CN113221212A - 一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，具体包括以下步骤：S1：收集铁路钢轨焊接不平顺数据：采用平直度测量仪定期跟踪测试钢轨焊接接头的几何形态，获取钢轨焊接不平顺数据曲线，并开展跟踪测试获取钢轨焊接不平顺发展规律；S2：测定钢轨焊接不平顺数据的分形维数；S3：对分形维数进行归一化处理。本发明首次将分形理论应用于钢轨焊接不平顺评估，通过现场跟踪测试钢轨焊接不平顺曲线，采用盒计数法测定焊接不平顺测试数据的分形维数，从而根据其自身的分形特性，对钢轨焊接不平顺进行定性定量评估，可以在一定程度上预测焊接接头几何形态演变规律，因此可作为控制指标管理钢轨焊接不平顺发展。

Description

一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法

技术领域

本发明涉及钢轨损伤评估技术领域，具体是涉及一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法。

背景技术

钢轨损伤是指由于钢轨老化、列车的压力和振动等因素带来的钢轨结构性破坏。钢轨损伤主要分为钢轨核伤、钢轨接头损伤、钢轨纵向与垂直水平裂纹、钢轨轨底裂纹。目前常用的轨条探伤的方法是超声波、磁粉、涡流等，其中大多采用波长和波深两个参数来表征钢轨焊接接头的损伤程度。而现场实测得到的钢轨焊接不平顺曲线通常较为复杂，实际操作中无法通过波长波深或相应的数学解析式对钢轨焊接接头的平顺状态进行准确的定量评估。

专利CN106202863B公开了一种钢轨疲劳寿命预估的方法，本方法通过选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，根据材料疲劳的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程参数，将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估，能够对钢轨疲劳寿命进行理论预测，具有较高的准确性，有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。但对于钢轨焊接平顺状态无法进行准确定量评估；

专利CN111428406A公开了一种钢轨小半径曲线内轨的波磨波长和波深的估算方法。该方法包括：建立轨道小半径曲线内轨波磨的波长和波深估算模型；基于有限元及动力学仿真确定所述波长和波深估算模型的参数；分析小半径曲线内轨波磨波长和波深发展特性；基于小半径曲线钢轨振动频响特性计算及车辆通过激励分析和波磨主振频率分析，提出了轨道结构超谐振动导致波磨产生的理论。该发明能对曲线内轨波磨的产生和发展趋势进行预判，为维修部门提供有针对性的钢轨打磨或维保建议，从而降低时间、经济成本，提升曲线车辆运行的寿命及安全性，同样无法对钢轨焊接接头的平顺状态进行准确的定量评估。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法。

本发明的技术方案是：

一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，具体包括以下步骤：

S1：收集铁路钢轨焊接不平顺数据：采用平直度测量仪定期跟踪测试钢轨焊接接头的几何形态，获取钢轨焊接不平顺数据曲线，并开展跟踪测试获取钢轨焊接不平顺发展规律；

S2：测定钢轨焊接不平顺数据的分形维数：假定n＝2^k，式中k表示不同标度的格子序号，原始数据的分析范围u＝max_0≤i≤nX_i/n-min_0≤i≤nX_i/n，格子标度可表示为e_k＝2^k-K，k＝0,1,2，...，K，在最大标度e_k＝1时，数据

的图形可以被宽度为1、高度为u的盒子所覆盖，则该盒子为限位框，Γ²表示覆盖所有数据的图形尺寸，为Γ×Γ，在这图形范围内的盒子个数为N(e_k)，当标度为e_k时，限位框则被宽度为2^k-K、高度为u2^k-K的4^k-K个盒子覆盖，将覆盖数字图形的盒子个数定义为N(e_k)，则盒计数是函数log N(e)在loge处斜率的相反数，如下式所示：

式中，S_k＝loge_k，

为S₀,S₁,S₂,...,S_K的平均值。

进一步地，还包括步骤S3：对分形维数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

X＝(X_i-X_min)/(X_max-X_min) (2)

式中，X为转换后的分形维数，X_i为转换前的分形维数，X_min为分形维数的最小值，X_max为分形维数的最大值，对分形维数进行归一化处理，并将分形维数转换为0-1内的数。将分形维数进行归一化处理后，能够更为直观的反映出钢轨焊接不平顺的几何演变特性。

进一步地，所述步骤S1中应用钢轨平直度测量仪的测试范围为1m，测试数据沿钢轨纵向的间隔为5mm，使测得的数据更为直观，且方便导入到SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型。

进一步地，所述步骤S1中跟踪测试工作从焊接接头服役初期开始，每隔一个月进行测试，至焊接接头服役八个月结束，通过每组数据绘制的曲线更加直观对比出焊接不平顺状态。

进一步地，所述步骤S2中基于公式(1)采用MATLAB编程求得不同服役阶段下焊接不平顺的分形维数，分形维数不仅能够描述钢轨焊接不平顺几何演变特性，而且能够较好地描述焊接不平顺所引起动态响应的变化。

进一步地，所述步骤S2中采用SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型，分析重载货车通过不同时刻焊接不平顺时的动态响应参数，所述动态响应参数包括轮轨垂向动态力、车轮的垂向振动加速及钢轨的垂向振动加速。轮轨垂向动态力、车轮及钢轨的垂向振动加速度是通过SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型计算得到的，将实测焊接不平顺输入模型中即可得到相应的动态响应结果，将动态响应与分形维数均转换为0-1范围内的数，便于对比数据规律。

更进一步地，将所述动态响应参数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

Y＝(Y_i-Y_min)/(Y_max-Y_min) (3)

式中，Y为转换后的动态响应参数，Y_i为转换前的动态响应参数，Y_min为动态响应参数的最小值，Y_max为动态响应参数的最大值，对动态响应参数进行归一化处理，并将动态响应参数转换为0-1内的数。由于车辆通过焊接接头时的轮轨动态响应变化规律与焊接不平顺演变规律是一致的，因此分形维数还能用来描述焊接不平顺引起的动态响应变化，从而根据相应动力学指标提出钢轨焊接不平顺的管理指标。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明首次将分形理论应用于钢轨焊接不平顺评估，通过现场跟踪测试钢轨焊接不平顺曲线，采用盒计数法测定焊接不平顺测试数据的分形维数，从而根据其自身的分形特性，对钢轨焊接不平顺进行定性定量评估，可以在一定程度上预测焊接接头几何形态演变规律，因此可作为控制指标管理钢轨焊接不平顺发展。

(2)本发明通过将分形维数进行归一化处理后，不仅能够反映出钢轨焊接不平顺的几何演变特性，并且由于车辆通过焊接接头时的轮轨动态响应变化规律与焊接不平顺演变规律是一致的，因此分形维数还能用来描述焊接不平顺引起的动态响应变化，从而根据相应动力学指标提出钢轨焊接不平顺的管理指标。

附图说明

图1是本发明步骤S1中焊接不平顺测试数据示意图；

图2是本发明步骤S2中开始服役前焊接不平顺的分形维数；

图3是本发明步骤S2中第1个月服役焊接不平顺的分形维数；

图4是本发明步骤S2中第2个月服役焊接不平顺的分形维数；

图5是本发明步骤S2中第3个月服役焊接不平顺的分形维数；

图6是本发明步骤S2中第4个月服役焊接不平顺的分形维数；

图7是本发明步骤S2中第5个月服役焊接不平顺的分形维数；

图8是本发明步骤S2中第6个月服役焊接不平顺的分形维数；

图9是本发明步骤S2中第7个月服役焊接不平顺的分形维数；

图10是本发明步骤S2中第8个月服役焊接不平顺的分形维数；

图11是本发明步骤S3中分形维数及动态响应指标归一化示意图。

具体实施方式

一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，具体包括以下步骤：

S1：收集铁路钢轨焊接不平顺数据：采用平直度测量仪定期跟踪测试钢轨焊接接头的几何形态，获取钢轨焊接不平顺数据曲线，并开展跟踪测试获取钢轨焊接不平顺发展规律，如图1所示，应用钢轨平直度测量仪的测试范围为1m，测试数据沿钢轨纵向的间隔为5mm，跟踪测试工作从焊接接头服役初期开始，每隔一个月进行测试，至焊接接头服役八个月结束。

S2：测定钢轨焊接不平顺数据的分形维数：假定n＝2^k，式中k表示不同标度的格子序号，原始数据的分析范围u＝max_0≤i≤nX_i/n-min_0≤i≤nX_i/n，格子标度可表示为e_k＝2^k-K，k＝0,1,2，...，K，在最大标度e_k＝1时，数据

的图形可以被宽度为1、高度为u的盒子所覆盖，则该盒子为限位框，Γ²表示覆盖所有数据的图形尺寸，为Γ×Γ，在这图形范围内的盒子个数为N(e_k)，当标度为e_k时，限位框则被宽度为2^k-K、高度为u2^k-K的4^k-K个盒子覆盖，将覆盖数字图形的盒子个数定义为N(e_k)，则盒计数是函数log N(e)在loge处斜率的相反数，如下式所示：

式中，S_k＝loge_k，

为S₀,S₁,S₂,...,S_K的平均值，基于公式(1)采用MATLAB编程求得不同服役阶段下焊接不平顺的分形维数，如图2-10所示，为每个月服役焊接不平顺的分形维数；

并采用SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型，分析重载货车通过不同时刻焊接不平顺时的动态响应参数，动态响应参数包括轮轨垂向动态力、车轮的垂向振动加速及钢轨的垂向振动加速，轮轨垂向动态力、车轮及钢轨的垂向振动加速是通过SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型计算得到的，将实测焊接不平顺输入模型中即可得到相应的动态响应结果。

S3：对分形维数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

X＝(X_i-X_min)/(X_max-X_min) (2)

式中，X为转换后的分形维数，X_i为转换前的分形维数，X_min为分形维数的最小值，X_max为分形维数的最大值，对分形维数进行归一化处理，并将分形维数转换为0-1内的数；

将所述动态响应参数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

Y＝(Y_i-Y_min)/(Y_max-Y_min) (3)

式中，Y为转换后的动态响应参数，Y_i为转换前的动态响应参数，Y_min为动态响应参数的最小值，Y_max为动态响应参数的最大值，对动态响应参数进行归一化处理，并将动态响应参数转换为0-1内的数；如图11所示，轮轨垂向力、钢轨及车轮振动加速随焊接不平顺几何演变的变化规律是一致的，且与焊接不平顺几何分形维度的变化规律相同，因此分形维数不仅能够描述钢轨焊接不平顺几何演变特性，且能够较好地描述焊接不平顺所引起动态响应的变化。

结合图可以看出，分形维数在焊接不平顺服役开始时最小，在焊接接头的服役过程中存在两个最大值，分别是在服役第二个月和第六个月，这与焊接不平顺的发展过程是相吻合的，即整个接头区域磨耗稳定期和焊缝位置磨耗加速期，因此分形维度能够在一定程度上反映焊接不平顺几何的演变特性。采用仿真方法计算动态响应的目的就是为了验证焊接不平顺的分形特性与车辆动态响应规律之间的相关性，从而可以证明用分形维数的方法来评估焊接不平顺是有效的。

Claims (7)

1.一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：收集铁路钢轨焊接不平顺数据：采用平直度测量仪定期跟踪测试钢轨焊接接头的几何形态，获取钢轨焊接不平顺数据曲线，并开展跟踪测试获取钢轨焊接不平顺发展规律；

S2：测定钢轨焊接不平顺数据的分形维数：假定n＝2^k，式中k表示不同标度的格子序号，原始数据的分析范围u＝max_0≤i≤nX_i/n-min_0≤i≤nX_i/n，格子标度可表示为e_k＝2^k-K，k＝0,1,2，...，K，在最大标度e_k＝1时，数据

的图形可以被宽度为1、高度为u的盒子所覆盖，则该盒子为限位框，Γ²表示覆盖所有数据的图形尺寸，为Γ×Γ，在这图形范围内的盒子个数为N(e_k)，当标度为e_k时，限位框则被宽度为2^k-K、高度为u2^k-K的4^k-K个盒子覆盖，将覆盖数字图形的盒子个数定义为N(e_k)，则盒计数是函数log N(e)在loge处斜率的相反数，如下式所示：

式中，S_k＝loge_k，

为S₀,S₁,S₂,...,S_K的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，还包括步骤S3：对分形维数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

X＝(X_i-X_min)/(X_max-X_min) (2)

式中，X为转换后的分形维数，X_i为转换前的分形维数，X_min为分形维数的最小值，X_max为分形维数的最大值，对分形维数进行归一化处理，并将分形维数转换为0-1内的数。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，所述步骤S1中应用钢轨平直度测量仪的测试范围为1m，测试数据沿钢轨纵向的间隔为5mm。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，所述步骤S1中跟踪测试工作从焊接接头服役初期开始，每隔一个月进行测试，至焊接接头服役八个月结束。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，所述步骤S2中基于公式(1)采用MATLAB编程求得不同服役阶段下焊接不平顺的分形维数。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，所述步骤S2中采用SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型，分析重载货车通过不同时刻焊接不平顺时的动态响应参数，所述动态响应参数包括轮轨垂向动态力、车轮的垂向振动加速及钢轨的垂向振动加速。

7.根据权利要求6所述的一种钢轨焊接平顺状态评估管理方法，其特征在于，将所述动态响应参数进行归一化处理，归一化处理的数学公式为：

Y＝(Y_i-Y_min)/(Y_max-Y_min) (3)

式中，Y为转换后的动态响应参数，Y_i为转换前的动态响应参数，Y_min为动态响应参数的最小值，Y_max为动态响应参数的最大值，对动态响应参数进行归一化处理，并将动态响应参数转换为0-1内的数。

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