專利名稱：一種描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通運輸、計算機數(shù)字模擬、動態(tài)數(shù)值仿真等技術(shù)領(lǐng)域，尤其 涉及一種描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法。
技術(shù)背景隨著鐵路運輸高速、重載的發(fā)展，帶來的動力學(xué)與振動、行車安全性問題 十分突出，輪軌關(guān)系變得十分復(fù)雜。目前，我國引進的某型動車組在客運專線 上高速試運行時，已經(jīng)初步暴露出了危及行車安全的動力學(xué)問題，已經(jīng)引起了相關(guān)部門的高度重視。如在部分直線軌道區(qū)段和曲線軌道上，高速機車車輛 的輪重減載率(安全性指標(biāo))不合格。這些問題的核心是輪軌空間動態(tài)接觸關(guān)系，它是車輛系統(tǒng)與軌道系統(tǒng)之間 的連接紐帶，車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)之間的動態(tài)反饋作用均由輪軌關(guān)系的動態(tài)變 化來實現(xiàn)。隨著鐵路的發(fā)展，對輪軌空間動態(tài)接觸關(guān)系的研究提出了更高的要 求。通常，國內(nèi)外對鐵道機車車輛輪軌接觸進行研究時作了 3種假設(shè)，即"鋼軌 靜止不動"、"輪軌均為剛性體"和"輪軌始終保持接觸"。實際上，鋼軌是運動的， 是彈性體，輪軌也時常發(fā)生脫離現(xiàn)象，這種描述輪軌接觸狀態(tài)的精度和可靠性 較差，與實際運營中的4侖軌接觸狀態(tài)不符。因此，對輪軌接觸狀態(tài)進行描述時，必須摒棄上面幾種不合理的假設(shè)，并 且還要考慮實際運營狀態(tài)下輪軌磨耗型面。另外描述輪軌接觸狀態(tài)時，要盡可 能的直觀、清晰。這對輪軌動態(tài)相互作用及列車脫軌研究，特別是再現(xiàn)列車脫 軌動態(tài)過程，對車輪踏面和鋼軌型面的優(yōu)化設(shè)計和制造，具有十分重要的理論 價值和工程實際意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種描述鐵路輪軌動態(tài)接觸狀態(tài)的方法,該方法直 觀、簡單、更加真實的顯示復(fù)雜的輪軌空間各種動態(tài)接觸狀態(tài)，實現(xiàn)鐵路輪、 軌動態(tài)接觸幾何關(guān)系的研究，為車輪踏面和鋼軌型面的優(yōu)化設(shè)計和制造提供依 據(jù)，具有很強的工程應(yīng)用價值。本發(fā)明解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是 一種描述鐵路輪軌空間動
態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其步驟為a、 根據(jù)車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)點，生成輪、軌輪廓面；b、 按設(shè)定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)計算方法，計算 出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，找出對應(yīng)時刻車輪踏面與鋼 軌垂向相交形成的車4侖空間跡線；c、 計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右 側(cè)輪軌接觸點；d、 對每個時刻的左、右側(cè)輪軌接觸點進行標(biāo)記，用直線將左右側(cè)車輪和鋼 軌上的點連接，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中的輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1. 將每個時刻的左、右側(cè)輪軌接觸點進行標(biāo)記，用直線將左右側(cè)車輪和鋼 軌上的點連接，既可以觀察某一時刻的輪軌接觸點位置，又可以觀察整個過程 輪軌接觸點的分布變化狀態(tài)。直觀、簡單的顯示復(fù)雜的輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)， 包括一點接觸、兩點接觸或多點接觸現(xiàn)象和車輪爬上鋼軌的現(xiàn)象及其整個運動 過程52. 認(rèn)為"鋼軌是運動的"、"輪軌是彈性體"、"輪軌可以脫離"，考慮了每個時 刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，摒棄了常規(guī)方法中幾種不合理的假設(shè)， 從而更加真實的描述了鐵路輪軌接觸狀態(tài)。動態(tài)分析依據(jù)。特別是為高速、重載現(xiàn)代化鐵路車輪與鋼軌的最佳匹配設(shè)計提 供了理論分析工具，具有^[艮強的工程應(yīng)用價值。上述的a步中的車輪與鋼軌型面的離散數(shù)據(jù)點，由現(xiàn)場實測得到，也可由 設(shè)計圖紙的輪廓離散得到。這樣，本發(fā)明方法可以反映實際磨耗的輪軌型面接觸狀態(tài)，從而更為真實 的描述了實際鐵路輪軌接觸狀態(tài)。上述的a步中現(xiàn)場實測車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)生成輪、軌輪廓面的具體 作法是對實測的離散數(shù)據(jù)進行平滑，使一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。上述的b步中還將軌道不平順位移疊加到鋼軌振動位移量中。這樣，本發(fā) 明方法可以更為真實的描述了實際鐵路的輪軌接觸狀態(tài)。上述的c步中同一時刻，車4侖空間跡線各點與左、右側(cè)鋼軌的最小垂向距
離不必相等。兩個最小垂向距離不相等時，反映輪對側(cè)滾的狀態(tài)。上述的C步計算車輪空間跡線與鋼軌的垂向距離時，先將車輪及車輪空間跡線在鉛垂方向抬高3 50mm距離。這樣使得車輪踏面與鋼軌型面分開，更方 便觀察輪軌接觸狀態(tài)。下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。


圖l是本發(fā)明實施例的某一時刻輪軌動態(tài)接觸示意圖。圖1中，Ow-Xw7wZw是輪對坐標(biāo)系，Olc-X^;TlcZlc、 C^-XKc7RcZRc分別是左側(cè)、右側(cè)接觸斑坐標(biāo)系， Ok-Xl^I^Zi^ CW-lR^RrZj^分別是左側(cè)、右側(cè)鋼軌坐標(biāo)系，&、 &分別是右、 左、側(cè)車輪踏面接觸角。圖2是用本發(fā)明實施例的方法描述出的車輛通過曲線段時外側(cè)的輪軌接觸狀態(tài)描述圖。圖3是用本發(fā)明實施例的方法描述出的車輛通過曲線段時內(nèi)側(cè)的輪軌接觸狀態(tài)描述圖。圖2、圖3中， 一黃坐標(biāo)與縱坐標(biāo)均為鋼軌正截面的坐標(biāo)，i 300和i 80分別 是型面上的曲率半徑。
具體實施方式
實施例本發(fā)明的一種具體實施方式
為 一種描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方 法，其步驟為a、根據(jù)車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)點，生成輪、軌輪廓面。獲取數(shù)據(jù)點的方 法有兩種 一種為現(xiàn)場實際測量方法，通過測試儀器，在現(xiàn)場鐵路軌道上測試 鋼軌輪廓型面，在機務(wù)段或車輛段測量車輪型面，這樣可以得到實際運營狀態(tài) 下(如產(chǎn)生了磨耗)的輪軌型面的型面。另一種方法是理論方案離散法，根據(jù)設(shè)計圖紙，找到型面的關(guān)鍵參數(shù)(包 括曲率半徑、切點)，按照等圓弧進行離散，這種方法可以獲得沒有磨耗(標(biāo)準(zhǔn)) 的輪軌型面。為了保證求解精度，輪軌型面數(shù)據(jù)點必須要達到一定數(shù)量，通常為100 ~ 500,建議值為200。生成輪、軌輪廓面時，需先求出輪軌型面的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。在輪軌
接觸計算中， 一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，為了提高求解速度，因此，將 輪軌型面的這幾個關(guān)鍵參數(shù)預(yù)先計算出來，作為輸入數(shù)據(jù)。對于實際測量得到 的輪軌型面，如果存在明顯缺陷，如剝離掉塊或扁疤，則一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù) 不連續(xù)，需進行擬合(平滑)計算，確保一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。b、按設(shè)定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)計算方法，計算 出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，鋼軌振動位移量中疊加有軌道不平順位移，找出對應(yīng)時刻車輪踏面與鋼軌垂向相交形成的車輪空間跡線， 也即車輪與鋼軌軸線垂直的垂向截面的下部輪廓線。顯然4侖軌空間接觸點只可能在該車輪空間跡線上。構(gòu)建右側(cè)車輪空間跡線的公式是<formula>formula see original document page 6</formula>式中，^是右側(cè)車輪踏面接觸角；及w是車輪滾動圓半徑，m為模數(shù)， <formula>formula see original document page 6</formula>;&、 &、 /2分別是車輪初始離散點在Z、 7、 Z方向的余弦， 且<formula>formula see original document page 6</formula>0W、 "^分別是4侖對側(cè)滾和搖頭角位移。 滾動圓圓心5的坐標(biāo)是<formula>formula see original document page 6</formula>式中，"是在輪對坐標(biāo)系中車輪踏面各滾動圓橫坐標(biāo)。已知輪對當(dāng)前運動位移量7w、 0W、 ？^v,通過逐步改變輪對坐標(biāo)系下，車輪 踏面各滾動圓橫坐標(biāo)t/w，就可以構(gòu)成某時刻的右側(cè)車輪空間跡線。釆用同樣的 方法，可以構(gòu)成某一時刻左側(cè)車輪空間跡線。C、計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右側(cè)輪軌接觸點。首先將車輪在鉛垂方向抬高一定距離，通常3~50mm。將車輪 跡線上的每一個點向鋼軌輪廓線上插值，求出對應(yīng)位置的鋼軌坐標(biāo)，然后求出 車輪與鋼軌的垂向距離，對比所有離散點的距離，找出最小距離點，即是輪軌 接觸點。同一時刻，車輪空間跡線各點與左、右側(cè)鋼軌的最小垂向距離不必相 等。不相等時，反映輪對側(cè)滾的狀態(tài)。d、對每個時刻的左、右側(cè)輪軌接觸點進行標(biāo)記，用直線將左右側(cè)車輪和鋼 軌上的點連接，形成了輪軌接觸狀態(tài)圖，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中 的輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)。圖2及圖3即為采用本例方法描述出的列車通過某 一彎道時的輪軌接觸狀態(tài)圖。
權(quán)利要求
1、一種描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其步驟為a、根據(jù)車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)點，生成輪、軌輪廓面；b、按設(shè)定的列車運行速度，通過車軌-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)計算方法，計算出每個時刻的輪對振動位移量及鋼軌振動位移量，找出對應(yīng)時刻車輪踏面與鋼軌垂向相交形成的車輪空間跡線；c、計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，垂向距離最小點即為左、右側(cè)輪軌接觸點；d、對每個時刻的左、右側(cè)輪軌接觸點進行標(biāo)記，用直線將左右側(cè)車輪和鋼軌上的點連接，即得到鐵道機車車輛整個運行過程中的輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其特征 在于所述的a步中的車輪與鋼軌型面的離散數(shù)據(jù)點，由現(xiàn)場實測得到，也可 由設(shè)計圖紙的輪廓離散得到。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其特征 在于所述的a步中現(xiàn)場實測車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)生成輪、軌輪廓面的具 體作法是對實測的離散數(shù)據(jù)進行平滑，使一 階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其特征 在于，所述的b步中還將軌道不平順位移疊加到鋼軌振動位移量中。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其特征 在于，所述的c步中同一時刻，車輪空間跡線各點與左、右側(cè)鋼軌的最小垂向 距離不必相等。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的描述鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其特征 在于，所述的c步計算車輪空間跡線與鋼軌的垂向距離時，先將車輪及車輪空 間跡線在鉛垂方向抬高3 ~ 50mm距離。
全文摘要
一種描述出鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)的方法，其步驟為a.根據(jù)車輪與鋼軌型面離散數(shù)據(jù)點，生成輪、軌輪廓面；b.按設(shè)定的運行速度，通過車軌-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)計算方法，得出每個時刻的輪對及鋼軌的振動位移量，找出對應(yīng)時刻的車輪空間跡線；c.計算車輪空間跡線各點與鋼軌的垂向距離，找出左、右側(cè)輪軌接觸點；d.對每個時刻的左、右側(cè)輪軌接觸點進行標(biāo)記，用直線將左右側(cè)車輪和鋼軌上的點連接，即描述出鐵路輪軌空間動態(tài)接觸狀態(tài)。該方法直觀、簡單、更加真實的顯示復(fù)雜的輪軌空間各種動態(tài)接觸狀態(tài)，實現(xiàn)鐵路輪、軌動態(tài)接觸幾何關(guān)系的研究與分析，為車輪踏面和鋼軌型面的優(yōu)化設(shè)計和制造提供依據(jù)，具有很強的工程應(yīng)用價值。
文檔編號B61K9/00GK101117127SQ20071004980
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者王開云, 翟婉明, 蔡成標(biāo) 申請人:西南交通大學(xué)