一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法技术

本发明专利技术涉及一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，建立多体动力学模型和频域三维车辆轨道动力学模型，其中所述多体动力学模型用于计算轮轨的准静态作用力，所述频域三维车辆轨道动力学模型计算动态的轮轨横向力和垂向力；根据轮轨的横向和垂向作用力仿真得到由轮轨动力相互作用引起的钢轨粗糙度变化，将计算得到的粗糙度变化与初始粗糙度相加，通过迭代的方式计算最终的钢轨波磨状态。本发明专利技术的优点是：计算速度快，可揭示波磨产生机理；具有广泛的应用场景，可应用于新建线路的评估、既有线路的波磨治理中。路的波磨治理中。路的波磨治理中。

【技术实现步骤摘要】
一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法


[0001]本专利技术涉及交通测试
，尤其是一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法。

技术介绍

[0002]近年来我国城市轨道交通快速发展，截至2022年1月共有51个城市开通运营城市轨道交通线路270条，运营里程达到8759公里。伴随着轨道交通线路建成通车，由此引发的振动噪声问题日益凸显，相关投诉也越来越多。
[0003]钢轨波磨是指轨面纵向周期性的异常磨耗，是引发振动噪声加剧的主要原因之一，同时也会加剧轮轨间相互作用，造成轨道及车辆部件的损伤，波磨的存在严重影响了列车行驶平顺性。要解决波磨问题，首先要掌握波磨的产生发展规律，轨道、车辆的动力学参数对波磨的影响，需要一种定量的计算方法，能够较为准确的预测产生波磨的波长及其发展速率，为研发波磨治理措施和制定养护维修计划提供支持。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，利用车辆、轨道和线路的设计参数和轨面的初始粗糙度状态，对钢轨波磨的发展过程进行迭代式的仿真计算，预测波磨发生的波长及其发展趋势，为钢轨波磨治理措施和养护维修提供支持。
[0005]本专利技术目的实现由以下技术方案完成：
[0006]一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007]建立多体动力学模型和频域三维车辆轨道动力学模型，其中所述多体动力学模型用于计算轮轨的准静态作用力，所述频域三维车辆轨道动力学模型计算动态的轮轨横向力和垂向力；
[0008]根据轮轨的横向和垂向作用力仿真得到由轮轨动力相互作用引起的钢轨粗糙度变化，将计算得到的粗糙度变化与初始粗糙度相加，通过迭代的方式计算最终的钢轨波磨状态。
[0009]所述多体动力学模型是基于钢轨和车轮廓形、轨道刚度、车辆的动力学参数所建立的仿真模型。
[0010]建立一段由直线、缓和曲线和圆曲线组成的线路模型，所述线路模型的曲线半径、超高、坡度由待计算波磨的钢轨所处区域的实际参数确定，所述轮轨的粗糙度设置为光滑状态。
[0011]所述频域三维车辆轨道动力学模型是基于轨道、车辆的动力学参数建立的有限元模型或理论模型，通过该模型分别计算整车模型的车轮导纳、钢轨导纳和接触导纳。
[0012]在频域内所述钢轨粗糙度的变化计算公式为：
[0013][0014]式中，ΔZ(ω)为钢轨粗糙度变化量，nT为计算周期内通过的车辆数量，N(ω)为法向力，η(ω)为横向力，和分别为法向力和横向力的偏导，L(k)为第k各车轮距离初始计算点的距离，v为车速。对于易于发生波磨的内轨，N(ω)≈
‑
F(ω)。
[0015]本专利技术的优点是：具有计算速度快，可揭示波磨产生机理的优势；具有广泛的应用场景，可应用于新建线路的评估、既有线路的波磨治理中。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的计算流程图；
[0017]图2为本专利技术中建立的多体动力学计算模型图；
[0018]图3为本专利技术中建立的频域车辆
‑
轨道动力学模型图；
[0019]图4为本专利技术中内轨车轮在横向的磨耗量分布图；
[0020]图5为本专利技术中内轨车轮在纵向的磨耗量分布图；
[0021]图6为使用本专利技术计算某典型曲线内轨波磨发展7个月的情况图。
具体实施方式
[0022]以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
[0023]实施例：如图1所示，本实施例中铁路钢轨波磨发展和演化计算方法如下：
[0024]以一节车为研究对象，采用迭代的方法进行计算。仿真计算时设定一个计算总时长T，并将计算时长等分为若干各计算周期。例如可以将计算时长设置为1年，计算周期可设置为30天，以初始状态为计算起点，每30天计算一次结果，然后更新轨面粗糙度和钢轨的型面，带入下一个计算周期，直至达到计算总时长。
[0025]总的来说，本实施例中的计算方法首先分别建立多体动力学模型和频域的三维车辆轨道动力学模型，其中多体动力学模型用于计算轮轨的准静态作用力，频域三维动力学模型计算动态的轮轨横向力和垂向力。之后，将轮轨横向和垂向作用力分别输入到计算模型中，仿真得到由轮轨动力相互作用引起的钢轨粗糙度变化。再将计算得到的粗糙度变化与初始粗糙度相加，得到更新后的粗糙度。对于每一个计算周期进行迭代计算，得到最终的钢轨波磨状态。
[0026]具体而言，对于每一个计算循环，首先基于钢轨和车轮廓形、轨道刚度、车辆的动力学参数建立多体动力学仿真模型。如图2所示，该多体动力学仿真模型建立一段由直线、缓和曲线和圆曲线组成的线路模型，以提高波磨计算的精确性和全面性。在线路模型中的曲线半径、超高、坡度由待计算波磨的该段钢轨所处位置的实际设计资料给出。将轮轨粗糙度设置为初始的光滑状态，以精确判断钢轨波磨发展趋势的完整过程。
[0027]通过多体动力学仿真模型计算得到车辆通过圆曲线时的接触状态参数，这些参数包括，轮轨法向接触力的大小、接触斑的大小、位置、各方向的蠕滑率。
[0028]如图3所示，利用轨道、车辆的动力学参数建立车辆
‑
轨道耦合动力学计算的频域模型，该模型可以是有限元模型，也可以是理论模型，利用该模型计算分别计算整车模型的车轮导纳、钢轨导纳和接触导纳。
[0029]将初始粗糙度输入到模型当中，利用公式(1)计算轮轨相互作用力P(ω)，式中，ω为频率其与波长λ和车速v的关系为H
W
(ω)、H
R
(ω)、H
C
(ω)分别为车轮导纳矩阵、钢轨导纳矩阵和接触导纳矩阵，Z0(ω)为由各车轮对应的钢轨初始粗糙度组成的矩阵。
[0030]P(ω)＝[H
W
(ω)+H
R
(ω)+H
C
(ω)]‑1Z0(ω)
ꢀꢀ
(1)
[0031]由于不同车轮的位置不同，各车轮对应的钢轨粗糙度存在相位差，对于第k个车轮，其粗糙度可以表示为：
[0032][0033]式中L(k)为第k各车轮距离初始计算点的距离。
[0034]进一步的计算车轮和钢轨在接触点处的横向位移，并计算附加的横向蠕滑率，其计算公式为：
[0035]η
*
＝(v
w
‑
v
r
)/υ
ꢀꢀ
(3)
[0036]式中，η
*
为总的横向蠕滑率，v
w
为车轮实际横向运动速度，v
r
为钢轨的横向速度，v为车速。
[0037]如图4和图5所示，采用Archard模型计算钢轨的磨耗，其计算公式如式(4)所示。式中x，y为计算点在接触斑内的坐标，Δx为纵向网格的尺寸，a、b分别为接触班的纵向和横向半轴长，ξ、η、分别为纵向、横向和自旋蠕滑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，其特征在于：包括以下步骤：建立多体动力学模型和频域三维车辆轨道动力学模型，其中所述多体动力学模型用于计算轮轨的准静态作用力，所述频域三维车辆轨道动力学模型计算动态的轮轨横向力和垂向力；根据轮轨的横向和垂向作用力仿真得到由轮轨动力相互作用引起的钢轨粗糙度变化，将计算得到的粗糙度变化与初始粗糙度相加，通过迭代的方式计算最终的钢轨波磨状态。2.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，其特征在于：所述多体动力学模型是基于钢轨和车轮廓形、轨道刚度、车辆的动力学参数所建立的仿真模型。3.根据权利要求2所述的一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法，其特征在于：建立一段由直线、缓和曲线和圆曲线组成的线路模型，所述线路模型的曲线半径、超高...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆杰，成功，赖新生，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：