祁亞運(yùn),戴煥云,干 鋒,魏 來,?;⑻?/p>
(1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074;2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
CRH3型動(dòng)車組是我國(guó)高速客運(yùn)動(dòng)車組的主營(yíng)列車,然而在運(yùn)營(yíng)后隨著運(yùn)營(yíng)里程增加和列車持續(xù)高速運(yùn)行,車輪磨耗問題成為運(yùn)營(yíng)過程中的主要問題,典型的車輪磨耗如圖1所示,磨耗主要集中在踏面區(qū)域和輪緣根部區(qū)域。隨著磨耗增大,輪軌接觸關(guān)系進(jìn)一步惡化。而車輪磨耗使車輪鏇修里程縮短,高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)能耗增大,降低了高速列車運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性[1-3]。
圖1 高速動(dòng)車組車輪磨耗Fig.1 Wheel wear of high speed EMUs
輪軌接觸關(guān)系對(duì)于輪軌動(dòng)力學(xué)行為具有重要影響,主要包括車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、旅客舒適度、安全性和車輪磨耗等[4-6]。因此在踏面設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮穩(wěn)定性、安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等相關(guān)因素。隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加以及高速列車運(yùn)行的愈發(fā)密集,輪軌磨耗日益突出,造成動(dòng)車組運(yùn)行性能下降,輪軌維護(hù)成本居高不下。因此,在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)問題時(shí),需要對(duì)踏面進(jìn)行修正設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的踏面設(shè)計(jì)都是根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)去局部調(diào)整廓形,近年來,由于多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,形成了以多體動(dòng)力學(xué)為輔助的車輪踏面設(shè)計(jì)思路[7]。主要包括了型面生成,多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和型面優(yōu)化算法三部分組成。
型面生成是型面優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心,有很多學(xué)者提出了不同的車輪廓形生成方法。Shevtsov等[8]首先提出了以滾動(dòng)半徑差(rolling radii difference,RRD)為目標(biāo)產(chǎn)生新的輪廓,優(yōu)化目標(biāo)是使目標(biāo)RRD與實(shí)際RRD之間的差異最小,但是這一方法的目標(biāo)RRD曲線的生成需要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)。Cui等[9]采用了以減小輪軌法向間隙為目標(biāo),通過移動(dòng)點(diǎn)的垂向坐標(biāo)的型面生成方法。Choi等[10]采用分段三次Hermite插值多項(xiàng)式的方法來生成新的輪廓。Lin等[11]采用三次樣條曲線的方法對(duì)生成新的地鐵車輪型面,但其改變了輪緣厚度。Shen等[12]提出了在不考慮側(cè)滾角的情況下,采用實(shí)測(cè)鋼軌的接觸角曲線來反求車輪踏面廓形并將其應(yīng)用于獨(dú)立車輪型面。Polach等[13]為了提高踏面的共形接觸,減少集中磨耗,提出了一種以等效錐度為目標(biāo)踏面設(shè)計(jì)方法。干鋒等[14]采用輪徑差為目標(biāo)的反向設(shè)計(jì)方法,并以LMA和S1002為例進(jìn)行驗(yàn)證。Spangenberg等[15]將踏面分為多個(gè)區(qū)域,優(yōu)化其中的一兩個(gè)區(qū)域,然后采用平滑方法平滑整個(gè)型面。Ye等[16]采用將型面垂向伸縮的方法,有效地改變了踏面等效錐度,但輪緣高度也發(fā)生變化。以上踏面生成方法大多是需要移動(dòng)點(diǎn)、曲線擬合以及后期平滑,這都需要大量的計(jì)算,且一些型面生成后不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),難以在工程中推廣使用。本文采用了旋轉(zhuǎn)壓縮微調(diào)(rotary-scaling finetuning,RSFT)進(jìn)行型面生成,可以避免復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)。對(duì)于目前型面優(yōu)化算法中也存在著反復(fù)迭代計(jì)算的缺陷,引入代理模型(Kriging surrogate model,KSM)來建立輸入和輸出的關(guān)系,加快型面優(yōu)化的計(jì)算過程。
車輪型面生成后通常采用多體動(dòng)力學(xué)軟件(SIMPACK、Vampire、UM等)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。對(duì)于型面優(yōu)化計(jì)算,常見的算法有遺傳算法和粒子群算法。Persson等[17]采用遺傳算法進(jìn)行踏面優(yōu)化,最后得到P8車輪型面有效地減小磨耗。Novales等[18]也使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化踏面,通過相關(guān)系數(shù)將三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)目標(biāo),轉(zhuǎn)化成了單目標(biāo)優(yōu)化問題,優(yōu)化后的車輪型面在西班牙的有軌電車上裝車試驗(yàn)并減緩了車輪磨耗。Lin等采用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法進(jìn)行型面優(yōu)化設(shè)計(jì),最終,獲得了具有薄輪緣的LM踏面廓形,以增強(qiáng)曲線通過性能和減小車輪磨耗。Cui等引入了加權(quán)函數(shù)以將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題,并采用PSO算法進(jìn)行車輪型面優(yōu)化。
本文首先采用RSFT法生成車輪型面[19-20],然后建立高速動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,計(jì)算出相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件,采用KSM-PSO算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后對(duì)優(yōu)化后車輪型面的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行驗(yàn)證。
目前的車輪型面設(shè)計(jì)方法已經(jīng)詳細(xì)論述,但設(shè)計(jì)型面過于復(fù)雜不能快速生成踏面廓形。本文采用了旋轉(zhuǎn)壓縮微調(diào)法對(duì)高速動(dòng)車組車輪型面進(jìn)行優(yōu)化,引入兩個(gè)參數(shù)(α1和α2)進(jìn)行對(duì)S1002CN型面進(jìn)行調(diào)整,主要包括了旋轉(zhuǎn)、壓縮、回旋、經(jīng)驗(yàn)公式修正和橫向伸縮5個(gè)步驟,現(xiàn)給出RSFT法的具體計(jì)算過程如下所示:
在該算法中,原始車輪型面S1002CN寫為(y,z),T1和T2旋轉(zhuǎn)矩陣,θ=arctan(zmax/yθ)是旋轉(zhuǎn)角,zmax和yθ分別是A點(diǎn)的垂坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。首先采用旋轉(zhuǎn)矩陣T1將踏面旋轉(zhuǎn)為θ,得到新的曲線(y1,z1)。然后引入壓縮系數(shù)α1,z2=α1z1,對(duì)原踏面的垂向坐標(biāo)進(jìn)行壓縮,得到新的曲線(y2,z2),引入這個(gè)參數(shù)時(shí)改變等效錐度、接觸角等參數(shù),參照EN 15313標(biāo)準(zhǔn)[21],則其取值為0.95≤α1≤1.05。隨后將得到的新曲線回旋至原始坐標(biāo)系,乘以回旋矩陣T2,得到曲線(y3,z3)。 在回旋后,可以發(fā)現(xiàn)曲線外端區(qū)域(遠(yuǎn)離輪緣的區(qū)域)發(fā)生了較大變化,而這一區(qū)域直接影響著車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性和對(duì)中性能。因此,引入修正公式E x,對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部修正,修正后使車輛臨界速度能夠得到保證,得到曲線(y4,z4)。最后,引入?yún)?shù)α2對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行伸縮,但需要注意輪緣厚度和輪緣角的大小。參照標(biāo)準(zhǔn),將α2的參數(shù)變化范圍設(shè)為0.98≤α2≤1.02。 將 α1取值為0.92,α2取值為1.02,生成的新的廓形和S1002CN廓形,如圖2所示。
圖2 采用RSFT方法進(jìn)行車輪型面生成(α1=0.92,α2=1.02)Fig.2 Wheel profile generated by RSFT method(α1=0.92,α2=1.02)
為了獲得高速列車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),首先在動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK中建立了CRH3動(dòng)車組拖車車輛模型,主要包括了4個(gè)輪對(duì),4個(gè)軸箱,兩個(gè)構(gòu)架和一個(gè)車體,其中輪對(duì)、構(gòu)架和車體考慮6個(gè)自由度,軸箱考慮旋轉(zhuǎn)自由度。采用轉(zhuǎn)臂式軸箱定位裝置,懸掛系統(tǒng)包括了一系懸掛和二系懸掛,一系懸掛系統(tǒng)包括一系減振器和一系剛彈簧,二系懸掛包括了空氣彈簧和抗蛇行減振器,二系橫向減振器,同時(shí)考慮了橫止擋和抗側(cè)滾扭桿的作用,建立動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。車輪型面采用S1002CN,鋼軌型面采用CHN60廓形,輪軌法向力采用Hertz接觸算法,輪軌切向力采用FASTSIM算法。
圖3 CRH3車輛動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 CRH3 vehicle dynamic model
根據(jù)CRH3型動(dòng)車組在武廣線的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,軌距為1 435 mm,軌底坡為1∶40。對(duì)于武廣客運(yùn)專線線路情況進(jìn)行了調(diào)查分析,分析中軌道激勵(lì)采用中武廣線實(shí)測(cè)線路譜(WG譜),由于無法完全掌握該線路的所有線路分布情況,仿真分析中采用典型的運(yùn)行工況,如表1所示。
表1 武廣客運(yùn)專線典型計(jì)算工況[22]Tab.1 Typical calculated working conditions for the Wuhan—Guangzhou passenger line
設(shè)計(jì)變量:
以RSFT方法中的兩個(gè)可變參數(shù)α1和α2為設(shè)計(jì)變量。
優(yōu)化目標(biāo):
由于動(dòng)車組車輪磨耗和旅客舒適度是需要考慮的兩個(gè)重要因素,直接關(guān)系到車輛運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性和乘客的良好乘坐體驗(yàn)。本文以車輪磨耗和旅客舒適度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行車輪型面優(yōu)化。
左右車輪的踏面磨耗計(jì)算為
式中:Tγ1為左輪車輪磨耗;Tγr為右輪車輪磨耗;t1為積分開始時(shí)間;t2為積分結(jié)束時(shí)間。
式中:Fx和vx為縱向蠕滑力和縱向蠕滑率;Fy和vy分別為橫向蠕滑力和橫向蠕滑率;Mφ和φ分別為自旋蠕滑力矩和自旋蠕滑率。
舒適性指標(biāo)是反映旅客疲勞程度的一個(gè)指標(biāo)
式中:NF,NM和NR分別為車體前端、中部、后部和旅客舒適度;N為整車舒適度。
式中:a為加速度均方根值;wb和wd為根據(jù)權(quán)重曲線的取值。
約束條件:
(1)輪軌橫向力
橫向力的限值為
式中,P0為靜態(tài)的軸重。
(2)輪軌垂向力
輪軌垂向力限值要求
式中,Q0為一個(gè)車輪上的靜載荷。
(3)脫軌系數(shù)
脫軌系數(shù)采用Nadal準(zhǔn)則計(jì)算,其限值是0.8。
式中:α為輪緣角;μ為輪軌之間的摩擦因數(shù)。
(4)傾覆系數(shù)
輪軌間的橫向力過大時(shí)容易形成傾覆,其計(jì)算方法為
式中,QiA和QiB分別為左右側(cè)的輪軌法向力之和。
3.2.1 KSM模型
KSM模型是以結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)為基礎(chǔ),采用加權(quán)平均的方法對(duì)于待估點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中權(quán)值的選擇標(biāo)準(zhǔn)是使估計(jì)方差最小。采用代理模型可以有效在約束條件的作用下,建立起設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系。
則寫出估計(jì)值與響應(yīng)值得關(guān)系式為
待擬合函數(shù)響應(yīng)值和估計(jì)值關(guān)系為
式中,z(X)為隨機(jī)過程函數(shù)。
當(dāng)相關(guān)函數(shù)設(shè)定后,待擬合函數(shù)
式中:Y為樣本響應(yīng)量矩陣;fk為列向量;Rk為樣本點(diǎn)的相關(guān)矩陣。
3.2.2 PSO算法
PSO算法是首先需要初始化為一群隨機(jī)粒子,然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次的迭代中,粒子通過跟蹤兩個(gè)“極值”(pbest,gbest)來更新自己。在找到這兩個(gè)最優(yōu)值后,粒子通過下面的公式來更新自己的速度和位置,其計(jì)算流程如圖4所示。
圖4 PSO算法流程圖Fig.4 PSO algorithm flow diagram
首先采用超拉丁采用對(duì)兩個(gè)設(shè)計(jì)變量參數(shù)α1和α2進(jìn)行選取,總共選取40個(gè)隨機(jī)參數(shù)如圖5所示。采用RSFT方法通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值生成40個(gè)踏面,然后采用建立的動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型得到不同踏面對(duì)應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的值,即得到不同的優(yōu)化目標(biāo)(w,N)和約束條件(Y,Q,fd,η)。 然后利用KSM-PSO算法優(yōu)化出最優(yōu)車輪型面,具體流程圖如圖6所示。
圖5 超拉丁采樣參數(shù)選取Fig.5 Super Latin sampling parameter selection
圖6 優(yōu)化過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of optimization process
最后通過KSM-PSO算法進(jìn)行優(yōu)化,通過KSM代理模型建立設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)、約束條件之間的關(guān)系。再利用PSO算法求解出100個(gè)Pareto最優(yōu)解,如圖7所示。為了使踏面磨耗和舒適度同時(shí)最優(yōu),選擇最優(yōu)解(0.314,1.622)。 對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量 α1和 α2對(duì)應(yīng)的值為(1.015,1.012),對(duì)應(yīng)的采用RSFT方法設(shè)計(jì)出最優(yōu)解型面S1002CNopt,如圖8所示。新踏面和原始踏面相比輪緣高度不變,只是在輪緣根部區(qū)域和輪緣區(qū)域略有不同。接下來主要通過仿真驗(yàn)證優(yōu)化踏面的動(dòng)力學(xué)特性和磨耗性能。
圖7 KSM-PSO算法優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Optimization results of KSM-PSO algorithm
圖8 優(yōu)化前后廓形Fig.8 Wheel profiles before and after optimisation
通過計(jì)算不同橫移量下的輪軌接觸點(diǎn)的分布可以有效看出是否發(fā)生輪軌接觸點(diǎn)集中現(xiàn)象,輪軌接觸點(diǎn)集中容易誘發(fā)踏面凹形磨耗和局部應(yīng)力過大,進(jìn)一步造成輪軌接觸疲勞。因此,分別計(jì)算了原始S1002CN踏面和優(yōu)化后的S1002CNopt踏面的輪軌接觸點(diǎn)分布,如圖9所示,可以看出,優(yōu)化后踏面輪軌接觸點(diǎn)分布更加均勻。進(jìn)一步對(duì)比優(yōu)化前后踏面的等效錐度,如圖10所示,可以看出優(yōu)化后踏面等效錐度整體減小,錐度突變點(diǎn)增大,原S1002CN踏面當(dāng)橫移量大于7.4 mm時(shí)突變,而新踏面在接觸點(diǎn)大于8 mm時(shí)突變。當(dāng)錐度較小時(shí),兩個(gè)踏面等效錐度比較接近。S1002CN踏面3 mm時(shí)等效錐度為0.175,優(yōu)化后踏面等效錐度為0.15。圖11中給出了優(yōu)化前后踏面不同輪對(duì)橫移量下的輪軌最大接觸應(yīng)力和接觸斑面積??梢钥闯鰞?yōu)化后踏面在不同橫移量下的最大接觸應(yīng)力減小,接觸斑面積進(jìn)一步增大。
圖9 輪軌接觸點(diǎn)分布Fig.9 Distribution of wheel rail contact points
圖10 不同橫移量下的等效錐度Fig.10 Equivalent conicity of different lateral displacement
圖11 最大接觸應(yīng)力和接觸斑面積Fig.11 Maximum contact stress and contact patcharea
穩(wěn)定性是衡量車輛運(yùn)行性能的首要因素,也是重要的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)之一。采用降速法計(jì)算車輛的非線性臨界速度。首先給整車一個(gè)較大的初始運(yùn)行速度,使車輛發(fā)生橫向蛇行失穩(wěn),失穩(wěn)后,施加縱向作用力使車輛降速,當(dāng)運(yùn)動(dòng)收斂后,橫移量為0時(shí)的速度定義為非線性臨界速度。通過以上方法計(jì)算得到如圖12所示,S1002CN踏面的臨界速度為525 km/h,優(yōu)化后踏面S1002CNopt的臨界速度為560 km/h。優(yōu)化后臨界速度進(jìn)一步提高,我國(guó)高速動(dòng)車組最高運(yùn)營(yíng)速度在350 km/h,滿足運(yùn)營(yíng)要求。
圖12 非線性臨界速度Fig.12 Nonlinear critical speed
平穩(wěn)性是車輛運(yùn)行過程中重要指標(biāo),對(duì)于旅客舒適度具有重要影響?,F(xiàn)分別計(jì)算了S1002CN和S1002CNopt車輪踏面與60鋼軌廓形和60D鋼軌廓形接觸時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo),其中兩種軌面廓形如圖13所示,60D鋼軌廓形為過度打磨時(shí)的廓形。主要計(jì)算了直線工況和曲線工況。采用WG50軌道譜,曲線設(shè)置為:直線510 m,緩和曲線400 m,曲線半徑5 000 m,曲線長(zhǎng)1 500 m,超高0.175 m。
圖13 60鋼軌和60D鋼軌廓形Fig.13 Profile of 60 rail and 60D rail
圖14和圖15給出了直線段和曲線段的橫向和平穩(wěn)性指標(biāo),可以看出,在直線段下,S1002CNopt踏面與60鋼軌廓形和60D鋼軌廓形匹配時(shí)橫向平穩(wěn)性均有所降低,優(yōu)化后踏面與60D鋼軌匹配時(shí)效果顯著,最大降低0.56,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)具有相似的規(guī)律。在曲線上時(shí),兩種踏面與60鋼軌廓形接觸時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)相差較小,與60D鋼軌廓形接觸時(shí),優(yōu)化后踏面降低了橫向平穩(wěn)性指標(biāo),在高速運(yùn)行時(shí)效果顯著,而垂向平穩(wěn)性規(guī)律相似。
圖14 直線平穩(wěn)性標(biāo)Fig.14 Ride index of straight track
圖15 曲線平穩(wěn)性標(biāo)Fig.15 Ride index of curved track
磨耗計(jì)算時(shí)采用USFD模型計(jì)算,該模型基于R8T(車輪)和UIC60 900A(鋼軌)兩種輪軌材料通過實(shí)驗(yàn)所得,其模型的磨耗功可以表示為
式中:A為接觸斑面積,m2;KUSFD為磨耗系數(shù);WUSFD為磨耗功。
KUSFD與Tγ/A的關(guān)系可以表示為輕微磨耗
嚴(yán)重磨耗
毀壞性磨耗
通過Fastrip計(jì)算剪切應(yīng)力后,利用USFD模型可計(jì)算出接觸斑每個(gè)網(wǎng)格上的磨耗功WUSFD。則磨耗體積 δp(t)(x,y)可以通過式(19)計(jì)算
式中:ρ為材料密度,ρ=7 850 kg/m3;Δx為網(wǎng)格縱向?qū)挾取?/p>
采用USFD磨耗模型對(duì)于兩個(gè)踏面廓形進(jìn)行磨耗預(yù)測(cè)仿真,磨耗計(jì)算過程中按照運(yùn)營(yíng)里程更新車輪踏面,每運(yùn)行1萬km更新一次踏面廓形。當(dāng)運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到16萬km時(shí),S1002CN型面和S1002Cnopt型面的磨耗深度,如圖16所示。從圖中可以看出,原始車輪型面磨耗深度為0.838 mm。優(yōu)化后的S1002CNopt車輪型面最大磨耗深度為0.726 mm。因此,型面優(yōu)化后可以有效減小車輪磨耗13.4%。
圖16 車輪磨耗預(yù)測(cè)Fig.16 Wheel wear prediction
車輪型面設(shè)計(jì)主要包括了型面生成、動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算和型面優(yōu)化三部分組成,本文通過采用以上步驟進(jìn)行車輪型面優(yōu)化,主要得到以下結(jié)論:
(1)本文采用旋轉(zhuǎn)壓縮微調(diào)法進(jìn)行高速動(dòng)車組型面生成,引入兩個(gè)變量參數(shù)。該方法提高了踏面生成的效率,使車輪型面的工程適用性進(jìn)一步增強(qiáng)。
(2)KSM-PSO算法用來優(yōu)化出能夠同時(shí)減少踏面磨耗和提高舒適度的型面S1002CNopt,優(yōu)化后輪軌接觸點(diǎn)分布更加均勻,輪軌接觸班面積增大,輪軌最大接觸應(yīng)力減小。穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,臨界速度增大35 km/h,直線和曲線的橫向平穩(wěn)性進(jìn)一步提高。當(dāng)與60D鋼軌型面匹配時(shí)其效果更加顯著。
(3)利用USFD方法計(jì)算了運(yùn)行15萬km的磨耗深度,優(yōu)化后的車輪型面S1002CNopt磨耗深度較S1002CN減小13.4%。該優(yōu)化踏面其磨耗范圍并未有效增大,實(shí)際運(yùn)營(yíng)中仍有可能產(chǎn)生磨耗集中的現(xiàn)象。下一步將考慮運(yùn)營(yíng)過程中踏面磨耗對(duì)于踏面設(shè)計(jì)的影響,以及進(jìn)一步提高輪軌共形接觸來進(jìn)行車輪型面設(shè)計(jì)。