CN114840972B - 一种轮轨接触状态的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮轨接触状态的评价方法，结合迹线法、准静态和移动窗理论，研究道岔区轮轨空间接触几何关系，开展岔区组合廓形及动态重组过程中的轮轨接触关系评价。本发明提出了轮轨力判断准则，计算结果更为精确，另外在循环计算中，引入了加速窗的方法，基于轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，通过在轮对垂向位移迭代上添加时间窗,无需进行反复迭代积分求解轮轨渗透量和车轮曲面插值，在考虑轮对位移、摇头角和侧滚角、钢轨垂向位移、横向位移和扭转角等众多因素的叠加基础上，剔除了对于当前时间步没有贡献的迭代计算，且增加了载荷条件验证，可显著降低计算量并保证计算精确性。
Description
技术领域
本发明涉及领域，特别是涉及一种轮轨接触状态的评价方法。
背景技术
传统的轮轨接触参数计算时，仅能计算钢轨上单点接触的状况，不适用于道岔，而现今发展的道岔区多点接触算法中，存在以下不足：为保证计算结果的精确性，需要利用三次样条插值获得道岔尖轨(心轨)和基本轨(翼轨)组合廓形，并结合赫兹或非赫兹接触算法，求取不同车轮姿态下的轮轨最小间距和渗透量，需要对车轮曲面进行循环插值和积分，求取轮轨间渗透量，这会显著降低程序运行速度并增加计算成本，因此计算效率相对较低，时间成本较高；未考虑轮轨多点接触发生条件，无法反应道岔区轮轨接触状态。
现需一种轮轨接触状态的评价方法即可容易降低计算成本，又可以保证计算精度。
发明内容
本发明在保证计算结果精确性的同时解决现有技术计算效率相对较低，时间成本较高；未考虑轮轨多点接触发生条件的技术方案，无法反应道岔区轮轨接触状态的问题，提供了一种轮轨接触状态的评价方法，采用引入了轮轨力判断准则并引入了加速窗方法，解决了上述问题。
本发明提供了一种轮轨接触状态的评价方法，包括以下步骤：
S1、根据车轮踏面和钢轨廓形的离散点得到车轮外形离散参数和踏面外形离散参数，并给定初始轮对横移量与初始摇头角，设定预设单点判断实验次数；
S2、给定预设侧滚角范围，根据预设侧滚角范围得到预设侧滚角；
S3、以轮对中心相对于轨道中心线的初始轮对横移量和初始摇头角作为广义坐标分别建立整体坐标系和轮轨各自的坐标系，利用车轮外形离散参数、踏面外形离散参数和预设侧滚角计算轮轨空间接触轨迹；
S4、根据轮轨空间接触轨迹判断摇头角是否为0，是则将预设侧滚角通过二分法缩小范围后，作为新的给定侧滚角范围进行步骤S2；否则进行步骤S5；
S5、将预设侧滚角作为实际侧滚角，计算实际的轮轨接触参数，由此得到轮轨接触距离差函数的一阶导数f'和轮轨接触距离差函数的二阶导数f”；
S6、判断轮轨接触距离差函数的一阶导数f'是否为1，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；否则进行步骤S7；
S7、计算潜在接触点横向坐标差，；
S8、预设单点判断实验次数减1，并判断预设单点判断实验次数是否为0，是则进行步骤S15，否则进行步骤S9；
S9、判断是否所有的横向坐标差值节点满足小于10，是则进行步骤S10，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S10、判定是否有f”大于0的节点，是则进行步骤S11，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S11、计算潜在接触点接触参数；
S12、给定轮对竖向位移范围，并根据轮对竖向位移范围计算得到轮对竖向位移量，并由此计算轮轨压缩量；
S13、判断节点间的垂向间距之差是否小于轮轨压缩量，是则进行步骤S14；否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S14、判定两侧轮轨力之和是否等于预设轮轨力，是则判定轮轨接触状态为多点接触，进行步骤S16；否则判定迭代所得车轮垂向位移和更新后的位移区间最大值间的容许差值是否小于10-4，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15，否则将轮对竖向位移范围通过二分法缩小范围后，作为新的轮对竖向位移范围进行步骤S12；
S15、计算单点接触参数，并进行步骤S17；
S16、计算多点接触参数；
S17、判断所设横向位移是否小于最大横向位移，是则改变横向位移后进行步骤S2，否则进行步骤S18；
S18、输出接触参数和接触类型。
初始横移量即轮对中心相对于轨道中心线的横向位移。
本发明所述的一种轮轨接触状态的评价方法，作为优选方式，步骤S4中判断摇头角是否为0的具体方法为：寻找轨迹线上最短距离对应节点，根据轨迹线上最短距离差是否小于10-5；
步骤S4中二分法缩小预设侧滚角范围的具体方法为：记当前的预设侧滚角范围为(a1，a2)，当前预设侧滚角为a，其中预设侧滚角a计算方法如下：
a＝(a1+a2)/2，
判断f(a)*f(a1)＜0或f(a)*f(a2)＜0，
若f(a)*f(a1)＜0，则新的给定侧滚角范围为(a1，a)；若f(a)*f(a2)＜0则新的给定侧滚角范围为(a，a2)。
本发明所述的一种轮轨接触状态的评价方法，作为优选方式，步骤S7潜在接触点横向坐标差具体计算方法如下：
保持轮对姿态不变，将道岔区基本轨轨头廓形和尖轨轨头廓形、翼轨轨头廓形和心轨轨头廓形中其中适用的状态中的轨头廓形分开计算，得到基本轨或翼轨与车轮踏面的最小距离dst和尖轨或心轨与车轮踏面的最小距离dsw，同时获取两者间的垂向距离差Δdst-sw＝dst-dsw。
本发明所述的一种轮轨接触状态的评价方法，作为优选方式，步骤S12具体包括一下步骤：
S121、给定初始左、右侧车轮垂向位移范围为[Ydmin,Ydmax]；
S122、左、右侧车轮初始垂向位移为Yd＝(Ydmin+Ydmax)/2，在考虑轮轨垂向振动和横向振动的条件下，基于轮轨空间几何计算获取左、右侧轮轨最小垂向间距ΔZl和ΔZr；
S123、左侧轮轨最小垂向间距ΔZl减去初始时刻左侧轮轨最小垂向间距ΔZl,min获取左侧轮轨相对垂向位移，右侧轮轨最小垂向间距ΔZr减去右侧轮轨最小垂向间距ΔZr,min，获取右侧轮轨相对垂向位移；
S124、根据轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，获取左侧轮轨法向压缩量Δσl和右侧轮轨法向压缩量Δσr：
其中，左侧轮轨法向压缩量Δσl公式如下：
右侧轮轨法向压缩量Δσr公式如下：
本发明所述的一种轮轨接触状态的评价方法，作为优选方式，步骤S11具体为：利用轮轨间渗透量，结合Hertz非线性弹性接触理论，确定潜在轮轨接触点处的垂向作用力。
本发明所述的一种轮轨接触状态的评价方法，作为优选方式，步骤S14判定两侧轮轨力之和是否等于预设轮轨力具体方法为：结合车辆-道岔耦合动力学，将潜在接触点处的垂向轮轨力叠加起来，判断节点是否满足以下公式：
其中ε为容许参数；
多满足则等于；若不满足条件则不等于。
本方法以轮对中心相对于轨道中心线的横向位移和轮对绕铅垂轴的转动角(摇头角)作为广义坐标，用平面切割车轮时采用车轮坐标系中的平面，使其与轮轴交线成为主轮廓线，主轮廓线上的点集记为在该范围内将车轮进行法向均分切割为n份，从CAD中离散后输出，经过三次样条插值形成轮轨廓形。当摇头角不为0，采用三次样条差值的方式获得钢轨和车轮对应的节点坐标给定轮对摇头角和横移量，假设初始侧滚角，计算对应轮轨节点坐标的位移差，基于左右间隙差最小原则确定潜在接触位置。若不满足判断条件，否则改变侧滚角，使之符合该约束关系。保证轮轨接触状态不变，利用二分法迭代求出轮对垂向位移利用间隔差的导数关系寻找潜在接触点，根据轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，计算潜在接触点的垂向渗透量根据钢轨的垂向刚体位移和渗透量的关系，判别是否多点接触通过轮轨垂向力公式计算辨别出来的接触斑处的垂(法)向力，将左右两侧所有接触斑处的法向力转换至垂向力，求和看与预设轮轨力的差值是否满足收敛阈值，如不满足继续通过二分法迭代轮对垂向位移，直至满足要求为止。
本发明有益效果如下：
本发明结合迹线法、准静态和移动窗理论，研究道岔区轮轨空间接触几何关系，开展岔区组合廓形及动态重组过程中的轮轨接触关系评价。而本技术方案引入了轮轨力判断准则，所计算结果更为精确，另外在循环计算中，引入了加速窗的方法，基于轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，通过在轮对垂向位移迭代上添加时间窗,无需进行反复迭代积分求解轮轨渗透量和车轮曲面插值，在考虑轮对位移、摇头角和侧滚角、钢轨垂向位移、横向位移和扭转角等众多因素的叠加基础上，剔除了对于当前时间步没有贡献的迭代计算(利用动力学求解渗透量和反复车轮曲面插值计算)，且增加了载荷条件验证，可显著降低计算量并保证计算精确性。
附图说明
图1为一种轮轨接触状态的评价方法的流程图。
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，一种轮轨接触状态的评价方法，包括以下步骤：
S1、根据车轮踏面和钢轨廓形的离散点得到车轮外形离散参数和踏面外形离散参数，并给定初始轮对横移量与初始摇头角，设定预设单点判断实验次数；
S2、给定预设侧滚角范围，根据预设侧滚角范围得到预设侧滚角；
S3、以轮对中心相对于轨道中心线的初始轮对横移量和初始摇头角作为广义坐标分别建立整体坐标系和轮轨各自的坐标系，利用车轮外形离散参数、踏面外形离散参数和预设侧滚角计算轮轨空间接触轨迹；
S4、根据轮轨空间接触轨迹判断摇头角是否为0，是则将预设侧滚角通过二分法缩小范围后，作为新的给定侧滚角范围进行步骤S2；否则进行步骤S5；
S5、将预设侧滚角作为实际侧滚角，计算实际的轮轨接触参数，由此得到轮轨接触距离差函数的一阶导数f'和轮轨接触距离差函数的二阶导数f”；
S6、判断轮轨接触距离差函数的一阶导数f'是否为1，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；否则进行步骤S7；
S7、计算潜在接触点横向坐标差；
S8、预设单点判断实验次数减1，并判断预设单点判断实验次数是否为0，是则进行步骤S15，否则进行步骤S9；
S9、判断是否所有的节点横向坐标差值满足小于10，是则进行步骤S10，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S10、判定是否有f”大于0的节点，是则进行步骤S11，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S11、计算潜在接触点接触参数；
S12、给定轮对竖向位移范围，并根据轮对竖向位移范围计算得到轮对竖向位移量，并由此计算轮轨压缩量；
S13、判断节点间的垂向间距之差是否小于轮轨压缩量，是则进行步骤S14；否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S14、判定两侧轮轨力之和是否等于预设轮轨力，是则判定轮轨接触状态为多点接触，进行步骤S16；否则判定迭代所得车轮垂向位移和更新后的位移区间最大值间的容许差值是否小于10-4，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15，否则将轮对竖向位移范围通过二分法缩小范围后，作为新的轮对竖向位移范围进行步骤S12；
S15、计算单点接触参数，并进行步骤S17；
S16、计算多点接触参数；
S17、判断所设横向位移是否小于最大横向位移，是则改变横向位移后进行步骤S2，否则进行步骤S18；
S18、输出接触参数和接触类型。
步骤S4中判断摇头角是否为0的具体方法为：寻找轨迹线上最短距离对应节点，根据轨迹线上最短距离差是否小于10-5；
步骤S4中二分法缩小预设侧滚角范围的具体方法为：记当前的预设侧滚角范围为(a1，a2)，当前预设侧滚角为a，其中预设侧滚角a计算方法如下：
a＝(a1+a2)/2，
判断f(a)*f(a1)＜0或f(a)*f(a2)＜0，
若f(a)*f(a1)＜0，则新的给定侧滚角范围为(a1，a)；若f(a)*f(a2)＜0则新的给定侧滚角范围为(a，a2)。
步骤S7潜在接触点横向坐标差具体计算方法如下：
保持轮对姿态不变，将道岔区基本轨轨头廓形和尖轨轨头廓形、翼轨轨头廓形和心轨轨头廓形中其中适用的状态中的轨头廓形分开计算，得到基本轨或翼轨与车轮踏面的最小距离dst和尖轨或心轨与车轮踏面的最小距离dsw，同时获取两者间的垂向距离差Δdst-sw＝dst-dsw。
步骤S12具体包括一下步骤：
S121、给定初始左、右侧车轮垂向位移范围为[Ydmin,Ydmax]；
S122、左、右侧车轮初始垂向位移为Yd＝(Ydmin+Ydmax)/2，在考虑轮轨垂向振动和横向振动的条件下，基于轮轨空间几何计算获取左、右侧轮轨最小垂向间距ΔZl和ΔZr；
S123、左侧轮轨最小垂向间距ΔZl减去初始时刻左侧轮轨最小垂向间距ΔZl,min获取左侧轮轨相对垂向位移，右侧轮轨最小垂向间距ΔZr减去右侧轮轨最小垂向间距ΔZr,min，获取右侧轮轨相对垂向位移；
S124、根据轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，获取左侧轮轨法向压缩量Δσl和右侧轮轨法向压缩量Δσr：
其中，左侧轮轨法向压缩量Δσl公式如下：
右侧轮轨法向压缩量Δσr公式如下：
步骤S11具体为：利用轮轨间渗透量，结合Hertz非线性弹性接触理论，确定潜在轮轨接触点处的垂向作用力。
其中锥形踏面车轮的所述垂向作用力为：
G＝4.57R-0.149×10-8(m/N2/3)；
磨耗型踏面车轮的所述垂向作用力为：
G＝3.86R-0.115×10-8(m/N2/3)。
结合车辆-道岔耦合动力学，将潜在接触点处的垂向轮轨力叠加起来，分析垂向轮轨力和实际冲击载荷间的关系，当满足以下条件时：
该节点为轮轨接触点，其中ε为容许参数，一般设为0.001即可保证轮轨发生接触；若不满足条件，则认为该状态下未发生多点接触，此时，若则左、右侧车轮垂向位移范围为[Ydmin，Yd]，Yd＝(Ydmin+Yd)/2；若/>则左、右侧车轮垂向位移范围为[Yd，Ydmax]，Yd＝(Ydmax+Yd)/2；通过循环迭代，直到条件/>满足，此时，轮轨发生多点接触。若多次循环迭代后，渗透量和荷载条件仍不满足，且Ydmax-Ydmin＜0.0001，则认为轮轨不发生多点接触，该区域内轮轨仅发生单点接触。
本技术方案中多点接触的判定方式方式如下，针对轮轨潜在接触点，结合尖轨和基本轨承受车轮荷载的状态，基于车轮与尖轨、基本轨或翼轨、心轨的垂向刚体渗透量等参数来判断多点接触状态是否发生：
其中：σst为基本轨完全承受车轮荷载时的渗透量；σsw为尖轨完全承受车轮荷载时的渗透量；Δdst-sw为尖轨、基本轨或心轨、翼轨上接触点位置之间的垂向距离差。
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)
1.一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据车轮踏面和钢轨廓形的离散点得到车轮外形离散参数和踏面外形离散参数，并给定初始轮对横移量与初始摇头角，设定预设单点判断实验次数；
S2、给定预设侧滚角范围，根据预设侧滚角范围得到预设侧滚角；
S3、以轮对中心相对于轨道中心线的所述初始轮对横移量和所述初始摇头角作为广义坐标分别建立整体坐标系和轮轨各自的坐标系，利用所述车轮外形离散参数、所述踏面外形离散参数和所述预设侧滚角计算轮轨空间接触轨迹；
S4、根据所述轮轨空间接触轨迹判断摇头角是否为0，是则将所述预设侧滚角通过二分法缩小范围后，作为新的所述给定侧滚角范围进行步骤S2；否则进行步骤S5；
S5、将所述预设侧滚角作为实际侧滚角，计算实际的轮轨接触参数，由此得到轮轨接触距离差函数的一阶导数f'和轮轨接触距离差函数的二阶导数f”；
S6、判断所述轮轨接触距离差函数的一阶导数f'是否为1，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；否则进行步骤S7；
S7、计算潜在接触点横向坐标差；
S8、所述预设单点判断实验次数减1，并判断所述预设单点判断实验次数是否为0，是则进行步骤S15，否则进行步骤S9；
S9、判断是否所有的节点横向坐标差满足小于10，是则进行步骤S10，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S10、判定是否有f”大于0的节点，是则进行步骤S11，否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S11、计算潜在接触点接触参数；
S12、给定轮对竖向位移范围，并根据所述轮对竖向位移范围计算得到轮对竖向位移量，并由此计算轮轨压缩量；
S13、判断节点间的垂向间距之差是否小于轮轨压缩量，是则进行步骤S14；否则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15；
S14、判定两侧轮轨力之和是否等于动力学预测垂向轮轨力，是则判定轮轨接触状态为多点接触，进行步骤S16；否则判定迭代所得车轮垂向位移和更新后的位移区间最大值间的容许差值是否小于10-4，是则判定轮轨接触状态为单点接触并输出至步骤S15，否则将所述轮对竖向位移范围通过二分法缩小范围后，作为新的所述轮对竖向位移范围进行步骤S12；
S15、计算单点接触参数，并进行步骤S17；
S16、计算多点接触参数；
S17、判断所设横向位移是否小于最大横向位移，是则改变横向位移后进行步骤S2，否则进行步骤S18；
S18、输出接触参数和接触类型。
2.根据权利要求1所述的一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：步骤S4中判断摇头角是否为0的具体方法为：寻找轨迹线上最短距离对应节点，根据所述轨迹线上最短距离差是否小于10-5
步骤S4中二分法缩小所述预设侧滚角范围的具体方法为：记当前的所述预设侧滚角范围为(a1，a2)，当前所述预设侧滚角为a，其中所述预设侧滚角a计算方法如下：
a＝(a1+a2)/2，
判断f(a)*f(a1)＜0或f(a)*f(a2)＜0，
若f(a)*f(a1)＜0，则新的所述给定侧滚角范围为(a1，a)；若f(a)*f(a2)＜0则新的所述给定侧滚角范围为(a，a2)。
3.根据权利要求1所述的一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：步骤S7所述潜在接触点横向坐标差具体计算方法如下：
保持轮对姿态不变，将道岔区基本轨轨头廓形和尖轨轨头廓形、翼轨轨头廓形和心轨轨头廓形中其中适用的状态中的轨头廓形分开计算，得到基本轨或翼轨与车轮踏面的最小距离dst和尖轨或心轨与车轮踏面的最小距离dsw，同时获取两者间的垂向距离差Δdst-sw＝dst-dsw。
4.根据权利要求1所述的一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：步骤S12具体包括一下步骤：
S121、给定初始左、右侧车轮垂向位移范围为[Ydmin,Ydmax]；
S122、左、右侧车轮初始垂向位移为Yd＝(Ydmin+Ydmax)/2，在考虑轮轨垂向振动和横向振动的条件下，基于轮轨空间几何计算获取左、右侧轮轨最小垂向间距ΔZl和ΔZr；
S123、所述左侧轮轨最小垂向间距ΔZl减去初始时刻左侧轮轨最小垂向间距ΔZl,min获取左侧轮轨相对垂向位移，所述右侧轮轨最小垂向间距ΔZr减去右侧轮轨最小垂向间距ΔZr,min，获取右侧轮轨相对垂向位移；
S124、根据轮轨法向压缩量与轮轨垂向相对位移之间的几何关系，获取左侧轮轨法向压缩量Δσl和右侧轮轨法向压缩量Δσr：
其中，所述左侧轮轨法向压缩量Δσl公式如下：
所述右侧轮轨法向压缩量Δσr公式如下：
。
5.根据权利要求1所述的一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：步骤S11具体为：利用轮轨间渗透量，结合Hertz非线性弹性接触理论，确定潜在轮轨接触点处的垂向作用力。
6.根据权利要求1所述的一种轮轨接触状态的评价方法，其特征在于：步骤S14判定两侧轮轨力之和是否等于预设轮轨力具体方法为：结合车辆-道岔耦合动力学，将潜在接触点处的垂向轮轨力叠加起来，判断节点是否满足以下公式：
其中ε为容许参数；
多满足则等于；若不满足条件则不等于。
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| CN202210281142.4A CN114840972B (zh) | 2022-03-22 | 2022-03-22 | 一种轮轨接触状态的评价方法 |
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| CN114840972A CN114840972A (zh) | 2022-08-02 |
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| CN202210281142.4A Active CN114840972B (zh) | 2022-03-22 | 2022-03-22 | 一种轮轨接触状态的评价方法 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| EP1091044A1 (de) * | 1999-09-10 | 2001-04-11 | Deutsche Bahn AG | Kontaktflächen zwischen Schiene und Rad |
| CN101117127A (zh) * | 2007-08-21 | 2008-02-06 | 西南交通大学 | 一种描述铁路轮轨空间动态接触状态的方法 |
| CN108256278A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-07-06 | 西南交通大学 | 一种悬挂式单轨车辆耦合动力学仿真系统及其仿真方法 |
| CN111400879A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-07-10 | 西南交通大学 | 一种基于道岔钢轨变截面的轮轨几何接触点计算方法 |
| CN113239449A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-08-10 | 西南交通大学 | 一种轨道车辆柔性转向架蛇行运动分析方法 |
-
2022
- 2022-03-22 CN CN202210281142.4A patent/CN114840972B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1091044A1 (de) * | 1999-09-10 | 2001-04-11 | Deutsche Bahn AG | Kontaktflächen zwischen Schiene und Rad |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 钱瑶 ; 王平 ; 赵思琪 ; 徐井芒 ; 方嘉晟 ; 王树国 ; .车轮廓形的演变对道岔区轮轨接触几何的影响.铁道学报.2020,(第08期),全文. * |
Also Published As
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