重载铁路曲线段钢轨型面优化

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4、ｗ每密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文重载铁路曲线段钢轨型面优化OptimalDesignofRailProfilefortheCurveSegmentofHeavyHaulRailway培养单位：交通运输学院专业领域：交通运输工程学生姓名：陈思亦校内导师：王建西副教授校外导师：尹成斐高级工程师二○一五年一月摘要摘要随着我国铁路运输事业的发展，增加轴重成为重载铁路发展的重要方向。然而，轴重的增加必然导致轮轨作用力的增大，当列车通过曲线段时，车轮在离心力及曲线附加阻力的影响下对钢轨产生较大的破坏作用，其中外轨侧磨表现尤为显著。合理的设计钢轨打磨型面将改善

5、轮轨接触特性，提高动力学性能，降低磨耗速率，对重载线路的养修工作具有重要的现实意义。本文以轮轨滚动接触理论、车辆-轨道动力学理论及非线性规划理论为基础，对小半径曲线钢轨型面优化进行了如下研究：(1)本文对轮轨接触几何关系计算进行了深入的研究，以Hertz接触理论及库仑定律为基础，应用了Kalker的轮轨滚动接触理论和Archard磨耗计算理论，作为钢轨型面优化设计的理论基础。(2)基于车辆-轨道动力学理论，建立重载货车模型与小半径曲线轨道模型用于轨道动力学分析，确定了钢轨型面优化中需要满足的动力学安全性评价指标，根据车辆通过曲线时各级速度，确定11种不同速度的动

6、力学仿真工况。(3)通过对75kg/m钢轨标准型面及一设计型面的磨耗过程进行仿真分析，发现在磨耗过程中各阶段型面接触性能不同，磨耗速率有较大的差别。据此，本文提出将钢轨在设计周期内磨耗和打磨金属损失量的均车值最小作为优化目标。(4)根据重载线路小半径曲线段钢轨实测磨耗分布，提出将轨头中心至轨距测量点之间的区域作为优化区域，按照钢轨型面曲率变化非等间距选取10个离散点作为设计点，横坐标固定，将其纵坐标作为设计变量。应用D-最优设计方法进行试验设计，产生71组试验型面。以最大磨耗深度作为型面更新策略，对各试验型面进行动力学仿真，获得11种工况下各试验型面的演变过程及

7、相应的动力学响应。71组试验型面及其动力学响应构成一个完整的设计空间，在此基础上利用高斯型径向基函数法建立目标变量与设计变量的近似函数作为目标函数，建立车辆运行安全性评价指标与设计变量的近似函数作为非线性约束函数，并在此基础上建立钢轨型面设计最优化模型。(5)运用遗传算法对钢轨型面设计优化模型进行优化求解，获得钢轨优化型摘要面解集。对解集中各优化型面进行动力学仿真分析可知，钢轨优化型面在满足动力学安全性评价指标的同时具有较低的磨耗速率。其中优化型面CSY-1在设计周期内通过总重达150.74Mt相比标准型面提升139.73%。本文提出的基于高斯型径向基函数法的钢

8、轨型面数值优化方法，有效