CN109115162B - 一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法 - Google Patents

一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法，步骤为：1、获取钢轨实测廓形并分类；3、将实测廓形按照横坐标位置划分为4个区域并确定各区域的偏差控制值；4、计算各区域实测廓形与目标廓形的不同横坐标下的法向偏差值，并计算得到基于法向偏差的钢轨廓形质量指数GD；5、计算指定区域实测廓形与目标廓形所围成面积，计算得到基于面积偏差的钢轨廓形质量指数GA；6、对GD和GA进行加权得到所测钢轨廓形的质量指数GQI。本发明方法同时考虑了实测钢轨廓形与目标廓形间的法向偏差和面积偏差，计算得到的GQI指标能够较好地体现廓形差异情况，计算结果为分值，可直观体现钢轨廓形状态或打磨质量。

Description

一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法
技术领域
本发明属于铁路线路工程技术领域，是一种基于廓形偏差的铁路钢轨廓形质量指数计算方法。
背景技术
随着钢轨廓形打磨理念和技术的推广使用，钢轨打磨日益成为铁路工务部门赖以消除钢轨表面既有病害，提升线路平顺性，改善轮轨作用关系的最重要手段之一。我国目前主要推广个性化钢轨廓形打磨技术，该方法根据铁路线路实际情况及运行车辆情况可设计出能够有效改善轮轨作用关系的钢轨打磨目标廓形，使用后能够较好控制和预防钢轨病害，得到了工务系统的广泛认可。但对钢轨打磨的质量和打磨后钢轨廓形与目标廓形的吻合度方面缺乏相关标准和直观的能反应廓形质量指数的方法。
目前我国尚无确定的钢轨廓形质量的计算方法和参考，通常各铁路局以打磨后实测廓形与目标廓形最大偏差值不超过某一确定值为方法进行打磨结果的考评，无量化指标和直观反应。国外主要计算方法有如下两种：
方法一：只给定廓形法向偏差的控制值和需要满足的比例，无具体指标的计算法方法。例如欧洲标准EN13231-3中按下表1所示偏差要求来控制打磨质量，要求实测廓形与目标廓形的偏差值不超过0.6-1.7mm。此方法无明确廓形质量指数的计算方法，工程实施难度较大。
表1欧标EN13231-3给定的验收偏差范围
偏差范围(mm) 0.6 1.0 1.7
等级Q 90％ 95％ 98％
等级R -- 85％ 98％
等级S -- -- 75％
方法二：计算廓形差异不超过指定偏差控制线的部分所占的百分比的方法。例如Harsco公司提出的GQI方法，通过计算廓形差异曲线在规定的偏差控制线下方的面积在总面积中所占百分比得到钢轨打磨质量因子GQI，见下式(1)。此方法最突出的问题是，当廓形差异曲线均位于偏差控制线下方(Aa＝0)时，GQI结果恒为100，不能进一步区分不同廓形打磨质量的好坏。
Figure BDA0001732818040000011
式中Aa为廓形差值曲线在偏差控制线上方的区域面积；Ab为廓形差值曲线在偏差控制线下方的区域面积，如图1所示。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于廓形法线偏差和面积偏差值的钢轨打磨质量指数(GQI)计算方法，给定了廓形的对齐方法和计算公式，以实测廓形与目标廓形在法线方向上的偏差为主要评价依据，并通过计算实测廓形与目标廓形围成的区域的面积对GQI结果进行修正优化。
本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，具体通过下述步骤实现：
步骤1：对钢轨实测廓形进行分类，得到不同类别的钢轨实测廓形。
步骤2：将获取的实测廓形与对应分类下的目标廓形进行同坐标下的对齐处理。
步骤3：将目标廓形按照横坐标位置划分为4个区域，并根据重要程度的不同，确定各区域的偏差控制线和权重。
步骤4：计算所有4个区域实测廓形与目标廓形的法向偏差，进而得到基于法向偏差的钢轨廓形质量指数GD。
步骤5：计算指定区域目标廓形与偏差限值所围成的面积Amax，以及指定区域目标廓形与实测廓形所围成的面积，进而得到基于面积偏差的钢轨廓形质量指数GA。
步骤6：将GD和GA进行加权，得到所测钢轨廓形的质量指数GQI。
本发明的优点在于：
1、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，给出了实测钢轨廓形与目标廓形的对齐方法，GQI计算方法等具体方法，可直接用于铁路钢轨廓形质量指数的评定或钢轨打磨效果的评价。
2、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，提出了钢轨轨头区域的划分方法和各区域的偏差值控制标准。
3、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，计算结果为分值，可对钢轨廓形质量或打磨效果进行比较直观的评价，并且便于分析和记录；
4、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，考虑了实测廓形与目标廓形之间的法向偏差GD和面积偏差GA，避免的常规计算方法中出现的偏差曲线小于偏差限值曲线时GQI指标恒为100的情况，能较好地体现廓形差异情况；
5、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，只有当实测廓形与目标廓形完全重合时，对应发现偏差扣分为0，面积偏差扣分也为0，GQI指标仅为100，与实际情况相符。
6、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，适用于普速、客专、高铁等不同等级的线路，既可用于单个钢轨的廓形质量评价，又可用于线路区段内多个廓形的批量评价验收，具有广泛的应用范围；
7、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，通过对整段线路的大量实测廓形的GQI进行计算分析，并可根据区段廓形质量评价标准对线路的廓形状况进行评价，为制定打磨计划提供依据；
8、本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法，通过大量实测廓形试验，其计算的GQI分值与廓形状态具有较理想的对应关系，具有推广意义和经济社会效益。
附图说明
图1为廓形偏差曲线与容差带曲线示意图。
图2为本发明铁路钢轨廓形质量指数计算方法流程图。
图3a为无侧磨实测钢轨与目标廓形的对齐位置示意图。
图3b为无侧磨实测钢轨与目标廓形的对齐及实例图。
图4a为有侧磨实测钢轨与目标廓形的对齐位置示意图。
图4b为有侧磨实测钢轨与目标廓形的对齐及实例图。
图5为轨头不同区域的划分示例。
图6为试验曲线做持续观测GQI变化曲线。
图7为打磨前、后GQI分布百分数曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法，如图2所示，具体通过下述步骤实现：
步骤1：利用廓形测量仪器获取钢轨实际廓形，作为实测廓形，并按实测廓形对应铁路线路的类型，将实测廓形分为曲线上股、曲线下股和直线三类，分类后将曲线上股和曲线下股两组实测廓形各自按线路的个性化钢轨打磨目标廓形进行第二次细分，如：按曲线半径200m为一个梯度进行第二次细分，最终得到不同类别的钢轨实测廓形。
步骤2：将获取的实测廓形与对应分类下的目标廓形进行同坐标下的对齐处理。其中，对于不存在侧面磨耗(侧磨)的钢轨廓形按照钢轨顶点和轨距测量点作为基准点进行对齐。其中，轨顶点为钢轨未设置轨底坡时的顶面最高点(钢轨上道时设置了1:40轨底坡，因此实测廓形内侧比外侧低)，轨距测量点为轨顶点向下16mm处对应的内侧钢轨廓形点，如图3a、图3b所示。当钢轨廓形存在侧磨时按照实测廓形和目标廓形工作边所围成面积最小为原则进行对齐，如图4a、图4b所示。
步骤3：将目标廓形按照横坐标位置划分为4个区域，并根据重要程度的不同，确定各区域的偏差控制线和权重。根据廓形设计、轮轨接触及打磨作业等方面的相关理论及分析成果，将轨头区域划分为x＜-20、-20≤x＜0、0≤x＜30和x≥30四个区域，如图5所示；其中，x为横坐标，横坐标原点为步骤2中轨顶点，单位为mm；由于钢轨顶面宽度一般为70mm左右，根据上述划分方式，各区域的偏差控制值如表2所示。
表2轨头不同区域的偏差控制值
Figure BDA0001732818040000041
步骤4：计算所有4个区域实测廓形与目标廓形的法向偏差。
通过差值的方法依次统计各区域总差值后的离散点数Di及区域内偏差值未超过偏差控制值的点数di，并根据各区域权重ki对各区域统计结果通过式(2)进行计算，即可得到基于法向偏差的钢轨廓形质量指数GD，前述i为1、2、3、4，表示4各区域。
Figure BDA0001732818040000042
步骤5：计算指定区域目标廓形与偏差限值所围成的面积Amax，以及指定区域目标廓形与实测廓形所围成的面积Areal，如式3所示；式3中，选择计算的1～4区域的正面积，2～3区域的负面积。
Figure BDA0001732818040000043
其中，Amax+为指定区域目标廓形与偏差控制值所围成的正面积，Amax-为指定区域目标廓形与偏差控制值所围成的负面积；Areal+为指定区域目标廓形与实测廓形所围成的正面积，Areal-为指定区域目标廓形与实测廓形所围成的负面积；正负Amax与正负Areal可通过式4得到：
Figure BDA0001732818040000044
其中，T(x)为目标廓形曲线，D(x)为偏差限值曲线，d(x)为实测廓形曲线。Amax±表示要计算的正或负Amax，Areal±表示要计算的正或负Areal。随后，结合指定区域偏差控制值形成的面积，利用式(5)计算可得到基于面积偏差的钢轨廓形质量指数GA。
Figure BDA0001732818040000045
步骤6：按公式(7)对步骤4和步骤5中求得的GD和GA进行加权，得到所测钢轨廓形的最终质量指数GQI。
GQI＝KDGD+KAGA(6)
式中：KD和KA分别是偏差指数GD与面积指数GA的权重系数。
通过以上过程计算的钢轨廓形质量指数GQI结果为分值，可直观反应出钢轨廓形质量指数，当该指数用于钢轨廓形打磨后结果的评定时可直观反应出钢轨打磨质量，便于工务部门及时准确掌握钢轨廓形打磨效果。
与其他相关钢轨廓形质量的评定方法相比，本发明综合了法向偏差和面积偏差等双重指标，能较好地对廓形质量进行区分。当实测廓形与目标廓形偏差曲线最大值小于偏差限值时，采用其他评定方法后GQI指标恒为100，而采用本发明法法后仅当实测廓形与目标廓形在计算区域内完全相同时GQI才能达到100，其他情况下均有较好的区分，结果客观可行。
实施例：
如图6所示，为对一条试验曲线做持续观测，并按上述GQI算法进行验收的结果。由图6可知，自2016年5月至2018年3月，该条曲线共经历了两次钢轨打磨，打磨后GQI提升明显，随运量和时间的增长，GQI逐渐降低，直至再次打磨。由于该曲线半径仅300m，钢轨原始条件较差，且运量较大，上股钢轨侧磨严重，下股有大肥边和明显塑性变形，打磨后上股侧磨问题有所缓解，下股因所需打磨量较大无法打磨完全到位，廓形质量的改善并不明显。
附表3为一段线路打磨前后各测量位置的廓形质量指数GQI计算结果。对表3中结果进行统计分析，结果如附表4和图7a、图7b所示。
表3试验区段打磨前后GQI结果
Figure BDA0001732818040000051
Figure BDA0001732818040000061
表4 GQI统计分析结果
Figure BDA0001732818040000062
附表5为根据本方法制定的铁路线路区段钢轨廓形验收标准，附表4为根据表3进行验收评级的结果。由表6可得，经过廓形打磨，线路验收等级由不合格提升至优良等级，可见打磨效果较为理想。
表5线路区段GQI验收标准
GQI范围 ≥80 ≥70 ≥60
优良 60％ 70％ --
合格 -- 60％ 70％
不合格 -- -- --
表6线路评级结果
Figure BDA0001732818040000063
Figure BDA0001732818040000071

Claims (2)

1.一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法，其特征在于：具体通过下述步骤实现：
步骤1：对钢轨实测廓形进行分类，得到不同类别的钢轨实测廓形；
步骤2：将获取的实测廓形与对应分类下的目标廓形进行同坐标下的对齐处理；对于不存在侧磨的钢轨廓形按照钢轨顶点和轨距测量点作为基准点进行对齐，对于存在侧磨的钢轨廓形按照实测廓形和目标廓形工作边所围成面积最小方式进行对齐；
步骤3：将目标廓形按照横坐标位置划分为4个区域，确定各区域的偏差控制线和权重；4个区域划分方式为：轨头区域划分为x＜-20、-20≤x＜0、0≤x＜30和x≥30四个区域；其中，x为横坐标，横坐标原点为轨顶点；
步骤4：计算所有4个区域实测廓形与目标廓形的法向偏差，进而得到基于法向偏差的钢轨廓形质量指数GD；具体为：通过差值的方法依次统计各区域总差值后的离散点数Di及区域内偏差值未超过偏差控制值的点数di，并根据各区域权重ki对各区域统计结果通过下式进行计算，得到基于法向偏差的钢轨廓形质量指数GD，前述i为1、2、3、4，表示4各区域；
Figure FDA0002675661430000011
步骤5：计算指定区域目标廓形与偏差限值所围成的面积Amax，以及指定区域目标廓形与实测廓形所围成的面积，进而得到基于面积偏差的钢轨廓形质量指数GA；具体为：
指定区域目标廓形与偏差限值所围成的面积Amax，以及指定区域目标廓形与实测廓形所围成的面积Areal为：
Figure FDA0002675661430000012
上式中，选择计算的1～4区域的正面积，2～3区域的负面积；
其中，Amax+为指定区域目标廓形与偏差控制值所围成的正面积，Amax-为指定区域目标廓形与偏差控制值所围成的负面积；Areal+为指定区域目标廓形与实测廓形所围成的正面积，Areal-为指定区域目标廓形与实测廓形所围成的负面积；正负Amax与正负Areal可通过下式得到：
Figure FDA0002675661430000013
其中，T(x)为目标廓形曲线，D(x)为偏差限值曲线，d(x)为实测廓形曲线；Amax±表示要计算的正或负Amax，Areal±表示要计算的正或负Areal；随后，结合指定区域偏差控制值形成的面积，利用下式计算可得到基于面积偏差的钢轨廓形质量指数GA：
Figure FDA0002675661430000021
步骤6：将GD和GA进行加权，得到所测钢轨廓形的质量指数GQI；
GQI＝KDGD+KAGA
式中：KD和KA分别是偏差指数GD与面积指数GA的权重系数。
2.如权利要求1所述一种铁路钢轨廓形质量指数计算方法，其特征在于：步骤1中，按实测廓形对应铁路线路的类型，将实测廓形分为曲线上股、曲线下股和直线三类，分类后将曲线上股和曲线下股两组实测廓形各自按线路的钢轨打磨目标廓形进行第二次细分。
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