(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210798026.X (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 国家高速列车青岛技 术创新中心 地址 266000 山东省青岛市城阳区锦宏西 路188号 (72)发明人 展旭和　郭欣茹　金潇　刘林　 黄珊　张涛　凌亮　王开云　 (74)专利代理 机构 成都为知盾专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 51267 专利代理师 李汉强 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于非赫兹轮轨滚动接触理论的车轮 磨耗预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于非赫兹轮轨滚动接 触理论的车轮磨耗预测方法， 其步骤包括： 基于 建立的动力学模 型进行仿真计算； 根据动力学模 型所输出的动态响应计算轮轨空间接触几何参 数； 确定接触斑边界， 求解接触斑形状和接触斑 内法向应力分布并据此划分接触斑内黏着区和 滑动区， 求解切向应力分布和局部相对滑行速度 分布； 利用USFD磨耗模型计算车轮磨耗； 循环计 算并输出最终的车轮纵向磨耗情况， 该方法考虑 了车轮摇头角对轮轨接触和车轮磨耗的影响， 可 应用于接触斑内部轮轨接触应力和磨耗分布的 精确分析， 能对湿润、 油污等复杂接触条件下的 车轮磨耗问题进行计算分析， 进而对防滑控制策 略以及轮缘润滑、 轨距角润滑 等轮轨摩擦控制策 略进行优化设计 。 权利要求书4页 说明书13页 附图5页 CN 115310217 A 2022.11.08 CN 115310217 A 1.一种基于非赫兹轮轨滚动接触理论的车轮磨耗预测方法， 其特 征在于， 其 步骤包括： S1， 基于建立的车辆系统动力学模型和轨道系统动力学模型进行仿真计算， 实时输出 车轮横移量、 侧滚角、 摇头角和钢轨沿纵向、 横向、 垂向位移和侧滚角， 以及轮轨纵向、 横向、 垂向的相对运动速度和相对运动角速度； S2， 根据动力学模型所输出的动态响应计算轮轨空间接触几何参数， 包括考虑轮对摇 头角时的车轮和钢轨型面在绝对坐标系中的坐标、 轮轨接触点位置坐标、 接触点位置处的 轮轨法向间隙、 接触点车轮滚动圆半径和钢轨曲率； S3， 根据S2中计算得到的轮轨空间接触几何参数确定接触斑边界， 求解接触斑形状和 接触斑内法向应力分布； S4， 根据接触斑形状和接触斑 内法向应力分布， 划分接触斑 内黏着区和滑动区， 求解切 向应力分布和 局部相对滑行速度分布； S5， 基于上述计算所 得轮轨应力和 局部滑动分布， 利用USFD 磨耗模型计算车轮磨耗； S6， 在S5计算完成后， 将当前迭代计算获取的车轮磨耗分布沿横向叠加得到车轮纵向 磨耗， 并对下一步迭代计算的车轮周向磨耗进行更新， 并在车轮更新前对当前迭代计算获 取的车轮磨耗进行平 滑， 随后重复S1～S6步骤； S7， 当车辆动力学模型运行路程达到预先设定长度时， 结束循环计算并输出最终的车 轮纵向磨耗情况。 2.根据权利要求1所述的一种基于非赫兹轮轨滚动接触理论的车轮磨耗预测方法， 其 特征在于， S2中， 轮轨法向间隙通过 下式求解： 式中， δw为轮轨接触角， φw为轮对的侧滚角， 和 分别为绝对坐标系中 车轮型面和钢轨型面的垂向坐标。 3.根据权利要求1所述的一种基于非赫兹轮轨滚动接触理论的车轮磨耗预测方法， 其 特征在于， S 3根据S2中计算得到的轮轨空间接触几何参数确定接触斑边界以得到接触斑形 状， 然后求 解接触斑内法向应力分布及轮轨法向力， 具体如下： S3.1， 基于虚拟渗透理论， 通过S2得到的接触点位置处的轮轨法向间隙求解得到接触 斑的左右两侧边界y(l,r)； S3.2， 通过S2得到的考虑轮对摇头角时的车轮和钢轨型面坐标、 轮轨接触点位置坐标 计算得到 接触斑前沿和后沿坐标xl(y)和xr(y)； S3.3， 基于S3.1和3.2所得接触斑形状， 计算非赫兹轮轨法向接触应力分布及轮轨法向 力。 4.根据权利要求3所述的一种基于迭代解调时变滤波的自适应瞬时频率估计方法， 其 特征在于， S 3.2所述的 “通过S2得到的考虑轮对摇头角时的车轮和钢轨型面坐标、 轮轨接触 点位置坐标计算得到 接触斑前沿和后沿坐标xl(y)和xr(y)”具体如下： S3.2.1， 考虑摇头角对接触斑的影响， 假设接触斑前沿和后沿关于接触斑主轴线对称， 求解接触斑主轴线纵向坐标， 表达式如下： 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115310217 A 2式中yc为轮轨接触原点的横坐标， 和 分别为绝对坐标系中车轮型面和 轮轨接触点yc的纵向坐标； S3.2.2， 计算接触 斑前沿和后沿坐标xl(y)和xr(y)， 表达式为： 其中 为接触斑主轴线的纵向坐标， a(y)为接触斑前沿或后沿到接触主轴线的距 离， 由接触 斑的左右两侧边界等 参数决定 。 5.根据权利要求3所述的一种基于迭代解调时变滤波的自适应瞬时频率估计方法， 其 特征在于， S3.3所述的 “基于S3.1和3.2所得接触斑形状， 计算非赫兹轮轨法向接触应力分 布及轮轨法向力 ”具体如下： S3.3.1， 首 先求解接触斑主轴线位置处的法向应力： 式中， E和 ν分别为轮轨材料的杨氏模量和泊松比， δwr为轮轨法向刚性压缩量， yl和yr分 别为接触 斑左侧和右侧边界； S3.3.2， 然后求 解接触斑内的法向接触 应力分布： S3.3.3， 通过对接触 斑内的法向接触 应力分布进行积分， 求 解得到轮轨法向力。 6.根据权利要求1或3所述的一种基于非赫兹轮轨滚动接触理论的车轮磨耗预测方法， 其特征在于， 在S4中， 根据S3所计算的接触斑形状和接触斑内法向应力分布划分接触斑内 黏着区和滑动区， 并求 解切向应力分布和 局部相对滑行速度分布， 具体如下： S4.1， 在确定接触斑形状和法向应力分布后， 接触斑内的黏着区和滑动区范围根据下 式划分： 其中有： 其中符号 η(y)、 ψ(y)和 ξ(y)代 表无量纲的轮轨纵向、 横向和自旋蠕滑率；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115310217 A 3