摘要
现如今钢轨廓形优化的方法层出不穷，面对出现的各类工程问题，有针对性的钢轨廓形优化显得尤为重要，为有效处理地铁小半径曲线严重磨耗钢轨廓形优化的工程问题，本文以延长钢轨服役寿命为目的，建立车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，提出优化限值曲线，并基于该曲线采用多目标优化算法进行钢轨廓形优化，主要工作如下： （1）车辆-轨道刚柔耦合动力学模型的建立与求解 基于车辆-轨道耦合动力学理论，根据地铁车辆相关参数进行车辆模型建立，同时建立小半径曲线轨道柔性体，并导入多体动力学模型，形成刚柔耦合；详细介绍了车辆轨道各部件自由度，利用哈密尔顿原理建立系统动力学方程并求解；建立了轮轨接触模型。 （2）钢轨磨耗对动力学性能影响以及轮轨动静态接触几何分析 本章拟定了严重磨耗钢轨的判别标准：侧磨达到3 mm，垂磨达到4.67 mm，且钢轨廓形曲率从工作边到非工作边出现增大，即钢轨廓形出现凹陷，此类钢轨为严重磨耗钢轨。利用不同磨耗的实测钢轨廓形进行动力学性能对比，分析不同钢轨磨耗对行车的影响。研究表明，上股侧磨和下股垂磨增大时，上下股轮轨横向力、脱轨系数和上股磨耗指数增大，磨耗对上下股轮轨垂向力、轮重减载率和车体振动加速度的影响不大，证明钢轨磨耗对轮轨横向力和磨耗指数影响更大。同时，分析了6组半径400 m的不同磨耗程度的小半径曲线钢轨的接触几何。研究表明，磨耗越严重轮轨接触点分布范围越窄，接触点越集中，出现跳跃点，且导致轮轨接触应力增大和接触面积减小，从而加剧磨耗的发展，所以廓形优化需控制接触应力，从而达到减小磨耗的作用。 （3）基于多目标优化的小半径曲线严重磨耗钢轨廓形优化设计 利用NURBS曲线针对实测廓形进行平滑处理，同时将各断面离散15个点，通过测量各可动点处的钢轨磨耗，绘制优化限值曲线，并以接触应力、轮轨横向力以及磨耗指数为目标函数，以起终点斜率、优化限值曲线为约束条件，建立多目标优化算法输出优化方案一，同时输出无优化限值曲线作为约束的多断面廓形优化方案二，以及输出单个优化廓形进行等截面打磨的优化方案三。 （4）优化前后车辆运行的动力学性能及磨耗演变分析 将输出的三组优化廓形依次放入动力学模型中进行仿真计算，得到优化前后车辆行驶的动力学性能，通过对动力学性能、轮轨接触几何和磨耗演变的分析，确定优化效果，得到最佳优化廓形。具体结论如下：三种方案优化之后上下股轮轨接触应力、轮轨横向力和磨耗指数均有所减小，优化方案一的轮轨接触点分布更广更均匀，接触应力减小幅度和接触面积增大幅度都更大，优化方案三仅在磨耗严重区段接触有所改善，在磨耗不严重的区段接触分布集中，加速了磨耗的演变。另外，优化方案一通过10万次和20万次的累积磨耗比优化前最大降低8.44 %和22.33 %，在三种方案中降低最多。因此本文提出的优化方法输出的优化方案一为最佳优化廓形。
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