CN109989309B - 一种铁路钢轨廓形质量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种铁路钢轨廓形质量的评估方法，包括以下步骤：步骤1：测量钢轨廓形；步骤2：钢轨廓形分区，并确定分区的权重；步骤3：确定目标廓形；步骤4：计算钢轨廓形质量指数，根据钢轨廓形和目标廓形获取趋势曲线，从而获得钢轨打磨策略。本发明通过钢轨廓形偏差曲线和廓形质量指数，量化钢轨廓形状态，对钢轨廓形状态是否会导致动车组异常振动进行预测，并给出合理的钢轨打磨建议。

Description

一种铁路钢轨廓形质量评估方法

技术领域

本发明涉及交通运输领域，更具体地，涉及一种铁路钢轨廓形质量评估方法。

背景技术

自广深准高速、秦沈客运专线及京津城际高速铁路开通运营以来，我国高速铁路发展迅速，截至2018年底，我国高速铁路运营里程达到2.9万公里以上，超过世界高铁总里程的三分之二。随着“四纵四横”为骨架的全国高速客运网的铺开，部分CRH1、CRH2、CRH3及CRH5型动车组及其衍生车型在服役过程中出现了不同程度的异常振动问题，极大影响了旅客乘坐舒适性。

相关研究表明，轮轨匹配关系不合理是导致动车组出现异常振动的主要原因。钢轨廓形作为轮轨关系中的重要一环，极大的影响着动车组的运行品质。目前国内还没有成体系的对钢轨廓形质量进行评估的方法。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明针对高速铁路钢轨，结合打磨实际，提出一种真实反映钢轨廓形状态的评估方法。

本发明提出一种铁路钢轨廓形质量的评估方法，包括以下步骤：步骤1：测量钢轨廓形；步骤2：钢轨廓形分区，并确定分区的权重；步骤3：确定目标廓形；步骤4：计算钢轨廓形质量指数，获取趋势曲线，结合趋势曲线和钢轨廓形质量指数获得钢轨打磨策略。

进一步的，钢轨廓形数据的测量精度≤0.10mm。

进一步的，在步骤2中，采用德尔菲法确定分区的权重。

进一步的，在步骤2中，按打磨角度分区。

进一步的，在步骤4中，计算钢轨廓形质量指数的步骤为：

步骤41：计算钢轨廓形和目标廓形在不同打磨角度下的径向距离，径向距离为该打磨角度下的偏差值σ_i；

步骤42：计算钢轨廓形质量指数，计算公式为：

其中，

X_i＝σ_i/σ_i-标

Y_i＝(σ_i-σ_i-标)/σ_i-标

式中，σ_i为第i个打磨角度的偏差值，σ_i-标为第i个打磨角度的偏差限值，w_i为钢轨廓形第i分区的权重，n_i代表钢轨廓形第i分区打磨角度的数量。

优选的，当σ_i>0时，即偏差为正偏差时，σ_i-标为正偏差限值，当σ_i<0时，σ_i-标为负偏差限值，

进一步的，步骤41前，对齐钢轨廓形和目标廓形的最高点和轨距点。

进一步的，步骤4中，趋势曲线以打磨角度为横坐标，以钢轨廓形与目标廓形的偏差值σ_i为纵坐标。

本发明通过钢轨廓形偏差曲线和廓形质量指数，量化钢轨廓形状态，对钢轨廓形状态是否会导致动车组异常振动进行预测，并给出合理的钢轨打磨建议。

附图说明

图1为本发明一个实施例的评估方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例的钢轨廓形和目标廓形的示意图；图中实线为实测钢轨廓形，点线为目标廓形，虚线为打磨角度；

图3为本发明一个实施例的对齐方式示意图；

图4为本发明一个实施例的钢轨廓形分区和打磨角度的示意图；

图5为本发明一个实施例的偏差曲线示意图；

图6为本发明另一个实施例的偏差曲线示意图；

图7为本发明又一个实施例的偏差曲线示意图。

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种铁路钢轨廓形质量的评估方法进行详细描述。

在以下的描述中，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

本发明提出一种铁路钢轨廓形质量的评估方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1：测量钢轨廓形；步骤2：钢轨廓形分区，并确定分区的权重；步骤3：确定目标廓形；步骤4：计算钢轨廓形质量指数，获取趋势曲线，从而获得钢轨打磨策略。

在步骤1中，首先要对钢轨廓形进行测量，测出的钢轨廓形需包含其原始轨底坡，测量方法可采用接触式或非接触式测量，保证测量精度≤0.10mm。

本发明中的评估方法，采用的是钢轨廓形偏差曲线和钢轨廓形质量指数两者结合评估的方式。

在步骤2中，考虑到钢轨各区域廓形对车辆运行状态的影响不同，将钢轨廓形按照打磨角度分区，并对每个区域定义各自独立的廓形权重系数，以权重系数反映钢轨上各区域廓形在评估中的重要性。在一个实施例中，如图4所示，将廓形分为4个区。

可以采用德尔菲法(也称为专家咨询)确定各区域的权重系数。

在步骤3中，预先设定一个目标廓形。例如，国内高速铁路钢轨打磨目标廓形统一采用60D或60N廓形，部分特殊情况如小半径曲线允许单独设计目标廓形。

在步骤4中，首先将实测廓形与目标廓形对齐，对齐采用最高点和轨下16mm处(即轨距点)同时对齐的方式，如图3所示；然后根据每个打磨角度的径向进行偏差值计算，将实测廓形和目标廓形在不同打磨角度下的径向距离作为该角度下的偏差值σ_i。

钢轨廓形质量指数计算方法：

其中，X和Y分别为两个系数：

X_i＝σ_i/σ_i-标

Y_i＝(σ_i-σ_i-标)/σ_i-标

式中，σ_i为钢轨实测廓形某个(第i个)角度的实际偏差值，σ_i-标为对应角度下的正负偏差限值，w₁、w₂、w₃......w_n分别为钢轨不同区域(1、2、3……n区域)的廓形权重值，n₁、n₂、n₃……n_n分别代表钢轨不同区域下的打磨角度总数。

当σ_i>0，即偏差为正偏差时，σ_i-标为正偏差限值，当σ_i<0，即偏差为负偏差时，σ_i-标为负偏差限值。优选的，正负偏差值为《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求的正负偏差值。

当实测廓形数据偏差均在《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求范围内时，即|σ_i|≤|σ_i-标|，采用(1)式进行计算，从系数X的计算方法可知，X∈[0,1]，代表了实测廓形偏离目标廓形的程度。当X＝0时，表示实测廓形与目标廓形完全吻合，此时钢轨廓形质量指数为100；当X＝1时，表示实测廓形的偏差正好全部位于《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求的目标廓形正负偏差限值上，此时钢轨廓形质量指数为80。也就是说，当钢轨廓形质量指数≥80时，钢轨打磨质量合格，且分数越高，实测廓形和目标廓形越接近。

当打磨后钢轨廓形个别区域偏差超出《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求范围时，采用(2)式进行计算，需要注意的是，(2)式中分子部分只对超限区域的偏差值进行计算，即σ_i-σ_i-标≥0，若该区域偏差σ_i均在《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求范围内时(即不存在偏差超限)，σ_i-σ_i-标＝0，从而该区域取值

也就是说，式中系数Y代表了廓形偏差超限区域的超限程度，即(2)式是在合格分80分基础上，根据廓形偏差超限区域的超限程度予以减分。理论上来说，Y≥0，当Y＝0时，代表实测廓形的偏差正好全部位于《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求的目标廓形正负偏差限值上，此时钢轨廓形质量指数为80，与(1)式连续。也就是说，当钢轨廓形质量指数﹤80时，钢轨打磨质量不合格，且分数越低，实测廓形和目标廓形偏离程度越大。

趋势曲线根据实测钢轨廓形和目标廓形的偏差值获得。趋势曲线中以打磨角度为横坐标，实测廓形与目标廓形的偏差值为纵坐标。当钢轨实测廓形偏差为正偏差或负偏差时，根据钢轨廓形质量指数的计算方法可知，最终钢轨廓形质量指数结果可能相同，如图5和6所示，图5中打磨角度+6度以上实测钢轨廓形偏差均为正偏差，且超出标准要求上限，最终钢轨廓形质量指数为41，图6中打磨角度为+2度以上实测钢轨廓形偏差均为负偏差，且超出标准要求下限，最终钢轨廓形质量指数为40.8，两者廓形质量指数相近，但廓形偏差结果差异巨大。对于图5，从廓形偏差趋势曲线可以看出，需要重点打磨+6度及以上角度，图6则需要重点打磨+2度及以下角度(原因在于2度之上的钢轨廓形已经被过度打磨了，所以要打磨+2度及以下角度以抬高过度打磨区域)。所以，通过引入打磨偏差趋势曲线，不仅可以区分相同钢轨廓形质量指数下的偏差趋势，也可更为直观地显示钢轨廓形分区后不同区域的实际偏差情况，从而得出打磨策略(即打磨的角度和幅度)。打磨的幅度根据偏差值来决定，这是本领域技术人员公知的常识。

图5、6中直线为《高速铁路钢轨打磨管理办法》中要求的正负偏差限值。

钢轨廓形打磨质量评估以《高速铁路钢轨打磨管理办法》为基准，具体质量标准和打磨建议如表1所示。

表1钢轨廓形质量分级及其打磨建议

本发明给出了一种量化评定钢轨廓形质量的方法。通过优化廓形质量指数的计算方法，对钢轨区域进行对应的划分并引入权重系数，使得该计算方法得到的钢轨廓形质量指数更加具有针对性，也更有实际应用及指导价值。同时，该计算方法中相关偏差标准引用自《高速铁路钢轨打磨管理办法》，可以直观的反映出钢轨廓形质量是否符合《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求，因而可用于钢轨打磨质量的评价和验收。最后，本发明创造性的采用了廓形偏差曲线结合廓形质量指数综合评定的方法，不仅可以对钢轨廓形质量进行评估，还可对钢轨廓形状态是否会导致动车组异常振动进行预测，进而给出合理的钢轨打磨建议。

在一个实施例中，如图4所示，将钢轨廓形区域划分为A、B、C及D四个区域(各区域分别对应不同的砂轮打磨角度如表2所示)。

表2钢轨打磨区域与砂轮打磨角度对应表

区域名称	对应砂轮打磨角度
		A	15°～55°
B	5°～15°
		C	0°～+5°
D	-10°～0°

赋予各区域在钢轨廓形评估中不同的权重值。以w_A、w_B、w_C、w_D分别代表A、B、C、D四个不同区域的权重系数，各个区域权重系数取值范围介于0～1之间，同时四个区域权重系数加值为1，即：

w_A,w_B,w_C,w_D∈(0,1)且w_A+w_B+w_C+w_D＝1

通过德尔菲法(也称为专家咨询)确定各区域的权重系数。通过调查问卷和数据分析，得到各区域权重系数为w_A＝0.223,w_B＝0.409,w_C＝0.195,w_D＝0.173。

确定评估所需的打磨角度。本实施例中打磨角度选取-10°～+55°。每隔1度选取一个角度，共66个角度。钢轨打磨角度为打磨车的实际设定角度，在打磨实际中，打磨角度设定的最小间隔为0.5度(即0.5度，1度，1.5度。。。。。)。在评估中，打磨角度间隔设定的越小，评估结果越接近钢轨廓形的实际状态。在本实施例中，选择打磨角度间隔为1度进行说明，而不是对本发明的限定。

对这66个角度的廓形偏差进行计算。首先对齐实测钢轨廓形和目标廓形，对齐采用最高点和轨下16mm处(即轨距点)同时对齐的方式，然后根据这66个打磨角度的径向进行偏差值计算，将实测廓形和目标廓形在不同打磨角度下的径向距离作为该角度下的偏差值σ_i。

根据这66个角度得到的偏差值，做出廓形偏差曲线，见图7。从图中可直观看到，在+8°～+55°区间，实测钢轨廓形要高于目标廓形。

将这实际得到的不同角度下的廓形偏差值代入钢轨廓形计算方法中，从图7可见，该实测廓形存在超限部分，所以采用(2)式进行计算，得到最终钢轨廓形质量指数为54.4。根据得到的廓形偏差曲线和廓形质量指数可知，若该区段钢轨廓形均和实施例中的廓形状态相近，这段线路较大概率会出现动车组构架报警，所以应当尽快安排钢轨打磨，打磨角度为8度以上的位置，打磨幅度参考偏差值。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (7)

1.一种铁路钢轨廓形质量的评估方法，包括以下步骤：

步骤1：测量钢轨廓形；

步骤2：钢轨廓形分区，并确定分区的权重系数；

步骤3：确定目标廓形；

步骤4：计算钢轨廓形和目标廓形在不同打磨角度下的径向距离，并根据所述径向距离和所述权重系数计算钢轨廓形质量指数，获取趋势曲线，从而获得钢轨打磨策略，

其中趋势曲线根据实测钢轨廓形和目标廓形的偏差值

获得，

其中将实测廓形和目标廓形在不同打磨角度下的径向距离作为该角度下的偏差值

，

其中，所述径向距离为所述不同打磨角度下的偏差值

，所述钢轨廓形质量指数的计 算公式为：

其中，

式中，

为第i个打磨角度的偏差值，

为第i个打磨角度的偏差限值，w_i为钢轨廓形 第i分区的权重，n_i代表钢轨廓形第i分区打磨角度的数量；当

时，采用1式 计算钢轨廓形质量指数，当

时，采用2式计算钢轨廓形质量指数，当

时，采用1式或2式均可计算钢轨廓形质量指数；

其中系数X代表了当实测廓形偏差均在偏差限值范围内时实测廓形偏离目标廓形的程度，当X=0时，表示实测廓形与目标廓形完全吻合，此时钢轨廓形质量指数为100；当X=1时，表示实测廓形的偏差正好全部位于《高速铁路钢轨打磨管理办法》要求的目标廓形正负偏差限值上，此时钢轨廓形质量指数为80，

其中系数Y代表了当实测廓形偏差存在部分超出偏差限值范围时廓形偏差超限区域的 超限程度，

，当Y=0时，代表实测廓形的偏差正好全部位于《高速铁路钢轨打磨管理办 法》要求的目标廓形正负偏差限值上, 此时钢轨廓形质量指数为80。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其中，钢轨廓形数据的测量精度≤0.10mm。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其中，在所述步骤2中，采用德尔菲法确定分区的权重。

4.根据权利要求1所述的评估方法，其中，在所述步骤2中，按照打磨角度分区。

5.根据权利要求1所述的评估方法，其中，在所述步骤4之前，对齐钢轨廓形和目标廓形的最高点和轨距点。

6.根据权利要求1所述的评估方法，其中，当

>0时，

为正偏差限值；当

<0时，

为负偏差限值。

7.根据权利要求1所述的评估方法，其中，在所述步骤4中，所述趋势曲线以打磨角度为横坐标，以钢轨廓形与目标廓形的偏差值为纵坐标。

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