专利名称：一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法
技术领域：
本发明涉及一种铁道车辆车轮踏面外形设计方法，尤其是涉及一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法。
背景技术：
虽然踏面外形是铁路车辆中关键部件，与车辆的动力学性能密切相关，比如高速稳定性、曲线通过性能、接触应力等，但车轮踏面的设计一直是铁路行业长期遗留的难题， 自铁路诞生以来一直采用人工试凑法！即凭借专业经验用直线和圆弧的曲线组合人工设计，再经轮轨几何匹配分析和实际运用试验。这样的方法无法与车辆的动力学性能的要求直接关联起来，也无法与钢轨外形及不同的轨底坡关联起来，因此也就无法满足各种车辆对动力学的特殊要求，比如更高速度运行的车辆、在更小半径曲线运行的车辆、在不同型号的钢轨上运行的车辆等。这一问题随着高速铁路的迅速发展和城市地铁大规模建设越显突出，迫切需要研究出一个能根据车辆动力学性能要求和考虑不同钢轨外形及轨底坡的科学化设计方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定性好、磨耗少、安全性高的基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先给定钢轨外形、轨底坡、钢轨顶面的接触点区域及其待优化的轮踏面外形， 根据轮轨几何匹配计算，求出左右轮径差相对于不同轮对横移量的曲线，即轮径差曲线；2)根据车辆的动力学性能要求通过三点一斜度法将轮径差曲线优化，直到满足车辆直线运行稳定性和曲线通过性能为止，将优化后的轮径差曲线作为设计目标函数；3)将优化后的轮径差曲线反推踏面外形，得到与钢轨相接处部分的外形；4)通过拼接原踏面外形得到整个外形，调整轮缘厚度、轮缘高度、轮缘角度；5)再对设计好的踏面外形进行轮轨几何匹配计算，求出实际的轮径差曲线，并与设计目标曲线进行比较，计算相对误差，判断该误差是否超过设定值，若为是，执行步骤6)， 若为否，得到最终的车轮踏面外形；6)调整迭代计算参数，并返回步骤4)。所述的三点一斜度法为在曲线上选取三个控制点，在两点之间进行埃尔米特插值；第三个控制点为不动点，其后的一段函数曲线不作调整，并采用原始轮径差，调整第一个控制点，将其横坐标固定，通过调整其纵坐标来改变等效斜率，以满足的直线稳定性或直线对中性；调整第二个控制点，优化列车的曲线通过性能，减少轮缘磨耗。
所述的将优化后的轮径差曲线反推踏面外形包括以下步骤定义优化后的轮径差曲线AR(k)，k为轮对相对于轨道的横移量，欲求的踏面曲线为Zw(Yw)，给定的钢轨曲线为&(%·)，gw(Yw)和分别为轮和轨外形的梯度， d(Ys)为接触点在钢轨头部的偏移量；给定Δ R (Ys)、Zr (Yr)和 d (Ys)，求 Zw (Yw)；首先假定e)左右轮轨几何外形对称；f)轮径差曲线为单调变化；g)钢轨上的接触点偏移单向，即d(Ys)彡0，当k彡0 ；d(Ys) < 0，当k < 0 ；h)轮轨刚性，接触为单点接触；当^ = a时，轮径差为AR(a)，右轮与右轨的接触点为Aw(Ywa，Zwa)，左轮与左轨的接触点为Bw(Ywb，Zwb)，对应的踏面梯度为gw(Ywa)和gw(Ywb)，这时轮对的侧滚角为 Φ a,右轨与右轨的接触点为Ar (Yra, Zra)，左轨与左轨的接触点为Br (Yrb, Zrb)，对应的钢轨外形梯度为gr (Yra)和gr (Yrb)，设踏面与钢轨外形的原点为轮对横移量k = 0时的接触点，也是名义滚动圆的圆心处，则它们之间存在如下关系 Zwa-Zwb = Δ R (a)
(1)
权利要求
1.一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先给定钢轨外形、轨底坡、钢轨顶面的接触点区域及其待优化的轮踏面外形，根据轮轨几何匹配计算，求出左右轮径差相对于不同轮对横移量的曲线，即轮径差曲线；2)根据车辆的动力学性能要求通过三点一斜度法将轮径差曲线优化，直到满足车辆直线运行稳定性和曲线通过性能为止，将优化后的轮径差曲线作为设计目标函数；3)将优化后的轮径差曲线反推踏面外形，得到与钢轨相接处部分的外形；4)通过拼接原踏面外形得到整个外形，调整轮缘厚度、轮缘高度、轮缘角度；5)再对设计好的踏面外形进行轮轨几何匹配计算，求出实际的轮径差曲线，并与设计目标曲线进行比较，计算相对误差，判断该误差是否超过设定值，若为是，执行步骤6)，若为否，得到最终的车轮踏面外形；6)调整迭代计算参数，并返回步骤4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的三点一斜度法为在曲线上选取三个控制点，在两点之间进行埃尔米特插值；第三个控制点为不动点，其后的一段函数曲线不作调整，并采用原始轮径差，调整第一个控制点，将其横坐标固定，通过调整其纵坐标来改变等效斜率，以满足的直线稳定性或直线对中性；调整第二个控制点， 优化列车的曲线通过性能，减少轮缘磨耗。
3.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的将优化后的轮径差曲线反推踏面外形包括以下步骤定义优化后的轮径差曲线AR(R)，k为轮对相对于轨道的横移量，欲求的踏面曲线为Zw(Yw)，给定的钢轨曲线为&(%·)，gw(Yw)和gr(ft·)分别为轮和轨外形的梯度，d(Ys) 为接触点在钢轨头部的偏移量；给定 Δ R (Ys)、Zr (Yr)禾口 d (Ys)，求 Zw (Yw)；首先假定a)左右轮轨几何外形对称；b)轮径差曲线为单调变化；c)钢轨上的接触点偏移单向，即d(Ys)彡0，当k彡0；d(Ys) < 0，当k < 0 ；d)轮轨刚性，接触为单点接触；当k = a时，轮径差为Δ R(a)，右轮与右轨的接触点为Aw (Ywa，Zwa)，左轮与左轨的接触点为Bw (Ywb,Zwb)，对应的踏面梯度为gw (Ywa)和gw (Ywb)，这时轮对的侧滚角为Φ a，右轨与右轨的接触点为ArWra，，左轨与左轨的接触点为Br(ft~b，，对应的钢轨外形梯度为gr ( )和gr ，设踏面与钢轨外形的原点为轮对横移量k = 0时的接触点，也是名义滚动圆的圆心处，则它们之间存在如下关系Zwa-Zwb= Δ R (a)(1)YwaCos ( Φ a) -ZwaSin ( Φ a) +r0+sin ( Φ a) _b (1-cos ( Φ a)) = -a+δ (a) (2)Ywbcos ( Φ a) -ZwbSin ( Φ a) +r0+sin ( Φ a) _b (1-cos ( Φ a)) = a+δ (-a) (3)gw (Ywa) + Φ a gr (Yra)(4)gw (Ywb) - Φ a = gr (Yrb)(5)
4.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的接触点区域为定轮对正向横移时的接触点。
5.根据权利要求1所述的一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，其特征在于，所述的名义滚动圆为离轮背70mm处的圆。
全文摘要
本发明涉及一种基于轮径差曲线的铁道车辆车轮踏面外形设计方法，包括以下步骤给定钢轨的基本参数及其待优化的轮踏面外形，求出轮径差曲线；2)根据车辆的动力学性能要求通过三点一斜度法将轮径差曲线优化，将优化后的轮径差曲线作为设计目标函数；3)将优化后的轮径差曲线反推踏面外形，得到与钢轨相接处部分的外形；4)通过拼接原踏面外形得到整个外形；5)再对设计好的踏面外形计算实际的轮径差曲线，并与设计目标曲线进行比较，判断两者差异是否超过设定的范围，若为是，执行步骤6)，若为否，得到最终的车轮踏面外形；6)调整迭代计算参数，并返回步骤4)。与现有技术相比，本发明设计的踏面具有稳定性好、磨耗少、安全性高等优点。
文档编号G06F17/50GK102279897SQ20101019727
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者沈钢, 钟晓波 申请人:同济大学