廓形垂向距离；
S6、通过不同的接触点轮轨间隙构成接触点轮轨间隙变化曲线；
S7、确定钢轨廓形，得到目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，公式如下：
SD＝f(Δy1,Δy2,Δy3,...,Δyn)，并取最小值为最优解；
S8、对步骤S7结果施加约束条件，约束条件如下：
Zi(Δy1，Δy2，...，Δyn)≤0 i＝1，2，...，k；
S9、采用序列二次规划法对廓形优化模型进行求解，得到各Δyn；
S10、根据得到的Δyn调整改进60kg/m钢轨廓形。
如图2所示，改进60kg/m钢轨廓形包括基础廓形1和控制廓形2，基础廓形1与控制廓形2相切且相连，基础廓形1为四段彼此相连并相切的圆弧组成的弧曲部。
如图3所示，控制廓形2包括若干控制点21和控制廓线22，控制点21等距设置于控制廓线22上。
如图4所示，基础廓形1包括中间弧度部11、第一弧度部12和第二弧度部13，中间弧度部11、第一弧度部12和第二弧度部13依次连接，中间弧度部11圆心设置于钢轨廓形中线位置，中部弧度部圆弧半径为300mm，第一弧度部12与中间弧度部11相切且相连，第一弧度部12圆弧半径为80mm，第二弧度部13与第一弧度部12相切且相连，第二弧度部13圆弧半径为13mm。
如图5所示，控制点21包括第一控制点211、第二控制点212、第三控制点213、第四控制点214、第五控制点215、第六控制点216、第七控制点217、第八控制点218、第九控制点219、第十控制点2110、第十一控制点2111、第十二控制点2112、第十三控制点2113、第十四控制点2114、第十五控制点2115和第十六控制点2116，第一控制点211设置于钢轨廓形中线内侧20mm位置且高度等于基础廓形1对应位置，第二控制点212设置于钢轨廓形中线内侧5mm位置且高度高于基础廓形1对应位置0.15mm，第三控制点213设置于钢轨中线且高度高于基础廓形1对应位置0.1172mm，第四控制点214设置于钢轨中线外侧5mm位置且高度高于基础廓形1对应位置0.0659mm，第五控制点215设置于钢轨中线外侧10mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0095mm，第六控制点216设置于钢轨中线外侧13mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0290mm，第七控制点217设置于钢轨中线外侧16mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0296mm，第八控制点218设置于钢轨中线外侧19mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0366mm，第九控制点219设置于钢轨中线外侧22mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0414mm，第十控制点2110设置于钢轨中线外侧24mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0529mm、第十一控制点2111设置于钢轨中线外侧26mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0538mm、第十二控制点2112设置于钢轨中线外侧28mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0538mm、第十三控制点2113设置于钢轨中线外侧30mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0572mm、第十四控制点2114设置于钢轨中线外侧32mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0573mm、第十五控制点2115设置于钢轨中线外侧34mm位置且高度低于基础廓形1对应位置0.0575mm，第十六控制点2116设置于钢轨中线外侧35mm位置且高度等于基础廓形1对应位置。
采用60kg/m钢轨优化廓形后，与LM车轮踏面的接触点分布更为均匀，列车运行中安全性指标无明显变化，轮轨接触面积明显增大，轮轨接触应力显著减小，可有效降低钢轨接触疲劳伤损的出现；另外，轮轨磨耗功率有所下降，可减缓钢轨磨耗的发展速度。因此，60kg/m钢轨优化廓形在几个主要方面较原始廓形均有更好的表现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种60kg/m钢轨廓形改进方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、选择60kg/m钢轨廓形上与车轮接触区域，将所述接触区域在纵向截面上离散化为n个可竖向移动的点，设各所述点竖向坐标y坐标为yn，各所述点的竖向坐标y坐标变化量为Δyn；
S2、通过各所述点的竖向坐标y坐标变化量Δyn获得接触点间隙值，通过所述接触点间隙值获得目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，并施加以下约束条件：各自变量设置有限变化区间、优化后钢轨廓形基本特征保持不变；
S3、采用序列二次规划法对所述廓形优化模型进行求解，得到各所述Δyn；
S4、根据得到的所述Δyn调整改进60kg/m钢轨廓形。
2.根据权利要求1所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：
S2、通过各所述点的竖向坐标y坐标变化量Δyn获得接触点间隙值，并代入廓形优化模型，所述廓形优化模型如下：
Figure FDA0002779746650000011
其中SD为接触点轮轨间隙变化曲线的面积，Zi为第i个约束方程。
3.根据权利要求2所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：
S21、根据实际列车运行的轮对相对于钢轨会发生横向移动量确定轮轨接触点的位置；
S22、根据精度需求在所述轮轨接触点两侧选取接触点周围区域范围[r1，r2]，其中所述r1为所述轮轨接触点一侧区间横向长度，所述r2为所述轮轨接触点一侧区间横向长度；
S23、将所述接触点周围区域范围分为均匀的m-1段，得到对应的m个端点；
S24、对于不同的轮对横移量计算得到不同的接触点轮轨间隙，计算公式如下：
Figure FDA0002779746650000021
其中D为接触点轮轨间隙，di为各点位置轮轨廓形垂向距离；
S25、通过不同的接触点轮轨间隙构成接触点轮轨间隙变化曲线；
S26、确定钢轨廓形，得到目标函数接触点轮轨间隙变化曲线的面积，公式如下：
SD＝f(Δy1,Δy2,Δy3,...,Δyn)，并取最小值为最优解；
S27、对步骤S26结果施加约束条件，约束条件如下：
Zi(Δy1，Δy2，...，Δyn)≤0 i＝1，2，...，k。
4.根据权利要求1所述的一种60kg/m钢轨廓形改进方法，其特征在于：所述改进60kg/m钢轨廓形包括基础廓形(1)和控制廓形(2)，所述基础廓形(1)与所述控制廓形(2)相切且相连，所述基础廓形(1)为四段彼此相连并相切的圆弧组成的弧曲部，所述控制廓形(2)包括若干控制点(21)和控制廓线(22)，所述控制点(21)等距设置于所述控制廓线(22)上。
5.根据权利要求4所述的一种60kg/m钢轨优化廓形，其特征在于：所述基础廓形(1)包括中间弧度部(11)、第一弧度部(12)和第二弧度部(13)，所述中间弧度部(11)、所述第一弧度部(12)和所述第二弧度部(13)依次连接，所述中间弧度部(11)圆心设置于钢轨廓形中线位置，所述中部弧度部圆弧半径为300mm，所述第一弧度部(12)与所述中间弧度部(11)相切且相连，所述第一弧度部(12)圆弧半径为80mm，所述第二弧度部(13)与所述第一弧度部(12)相切且相连，所述第二弧度部(13)圆弧半径为13mm。
6.根据权利要求4所述的一种60kg/m钢轨优化廓形，其特征在于：所述控制点(21)包括第一控制点(211)、第二控制点(212)、第三控制点(213)、第四控制点(214)、第五控制点(215)、第六控制点(216)、第七控制点(217)、第八控制点(218)、第九控制点(219)、第十控制点(2110)、第十一控制点(2111)、第十二控制点(2112)、第十三控制点(2113)、第十四控制点(2114)、第十五控制点(2115)和第十六控制点(2116)，所述第一控制点(211)设置于钢轨廓形中线内侧20mm位置且高度等于所述基础廓形(1)对应位置，所述第二控制点(212)设置于所述钢轨廓形中线内侧5mm位置且高度高于所述基础廓形(1)对应位置0.15mm，所述第三控制点(213)设置于所述钢轨中线且高度高于所述基础廓形(1)对应位置0.1172mm，所述第四控制点(214)设置于所述钢轨中线外侧5mm位置且高度高于所述基础廓形(1)对应位置0.0659mm，所述第五控制点(215)设置于所述钢轨中线外侧10mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0095mm，所述第六控制点(216)设置于所述钢轨中线外侧13mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0290mm，所述第七控制点(217)设置于所述钢轨中线外侧16mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0296mm，所述第八控制点(218)设置于所述钢轨中线外侧19mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0366mm，所述第九控制点(219)设置于所述钢轨中线外侧22mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0414mm，所述第十控制点(2110)设置于所述钢轨中线外侧24mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0529mm、所述第十一控制点(2111)设置于所述钢轨中线外侧26mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0538mm、所述第十二控制点(2112)设置于所述钢轨中线外侧28mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0538mm、所述第十三控制点(2113)设置于所述钢轨中线外侧30mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0572mm、所述第十四控制点(2114)设置于所述钢轨中线外侧32mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0573mm、所述第十五控制点(2115)设置于所述钢轨中线外侧34mm位置且高度低于所述基础廓形(1)对应位置0.0575mm，所述第十六控制点(2116)设置于所述钢轨中线外侧35mm位置且高度等于所述基础廓形(1)对应位置。
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