[发明专利]一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及交通测试技术领域，尤其是一种铁路钢轨波磨发展和演化计算方法。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

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。

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。

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。

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。

在频域内所述钢轨粗糙度的变化计算公式为：

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)。

本发明的优点是：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

图1为本发明的计算流程图；

图2为本发明中建立的多体动力学计算模型图；

图3为本发明中建立的频域车辆-轨道动力学模型图；

图4为本发明中内轨车轮在横向的磨耗量分布图；

图5为本发明中内轨车轮在纵向的磨耗量分布图；