CN116050009B - 一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，包括使用代表参数对磨屑形貌特征进行数值建模；使用定常流动阻力模型设计集尘口结构并计算集尘系统参数；使用CFD‑Fuent方法进行集尘口磨屑收集过程的仿真建模；使用Box‑Behnken曲面法建立集尘口结构参数与集尘性能指标之间响应模型；使用线性加权法进行集尘性能指标响应模型的多目标优化，从而得到最优的集尘口几何型面结构参数。本发明针对实际工况下钢轨砂带打磨作业的磨屑溅射情况，设计并优化集尘口的几何型面结构，有效解决打磨作业中磨屑残留的问题。

Description

一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法

技术领域

本发明属于钢轨打磨技术领域，尤其涉及一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前主要采用小型钢轨打磨设备及打磨列车相结合的方式定期去除钢轨区域病害、延长服役寿命，而打磨后的铁路道床上产生了明显的磨屑遗留问题。若磨屑残留在道床附近，就会被高速行驶的列车卷起从而破坏列车底部的精密器件，并且磨屑易黏附在列车沿线的电气化设备上，造成短路，影响行车安全。同时，磨屑火花的溅射也会严重影响铁路沿线的环境状况，甚至点燃植被、引起火灾。此外，在铁路和地铁的隧道钢轨养护作业中，由于环境封闭、空气不易流通，磨屑堆积和扬尘现象更严重。然而，现有集尘口的理论研究主要以砂轮为主，不适用于钢轨砂带打磨的磨屑收集，当前缺少针对钢轨砂带打磨设备集尘口的结构参数优化设计方法研究。

发明内容

本发明提供一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，其目的是解决现有技术的缺点，根据不同工况下钢轨砂带打磨作业的磨屑溅射情况，对集尘口的几何型面结构参数进行优化设计，从而有效收集打磨作业中产生的磨屑，避免磨屑残留的情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，包括以下步骤：

(1)采集实际工况下钢轨砂带打磨作业的磨屑溅射速度、溅射角度，测量单颗磨屑的形貌参数，根据形貌参数完成数值建模，求得单颗磨屑的等效粒径和球型度；

(2)使用定常流动阻力模型设计集尘口结构，基于Stokes阻力定律求出单颗磨屑阻力系数，计算单颗磨屑悬浮速度，从而得到集尘口所需的出口风速与底部速度；基于伯努利连续性方程与N-S粘性流体方程，计算集尘口结构对应的压力损失；

(3)将步骤(1)与步骤(2)中的等效粒径、球型度、溅射速度、溅射角度和集尘口压力损失，作为CFD-Fluent的初始输入条件，完成对应工况下钢轨砂带打磨集尘口磨屑收集过程的仿真建模，求出该集尘口几何型面参数下对应的底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η，将其作为集尘口的性能指标；

(4)利用步骤(3)的仿真结果，基于Box-Behnken曲面法确定集尘口性能指标与集尘口几何型面参数间的定量规律，求出各性能指标对应的响应模型；所述集尘口性能指标包括：底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η；

(5)利用步骤(4)求出的集尘口底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η响应模型，基于线性加权法搭建集尘口几何型面参数多目标优化模型，求出最优几何型面参数，完成集尘口结构优化。

进一步地，所述步骤(3)集尘口几何型面参数包括：集尘口长度L_x、出风口直径D、集尘高度H、倾斜角β、集尘口宽度K、集尘口高度H_a、进气距离L_o、总宽度B。

进一步地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)基于Plackett-Burman设计法，筛选集尘口几何型面参数中重要变量；

(4.2)根据所筛选的重要变量，利用Box-Behnken曲面法建立多因素三水平仿真实验；

(4.3)采用CFD-Fluent进行多因素三水平仿真实验，根据不同的集尘口几何型面参数组合，构建多个集尘口磨屑收集过程仿真模型，计算不同集尘口几何型面参数下的性能指标；

(4.4)根据多因素三水平仿真实验结果，对各个性能指标进行多元线性回归和二项式拟合，得到底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η对应的多元二次回归响应模型。

进一步地，所述步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)将步骤(4)求出的集尘口性能指标响应模型分为极大型指标、极小型指标、目标型指标；

(5.2)确定集尘口各性能指标响应模型的权重因子(ω_i,i∈{1,2,3})，且ω_i∈[0,1]；

(5.3)构建不同权重因子(ω_i,i∈{1,2,3})下，底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η的多目标优化方程；

(5.4)基于构造的多目标优化方程使用线性加权法进行多目标寻优计算，得到最优的集尘口几何型面参数；

(5.5)利用CFD-Fluent方法对最优的集尘口几何型面参数进行仿真验证。

本发明的有益之处在于：

使用定常流动阻力模型设计集尘口结构并计算集尘系统参数；使用CFD-Fuent方法进行集尘口磨屑收集过程的仿真建模；使用Box-Behnken曲面法建立集尘口结构参数与集尘性能指标之间响应模型；使用线性加权法进行集尘性能指标响应模型的多目标优化，从而得到最优的集尘口几何型面结构参数，有效收集打磨作业中产生的磨屑，避免磨屑残留的情况。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是钢轨砂带打磨设备集尘口工作原理图；

图3是集尘口开口朝内方向视图；

图4是集尘口侧视图；

图5是初始集尘口几何型面参数的CFD-Fluent仿真模型；

图6是Box-Behnken曲面法建立性能指标响应模型流程图；

图7是集尘口几何型面参数与出口风速响应面模型；

图8是集尘口几何型面参数与底部速度响应面模型；

图9是集尘口几何型面参数与磨屑收集率响应面模型；

图10是最优集尘口几何型面参数的CFD-Fluent仿真模型。

图中标记：

1：砂带；2：接触轮；3：钢轨；4：集尘口；5：风道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的具体实施方式不限于此：

参考图1，一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，包括以下步骤：

(1)采集实际工况下钢轨砂带打磨作业的磨屑溅射速度、溅射角度，测量单颗磨屑的形貌参数，根据形貌参数完成数值建模，求得单颗磨屑的等效粒径和球型度；

(2)如图2、图3、图4所示，使用定常流动阻力模型设计集尘口结构，基于Stokes阻力定律求出单颗磨屑阻力系数，计算单颗磨屑悬浮速度，从而得到集尘口所需的出口风速与底部速度；基于伯努利连续性方程与N-S粘性流体方程，计算集尘口结构对应的压力损失；

(3)如图5所示，将步骤(1)与步骤(2)中的等效粒径、球型度、溅射速度、溅射角度和集尘口压力损失，作为CFD-Fluent的初始输入条件，完成对应工况下钢轨砂带打磨集尘口磨屑收集过程的仿真建模，求出该集尘口几何型面参数下对应的底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η，将其作为集尘口的性能指标；

(4)利用步骤(3)的仿真结果，基于Box-Behnken曲面法确定集尘口性能指标与集尘口几何型面参数间的定量规律，求出各性能指标对应的响应模型；所述集尘口性能指标包括：底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η；

(5)利用步骤(4)求出的集尘口底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η响应模型，基于线性加权法搭建集尘口几何型面参数多目标优化模型，求出最优几何型面参数，完成集尘口结构优化。

参考图2、图3、图4，所述步骤(3)集尘口几何型面参数包括：集尘口长度L_x、出风口直径D、集尘高度H、倾斜角β、集尘口宽度K、集尘口高度H_a、进气距离L_o、总宽度B。

参考图6，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)基于Plackett-Burman设计法，筛选集尘口几何型面参数中重要变量；

(4.2)根据所筛选的重要变量，利用Box-Behnken曲面法建立多因素三水平仿真实验；

(4.3)采用CFD-Fluent进行多因素三水平仿真实验，根据不同的集尘口几何型面参数组合，构建多个集尘口磨屑收集过程仿真模型，计算不同集尘口几何型面参数下的性能指标；

(4.4)如图7、图8、图9所示，根据多因素三水平仿真实验结果，对各个性能指标进行多元线性回归和二项式拟合，得到底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η对应的多元二次回归响应模型。

所述步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)将步骤(4)求出的集尘口性能指标响应模型分为极大型指标、极小型指标、目标型指标；

(5.2)确定集尘口各性能指标响应模型的权重因子(ω_i,i∈{1,2,3})，且ω_i∈[0,1]；

(5.3)构建不同权重因子(ω_i,i∈{1,2,3})下，底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η的多目标优化方程；

(5.4)基于构造的多目标优化方程使用线性加权法进行多目标寻优计算，得到最优的集尘口几何型面参数；

(5.5)如图10所示，利用CFD-Fluent方法对最优的集尘口几何型面参数进行仿真建模验证。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出各种变形与改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集实际工况下钢轨砂带打磨作业的磨屑溅射速度、溅射角度，测量单颗磨屑的形貌参数，根据形貌参数完成数值建模，求得单颗磨屑的等效粒径和球型度；

(2)使用定常流动阻力模型设计集尘口结构，基于Stokes阻力定律求出单颗磨屑阻力系数，计算单颗磨屑悬浮速度，从而得到集尘口所需的出口风速与底部速度；基于伯努利连续性方程与N-S粘性流体方程，计算集尘口结构对应的压力损失；

(3)将步骤(1)与步骤(2)中的等效粒径、球型度、溅射速度、溅射角度和集尘口压力损失，作为CFD-Fluent的初始输入条件，完成对应工况下钢轨砂带打磨集尘口磨屑收集过程的仿真建模，求出该集尘口几何型面参数下对应的底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η，将其作为集尘口的性能指标；

(4)利用步骤(3)的仿真结果，基于Box-Behnken曲面法确定集尘口性能指标与集尘口几何型面参数间的定量规律，求出各性能指标对应的响应模型；所述集尘口性能指标包括：底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η；

(5)利用步骤(4)求出的集尘口底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η响应模型，基于线性加权法搭建集尘口几何型面参数多目标优化模型，求出最优几何型面参数，完成集尘口结构优化。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)集尘口几何型面参数包括：集尘口长度L_x、出风口直径D、集尘高度H、倾斜角β、集尘口宽度K、集尘口高度H_a、进气距离L_o、总宽度B。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)基于Plackett-Burman设计法，筛选集尘口几何型面参数中重要变量；

(4.2)根据所筛选的重要变量，利用Box-Behnken曲面法建立多因素三水平仿真实验；

(4.3)采用CFD-Fluent进行多因素三水平仿真实验，根据不同的集尘口几何型面参数组合，构建多个集尘口磨屑收集过程仿真模型，计算不同集尘口几何型面参数下的性能指标；

(4.4)根据多因素三水平仿真实验结果，对各个性能指标进行多元线性回归和二项式拟合，得到底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η对应的多元二次回归响应模型。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨砂带打磨设备集尘口的几何型面优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)将步骤(4)求出的集尘口性能指标响应模型分为极大型指标、极小型指标、目标型指标；

(5.2)确定集尘口各性能指标响应模型的权重因子ω_i,i∈{1,2,3}，且ω_i∈[0,1]；

(5.3)构建不同权重因子ω_i,i∈{1,2,3}下，底部速度V₁、出口风速V₂和磨屑收集率η的多目标优化方程；

(5.4)基于构造的多目标优化方程使用线性加权法进行多目标寻优计算，得到最优的集尘口几何型面参数；

(5.5)利用CFD-Fluent方法对最优的集尘口几何型面参数进行仿真验证。