CN110245415A - 车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法和确定装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法和确定装置，属于轨道交通技术领域。车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法包括：获取车轮的基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线；根据基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线建立车轮的算术半径模型；根据车轮的算术半径模型建立车辆‑轨道耦合模型；根据车辆‑轨道耦合模型确定车辆的动力学性能参数值；将车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较；并在车辆的动力学性能参数值与标准参数值相等时，确定基准滚动圆的最大半径磨耗量与踏面的最大凹磨量之和为车轮踏面凹形磨耗阈值。上述方法确定的车轮踏面凹磨阈值更接近实际情况，能为铁道测量检修标准提供合理的理论依据和实施指导。

Description

车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法和确定装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体地涉及一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法和确定装置。

背景技术

基于现代铁路列车的发展高速化与货运重载化趋势，铁路运输的安全性问题更加突出，车辆运行部门也提出了更高的要求。稳定性和安全性是列车运行最基本的动力学性能要求，其核心和根本在于轮轨关系，而车轮磨耗是列车运行过程中不可避免的现象。由于我国的铁路曲线数量少、曲线半径大且线路平顺性好，因此车轮踏面凹形磨耗往往是车轮磨耗的主要形式，且同时会伴随一定的轮缘磨耗。

在不采取任何措施的情况下，列车在运行过程中，车轮会逐渐被磨耗成一个下凹踏面的外形，车轮的踏面中部位置会在磨耗过程中逐渐低于端部，改变了车轮型面外形和尺寸，直接恶化了轮轨接触状态和相互作用。车轮踏面下凹的车轮极大削弱了转向架的曲线通过能力，影响车辆运行的稳定性和安全性，加快对轨枕的损坏和线路恶化情况。

目前，针对车轮踏面的凹形磨耗，国内外采用的措施是对车轮进行镟修，在现代列车的发展趋势下，车轮的频繁镟修成本在日益增加，逐渐成为制约高速铁路发展的重要问题。

因此，为了更加有效的提高车轮实用寿命，确定车辆车轮踏面凹形磨耗安全阈值时非常必要的。传统的研究方式是采用基于动力学仿真或线路追踪持续测量研究车轮磨耗规律，而传统的动力学仿真又仅将轨道结构视为刚体，且采用的是距离车轮内侧面70mm处的磨耗值作为整个车轮的磨耗值，这样的仿真方结果与实际结果的差距较大，线路追踪持续测量方法又缺乏车轮踏面磨耗对轮轨接触关系影响的动力学关系的支持。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法和确定装置，用于解决上述技术问题中的一者或多者。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法，所述方法包括：获取所述车轮的基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线；根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型；根据所述车轮的算术半径模型建立车辆-轨道耦合模型；根据所述车辆-轨道耦合模型确定所述车辆的动力学性能参数值；将所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较；以及在所述车辆的动力学性能参数值与所述标准参数值相等时，确定所述基准滚动圆的最大半径磨耗量与所述踏面的最大凹磨量之和为所述车轮踏面凹形磨耗阈值。

可选的，通过以下方法获取所述基准滚动圆的实际半径函数：获取所述车轮的基准滚动圆的标准半径和所述基准滚动圆的磨耗函数；将所述基准滚动圆的标准半径与所述磨耗函数之差作为所述基准滚动圆的实际半径函数。

可选的，通过以下公式确定所述基准滚动圆的磨耗函数R'(θ)：其中，N表示基准滚动圆的圆周个数，θ_N表示基准滚动圆的第N个圆周相对于参考角度的相对角度，R'(θ_N)表示基准滚动圆的第N个圆周处的磨耗量，M表示谐波的阶数且

可选的，所述获取所述车轮踏面凹磨曲线包括：获取所述车轮的踏面廓形数据；以及对所述车轮的踏面廓形数据进行拟合，以得到所述车轮踏面凹磨曲线。

可选的，所述根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型包括：所述车轮踏面凹磨曲线以所述基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，旋转360°以实现建立所述车轮的算术半径模型。

可选的，根据以下方法确定所述踏面的最大凹磨量：获取所述车轮踏面凹磨曲线和标准车轮踏面曲线；确定所述车轮踏面凹磨曲线与所述标准车轮踏面曲线之差的最大值为所述踏面的最大凹磨量。

可选的，所述基准滚动圆为名义滚动圆。

相应的，本发明实施例还提供一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置，所述装置包括：获取模块，用于获取所述车轮的基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线；车轮的算术半径模型构建模块，用于根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型；车辆-轨道耦合模型构建模块，用于根据所述车轮的算术半径模型建立车辆-轨道耦合模型；参数确定模块，用于根据所述车辆-轨道耦合模型确所述车辆的动力学性能参数值；比较模块，用于将所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较；以及阈值确定模块，用于在所述车辆的动力学性能参数值与所述标准参数值相等时，确定所述基准滚动圆的最大半径磨耗量与所述踏面的最大凹磨量之和为所述车轮踏面凹形磨耗阈值。

可选的，所述车轮的算术半径模型构建模块建立所述车轮的算术半径模型包括：所述车轮踏面凹磨曲线以所述基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，旋转360°以实现建立所述车轮的算术半径模型。

另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述中任一项所述的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法。

通过上述技术方案，可以不同运用条件下的车轮踏面凹形磨耗阈值，还可以确定车轮踏面凹形磨耗阈值的范围，为铁道车辆检修标准提供合理的理论依据和具体实施指导，其既具有重要的理论意义，也具有很强的工程应用价值。并且在确定当前车轮踏面凹形磨耗值达到或者接近根据本发明实施例提供的技术方案确定的安全阈值时，再对车轮进行镟修，还可以有效减少车轮镟修次数，延长车轮使用寿命，降低车辆运行成本。

本发明实施例提供的方案更能反映出科幻实际情况，可以为安全阈值的计算提供合理的理论依据。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明实施例提供的一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法的流程示意图。如图1所示，所述车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法包括步骤S102至S112。

在步骤S102，获取车轮的基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线。

在该步骤中，需要先选取一基准滚动圆，所述基准滚动圆优选为距离车轮内侧70mm处的名义滚动圆。

因为车轮在实际运用过程中会有磨损，导致选定的基准滚动圆的不同位置点处的半径受该点处的磨耗量影响，使其与标准半径之间具有一定的偏差。在实际测量过程中，仅能测量基准滚动圆不同圆周处的半径值，而这些测点数据是离散的，因此需要对其进行拟合以得到有关选定基准滚动圆的实际半径函数。基于此，本发明实施例提供了一种获取基准滚动圆的实际半径函数的方法。

所述获取基准滚动圆的实际半径函数的方法包括：首先获取车轮的基准滚动圆的标准半径和基准滚动圆的磨耗函数，再将基准滚动圆的标准半径与磨耗函数之差作为基准滚动圆的实际半径函数。

其中，所述基准滚动圆的磨耗函数通过以下方法获得：先测量基准滚动圆的不同圆周处的半径值，为了使得确定的基准滚动圆的实际半径函数更加符合基准滚动圆的实际情况，选取测量的圆周数量需要尽可能的多，然后在计算车轮的基准滚动圆的圆周在不均匀磨耗等因素作用下形成的周期性非圆化，本发明该实施例通过不同阶谐波函数叠加拟合得到车轮基准滚动圆的磨耗函数。

具体的，在获得基准滚动圆多个圆周处的数据之后，确定基准滚动圆处的标准半径和实测的半径之差为该圆周处的磨耗量，然后先建立以下方程组：将各个圆周处的磨耗量数据R'(θ₁)，R'(θ₂)，R'(θ₃)，……，R'(θ_N)代入上述方程组中，即可确定A_j和在确定A_j和以后，再通过以下表达式来表示基准滚动圆的磨耗函R_θ＝R-R'(θ)，其中R_θ表示基准滚动圆的实际半径函数，R表示该基准滚动圆的标准半径，R'(θ)表示该基准滚动圆的磨耗函数。

其中，上述N表示基准滚动圆的实测圆周的个数，上述θ_N表示基准滚动圆的第N个圆周相对于参考角度的相对角度(即其用于定位该圆周在基准滚动圆上的位置)，上述R'(θ_N)表示基准滚动圆的第N个圆周处的磨耗量，上述方程组中的M表示谐波的阶数，

其中，在通过上述方程组确定A_j和以后，可以通过以下表达式来表示基准滚动圆的磨耗函数：其中M的值应当与上述方程组中的M数值一致。此时，基准滚动圆的实际半径函数表达式为：

优选的，所述滚动圆的标准半径为车轮出厂时或者镟修后的半径。

另外，由于还需要获取车轮踏面凹磨曲线，因此在该步骤中，本发明还提供了一种确定车轮踏面凹磨曲线的方法。

所述确定车轮踏面凹磨曲线的方法包括：先获取车轮的踏面廓形实测数据，在对获取的车轮踏面廓形数据进行拟合，即可得到车轮踏面凹磨曲线y。

因为测得的车轮踏面廓形数据是离散的数据，所以需要对其进行拟合得到连续的曲线。可以选用现有的任意的拟合方法对实测的车轮踏面廓形数据进行拟合，其中优选对离散的车轮踏面廓形数据进行三次样条拟合，得到凹磨曲线更加接近车轮踏面实际廓形。

在步骤S104，根据车轮的基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线建立车轮的算术半径模型。

为了能够提高建立的模型的仿真度，因此在该步骤中，需要以车轮的基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，使得车轮踏面凹磨曲线旋转360°后形成车轮的表面，即可实现车轮的算术半径模型的建立。

本发明该实施例提供的建立车轮的算术半径模型的方法充分考虑到了车轮的半径磨耗情况和车轮踏面的凹形磨耗，使得建立的模型更加接近于车轮的实际状态。

在步骤S106，根据车轮的算术半径模型建立车辆-轨道耦合模型。

为了使确定的车轮踏面凹形磨耗阈值更加准确，而在车辆-轨道耦合模型的建立过程中，既考虑了车辆子系统中各部件之间的相互作用，又考虑了车辆子系统与轨道子系统之间的耦合作用力，因此优选以车轮的算术半径模型为依据建立车辆-轨道耦合模型来分析。

其中，在建立车辆-轨道耦合系统过程中，以车轮的算术半径模型中的数据作为有关车轮半径的数据，而有关车辆子系统的其它参数优选为其标准参数，有关轨道的参数可以是任意的，根据输入的轨道的参数的不同，还可以模拟车辆在有砟轨道、无砟轨道、路桥过渡段或轨道过渡段等不同轨道条件下的运行工况，还能够考虑实际线路中存在的道床板结、扣件失效或轨枕空吊等轨下基础缺陷，从而使得铁路车辆车轮踏面凹形磨耗阈值的计算条件更加接近车辆的实际运营环境。

在步骤S108，根据车辆-轨道耦合模型确定车辆的动力学性能参数。

其中，根据获取的动力学性能参数不同，选择的算法也会有所差异，但是可以采用现有的任意的方法来获取车辆-轨道耦合模型对应的动力学性能参数，例如可以通过快速显示积分法计算在上述车轮踏面凹形磨耗条件下的车辆动力学性能参数。

在步骤S110，将所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较。

优选的，选择进行比较的动力学性能参数可以为安全性、平稳性和舒适性。本领域技术人员也可以根据实时需要来选择更多的动力学性能参数进行比较。

在步骤S112，在所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值相等时，确定基准滚动圆的最大半径磨耗量与踏面的最大凹磨量之和为车轮踏面凹形磨耗阈值。

在该步骤中，本发明实施例还提供了获取基准滚动圆的最大半径磨耗量和踏面的最大凹磨量方法。

其中，所述基准滚动圆的最大半径磨耗量通过以下方法获得：获取已确定的磨耗函数R'(θ)，并确定磨耗函数R'(θ)中的最大值为基准滚动圆的最大半径磨耗量。

其中，所述踏面的最大凹磨量通过以下方法获得：分别获取该车轮的踏面凹磨曲线y和标准车轮的踏面曲线y_标，并确定所述该车轮的踏面凹磨曲线y和标准车轮的踏面曲线y_标之差的最大值为该车轮踏面的最大凹磨量。

考虑到车轮踏面凹形磨耗情况是多样化的，因此可以选择大量不同磨耗程度的车轮来进行计算，以获得更加科学准确的车轮踏面凹形磨耗阈值。将本发明实施例提供的上述方法运用于车轮踏面的不同凹形磨耗时，可以得到不同踏面凹形磨耗下的车辆动力学性能参数，并基于现有的动力学性能参数的评价标准，可以确定车轮踏面凹形磨耗情况对各个动力学性能参数的影响度。

通过本发明实施例提供的技术方案，可以确定不同运用条件下的车轮踏面凹形磨耗阈值，还可以确定车轮踏面凹形磨耗阈值的范围，为铁道车辆检修标准提供合理的理论依据和具体实施指导，其既具有重要的理论意义，也具有很强的工程应用价值。

此外，通过本发明实施例提供的技术方案，还可以在确定当前车轮踏面凹形磨耗值达到或者接近根据本发明实施例提供的技术方案确定的安全阈值时，再对车轮进行镟修，可以有效减少车轮镟修次数，延长车轮使用寿命，降低车辆运行成本。

图2是本发明实施例提供的一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置的结构框图。如图2所示，所述车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置包括获取模块210、车轮的算术半径模型构建模块220、车辆-轨道耦合模型构建模块230、参数确定模块240、比较模块250和阈值确定模块260。其中，获取模块210用于获取车轮的基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线，车轮的算术半径模型构建模块220用于根据获取的基准滚动圆的实际半径函数和车轮踏面凹磨曲线建立车轮的算术半径模型，车辆-轨道耦合模型230用于根据已建立的车轮的算术半径模型建立车辆轨道耦合模型，参数确定模块240用于根据已建立的车辆-轨道耦合模型确定所述车辆的动力学性能参数值，比较模块250用于将确定的车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较，阈值确定模块260用于在车辆的动力学性能参数值与所述标准参数值相等时，确定所述基准滚动圆的最大半径磨耗量与所述踏面的最大凹磨量之和为所述车轮踏面凹形磨耗阈值。

可选的，所述车轮的算术半径模型构建模块220可以通过以下方法来建立车轮的算术半径模型：以车轮的基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，使得车轮踏面凹磨曲线旋转360°后形成车轮的表面，即可得到车轮的算术半径模型。

本发明实施例提供的车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置的具体工作原理及益处与上述本发明实施例提供的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法的具体工作原理及益处相似，这里将不再赘述。

相应的，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有指令，该指令用于使得机器执行上述中任一项时所述的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述车轮的基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线；

根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型；

根据所述车轮的算术半径模型建立车辆-轨道耦合模型；

根据所述车辆-轨道耦合模型确定所述车辆的动力学性能参数值；

将所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较；以及

在所述车辆的动力学性能参数值与所述标准参数值相等时，确定所述基准滚动圆的最大半径磨耗量与所述踏面的最大凹磨之和为所述车轮踏面凹形磨耗阈值。

2.根据权利要求1所述的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，通过以下方法获取所述基准滚动圆的实际半径函数：

获取所述车轮的基准滚动圆的标准半径和所述基准滚动圆的磨耗函数；

将所述基准滚动圆的标准半径与所述磨耗函数之差作为所述基准滚动圆的实际半径函数。

3.根据权利要求2所述的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，通过以下公式确定所述基准滚动圆的磨耗函数R'(θ)：

其中，N表示基准滚动圆的圆周个数，θ_N表示基准滚动圆的第N个圆周相对于参考角度的相对角度，R'(θ_N)表示基准滚动圆的第N个圆周处的磨耗量，M表示谐波的阶数且

4.根据权利要求1所述的车辆踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，所述获取所述车轮踏面凹磨曲线包括：

获取所述车轮的踏面廓形数据；以及

对所述车轮的踏面廓形数据进行拟合，以得到所述车轮踏面凹磨曲线。

5.根据权利要求1所述的车辆踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，所述根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型包括：

所述车轮踏面凹磨曲线以所述基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，旋转360°以实现建立所述车轮的算术半径模型。

6.根据权利要求1所述的车辆踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，根据以下方法确定所述踏面的最大凹磨量：

获取所述车轮踏面凹磨曲线和标准车轮踏面曲线；

确定所述车轮踏面凹磨曲线与所述标准车轮踏面曲线之差的最大值为所述踏面的最大凹磨量。

7.根据权利要求1所述的车辆踏面凹形磨耗阈值确定方法，其特征在于，所述基准滚动圆为名义滚动圆。

8.一种车轮踏面凹形磨耗阈值确定装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取所述车轮的基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线；

车轮的算术半径模型构建模块，用于根据所述基准滚动圆的实际半径函数和所述车轮踏面凹磨曲线建立所述车轮的算术半径模型；

车辆-轨道耦合模型构建模块，用于根据所述车轮的算术半径模型建立车辆-轨道耦合模型；

参数确定模块，用于根据所述车辆-轨道耦合模型确所述车辆的动力学性能参数值；

比较模块，用于将所述车辆的动力学性能参数值与标准参数值进行比较；以及

阈值确定模块，用于在所述车辆的动力学性能参数值与所述标准参数值相等时，确定所述基准滚动圆的最大半径磨耗量与所述踏面的最大凹磨量之和为所述车轮踏面凹形磨耗阈值。

9.根据权利要求8所述的车辆踏面凹形磨耗阈值确定装置，其特征在于，所述车轮的算术半径模型构建模块建立所述车轮的算术半径模型包括：

所述车轮踏面凹磨曲线以所述基准滚动圆的圆心和所述基准滚动圆的实际半径函数为基准，旋转360°以实现建立所述车轮的算术半径模型。

10.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述权利要求1-7中任一项所述的车轮踏面凹形磨耗阈值确定方法。