CN108589449B - 一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，步骤为：1、测量不同梯度半径曲线和直线的钢轨廓形；2、采集不同类型车辆对应车轮廓形；3、建立钢轨打磨目标廓形库；4、建立实参数轮轨耦合模型；5、计算不同车辆模型中实测车轮廓形和目标廓形库中钢轨廓形的非动态轮轨接触关系，对于与不同实测车轮廓形匹配时参数超限率高的钢轨廓形进行舍弃；6、将得到的钢轨廓形与不同车轮廓形在通过设定半径时的车辆‑轨道耦合动力学性能进行分析仿真，以轮轨接触动力学指标为判断依据，进行筛选；7、基于打磨量最小化的目标廓形比选。本发明方法考虑了实际线路、钢轨、车辆、车轮情况，得到的结果有较好的针对性，可实现钢轨打磨的个性化目标控制。

Description

一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法

技术领域

本发明属于铁路线路工程技术领域，是一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法。

背景技术

钢轨打磨是指通过打磨车等工具，去除钢轨表面的部分金属，消除钢轨表面病害，修正轨头形状，达到消除和减缓钢轨病害的产生和发展，改善轮轨接触关系的目的，从而有效延长钢轨使用寿命。

钢轨打磨技术起源于20世纪50年代，经过60多年的发展已经成为高速和重载铁路一项重要的钢轨修理技术。我国铁路于20世纪80年代引进钢轨打磨技术，目前大部分铁路局已配备了48磨头和96磨头的大型钢轨打磨车，钢轨打磨逐渐成为我国铁路一项基本的钢轨维护技术。

目前常用的打磨目标廓形的取得方法主要分为三种：

方法一：通过经验大致确定打磨方法，不对打磨目标廓形进行具体约束。此方法以解决钢轨现有问题为主要目标，由于不对目标廓形进行控制，所以无法达到控制或改善轮轨接触关系的目的，实施结果往往不太理想；

方法二：通过打磨将钢轨廓形恢复至新轨廓形，新轨廓形主要为60/60N(或75/75N)，由于新轨廓形和新车轮廓形匹配关系较好而跟磨耗后的车轮廓形匹配时存在较多问题，而此方法由于打磨后将所有钢轨廓形均恢复至新出厂钢轨廓形，不区分曲线半径，曲线上下股和直线等类别，也未考虑磨耗后车轮廓形和实际运行车辆类型和状态，因此往往会出现曲线线路打磨后钢轨病害发展速率未得到缓解甚至加速了病害的产生和发展，钢轨磨耗未得到有效控制等问题，无法满足不同类型线路和磨耗后车轮的廓形。

方法三：采用固定打磨模板或某确定的廓形作为打磨目标廓形。此方法对固定线路类型和固定车型有较好的轮轨接触关系的改善，但存在的问题与方法二相似，由于未考虑到不同线路类型，运行车辆类型和磨耗后的车轮廓形状态，因此依次打磨后效果也不甚理想。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，根据铁路线路及运行车辆实际情况，通过轮轨作用关系分析，结合钢轨病害情况设计出适合对应线路的最优钢轨打磨目标廓形。

本发明个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，通过下述步骤实现：

步骤1：确定需要打磨作业的铁路线路钢轨及线路参数，同时将线路的曲线部分按照半径梯度进行分类整理，测量不同梯度半径曲线和直线部分的钢轨廓形，并确定所采集不同半径梯度曲线和直线钢轨主要病害形式和严重程度。

步骤2：对从需要打磨作业的区段全部运行车辆中选取占比重最大的n种车辆作为区段日常运行车辆，n〉1；确定日常运行车辆信息，并得到日常运行车辆的数量比；按上述选取的主要运行车辆的数量比，测量主要运行车辆的车轮廓形。

步骤3：建立钢轨打磨目标廓形库。

步骤4：建立需要打磨区段的主要运行车辆的实参数车辆-轨道耦合动力学模型。

步骤5：采用步骤4中建立的实参数轮轨耦合动力学模型，计算不同车辆模型中实测车轮廓形和目标廓形库中钢轨廓形的非动态轮轨接触关系，对于与不同实测车轮廓形匹配时参数超限率超过5％的钢轨廓形进行舍弃，最后以优选的方式保留满足条件的钢轨廓形进行步骤6；当所有钢轨廓形计算结果均不满足5％时，按照优选的方式选择各参数超限率最低的5％钢轨廓形进行步骤6；所述参数为轮轨接触角、轮轨廓形共形接触情况、轮轨等效锥度和轮径差、轮轨接触斑面积和接触应力指数。

步骤6：采用步骤4中建立的实参数轮轨耦合模型，对步骤5得到的钢轨廓形与不同车轮廓形在通过设定半径时的车辆-轨道耦合动力学性能进行分析仿真，仿真时以轮轨接触动力学指标为主要评判依据，将各动力学指标与相关设计规范进行比对，去除通过指仿真得到的超出规范要求的钢轨廓形，将剩余钢轨廓形作为确定为最终钢轨打磨目标廓形的备选廓形，并确定备选廓形的各动力学指标优劣的排序。

步骤7：基于打磨量最小化的目标廓形比选。

通过计算确定步骤1中得到的与步骤6中设定半径一致的钢轨廓形，与步骤6中得到的备选廓形的偏差值，并确定偏差值从小到大的排序；选出备选廓形中动力学排序和偏差值排序之和最小的廓形作为该设定半径曲线的最终的设计结果。

本发明的优点在于：

1、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，与现有打磨廓形获取方法相比，本发明方法考虑了实际线路、钢轨、车辆、车轮情况，通过轮轨动力学反正分析并校验得到，所以结果有较好的针对性，可实现钢轨打磨的个性化目标控制；

2、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，在打磨廓形设计过程中针对线路上运行的不同车辆类型建立不同的仿真模型，设计结果能够满足线路上运行的各类车辆；

3、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，针对不同半径曲线，设计不同的打磨目标廓形，使得钢轨打磨更加精细化，能够有效改善各类曲线轮轨关系的改善；

4、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，设计过程充分考虑了不同磨耗状态下的车轮廓形，设计出的钢轨打磨目标廓形能够与不同磨耗状体的车轮存在较好的轮轨匹配关系，从而有效提高轮轨动力学性能；

5、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，动力学仿真计算过程分为轮轨作用关系初步分析和车辆-轨道耦合动力学性能分析两个过程，可保证设计结果的合理性；

6、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，静态作用仿真分析过程以轮轨接触角、轮轨廓形共形接触情况、轮轨等效锥度和轮径差、轮轨接触斑面积和接触应力指数等作为结果比选参数和目标能够保证比选结果对铁路轮轨作用的适用性；

7、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，轮轨作用关系初步分析以5％作为结果比选条件限制，可保证比选得到的结果能与95％以上的车轮廓形有较好的匹配关系；

8、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，车辆-轨道耦合动力学性能分析以脱轨系数、轮轨横向力、轮轨轮缘磨耗指数、车轮踏面磨耗功、轮对冲角、轮轨蠕滑力、轮轨蠕滑率、轮轨总滚动摩擦阻力、前转向架转向力矩、后转向架转向力矩、轮轨接触应力等作为主要指标和比选依据，能够保证所设计结果有较好的动力学性能；

9、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，廓形在最后设计与校核阶段与现场钢轨实际廓形做对比，在保证轮轨接触关系和动力学性能的基础上以打磨量最小化为原则得到，可有效减小钢轨认为损失量并节约打磨资源；

10、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，车辆-轨道耦合动力学模型的建立，轮轨作用关系初步分析和车辆-轨道耦合动力学性能分析过程可以采用各类能够达到目标的动力学仿真分析软件或自制软件完成，使得设计方法有较好的通用性；

11、本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，通过现场实际试验和观测，本发明方法得到的廓形采用后能够有效改减小钢轨磨耗，控制钢轨病害的产生和发展，具有推广意义和经济社会效益。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本发明一种个性化铁路钢轨打磨廓形设计方法，具体通过下述步骤实现：

步骤1：确定需要打磨作业的铁路线路钢轨及线路参数，包括曲线半径、超高、坡度、圆曲线长、缓和曲线长、车辆运行实际速度等。同时将线路的曲线部分按照100～200的半径梯度进行分类整理。根据分类情况对需要打磨作业的区段钢轨基本情况进行测量，测量不同梯度半径曲线和直线部分的钢轨廓形，并确定所采集不同半径梯度曲线和直线钢轨主要病害形式和严重程度。

步骤2：对需要打磨作业的区段全部运行车辆(货车、客车、动车、高铁等不同类型车辆)进行整理，并从中选取3～4种占比重最大车辆作为区段日常运行车辆，确定日常运行车辆的通过对数、型号、牵引机车型号、轴重、编组方式等信息，并得到不同类型车辆的数量比；按上述选取的主要运行车辆的数量比，采用抽样方法测量主要运行车辆的车轮廓形，测量廓形总数不少于全部运行车辆车轮总数的10～20％，测量数量越多，廓形设计结果更精确。

步骤3：钢轨打磨目标廓形库的建立。

以新60轨廓形为基础，将新60轨廓形按横坐标中心线分成内侧和外侧两部分，外侧部分为固定部分，内侧部分为可更改部分。将内侧部分廓形按照新60轨内侧组成圆弧半径为300，80和13，分成R300，R80和R13三个部分，通过改变各部分的圆弧半径和交接位置的方法改变内侧钢轨廓形。改变圆弧半径时，按照R300和R80圆弧半径分别增加或者减少2mm为原则进行，更改R300或R80部分圆弧半径时，其中未更改的部分与R13部分圆弧半径和三段圆弧的交接位置，按照三段圆弧可相切且圆弧方向一致(圆心位移三段圆弧形成弧线的同侧)的原则确定。将更改半径和交接位置后行形成的所有内侧部分廓形与60轨外侧廓形连接后形成钢轨廓形库。

步骤4：实参数轮轨耦合模型的建立。

建立需要打磨区段的主要运行车辆的实参数车辆-轨道耦合模型，具体为：根据步骤1中得到的确定需要打磨作业的铁路线路钢轨及线路参数，进行轨道模型的实参数建模，同时将轨道模型中钢轨廓形依次采用步骤3中得到的钢轨打磨目标廓形库中的钢轨廓形。根据步骤2中得到的主要运行车辆信息，进行车辆模型的实参数建模，同时将车辆模型中车轮廓形设置为步骤2中得到的不同磨耗状态的车轮廓形。实测车轮廓形的采用有利于设计出能够满足不同磨耗状态车轮的钢轨廓形。

步骤5：轮轨作用关系初步分析。

采用步骤4中建立的实参数轮轨耦合模型，选用单个转向架为计算单位，计算不同车辆模型中实测车轮廓形和目标廓形库中钢轨廓形的非动态轮轨接触关系，从轮轨接触几何关系入手，主要考虑轮轨接触角、轮轨廓形共形接触情况、轮轨等效锥度和轮径差、轮轨接触斑面积和接触应力指数等参数，对于与不同实测车轮廓形匹配时上述各参数超限率超过5％的钢轨廓形进行舍弃，最后以优选的方式保留满足条件的钢轨廓形进行步骤6。当所有钢轨廓形计算结果均不满足5％时，按照优选的方式选择各参数超限率最低的5％钢轨廓形进行步骤6。

步骤6：车辆-轨道耦合动力学性能分析。

采用步骤4中建立的实参数轮轨耦合模型，对步骤5得到的钢轨廓形与不同车轮廓形在通过设定半径时的车辆-轨道耦合动力学性能进行分析仿真，仿真时以轮轨接触动力学指标为主要评判依据，主要考虑脱轨系数、轮轨横向力、轮轨轮缘磨耗指数、车轮踏面磨耗功、轮对冲角、轮轨蠕滑力、轮轨蠕滑率、轮轨总滚动摩擦阻力、前转向架转向力矩、后转向架转向力矩、轮轨接触应力等。将各动力学指标与相关设计规范进行比对，去除通过指仿真得到的超出规范要求的钢轨廓形，将剩余钢轨廓形作为确定为最终钢轨打磨目标廓形的备选廓形，并确定备选廓形的各动力学指标优劣的排序。

步骤7：基于打磨量最小化的目标廓形比选。

通过计算确定步骤1中得到的与步骤6中设定半径一致的钢轨廓形，与步骤6中得到的备选廓形的偏差值(打磨量)，并确定偏差值从小到大的排序。选出备选廓形中动力学排序和打磨量排序之和最小的廓形作为该设定半径曲线的最终的设计结果。按照同样的方法可对需要打磨线路不同半径曲线和直线的打磨目标廓形进行设计，最终得到需打磨线路的不同类型线路工况下的一组打磨目标廓形。

表1所示为部分线路采用本发明方法设计得到钢轨打磨廓形后曲线上股钢轨侧磨的改善效果，由表可知采用本方法后与采用前相比曲线钢轨磨耗速率可减小60％以上，进而延长钢轨使用一倍以上。

表1本发明在曲线上股钢轨实施后的减磨效果

附表2所示为采用本发明方法设计得到的钢轨打磨廓形后不同线路/钢轨指标的改善情况，由图可见采用本发明后钢轨波磨、轨控指标、人工添乘晃车点、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数、月线路维修工单数、焊缝异响情况、钢轨廓形GQI指标、线路打磨总平均遍公里数、钢轨使用寿命等多个方面均得到了较好的改善。说明本发明对铁路钢轨打磨作用明显，能够产生较好的社会和经济效益。

表2本发明对不同指标的改善情况

Claims (4)

1.一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

步骤1：确定需要打磨作业的铁路线路钢轨及线路参数，同时将线路的曲线部分按照半径梯度进行分类整理，测量不同梯度半径曲线和直线部分的钢轨廓形，并确定所采集不同半径梯度曲线和直线钢轨主要病害形式和严重程度；

步骤2：从需要打磨作业的区段全部运行车辆中选取占比重最大的n种车辆作为区段日常运行车辆，n〉1；确定日常运行车辆信息，并得到日常运行车辆的数量比；按上述选取的主要运行车辆的数量比，测量主要运行车辆的车轮廓形；

步骤3：建立钢轨打磨目标廓形库；

步骤4：建立需要打磨区段的主要运行车辆的实参数车辆-轨道耦合动力学模型；

步骤5：采用步骤4中建立的实参数车辆-轨道耦合动力学模型，计算不同车辆模型中实测车轮廓形和目标廓形库中钢轨廓形的非动态轮轨接触关系，对于与不同实测车轮廓形匹配时参数超限率超过5％的钢轨廓形进行舍弃，最后以优选的方式保留满足条件的钢轨廓形进行步骤6；当所有钢轨廓形计算结果均不满足5％时，按照优选的方式选择各参数超限率最低的5％钢轨廓形进行步骤6；所述参数为轮轨接触角、轮轨廓形共形接触情况、轮轨等效锥度和轮径差、轮轨接触斑面积和接触应力指数；

步骤6：采用步骤4中建立的实参数车辆-轨道耦合动力学模型，对步骤5得到的钢轨廓形与不同车轮廓形在通过设定半径时的车辆-轨道耦合动力学性能进行分析仿真，仿真时以轮轨接触动力学指标为主要评判依据，将各动力学指标与相关设计规范进行比对，去除通过指仿真得到的超出规范要求的钢轨廓形，将剩余钢轨廓形作为确定为最终钢轨打磨目标廓形的备选廓形，并确定备选廓形的各动力学指标优劣的排序；

步骤7：基于打磨量最小化的目标廓形比选；

通过计算确定步骤1中得到的与步骤6中设定半径一致的钢轨廓形，与步骤6中得到的备选廓形的偏差值，并确定偏差值从小到大的排序；选出备选廓形中动力学排序和偏差值排序之和最小的廓形作为该设定半径曲线的最终的设计结果。

2.如权利要求1所述一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，其特征在于：步骤4中实参数车辆-轨道耦合模型建立的具体方法为：根据步骤1中得到的确定需要打磨作业的铁路线路钢轨及线路参数，进行轨道模型的实参数建模，同时将轨道模型中钢轨廓形依次采用步骤3中得到的钢轨打磨目标廓形库中的钢轨廓形；根据步骤2中得到的主要运行车辆信息，进行车辆模型的实参数建模，同时将车辆模型中车轮廓形设置为步骤2中得到的不同磨耗状态的车轮廓形。

3.如权利要求1所述一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，其特征在于：步骤3中，钢轨打磨目标廓形库建立方法为：以新60轨廓形为基础，将新60轨廓形按横坐标中心线分成内侧和外侧两部分，外侧部分为固定部分，内侧部分为可更改部分；将内侧部分廓形分成R300，R80和R13三个部分，通过改变各部分的圆弧半径和交接位置的方法改变内侧钢轨廓形；将更改半径和交接位置后行形成的所有内侧部分廓形与60轨外侧廓形连接后形成钢轨廓形库。

4.如权利要求3所述一种个性化铁路钢轨打磨目标廓形设计方法，其特征在于：改变圆弧半径时，按照R300和R80圆弧半径分别增加或者减少2mm为原则进行，更改R300或R80部分圆弧半径时，其中未更改的部分与R13部分圆弧半径和三段圆弧的交接位置，按照三段圆弧可相切且圆弧方向一致确定。