基于BP-GA的钢轨整形切削用量优化应用研究
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摘要
铁路用钢轨材料通常为U71Mn高锰钢,硬度高,切削困难。因长期反复轮轨碾压,产生了波磨、轨面剥离、擦伤、飞边等钢轨伤损类型,这些伤损在钢轨修复成型中由于冷作硬化的缘故,钢轨切削更加困难。旧钢轨属于典型的难加工材料。
目前,高锰钢钢轨再修复成型中切削用量的选择往往依靠经验进行。依靠经验法选择的切削用量数值往往不合理,是造成刀具磨损加剧,切削效率低下的重要原因。
论文在对高锰钢材料特性分析研究的基础上,首先对影响切削的刀具材料、刀具几何角度作了论述说明,其次对高锰钢切削时的切削力和切削温度进行了分析和总结,目的是为后面章节高锰钢铣削用量优化作理论基础。最后结合正交试验原理,采用多因素正交回归试验法,依据硬质合金刀具铣削高锰钢的的试验数据建立了刀具寿命公式,并把此公式作为BP-GA优化模型中的约束条件之一。
建立了高锰钢铣削加工中切削用量优化的数学模型,通过对切削过程中影响切削结果的各个因素分析,确定目标函数和约束条件。结合神经网络和遗传算法(BP-GA)来实现对目标问题的优化,最终对优化结果进行了实验研究和验证,表明建立的优化数学模型和采用的遗传算法具有生产实用性,为高锰钢的铣削用量优化提供了应用指导。
The material of railroad rail is the U71Mn High Manganese Steel (HMS) with high hard hardness and cutting difficulty. Due to long term wheel-rail relationship, the railroad rail emerges various damage. It is very difficult to cut the used rail with strain hardening, the used rail is a typical difficult machining materials.
At present, the selection of the HMS cutting parameters usually depends on experience it does not make sense that the selection of cutting parameters is by experience. alsoit is the main cause that leads to wear and damage of the tool and low efficiency.
Based on the analytical research of HMS characteristics, firstly, we discuss that tool material and cutter geometrical angles effect on the cutting. Secondly, we analyze and summarize the cutting force and cutting temperature in the machining process. Lastly, we get the tool life empirical formula of the milling HMS by means of multi-factors orthogonal experiment design, the formula is as a constraint condition in the BP-GA optimization model
We establish the mathematical model of optimization parameter, through analyzing the each factor which affects the cutting results in the process, it has obtained that the constraint conditions and optimization function. Ultimately, We work out the practical problem by means of BP Neural Network and Genetic Algorithms(BP-GA). The mathematical model of machining the High Manganese Steel and the Genetic Algorithm in this paper is useful to production, which make the theoretical basis and application guidance for machining High Manganese Steel.
目前,高锰钢钢轨再修复成型中切削用量的选择往往依靠经验进行。依靠经验法选择的切削用量数值往往不合理,是造成刀具磨损加剧,切削效率低下的重要原因。
论文在对高锰钢材料特性分析研究的基础上,首先对影响切削的刀具材料、刀具几何角度作了论述说明,其次对高锰钢切削时的切削力和切削温度进行了分析和总结,目的是为后面章节高锰钢铣削用量优化作理论基础。最后结合正交试验原理,采用多因素正交回归试验法,依据硬质合金刀具铣削高锰钢的的试验数据建立了刀具寿命公式,并把此公式作为BP-GA优化模型中的约束条件之一。
建立了高锰钢铣削加工中切削用量优化的数学模型,通过对切削过程中影响切削结果的各个因素分析,确定目标函数和约束条件。结合神经网络和遗传算法(BP-GA)来实现对目标问题的优化,最终对优化结果进行了实验研究和验证,表明建立的优化数学模型和采用的遗传算法具有生产实用性,为高锰钢的铣削用量优化提供了应用指导。
The material of railroad rail is the U71Mn High Manganese Steel (HMS) with high hard hardness and cutting difficulty. Due to long term wheel-rail relationship, the railroad rail emerges various damage. It is very difficult to cut the used rail with strain hardening, the used rail is a typical difficult machining materials.
At present, the selection of the HMS cutting parameters usually depends on experience it does not make sense that the selection of cutting parameters is by experience. alsoit is the main cause that leads to wear and damage of the tool and low efficiency.
Based on the analytical research of HMS characteristics, firstly, we discuss that tool material and cutter geometrical angles effect on the cutting. Secondly, we analyze and summarize the cutting force and cutting temperature in the machining process. Lastly, we get the tool life empirical formula of the milling HMS by means of multi-factors orthogonal experiment design, the formula is as a constraint condition in the BP-GA optimization model
We establish the mathematical model of optimization parameter, through analyzing the each factor which affects the cutting results in the process, it has obtained that the constraint conditions and optimization function. Ultimately, We work out the practical problem by means of BP Neural Network and Genetic Algorithms(BP-GA). The mathematical model of machining the High Manganese Steel and the Genetic Algorithm in this paper is useful to production, which make the theoretical basis and application guidance for machining High Manganese Steel.
引文
[1]金学松,刘启跃.轮轨摩擦学[M].北京：中国铁道出版社,2004
[2]郭福安,张梅.客运专线钢轨打磨的思考[J].中国铁路,2008(3)
[3]周亮节.钢轨打磨型面研究[D].2010.6
[4]刘启跃,王文健,周仲荣.高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究[J].润滑与密封,2007
[5]Tuzik, Robert E. To grind or not to grind [J]. Railway Age, Mar 1996
[6]贺振中.国外钢轨打磨技术的应用与思考.中国铁路,2000(9)
[7]Zarembski. A. M. Onthebenefitsofrailmaintenancegrinding[R]. AREABulletin760.1988
[8]E.Megel, M. Roney, P.Sroba.The blending of theory and practice in modern rail grinding[J]. wear,2002(253)
[9]John Stanford, Peter Sroba, Eric Megel. Burlington Northern Santa Fe preventive gradualnding initiative. [R]. AREMA,1999(9)
[10]国际重载协会.国际重载铁路最佳应用指南.北京：中国铁道出版社,1990
[11]陈国庆.丰沙线曲线区段波磨钢轨打磨廓形优化的研究[D].成都：西南交通大学,1990
[12]刘启跃.减缓曲线钢轨侧磨的方法探讨[J].铁道建筑,1997(5)
[13]雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用[J].铁道工程学报.2000(1)
[14]刘学毅.不对称打磨技术减缓钢轨侧磨效果初探[J].中国铁路,1993(10)
[15]CHEN Peng, GAO Liang, and HAO Jianfang. Dynamics Simulation on Asymm etrical RailGrinding in Railway Curve[J]. ICTE 2007
[16]牛道安,李志强.提速线路钢轨打磨作业方案的探讨[J].铁道建筑,2006(8)
[17]张铭达.高速重载线路钢轨打磨方法优化研究[D]
[18]王文健,陈明韬,郭俊等.高速铁路钢轨打磨技术及应用[J].西南交通大学学报,2007,42(5)
[19]郭俊,刘启跃,王文健.钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究[J].铁道建 筑,2009(12)：92-94
[20]太原市金属切削刀具协会.金属切削实用刀具技术.北京：机械工业出版社,2002：273-274
[21]张增志.耐磨高锰钢.北京：冶金工业出版社,2003：335-383
[22]刘为民.高锰钢切削加工综述.机车车辆工艺,1989,4：1-2
[23]于建斌.高锰钢辙叉铣削用量优化研究[D].大连交通大学
[24]贾毅.高锰钢的铣削加工和刀具设计.工具技术,1997,12：10-12
[25]张增志.耐磨高锰钢.北京：冶金工业出版社,2003：374-378
[26]金学松,杜星,郭俊,崔大宾.钢轨打磨技术研究进展[J].西南交通大学学报.2010：2(45)：1-10
[27]谢庆生,尹健,罗延科.机械工程中的神经网络方法[M].北京：机械工业出版社,2003.
[28]韩力群.人工神经网络教程[M].北京：北京邮电大学出版社：2007
[29]蒋宗礼.人工神经网络导论[M].北京：高等教育出版社：2001.8
[30]赵雪芹.钢轨接触疲劳裂纹形成机理研究[D].成都：西南交通大学,2007
[31]刘启跃,张波,周仲荣.铁路钢轨损伤机理研究[J].中国机械工程,2002,13(18)
[32]雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用.铁道工程学报.2000,(1)
[33]周清跃,张银花,陈朝阳.高速铁路用钢轨的若干问题[J].铁道建筑技术,2004
[34]苏辉艳.减轻重载列车轮轨磨耗的研究.中国铁道,1997(6)
[35]刘启跃,金雪岩,王夏秋.塑性变形对轮轨磨耗的影响.西南交通大学学报,1999,31(5)
[36]刘启跃钢轨的安定状况研究.西南交通大学学报,1995,30(4)
[37]龚积球,谭立成,俞铁峰.轮轨磨损.北京：中国铁道出版社,1997
[38]龚积球.曲线钢轨损伤的起因及对策[J].上海铁道科技,2004(5)
[39]王珉.抗疲劳制造原理[M].南京.江苏科学技术出版社,2003
[40]Dolm.E.Furthauer.Mobile rail milling train for maximum longitudinal and transve rse profile accuracy[J].Machinery&Steel.2000
[41]约翰.克诺尔,瓦尔特.诺伊鲍尔再成形钢轨的至少一个轮轨接触面的方法及相应 设备[P],中国专利：CN 1443260A
[42]Hans-PeterBartmann, Das, Schinenenbearbeitungssystemder Zuku-nf[J]. DerEisen bahningenieur,2004 (55)
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