面向磨耗和应力的曲线钢轨廓形优化设计

为了缓解重载曲线钢轨易出现的磨耗严重、接触应力大的问题,建立曲线钢轨廓形非对称优化设计方法,分析优化策略对轮轨磨耗和轮轨接触应力的影响。基于车辆-轨道动力学理论、轮轨磨耗理论、赫兹接触理论、遗传优化算法、层次分析法,以钢轨廓形离散点坐标为优化变量,以车辆动力学性能指标和钢轨几何特征为约束条件,以磨耗和应力作为优化目标,获得曲线钢轨廓形非对称优化设计方法。运用该方法研究在优化迭代中只考虑磨耗、只考虑应力和同时考虑磨耗-应力的三种优化设计策略。结果表明,与现场实际钢轨廓形相比,只考虑磨耗的设计策略会导致应力上升24%,综合评价指数上升8%;只考虑应力的策略会导致磨耗上升149%,综合评价指数上升258%;同时优化磨耗和应力的策略使磨耗和应力分别下降32%和22%,综合评价指数下降17%;最优钢轨廓形在能够提供较大轮对横移量的同时并没有加剧轮缘磨耗,更有利于曲线通过;随着速度和载重的增大,最优钢轨廓形的磨耗指数、接触应力以及脱轨系数等性能指标相比实测廓形更小。     

转向架悬挂参数对轮缘磨耗的影响

通过对动车组线路的长期跟踪测试,发现某线路动车组轮缘磨耗异常是该线路动车组轮对报废的主要原因。对3种常用动车组的轮缘磨耗情况进行跟踪实测,并对比分析3种动车组轮缘磨耗规律。为探究对车辆动力学性能影响较大的悬挂参数对车轮轮缘磨耗的影响,采用动力学仿真分析软件SIMPACK建立动车组的动力学仿真模型,计算不同悬挂参数下车辆的动力学性能参数。剖析不同悬挂参数下的动力学性能指标,根据轮轨发生两点接触后的受力状态,分析各个动力学性能参数变化对轮缘磨耗的影响,并验证悬挂参数的改变对车辆直线运行性能的影响。结果表明：轴箱定位刚度对车辆通过小半径曲线时的轮轨冲角和横向力影响较大,是影响轮缘磨耗的主要悬挂参数。     

地铁小半径曲线段钢轨磨耗分布发展特性分析

基于车辆-轨道耦合动力学模型和Archard磨耗模型,对小半径曲线地铁钢轨在不同轴重、摩擦因数和运行速度影响下的磨耗特性进行了分析与讨论。结果表明:左轨磨耗集中于轨肩,右轨磨耗集中于轨头中部,且左轨累积磨耗幅值均大于右轨。当轴重增加时,左、右轨磨耗量均随之增大。当摩擦因数增加时,左、右轨磨耗量均随之增大。当车速增加时,左轨磨耗量增大,右轨趋于减小。相对车速80 km/h而言,左轨磨耗40 km/h时趋向轨肩,60 km/h时趋向轨头中部;右轨基本不变。通过对钢轨型面预测分析可得:左轨磨耗集中于轨头中部及轨肩,且轨肩磨耗量较大,最大幅值位于钢轨横向位置18.506 mm处,达到0.820 mm;右轨型面均出现了不同程度的磨耗,且轨头中部磨耗量相对较大,最大幅值位于钢轨横向位置2.082 mm处,达到0.170 mm。     

多轴车辆轮胎侧偏磨耗控制方法

针对多轴车辆轮胎磨损较为严重的特点,建立多轴车辆转向动力学模型。在考虑轮胎侧偏磨耗功率分析的基础上,在保证车辆质心侧偏角为零的前提条件下,以整车轮胎磨耗功率最小为目标,以车辆匀速行驶受力平衡为约束条件,利用拉格朗日乘子算法对多轴车辆各轮胎侧偏角进行优化,获得了多轴车辆在匀速转向行驶过程中各轴轮胎侧偏角和驱动力的函数关系式;得到轮胎侧偏磨耗最小条件下的轮胎侧偏角和驱动力的变化规律。分析结果表明:车辆同轴左右侧轮胎侧偏角相等时,轮胎侧偏磨耗功率最小;在轮胎侧偏磨耗功率最小的条件下,轮胎侧偏角、驱动力不仅与车辆质心位置、车轴分布、轮胎侧偏刚度结构有关,而且与车辆的行驶状态有关;控制方法简单易实现,可有效降低轮胎磨耗,降低车辆使用成本。     

地铁车辆全磨耗车轮辐板的疲劳强度研究

地铁车辆车轮在运营过程中,受其自身转动及在直线、曲线、道岔等工况下的交变载荷,会产生车轮辐板的多轴交变应力。在轨道车辆车轮辐板上,疲劳裂纹方向均沿车轮的周向方向呈现,该种疲劳裂纹是由与该裂纹垂直的径向应力为主要原因所致,则将多轴应力转化为单轴应力。参照相关标准,对地铁车辆全磨耗车轮辐板进行了应力计算和疲劳分析。结果表明,车轮辐板均满足静强度要求和疲劳轻度要求。根据分析情况,为地铁车辆车轮的日常检修的重点部位提供了参考依据。     

代理模型在结构动力学优化设计中的应用研究

在结构动力学优化设计中,使用代理模型是提高计算效率的主要方法。研究实现了代理模型中常用的几种近似方法,以典型函数算例和结构动力学优化为例,建立了对应的代理模型,并就不同代理模型精度进行了对比。研究表明,一些代理模型具有更高的精度和更广泛的适用性,并针对结构动力学优化中的问题,给出选用代理模型的一些建议。     

曲线几何参数对车辆轮轨磨耗的影响

运用SIMPACK动力学软件,从曲线段线路设计出发,对曲线轨道上曲线半径、曲线超高及轨底坡对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。结果表明:为降低轮轨磨耗及保证行车安全,应尽量减少小半径曲线;在规定范围内调整曲线超高可有效降低轮轨磨耗,但调整的过高或过低反而会增大磨耗;适当调整轨底坡可起到降低轮轨磨耗的作用,但效果不是太明显,且过大的轨底坡会加剧轮轨的磨耗。     

基于城际动车组的踏面磨耗预测及参数优化

基于FASTSIM理论的磨耗功模型,建立了国内某城际动车组的多体系统动力学仿真模型,通过搭建动力学仿真模型与磨耗功模型的联合仿真平台,以车轮磨耗深度0.1 mm为踏面外形的更换基准,实现了车轮踏面外形的磨耗预测。研究结果表明:仿真分析得到的车轮前5万公里踏面的磨耗分布与实测的车轮磨耗状态类似,仅在磨耗量上存在一定的差异;从一系悬挂参数对车轮磨耗量的影响中可以看出,减小轴箱拉杆和一系轴箱弹簧垂向刚度可以有效减少车轮磨耗,而一系垂向减振器的卸荷力与卸荷速度对磨耗量的影响很小。     

基于Archard模型的车轮磨耗对车辆动力学性能的影响

为了研究车轮磨耗对高速列车动力学性能的影响,建立了车辆动力学和车轮磨耗耦合模型。考虑车辆通过一条由直线和曲线组成的典型线路工况,采用Non-elliptic模型计算轮轨接触斑上的车轮磨耗量,以累积车轮型面磨耗量及更新型面外形。采用Archard磨耗模型研究车轮面磨耗的分布与发展,以车轮踏面磨耗深度达到0.1mm为型面更新的条件进入下一个磨耗循环的计算。最后加载磨耗后的车轮型面,研究磨耗对车辆系统通过曲线线路时的动力学性能的影响。     

地铁小半径曲线轨侧润滑对钢轨的减磨效果研究

对某地铁线路轮轨磨耗进行现场测试,掌握了该线路轮轨磨耗特征。利用动力学软件UM建立地铁车辆-轨道动力学模型,采用Hertz接触理论和FASTSIM算法分别计算轮轨法向力和切向力,结合Archard磨耗模型对小半径曲线外轨轨侧润滑的减磨效果进行预测,提出小半径曲线钢轨磨耗控制措施。钢轨磨耗测试结果表明,由于该线路小半径曲线外轨缺乏有效润滑,导致外轨以侧面磨耗为主,曲线半径越小侧磨越严重。仿真结果表明,小半径曲线采用外轨轨侧润滑的方式能显著降低钢轨侧面磨耗量;在半径为350 m的曲线外轨侧施加润滑可使外轨磨耗降低9%～34%;当半径为650 m时,外轨侧面润滑的减磨效果已不明显。根据仿真结果,建议半径600 m以下的曲线对外轨轨侧进行适当润滑,可有效缓解钢轨磨耗。     

基于MATLAB的破碎机动力学参数优化设计

破碎机动力学参数设计包含机构平衡重、拉杆弹簧计算载荷、飞轮转动惯量等动力学参数的优化设计,是破碎机设计极其重要的内容.破碎机在运转过程中,其偏心轴、动颚、肘板等运动件都具有一定的加速度,会产生很大的惯性力而且大小、方向呈周期性变化.这些惯性力在运动副中引起附加动载荷,是破碎机零件磨损、机器振动的主要原因.破碎机动力学参数优化设计就是通过优化计算,获得最优的平衡条件,使机构总的惯性力平衡,其根本目的就是减小运动件的惯性力引起的附加动载,消除其有害影响,以确保破碎机运转稳定、可靠,降低机器的振动和噪声,提高设备的寿命和效率.以国内广为生产、使用的PE600×900破碎机为研究对象,利用MATLAB的优化功能,在进行运动学、动力学分析,建立一系列运动方程和力学模型之基础上,采用最优动力平衡法,在MATLAB环境下对破碎机机构平衡重进行优化设计.通过优化计算获得机构平衡重及其方向角的最佳值,使随机构位置而变化的振动力降低到最小.     

地铁车轮凹形磨耗对轮轨接触及动力学性能的影响

对某地铁线路的车轮磨耗进行测试,发现车轮存在严重的踏面凹形磨耗.利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆系统动力学仿真模型,研究凹形磨耗车轮与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触特性以及车辆动力学性能,采用基于安定图的表面疲劳指数评价轮轨滚动接触疲劳特性.计算结果表明,车轮凹形磨耗使轮轨接触点对由连续分布变得分散集中,增大了...     

基于轮轨型面匹配数值模拟的地铁车轮异常磨耗原因分析

通过线路测试和数值仿真对某B型地铁列车车轮异常磨耗现象进行深入分析。结合轮轨接触几何关系和轮轨滚动接触理论进行轮轨静态接触分析;基于UM软件建立该地铁车辆动力学仿真模型和磨耗预测模型,计算轮对运动状态和车轮磨耗水平。通过对比不同轮轨匹配的仿真结果来分析该地铁车辆发生轮缘和踏面异常磨耗的原因,进而提出相应的控制措施。结果表明,该地铁线路小半径曲线占比较大且钢轨轨底坡异常。地铁车辆轮缘和踏面异常磨耗是由较大轨底坡线路条件下轮轨型面匹配关系不合理所导致。将全线轨底坡修正成1/40对车轮异常磨耗现象的减缓效果有限。为有效减轻该地铁车辆车轮异常磨耗,可考虑将车轮踏面外形由S1002镟修为LM。     

小生境遗传算法的多刚体系统动力学参数优化设计

在分析多刚体系统动力学参数优化问题特点的基础上,针对用传统优化方法和标准遗传算法求解这一类问题时存在的问题,提出了一种改进的小生境遗传算法。采用最优保存策略和高斯变异算子,保证算法的稳定收敛和提高算法在每个峰值附近的局部搜索能力。将该方法用于5自由度汽车悬架系统动力学参数优化设计问题,结果表明该方法在收敛速度和获得全局最优解方面部有很大提高。     

基于代理模型的液压螺栓拉伸器优化设计

液压螺栓拉伸器是用于火电、核电、风电等大型设备螺栓连接的专用工具,具有结构紧凑、操作方便等优点。活塞是液压螺栓拉伸器中承受载荷的关键部件,如何减少结构应力是设计中最为关注的问题。针对高精度仿真模型在优化过程中需要耗费大量时间成本的问题,采用三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS构建活塞的参数化模型,对其进行静力学分析;然后,构建代理模型替代高计算成本的仿真模型,对活塞应力进行优化。结果表明,在活塞体积增大2.52%情况下,最大应力降低5.61%,证明基于代理模型的优化方法对液压螺栓拉伸器优化设计具有一定的指导意义。     

基于实测数据的车轨耦合模型更新方法

提出了一种适用于车轨耦合系统的模型更新方法,其更新过程主要由两大步骤来实现:a.更新列车运行速度;b.更新扣件刚度。首先,建立了地铁列车车轨耦合系统模型,采用迭代的方法求解系统动力响应;其次,选取地铁普通整体道床轨道线路开展测试以获得现场实测数据,随后利用车轨耦合系统模型发现钢轨位移动力响应受扣件刚度影响较为明显,而受扣件阻尼影响较小。更新列车运行速度的主要目的是使激振主频更加吻合现场实测状况,在此基础上更新扣件刚度可使频域幅值更为接近。钢轨位移动力响应的频谱由列车周期荷载的一阶多次频率控制,这是由于轨道结构的多点连续支承特性所造成的。通过对比模型更新后的模拟结果与测试结果,验证了所提模型更新方法的可行性。研究结果表明,更新列车运行速度及扣件刚度是进行地铁列车与轨道耦合系统模型更新的有效方法之一。     

基于高斯过程的地铁车辆轮对磨耗建模及其镟修策略优化

根据广州地铁车辆轮对的磨耗数据,分析轮对磨耗和镟修的特点.针对踏面直径和轮缘厚度两个形面参数,基于高斯过程建立轮对磨耗的数据模型.根据地铁车辆轮对镟修要求,提出一种轮对镟修的控制限策略.在轮对磨耗模型的基础上,给出该镟修策略的蒙特卡罗仿真模型.然后利用蒙特卡罗仿真方法,以轮对期望使用寿命和期望镟修次数为指标,对不同的轮对镟修策略进行分析,从而实现轮对镟修策略的优化.结果表明:轮对轮缘厚度较大或较小时,轮缘磨损均较严重,而踏面直径的磨损速率和轮缘厚度不具有相关性;当轮缘厚度减少到27～28.5 mm时,通过镟修将轮缘厚度恢复到30 mm,这样的镟修策略能较好地延长轮对期望使用寿命,达到约13.2～15.3年.     

以MATLAB GUI为平台的代理模型优化设计工具箱

为便捷解决常见工程优化设计问题,设计出一种基于代理模型的优化设计工具箱(Surrogate-Based Design and Optimization Toolbox,SBDO Toolbox).该工具箱基于代理模型理论,借由MATLAB GUIDE功能开发,借助了MATLAB强大的数学计算分析能力,主要包含三个模块,...     

法兰定子超声电机的几何参数优化设计

为了提高旋转型行波超声电机定子端面质点的振幅值,设计了一种法兰状定子超声电机,并基于ANSYS软件建立了参数化有限元仿真模型,对其进行了动力学仿真分析.以定子端面振幅值最大为目标函数,基于Workbench对定子4个尺寸参数进行了优化设计,优化后的定子端面振幅值得到了很大的提高.此研究结果将提高法兰状定子超声电机的输出...