基于多目标优化策略的曲线钢轨非对称打磨设计

铁路曲线钢轨打磨一直是养护维修工作的重点之一,虽然钢轨的磨损不可避免,但适当打磨型面能有效减缓磨损。为了降低打磨去除量,改善轮轨接触性能,提高铁路系统的安全性和经济性,提出一种基于多目标协方差矩阵自适应优化策略(MO-CMA-ES)的曲线段打磨型面设计方法。首先,通过主成分分析方法(PCA),从钢轨磨耗型面中选取代表性的磨耗型面作为初始种群。接着,采用NURBS曲线拟合算法对这些型面进行曲线拟合,以建立参数化模型。随后,使用MOCMA-ES算法进行多目标优化,其中目标函数包括降低打磨去除量、轮重减载率和轮轴横向力。根据每个型面在不同目标函数下的适应度值,进行种群的进化与连续迭代,直到满足终止条件,即适应度函数值不再显著变化。最后,从最终的种群中选取目标适应度值最小的子代个体作为最优解。优化结果显示,优化型面降低了45.3%的打磨去除量,同时内外轨轨顶的打磨下降高度分别降低了0.84 mm和0.23 mm。静态轮轨接触方面,优化后的轮轨接触点分布更加均匀,且轨距角过渡区域的跳跃现象得到改善。动力学性能方面,优化型面降低了列车车体的横向加速度和轮轨横向力。此外,有效减小了轮对的横向位移,并微幅降低了轮轨最大接触应力。研究结果为曲线钢轨打磨提供了一种智能化的设计方法与参考。