CN114309835B - 一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统，通过对多个不同位置的轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合得到最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，即最逼近的轨道踏面外轮廓曲线与每个轨道踏面的外轮廓曲线之间的误差总和最小；仿形电极加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同，在对待修复车轮进行加工时，经过电弧放电加工能够反拷贝仿形电极加工部的外轮廓型面，使修复后的车轮踏面形状是仿形电极加工部的反拷贝形状，从而实现了轨道车辆车轮的仿形修复，提高了车轮踏面与轨道踏面的匹配度，使修复后的车轮踏面与已磨损轨道踏面能够很好地贴合与匹配，提升了车辆运行的舒适性和稳定性。

Description

一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统。

背景技术

随着我国轨道交通领域的快速发展，轨道车辆的运行安全性、乘坐舒适性、使用寿命等性能更加得到业主的关注和重视。轨道车辆车轮失圆、以及车轮与轨道踏面不匹配现象广泛存在于铁路运输系统，车轮失圆、车轮与轨道踏面不匹配都将引发车辆系统强烈的振动和噪声，甚至会造成晃车现象，这些不良现象对行车稳定性和安全性、乘坐舒适性、以及车辆系统各个部件的使用寿命有很大影响。

为了解决车轮失圆、车轮/踏面不匹配对行车、乘客乘坐和车辆寿命造成的不利影响，通常在发现轨道车辆车轮存在失圆或车轮/踏面不匹配时，通过车轮修复和打磨钢轨的方法消除车轮失圆或车轮/踏面不匹配。例如公开号为CN112059460A，名称为一种基于喷焊技术修复轨道车辆轮对的喷焊系统及方法的中国专利文献，其中公开了利用喷焊技术实现轨道车辆轮对的修复，实质上是一种车轮的增材修复方式；又如公开号为CN112338194A，名称为采用废旧轨道车辆车轮为原料的再制造修复系统的中国专利文献，其中公开了利用废旧的车轮作为原料，把废弃车轮加工层粉末后，再利用喷涂方式将粉末喷涂到车轮缺陷处实现车轮的修复，实质上也是一种车轮的增材修复方式。

相比于打磨钢轨的方式，车轮修复方法在解决车轮失圆和/或车轮/踏面不匹配的问题上更容易实现。目前，轨道车辆车轮修复主要采用璇轮方式实现，其主要是以机械加工方法去除车轮外端面材料，将车轮失圆或者多边形材料去除，最后实现车轮修复效果。这种车轮修复方法主要是采用数控机床通过刀具走预定轨迹的方式去除多余材料，达到预定外形轮廓的目的，实质上是一种减材修复方式。

然而，车轮修复还未能应用特种加工方式、配合仿形方法实现璇轮。无论哪种方式通常均是将车轮修复为初始设计时的踏面形状，然而在既有线路下的轨道踏面已经存在磨损，轨道踏面无法保持最初设计时的型面，此时车轮修复后的踏面与既有轨道踏面并不是最合适的踏面配合形式。因此，针对已有线路条件下轨道踏面已磨损成特殊形状，目前的车轮修复技术无法实现新换车轮或者新璇轮后的车轮与轨道踏面的较好贴合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统，以解决目前车轮修复技术均是将车轮修复为初始设计时的踏面形状，而在既有线路下轨道踏面因磨损无法保持最初设计时的型面，导致修复后车轮或新换车轮与轨道踏面无法较好贴合的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种轨道车辆车轮仿形修复方法，包括以下步骤：

确定待修复车轮对应轨道车辆所行驶的既定线路；

获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息；

对一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线；

对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线；

根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计并制造出与该最逼近的轨道踏面外轮廓相同的仿形电极，即仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同；

将电源的正极或负极与待修复车轮连接，电源的负极或正极与所述仿形电极连接，采用运动控制机构控制待修复车轮与仿形电极之间的间隙以及待修复车轮旋转，利用电弧放电实现仿形电极对待修复车轮的仿形修复。

本发明中，通过对多个不同位置的轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合得到最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，即最逼近的轨道踏面外轮廓曲线与每个轨道踏面的外轮廓曲线之间的误差总和最小；利用拟合得到最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，并制造出车轮修复的仿形电极，仿形电极加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同；在对待修复车轮进行加工时，应用电弧放电加工方法，配合仿形电极，经过电弧放电加工能够反拷贝仿形电极加工部的外轮廓型面特征，使修复后的车轮踏面形状是仿形电极加工部的反拷贝形状，从而实现了轨道车辆车轮的仿形修复，提高了车轮踏面与轨道踏面的匹配度，使修复后的车轮踏面与已磨损轨道踏面能够很好地贴合与匹配，提升了车辆运行的舒适性和稳定性。

电弧放电加工方式可以高效地利用仿形电极实现车轮修复的反拷贝加工，而传统的机械加工方式修复车轮时难以利用成型加工刀具实现反拷贝加工。

进一步地，获取的所述轨道踏面形状的位置不少于20个。

进一步地，采用三维扫描仪扫描不同位置的轨道踏面，以获取不同位置的轨道踏面形状。

进一步地，采用解析表达式逼近离散数据的方法或最小二乘法对对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线。

进一步地，所述待修复车轮与仿形电极之间的间隙控制在0.2mm～5mm之间，使车轮与仿形电极之间形成高温度电弧等离子体，电弧等离子体利用热量融化车轮表面材料，实现车轮表面的反拷贝加工。

进一步地，在所述仿形电极对修复车轮进行仿形修复的同时，控制冲液装置在车轮与仿形电极之间喷射冷却介质，保证了电弧放电加工正常进行。

本发明还提供一种轨道车辆车轮仿形修复系统，包括：

三维扫描仪，用于通过扫描方式获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息；

处理控制装置，用于对所述三维扫描仪采集的一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线；对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线；根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计出与该最逼近的轨道踏面外轮廓相同的仿形电极，即仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同；

数控机床，用于根据处理控制装置设计的仿形电极制造出该仿形电极；

电源，其正极或负极与待修复车轮连接，其负极或正极与制造出的所述仿形电极连接，所述电源用于在车轮仿形修复时提供电能；

运动控制机构，用于在修复时控制待修复车轮与仿形电极之间的间隙以及待修复车轮旋转。

进一步地，所述电源的工作电压为90V～1000V，工作电流为10A～1000A。

进一步地，所述系统还包括冲液装置，用于在修复时向车轮与仿形电极之间喷射冷却介质。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提供的一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统，根据既定线路轨道踏面外轮廓曲线定制与线路轨道踏面仿形的仿形电极，再采用电弧放电加工法能够反拷贝仿形电极加工部的外轮廓型面，很好地实现了轨道车辆车轮仿形修复，从而提高了车轮踏面与已磨损轨道踏面的匹配度，提升了车辆运行的舒适性和稳定性；特别是针对城市轨道交通线路，列车运行线路通常是固定的，其线路上轨道踏面的磨损也一般具有较强的规律性，因此，针对列车运行线路的轨道踏面形状进行车轮修复将有很重要的实用性和现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种轨道车辆车轮仿形修复方法流程图；

图2是本发明实施例中仿形电极制造流程图；

图3是本发明实施例中电弧放电加工示意图。

其中，1-车轮，2-电源，3-仿形电极，4-电弧，5-冲液装置，6-冷却介质。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，车轮修复或者璇轮技术通常是将车轮修复为初始设计时的踏面形状，然而由于在既有线路下的轨道踏面已经存在磨损，轨道踏面无法保持最初设计时的型面，此时车轮修复后的踏面与既有轨道踏面匹配并不是最适合配合形式。因此，现有车轮修复技术无法针对既有线路条件下轨道踏面形状已磨损成特殊形状，而导致修复后车轮或新换车轮与轨道踏面无法较好贴合的问题。

针对上述问题，本发明提出一种轨道车辆车轮仿形修复方法与系统，通过对多个不同位置的轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合得到最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，即最逼近的轨道踏面外轮廓曲线与每个轨道踏面的外轮廓曲线之间的误差总和最小；仿形电极加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同，在对待修复车轮进行加工时，经过电弧放电加工能够反拷贝仿形电极加工部的外轮廓型面，使修复后的车轮踏面形状是仿形电极加工部的反拷贝形状，从而实现了轨道车辆车轮的仿形修复，提高了车轮踏面与轨道踏面的匹配度，使修复后的车轮踏面与已磨损轨道踏面能够很好地贴合与匹配，提升了车辆运行的舒适性和稳定性。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种轨道车辆车轮仿形修复方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待修复车轮对应轨道车辆所行驶的既定线路。

轨道车辆运行线路通常是固定的，因此，根据待修复车轮所在的轨道车辆可以确定该轨道车辆通常行驶的线路，即确定待修复车轮对应的既定线路。

步骤2：获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息。

在确定需要对某一既定线路上的轨道车辆进行车轮修复后，利用扫描工具，例如三维扫描仪或三维激光扫描仪，对该既定线路上不同位置的轨道踏面进行扫描，得到一系列轨道踏面形状信息。

在本发明的一个实施例中，不同位置的轨道踏面至少20个，沿着既定线路方向，每隔几千米采集一个轨道踏面形状信息，即在采集不同位置的轨道踏面形状时，相邻两个位置间隔几千米，使所采集的轨道踏面形状尽可能覆盖整条既定线路，尽可能地反映出整条既定线路的轨道踏面特征，提高修复车轮与整条既定线路的轨道踏面的匹配度。

扫描得到的轨道踏面形状信息可通过三维结构或者二维截面曲线等方式输出，输出文件可以为三维模型文件或表格数据或踏面截面图片等形式。

步骤3：对一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线。

重点关注轨道与车轮接触处的踏面轮廓特征，利用图像分割技术或其他现有技术提取踏面轮廓特征，得到对应轨道踏面的外轮廓曲线。

步骤4：对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线。

利用解析表达式逼近离散数据的方法或最小二乘法对对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线。通过拟合得到的最逼近的轨道踏面外轮廓曲线与每个轨道踏面外轮廓曲线之间的误差总和最小，即最逼近的轨道踏面外轮廓曲线上的每个点与每个轨道踏面外轮廓曲线上对应点之间的距离之和为最小，

其中D_ij表示最逼近的轨道踏面外轮廓曲线上第i个点与第j个轨道踏面外轮廓曲线上的第i个点之间的距离，N表示轨道踏面外轮廓曲线的数量，M表示轨道踏面外轮廓曲线上点的数量。

步骤5：根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计并制造出与该最逼近的轨道踏面外轮廓相同的仿形电极。

根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线仿形设计出仿形电极，仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线完全相同，再利用多轴联动数控机床加工出仿形的仿形电极，如图2所示。

步骤6：将电源2的正极或负极与待修复车轮1连接，电源2的负极或正极与仿形电极3连接，采用运动控制机构控制待修复车轮1与仿形电极3之间的间隙以及待修复车轮1旋转，利用电弧放电实现仿形电极3对待修复车轮1的仿形修复，如图3所示。

制造出仿形电极后，利用定制的仿形电极3和电弧4放电加工方法进行车轮1仿形修复，具体实施过程为：将电源2的正极(或负极)与待修复车轮1连接，电源2的负极(或正极)与仿形电极3连接；利用数控机床或其他运动控制机构控制待修复车轮1与仿形电极3之间的间隙，并使车轮1旋转，通电后在车轮1与仿形电极3之间形成高温的电弧等离子体，电弧等离子体利用热量融化车轮1表面材料，车轮1表面与仿形电极3匹配，实现车轮1表面的反拷贝加工。由于仿形电极3加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线完全相同，因此修复后的车轮踏面与最逼近的轨道踏面外轮廓相匹配，进而使修复后的车轮踏面能够适应整条既定线路上所有已磨损轨道踏面。

在本发明的一个实施例中，待修复车轮与仿形电极之间的间隙控制在0.2mm～5mm之间，可以保证车轮与仿形电极之间形成高温度电弧等离子体，电弧等离子体利用热量融化车轮表面材料，实现车轮表面的反拷贝加工。

在本发明的一个实施例中，电源的工作电压为90V～1000V，工作电流为10A～1000A。

在本发明的一个实施例中，在修复过程中，还利用冲液装置向车轮与仿形电极之间喷射冷却介质，保护电弧放电加工正常进行。

本发明实施例还提供一种轨道车辆车轮仿形修复系统，包括三维扫描仪、处理控制装置、数控机床、电源以及运动控制机构；三维扫描仪与处理控制装置通信连接；电源的正极或负极与待修复车轮连接，电源的负极或正极与数控机床制造出的仿形电极连接。

三维扫描仪用于通过扫描方式获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息。

处理控制装置用于对三维扫描仪采集的一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线；对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线；根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计出与该最逼近的轨道踏面外轮廓相同的仿形电极，即仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同。

数控机床用于根据处理控制装置设计的仿形电极制造出该仿形电极。

电源用于在车轮仿形修复时提供电能。

运动控制机构用于在修复过程中控制待修复车轮与仿形电极之间的间隙以及待修复车轮旋转。

所述轨道车辆车轮仿形修复系统还包括冲液装置，冲液装置用于在修复时向车轮与仿形电极之间喷射冷却介质。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定待修复车轮对应轨道车辆所行驶的既定线路；

获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息；

对一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线；

对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线；

根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计并制造出与该最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同的仿形电极，即仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同；

将电源的正极与待修复车轮连接，电源的负极与所述仿形电极连接，采用运动控制机构控制待修复车轮与仿形电极之间的间隙以及待修复车轮旋转，利用电弧放电实现仿形电极对待修复车轮的仿形修复。

2.如权利要求1所述的轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，获取的所述轨道踏面形状的位置不少于20个。

3.如权利要求1所述的轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，采用三维扫描仪扫描不同位置的轨道踏面。

4.如权利要求1所述的轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，采用解析表达式逼近离散数据的方法或最小二乘法对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线。

5.如权利要求1所述的轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，所述待修复车轮与仿形电极之间的间隙控制在0.2mm~5mm之间。

6.如权利要求1~5中任一项所述的轨道车辆车轮仿形修复方法，其特征在于，在所述仿形电极对待修复车轮进行仿形修复的同时，控制冲液装置在车轮与仿形电极之间喷射冷却介质。

7.一种轨道车辆车轮仿形修复系统，其特征在于，包括：

三维扫描仪，用于通过扫描方式获取既定线路上不同位置的轨道踏面形状，得到一系列轨道踏面形状信息；

处理控制装置，用于对所述三维扫描仪采集的一系列轨道踏面形状信息进行特征提取，得到每个轨道踏面的外轮廓曲线；对所有轨道踏面的外轮廓曲线进行拟合，得到与每个轨道踏面外轮廓曲线均最逼近的轨道踏面外轮廓曲线；根据最逼近的轨道踏面外轮廓曲线，设计出与该最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同的仿形电极，即仿形电极的加工部的截面轮廓曲线与最逼近的轨道踏面外轮廓曲线相同；

数控机床，用于根据处理控制装置设计的仿形电极制造出该仿形电极；

电源，其正极与待修复车轮连接，其负极与制造出的所述仿形电极连接，所述电源用于在车轮仿形修复时提供电能；

运动控制机构，用于在修复时控制待修复车轮与仿形电极之间的间隙以及待修复车轮旋转。

8.如权利要求7所述的轨道车辆车轮仿形修复系统，其特征在于，所述电源的工作电压为90V~1000V，工作电流为10A~1000A。

9.如权利要求7或8所述的轨道车辆车轮仿形修复系统，其特征在于，还包括冲液装置，用于在修复时向车轮与仿形电极之间喷射冷却介质。

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