CN113343502B - 一种轨道打磨确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道打磨确定方法，通过在轨道表面获取存在轨道波磨的区段的整段波磨数据，然后确定出波磨数据的分形曲线，再根据该分形曲线确定出波磨数据的波长，根据分形曲线打磨所述轨道，实现了准确判断轨道表面是否需要打磨，同时，本发明将分形曲线第一个谷值之前的线性区段进行直线拟合获得拟合直线，然后确定出拟合直线和分形曲线在分形曲线第一个谷值处的差值的绝对值，并将该差值的绝对值作为分形影响系数，然后判断该分形影响系数是否大于预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨，实现了量化轨道波磨，能够更准确的描述轨道表面特性，为轨道打磨的确定提供了更准确的依据。

Description

一种轨道打磨确定方法

技术领域

本发明属于轨道维护技术领域，具体涉及一种轨道打磨确定方法。

背景技术

钢轨打磨是钢轨轨道修理工作的重要内容，是钢轨病害预防和治理的有效手段，通过打磨可以改善轮轨接触关系，预防和延缓接触疲劳、磨损、波形磨耗(简称波磨)等钢轨病害的产生，通过对轨道进行打磨能够解决的轨面危害主要有疲劳裂纹、剥离掉块、波磨、擦伤、硌伤、不均匀磨损等。

而在实际工作中，钢轨轨道是否需要打磨通常是依据基于钢轨轨面粗糙度级的国际标准ISO3095-2013来判断轨道是否需要打磨，但该规范标准判断并不精准，或者是在轨道出现问题时再对轨道进行打磨，但会影响轨道使用寿命。

因此，如何准确地确定出轨道是否需要进行打磨，是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无法准确地判断出轨道是否需要打磨的技术问题，提出了一种轨道打磨确定方法。

本发明的技术方案为：一种轨道打磨确定方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在轨道表面获取存在轨道波磨的区段的整段波磨数据；

S2、确定出所述整段波磨数据的分形曲线；

S3、根据所述分形曲线确定出所述波磨数据的波长；

S4、根据所述分形曲线和所述波长打磨所述轨道。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、将所述整段波磨数据进行尺度划分得到不同尺度的波磨数据；

S22、确定出每一个尺度对应的波磨数据中所有相邻数据差的均方根值；

S23、根据所有所述均方根值确定出所述整段波磨数据对应的分形曲线。

进一步地，所述整段波磨数据是沿轨道纵向每1mm采样一个点直到整个所述区段采样完毕所采集的数据，所述尺度划分后的不同尺度共有τ个尺度，其中，第τ个尺度对应的长度与第τ-1个尺度对应的长度之差为1mm，第τ个尺度对应的长度与整段波磨数据对应的长度相同。

进一步地，所述步骤S22中确定均方根值的公式如下：

式中，S(τ)为第τ个尺度对应的均方根值，N为所有尺度总共采样的点数，x为第τ个尺度的波磨数据沿轨道纵向对应的里程，Z为x里程对应的轨面垂向不平顺值，在公式等号右侧中的τ为第τ个尺度对应的长度。

进一步地，所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、将所述分形曲线第一个谷值之前的线性区段进行直线拟合获得拟合直线；

S42、确定出所述拟合直线和所述分形曲线在所述分形曲线第一个谷值处的差值的绝对值，并将该差值的绝对值作为分形影响系数；

S43、判断所述波长是否大于100mm，若是，则执行步骤S44，若否，则执行步骤S45；

S44、判断所述分形影响系数是否大于第一预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨；

S45、判断所述分形影响系数是否大于第二预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明通过将实测得到的整段波磨数据进行尺度划分得到不同尺度的波磨数据，然后确定出波磨数据的分形曲线，再根据该分形曲线确定出波磨数据的波长,相比ISO3095-2013提出的粗糙度级法，对波磨波长的判定更为准确，根据分形曲线和波长打磨所述轨道，实现了准确判断轨道表面是否需要打磨。

(2)本发明将分形曲线第一个谷值之前的线性区段进行直线拟合获得拟合直线，然后确定出拟合直线和分形曲线在分形曲线第一个谷值处的差值的绝对值，并将该差值的绝对值作为分形影响系数，然后判断该分形影响系数是否大于预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨，实现了量化轨道波磨，能够更准确的描述轨道表面特性，为轨道打磨的确定提供了更准确的依据。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种轨道打磨确定方法的流程示意图；

图2所示为本发明实施例中分形曲线的示意图；

图3所示为本发明实施例中分形曲线和拟合直线对比示意图；

图4所示为本发明实施例中整段波磨数据的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术中所述，现有技术中对于轨道是否需要打磨通常是依据基于钢轨轨面粗糙度级的国际标准来进行判断，但由于粗糙度表面的轮廓高度变化是一种非平稳的随机过程，这会导致粗糙度参数随着度量区间及尺度的变化而表现出不稳定性，其对轨道轨面粗糙度水平设置了标准，若实测轨面不平顺的粗糙度级超过该曲线，则说明需要进行钢轨轨道打磨，但该国际标准粗糙度级计算得到的是三分之一倍频程谱图，在对钢轨波磨波长进行判定时，所得到的结果并不准确。

因此，本申请提出了一种轨道打磨确定方法，用以解决现有技术中无法准确地确定轨道是否需要打磨的技术问题。

如图1所示为本发明实施例提出的一种轨道打磨确定方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S1、在轨道表面获取存在轨道波磨的区段的整段波磨数据。

具体的，整段波磨数据可以通过CAT波磨小车来进行采集，如图4所示，采集到的数据即为图4中的轨面垂向不平顺数据。

步骤S2、确定出所述整段波磨数据的分形曲线。

在本申请实施例中，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、将所述整段波磨数据进行尺度划分得到不同尺度的波磨数据；

S22、确定出每一个尺度对应的波磨数据中所有相邻数据差的均方根值；

S23、根据所有所述均方根值确定出所述整段波磨数据对应的分形曲线。

在本申请实施例中，所述整段波磨数据是沿轨道纵向每1mm采样一个点直到整个所述区段采样完毕所采集的数据，所述尺度划分后的不同尺度共有τ个尺度，其中，第τ个尺度对应的长度与第τ-1个尺度对应的长度之差为1mm，第τ个尺度对应的长度与整段波磨数据对应的长度相同。

在本申请实施例中，所述步骤S22中确定均方根值的公式如下：

式中，S(τ)为第τ个尺度对应的均方根值，N为所有尺度总共采样的点数，x为第τ个尺度的波磨数据沿轨道纵向对应的里程，Z为x里程对应的轨面垂向不平顺值，其可如图4中所示，在公式等号右侧中的τ为第τ个尺度对应的长度。

具体的，本申请中确定轨道是否需要进行打磨，主要是通过波磨数据的分形曲线进行确定，因此，本申请采集整段波磨数据，然后将整段波磨数据进行尺度划分，确定出不同尺度的波磨数据对应的均方根值，然后根据尺度由小到大的顺序将对应的均方根值连接确定出整段波磨数据的分形曲线，而均方根值的计算采用的是结构函数，如下式所示：

令Z(x)为轮廓线的函数，N为总采样数，定义Z(x)的结构函数S(τ)为：

S(τ)＝<[Z(x+τ)-Z(x)]²〉＝Cτ^4-2D

式中，<>表示空间平均值，D为分形维数，C为常数，无量纲，S(τ)为第τ个尺度对应的均方根值，N为所有尺度总共采样的点数，x为第τ个尺度的波磨数据沿轨道纵向对应的里程，Z为x里程对应的轨面垂向不平顺值，在公式等号右侧中的τ为第τ个尺度对应的长度。

上式的离散表达式如下所示：

式中，

其中，由于结构函数的定义为：

logS(τ)＝log C+(4-2D)logτ

因此，其分形维数D为：

D＝(4-k)/2

其中k为对分形曲线线性度较好的尺度范围内最小二乘线性拟合得到的拟合直线的斜率，代入上式计算即可得到分形维数，上式中除了S(τ)为第τ个尺度对应的均方根值，其他处的τ为第τ个尺度对应的长度。

为了确定轨道波磨的严重程度，需要确定出分形曲线的显著波长，轨道波磨是否存在分形特征，存在分形特征也即确定分形曲线的线性程度，主要为直观定性的观察有没有轨道波磨，其关键是看分形曲线是否存在一个标度不变性(分形曲线在标度不变性范围内是呈线性增长的)范围，在该范围内，波磨扩展的自相似性统计地存在，轨道所采用的钢材料，在微观上是满足分形特性的，这是由于微观原子分子等的自然排列导致，但当尺度τ逐渐增加，进入到宏观，由于列车荷载和轨道结构等多种外部因素的共同作用下，影响了轨道沿纵向轮廓的分形特性，也即破坏了轨道的分形特性，会出现几何结构上的不平稳随机特性，轨道波磨的分形曲线在开始的小尺度是线性程度良好的，但随着尺度的增大，线性越来越差，分形特性被破坏，第一个破坏点，也即分形曲线最开始出现非线性特性的第一个谷值即为该段波磨数据的最显著波长处，这是由于波磨通过频率的剧烈的轮轨共振导致，本申请确定出的显著波长更加精确，且第一个出现非线性的谷值之后的下一个峰值所对应的波长即为波磨粗糙度级谱峰值回落后对应的波长，这是因为该点之后的尺度掠过了波磨影响的区段，波磨导致不平稳性逐渐衰弱，因此逐渐向线性进行回归，但后续由于波长不平顺和其他波长波磨的影响，不能再维持分形曲线的线性。

步骤S3、根据所述分形曲线确定出所述波磨数据的波长。

分形曲线横坐标尺度τ指的是第τ个尺度的长度也即第τ个尺度采样点数，这是因为将整段波磨数据进行尺度划分时，第τ个尺度对应的长度与第τ-1个尺度对应的长度之差为1mm，第τ个尺度对应的长度与整段波磨数据对应的长度相同，且所述整段波磨数据是沿轨道纵向每1mm采样一个点直到整个所述区段采样完毕所采集的数据，也就是说，第τ个尺度的采样点数有τ个，同时，由于，固定尺度的值进行均方根的求解，可得到该尺度下的S(τ)，通过求解不同尺度下的S(τ)，即可求得分形曲线，本申请中的测试数据采用的是成都地铁提供的CAT波磨小车的测试数据，其相邻采样点的纵向间隔为2mm，第一个谷值尺度为73，即对应波长为：

73×2mm＝14.6cm

步骤S4、根据所述分形曲线和所述波长打磨所述轨道。

在本申请实施例中，所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、将所述分形曲线第一个谷值之前的线性区段进行直线拟合获得拟合直线；

S42、确定出所述拟合直线和所述分形曲线在所述分形曲线第一个谷值处的差值的绝对值，并将该差值的绝对值作为分形影响系数；

S43、判断所述波长是否大于100mm，若是，则执行步骤S44，若否，则执行步骤S45；

S44、判断所述分形影响系数是否大于第一预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨；

S45、判断所述分形影响系数是否大于第二预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨。

具体的，通过对比分形曲线和粗糙度级谱也即行业内公知的粗糙度级三分之一倍频程谱图可以知道，波磨越严重，分形曲线的线性就越差，为了进行量化分析，本申请对分形曲线前段的线性区间进行直线拟合，根据拟合直线和分形曲线在第一个谷值，也即显著波长处的差异，来对波磨严重程度进行量化，将显著波长处拟合直线和分形曲线差值的绝对值作为分形影响系数，该分形影响系数越大，表示分形曲线的非线性越强，然后判断该分形影响系数是否大于预设阈值，该预设阈值根据长波短波分为第一预设阈值和第二预设阈值，第一预设阈值对应的是大于100mm的长波的阈值，具体为0.9，第二预设阈值对应的是小于等于100mm的短波的阈值，具体为0.7，若大于预设阈值，则说明波磨已经发展到较为严重的程度，需要进行轨道打磨，若否，则说明可暂时不需要对轨道进行打磨。

需要说明的是，预设阈值并不是随意设置的，而是经过大量实测数据确定出的，其更加准确，当波磨波长位于100-300mm范围时，预设阈值为0.9；当波磨波长位于20-100mm范围时，预设阈值为0.7，短波波磨对列车运行平稳性的影响更大，也可由本领域技术人员根据轨道保养维护的需求等级进行适当调整。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种轨道打磨确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、在轨道表面获取存在轨道波磨的区段的整段波磨数据；

S2、确定出所述整段波磨数据的分形曲线；

S3、根据所述分形曲线确定出所述波磨数据的波长；

确定轨道波磨的严重程度，需确定分形曲线的显著波长，即分形特性被破坏的第一个破坏点，即分形曲线最开始出现非线性特征的第一个谷值即为该段波磨数据的最显著波长处，通过该谷值位置的波长可判断波磨的严重程度；

S4、根据所述分形曲线和所述波长打磨所述轨道；

所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、将所述分形曲线第一个谷值之前的线性区段进行直线拟合获得拟合直线；

S42、确定出所述拟合直线和所述分形曲线在所述分形曲线第一个谷值处的差值的绝对值，并将该差值的绝对值作为分形影响系数；

S43、判断所述波长是否大于100mm，若是，则执行步骤S44，若否，则执行步骤S45；

S44、判断所述分形影响系数是否大于第一预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨；

S45、判断所述分形影响系数是否大于第二预设阈值，若是，则对所述轨道进行打磨，若否，则不打磨。

2.如权利要求1所述的轨道打磨确定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、将所述整段波磨数据进行尺度划分得到不同尺度的波磨数据；

S22、确定出每一个尺度对应的波磨数据中所有相邻数据差的均方根值；

S23、根据所有所述均方根值确定出所述整段波磨数据对应的分形曲线。

3.如权利要求2所述的轨道打磨确定方法，其特征在于，所述整段波磨数据是沿轨道纵向每1mm采样一个点直到整个所述区段采样完毕所采集的数据，所述尺度划分后的不同尺度共有τ个尺度，其中，第τ个尺度对应的长度与第τ-1个尺度对应的长度之差为1mm，第τ个尺度对应的长度与整段波磨数据对应的长度相同。

4.如权利要求3所述的轨道打磨确定方法，其特征在于，所述步骤S22中确定均方根值的公式如下：

式中，S(τ)为第τ个尺度对应的均方根值，N为所有尺度总共采样的点数，x为第τ个尺度的波磨数据沿轨道纵向对应的里程，Z为x里程对应的轨面垂向不平顺值。

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