一种基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法与流程

1.本发明属于钢轨打磨技术领域，涉及一种基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法。


背景技术：

2.随着经济社会的不断发展，我国铁路网规模不断扩大完善，铁路运营也在朝着“高速化、大运量”方向快速发展，这对铁路养护维修提出了更高的要求。钢轨作为轨道结构的核心重要部件，承受和传递列车施加的复杂多变荷载，并为列车提供导向作用。随着上道时间的增加，钢轨服役状态逐渐劣化，将导致钢轨廓形状态不良，进而诱发病害的产生和恶化。钢轨廓形和病害如果不能得到及时有效的治理，可引起抖车晃车，严重时将危及行车安全，并花费高昂的养护维修费用。
3.钢轨廓形打磨是修复钢轨廓形，治理服役状态下钢轨病害的有效手段，能够从根源上控制病害的产生和发展，延长钢轨使用寿命。目前，国内外普遍采用大型打磨列车和小型打磨设备进行钢轨打磨作业，打磨前均需要进行方案设计。打磨方案是指导现场打磨作业的重要依据，如果打磨方案设计不合理，将直接影响打磨质量，打磨效果难以保障。


技术实现要素：

4.针对以上问题，为对现场打磨作业形成有效指导，保证打磨质量，本发明提出了一种基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法，可根据钢轨实测廓形、目标廓形和个性化模式库，采用一定的数学算法，能够便捷高效的设计钢轨廓形打磨方案，并预测打磨后的钢轨廓形。
5.本发明提出了一种基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法，通过下述步骤实现：
6.步骤1：按磨削量最小原则将钢轨测量廓形与打磨目标廓形对齐。
7.步骤2：根据打磨车打磨模式要求，编制个性化打磨模式库，或直接采用打磨车内置的模式库。
8.步骤3：根据打磨前钢轨测量廓形、目标廓形，计算打磨前钢轨形等效偏差指数。
9.步骤4：在打磨前钢轨廓形基础上分别计算各模式打磨后的钢轨廓形、等效偏差指数和最大负偏差。
10.步骤5：根据每遍打磨后钢轨等效偏差指数逐步降低和最大负偏差值不超过允许值的约束条件，初步筛选出满足要求的打磨模式。
11.步骤6：根据等效偏差指数最低原则确定最优打磨模式，并获取每遍打磨模式编号。
12.步骤7：根据步骤6确定的最优打磨模式，确定每遍打磨后的钢轨廓形及等效偏差指数。
13.步骤8：依次循环执行前述步骤3～7，计算各遍打磨模式及打磨后钢轨廓形，并记
录需要打磨的遍数。
14.步骤9：确定打磨方案及并获得每遍打磨后的钢轨预测廓形。
15.本发明的优点在于：
16.1、打磨方案设计效率高，计算速度快。本发明创新性提出钢轨廓形等效偏差指数计算方法，并将其作为钢轨廓形打磨评价指标，计算方法简便，且能有效表征钢轨廓形打磨的必要程度。同时，还设置了合理的模式初步筛选约束条件和打磨计算终止条件，避免了过度计算。
17.2、能够准确预测打磨后的钢轨廓形，有效指导打磨作业。本发明在确定每遍打磨模式的同时，能够计算每遍打磨后的钢轨廓形，有助于强化打磨作业的过程预测和控制，可为打磨作业现场实施和方案优化提供参考。
18.3、支持编制个性化模式库，提高打磨模式质量。本发明可根据打磨车性能、作业质量要求、线路状态等因素编制个性化的模式库，能够有效确保打磨模式角度过渡合理、角度分部适当，从而保证打磨模式质量，同时可满足不同打磨车和打磨装备的差异化需求。
19.4、适用范围大，应用前景广。本发明能够适用于当前国内外绝大部分打磨车及打磨设备，可为其提供高效打磨方案。同时，该发明还可应用于车载打磨方案设计系统，实现打磨方案的实时设计和同步打磨作业，有效提升打磨车和打磨设备的智能化、自动化、数字化程度，具有广阔的应用前景。
20.5、便于程序化计算，容易实现大批量打磨方案设计。本发明给出了程序化计算流程，便于编程实现，可快速完成对大批量钢轨廓形打磨方案的设计工作，进而简化打磨方案设计方法，降低打磨方案设计难度。
21.6、可实现廓形打磨，提升钢轨打磨质量。本发明以打磨目标廓形为指引，每遍打磨均能使钢轨廓形逐步向目标廓形贴合，通过合理的模式库配置和终止条件选择，能快速实现钢轨廓形与设计廓形吻合，提升钢轨打磨效果。
附图说明
22.图1为本发明基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法总体流程图。
23.图2为钢轨测量廓形与目标廓形对齐示意图。
24.图3为个性化打磨模式库示意图。
25.图4为各遍打磨模式计算流程图。
26.图5为钢轨廓形等效偏差指数计算区域划分示意图。
27.图6钢轨打磨后预测廓形与打磨前对比示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步说明。
29.本发明基于个性化模式库的钢轨廓形打磨方案设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
30.步骤1：钢轨测量廓形与设计目标廓形对齐。
31.根据线路条件、钢轨状态、病害情况、打磨需求等因素，按磨削量最小原则将钢轨实测廓形与打磨目标对齐，为后续计算确定钢轨需要打磨的位置和打磨量，廓形对齐后的
示例如图2所示。由图2可以看出，测量廓形轨顶两侧明显高于目标廓形，因此需要对轨顶两侧进行打磨处理，以使测量廓形与设计廓形吻合。
32.步骤2：编制个性化打磨模式库。
33.根据打磨车打磨模式要求，编制个性化打磨模式库，也可直接采用打磨车内置的模式库，模式库示例如图3所示。通常，每个打磨模式包含各磨头打磨角度/位置、各磨头打磨功率/压力/电流、打磨车作业速度等参数。模式库中的打磨模式类型应尽量丰富，以满足对钢轨不同位置打磨的需要。
34.步骤3：计算打磨前钢轨廓形等效偏差指数。
35.如图4所示，根据第i遍打磨前钢轨实测廓形rc
i-1
和目标廓形rt，计算第i遍打磨前钢轨廓形等效偏差指数red
i-1
。在进行钢轨廓形等效偏差指数计算时，首先将轨顶主要轮轨接触区域沿钢轨廓形横坐标方向划分为x个小区域，如图5所示，每个区域的权重系数取gu(其中，u＝1、2、3、
…
、x)；然后，将每个小区域按等弧长(弧长可根据计算精度需要选择)进行离散，各小区域内离散点数为yu(其中，u＝1、2、 3、
…
、x)，则第u个小区间内每个离散点处的法向偏差为d
uw
(其中，u＝1、2、3、
…
、 x；w＝1、2、3、
…
、yu)。由此等效偏差指数red为：
[0036][0037]
等效偏差指数越接近0，表明测量廓形与目标廓形越贴合。
[0038]
步骤4：计算各模式打磨后对应的钢轨廓形、等效偏差指数和最大负偏差
[0039]
(1)假定个性化模式库中共有n种打磨模式，根据金属切削理论分别在打磨前钢轨实测廓形rc
i-1
基础上分别计算采用各打磨模式进行第i遍打磨后的钢轨廓形rc
ij (其中，j表示模式库中第j种打磨模式，j＝1、2、3、
…
、n)。例如采用等面积磨削假定进行计算时，单个磨头的磨削面积s为：
[0040][0041]
其中，p磨头电机功率；h为钢轨硬度；v为打磨行进速度；q为速度指数；t为经验调整系数。根据单个磨头的磨削面积s和各模式中磨头角度布置，即可模拟计算出打磨后的钢轨廓形。
[0042]
(2)根据第i遍打磨后的钢轨廓形rc
ij
和目标廓形rt，按式(1)计算采用各打磨模式打磨后的钢轨廓形等效偏差指数red
ij
和最大负偏差mnd
ij
。所谓最大负偏差即为打磨后钢轨廓形在轨顶轮轨主要接触区域内低于目标廓形(测量廓形低于目标廓形) 的最大法向偏差值。若打磨后钢轨廓形在轨顶轮轨主要接触区域内低于目标廓形，则最大负偏差mnd
ij
为正；若打磨后钢轨廓形在轨顶轮轨主要接触区域内高于目标廓形，则最大负偏差mnd
ij
为负。
[0043]
步骤5：初步筛选出满足约束条件的打磨模式
[0044]
为使打磨后钢轨廓形逐步与目标廓形贴合，需要满足每遍打磨后钢轨等效偏差指数逐步降低。为避免出现过度打磨的现象，同时应满足最大负偏差值mnd
ij
不超过允许值mnd
l
。为满足以上约束条件，根据式(3)初步筛选出满足条件的打磨模式。
[0045][0046]
如果存在满足式(3)的打磨模式，则继续进行后续计算；如果不存在满足式(3)的打磨模式，表明不需要进行第i遍打磨，则计算终止，此时也可通过在模式库中增加对应打磨模式使其满足式(3)约束条件，以使其继续进行打磨计算，进一步增加测量廓形与目标廓形的贴合度。图4中k为满足初步筛选条件的打磨模式个数，同时图4 中对约束条件部分进行公式化表示。
[0047]
步骤6：获取每遍最优打磨模式并确定模式编号
[0048]
在前述步骤5初步筛选满足约束条件的打磨模式中，将等效偏差指数red
ij
最低值所对应的打磨模式确定为最优打磨模式，并将其作为第i遍打磨模式。记录此步骤确定的第i遍打磨模式编号为ni。
[0049]
步骤7：确定每遍打磨后的钢轨廓形及等效偏差指数
[0050]
结合前述步骤4的计算结果和步骤6确定的模式编号ni，根据金属切削理论(如等面积磨削假定)计算得到第i遍打磨后的钢轨廓形rci，按式(1)计算效偏差指数 redi。
[0051]
步骤8：计算各遍打磨所采用的最优打磨模式及打磨后钢轨廓形
[0052]
根据钢轨测量廓形、目标廓形和个性化打磨模式库，依次循环执行前述步骤3～7，直到打磨后的钢轨廓形等效偏差指数redi小于允许值red
l
时计算终止，并记录需要打磨的遍数为k。打磨计算终止条件如式(4)所示。
[0053]
redi＜red
l
ꢀꢀꢀ
(4)
[0054]
步骤9：确定打磨方案及预测廓形
[0055]
根据前述步骤7和步骤8计算结果，综合每遍打磨模式和廓形数据，即可确定钢轨打磨方案，并获得每遍打磨后的钢轨预测廓形，打磨方案示例如表1所示。表1中， k为前述计算确定的打磨遍数。打磨后钢轨廓形与打磨前对比示意如图6所示。
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表1钢轨打磨方案及预测廓形示例
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