CN114444900A - 一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，首先获取组合断面处的实际组合廓形；进一步对测量的组合断面廓形修正，消除非承载状态下尖轨抬升对廓形测量造成的误差。随后将组合断面测量廓形与该道岔的个性化打磨目标廓形进行对齐，对齐完成后，将组合廓形拆分成基本轨和尖轨部分，并按横坐标分区，确定各区域廓形公差带和权重。最后，确定各区域内测量廓形与目标廓形的法向偏差和所围成的面积，计算基本轨与尖轨部分的廓形质量指数，对廓形质量指数进行加权计算得到组合断面廓形整体质量指数，并进行修正，得到组合断面廓形最终的GQI质量指数。本发明为道岔组合断面廓形质量评价提供了一种直观的评价指标，操作方便，便于记录和统计分析。

Description

一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法

技术领域

本发明属于铁路道岔打磨技术领域，涉及一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法。

背景技术

道岔是一种在铁路线路上广泛应用的线路连接设备，主要作用是使机车车辆从一股道转入另一股道，通常在车站、编组站大量铺设。道岔因具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点，成为轨道的三大薄弱环节之一。道岔打磨作为道岔的一种常规维修养护措施，随着我国近年来高速、重载技术的蓬勃发展，越来越受到铁路工务部门的关注。

我国目前主要推广个性化钢轨廓形打磨技术，该技术也适用于道岔打磨，通过合理设计道岔区段的打磨目标廓形，并采用打磨手段来对岔区钢轨廓形进行修复或调整，可以起到改善道岔区段钢轨缺陷、提高车辆运行平稳性、延长钢轨使用寿命等作用。道岔廓形打磨技术的核心就是廓形质量的把控，提高打磨后岔区实际廓形与目标廓形的吻合度。岔区廓形一般可分为常规廓形和组合断面廓形两类，对这两类廓形的质量控制现状简介如下：

1、常规廓形(基本轨廓形)

基本轨廓形即单一钢轨廓形，与正线廓形类似，可采用正线的廓形质量指数(简称GQI)进行评价，该GQI指标在我国铁路线路广泛使用，其计算方法如下。

首先以钢轨顶点和轨距点，或者钢轨工作边将测量廓形与目标廓形对齐；然后将轨头廓形按照横坐标位置划分为x＜-20、-20≤x＜0、0≤x＜30和x≥30四个区域，并计算各区域内实测廓形与目标廓形的法向偏差以及两廓形所围成的面积；接着通过对法向偏差和面积进行统计分析，按公式(1)完成法向偏差指标G_D和面积偏差指标G_A的计算并计算两指标的加权平均值，即可得到廓形的GQI。

式中：K₁和K₂分别是偏差指数；G_D与面积指数G_A的权重系数，K₁+K₂＝1；D_i表示各区域总点数，d_i表示各区域内偏差曲线未超过偏差公差线的点数，ki表示各区域点数统计时的加权系数；A_max为正向偏差公差线与横轴围成的面积(例如区域长为2mm，偏差值为±0.3，则A_max＝2×0.3＝0.60)，A_real为实际偏差曲线与横轴围成的实际面积。

2、组合断面廓形

组合断面廓形是由基本轨与尖轨(或心轨)廓形组合形成的特殊廓形，如图1所示。由于组合断面廓形的工作边一侧增加了尖轨部分的廓形，如图1中包含了常用的宽度为20、35、50mm的尖轨廓形，组合断面廓形宽度与单独基本轨相比明显加宽，且不同纵向位置廓形宽度和尖轨部分高度均不同，无法采用正线的对齐和GQI算法，导致对应区域廓形缺少有效的质量评价指标，道岔打磨验收时组合断面区域仅是对尖轨降低值、廓形偏差量最大值、钢轨平直度等进行简单评估，结果不直观，缺乏合理有效的廓形状态评估方法，导致对应区段的打磨效果往往不尽如人意。因此，亟需开发一种有效的组合断面廓形验收算法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，以组合断面测量廓形与目标廓形的法向偏差和两廓形围成的面积作为主要评价依据，同时综合考虑速度等级、直曲线型、尖轨宽度、尖轨降低值等因素，能够对尖轨、心轨不同宽度组合断面的廓形质量进行计算和评价。

一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，通过以下步骤实现：

步骤1：确定道岔各关键组合断面位置，采集组合断面的实际廓形，以及与实际廓形对应的目标廓形；

步骤2：根据尖轨空吊值对测量的组合断面廓形进行修正，消除非承载状态下尖轨抬升对廓形测量造成的误差，得到GQI计算中实际使用的测量廓形；

步骤3：将修正后的组合断面测量廓形与对应的个性化打磨目标廓形进行对齐，以基本轨顶点或尖轨顶点和组合断面内侧直线段为基准；

步骤4：对齐完成后，保持组合断面测量廓形与目标廓形的相对位置不变，将组合廓形拆分成基本轨和尖轨两个分段，将拆分后的基本轨和尖轨两部分廓形分别按横坐标划分为不同区域，并确定各区域的廓形公差带和权重。

步骤5：分别计算基本轨和尖轨两部分廓形上各区域内测量廓形与目标廓形的法向偏差和所围成的面积，根据区域公差带和权重计算基本轨部分的廓形质量指数GQI_b和尖轨部分的廓形质量指数GQI_s；

步骤6：根据尖轨宽度、降低值等参数确定两分段的权重，对GQI_b和GQI_s进行加权计算得到组合断面廓形整体质量指数GQI_Z；

步骤7：通过尖轨降低值对GQI_Z进行修正，得到组合断面廓形最终的GQI质量指数。

本发明的优点在于：

1、本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，在正线钢轨廓形质量指数的算法基础上进行了改进，解决了原算法不适用于道岔组合断面廓形、道岔组合断面缺少质量评价标准的问题，为工务部门开展道岔打磨提供了验收手段，可进一步保证道岔打磨作业的效果，结合岔区大小机廓形打磨策略的实施，可以实现尖、心轨位置的良好过渡，提高岔区线路平稳性，改善车辆通过性能，可产生明显的经济社会效益；

2、本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，适用于不同图号、不同等级的道岔，对于转辙器和可动心辙叉内不同宽度的组合断面廓形均可计算廓形质量指数，不仅可实现单点组合廓形质量计算，也可实现整组道岔、整个编组站大量的道岔组合断面廓形的批量计算和验收，具有广泛的应用范围；

3、本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，所求得的GQI结果为一个无纲数值，其取值范围为0～100，数值越大表示道岔组合断面测量廓形与目标廓形的吻合度越高，为道岔组合断面廓形质量评价提供了一种直观的评价指标，操作方便，便于记录和统计分析；

4、本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，对线路常规钢轨廓形质量指标计算方法进行了补充，使道岔和线路具有统一的廓形验收标准，便于实现对岔区、线路廓形质量的全覆盖验收，通过对线路区段内大量道岔组合断面廓形的GQI进行计算，并与线路常规廓形的GQI进行综合统计分析，可对线路、道岔的廓形质量进行整体评价评级，以便更合理的安排打磨计划；

5、本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，经过大量道岔现场试验，其计算的GQI指标与道岔廓形状态能够实现良好的匹配，表明该方法合理可靠，具有较高的推广价值。

附图说明

图1为道岔各关键断面组合廓形(20、35、50断面)示意图；

图2为本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法流程图；

图3为组合断面廓形的对齐基准；

图4(a)为基本轨廓形GQI计算的基准零点(x＝0)及分区边界；

图4(b)为尖轨廓形GQI计算的基准零点(x＝0)及分区边界；

图5为某组合断面廓形中不参与GQI计算的区间示例；

图6(a)为20(15)断面打磨前组合断面廓形GQI；

图6(b)为20(15)断面打磨后组合断面廓形GQI；

图6(c)为35断面打磨前组合断面廓形GQI；

图6(d)为35断面打磨后组合断面廓形GQI；

图6(e)为40(50)断面打磨前组合断面廓形GQI；

图6(f)为40(50)断面打磨后组合断面廓形GQI。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明道岔组合断面廓形质量指数计算方法，如图2所示，具体实施步骤如下：

步骤1：首先通过道岔设计图确定道岔各关键组合断面的轨枕号，或根据尖轨宽度通过卡尺确定各关键组合断面的位置，接着使用廓形测量仪采集组合断面的实际廓形，然后根据道岔的速度等级(普速/高速)、道岔线形(直尖轨/曲尖轨)、尖轨宽度等，从个性化设计廓形库中可找到与各组合断面对应的目标廓形。此外，还需测量各断面位置尖轨轨底与滑床板的间隙得到尖轨空吊，并记录道岔的尖轨降低值等参数，便于在后续步骤中确定各组合断面廓形的公差带、权重系数等参数。

步骤2：由于廓形测量一般在非承载状态下进行，而实际工作廓形及打磨目标廓形一般均为承载状态，因此测量得到的组合断面廓形中尖轨部分一般偏高，该偏高量一般可用尖轨空吊值表示。为符合实际使用状态，需根据尖轨空吊值对测量的组合断面廓形进行修正，将组合断面先拆分成尖轨和基本轨两部分，对尖轨部分廓形按空吊值向下平移后，与基本轨部分的廓形重新组合，即可得到GQI计算中实际使用的测量廓形，以尽可能地消除非承载状态下尖轨抬升对廓形测量造成的误差；

步骤3：将修正后的组合断面测量廓形与对应的个性化打磨目标廓形进行对齐，组合断面廓形对齐时一般以基本轨顶点或尖轨顶点和组合断面内侧直线段(轨顶向下16mm以下)为基准，如图3所示；

根据所选对齐基准点的不同，对齐方式可分为基本轨对齐、尖轨对齐和自动对齐3种。其中，基本轨对齐即以基本轨顶点和内侧直线为基准进行对齐；尖轨对齐以尖轨顶点和内侧直线为基准进行对齐；自动对齐即根据基本轨顶点和尖轨顶点与设计廓形的高度差，自动从两点中选择高度差值较小的一个顶点作为基准点，结合内侧直线段进行对齐。

组合断面廓形对齐通常以使实测廓形与目标廓形在基准点和基准直线处距离最小为原则。根据组合断面尖轨宽度和承载位置的不同，需要选择不同的对齐方式：

对于尖轨开始承载断面(一般为15/20断面)，优先采用基本轨对齐方式；

对于过渡承载断面(一般为35断面)，优先采用自动对齐方式，也可根据实际情况自行选择，一般原则为：更关注基本轨状态时，优先使用基本轨对齐方式；重点关注尖轨廓形状态时，优先使用尖轨对齐；

对于尖轨完全承载断面(一般为40/50断面)，优先采用尖轨对齐方式。

步骤4：对齐完成后，保持组合断面测量廓形与目标廓形的相对位置不变，将组合廓形拆分成基本轨和尖轨两个分段，一般情况下，组合断面廓形及拆分后的廓形均以靠近轨道中心为右侧放置，如图3、图4所示。将拆分后的基本轨和尖轨两部分廓形按如下方法划分计算区域并确定各区域偏差公差带：

1)针对基本轨部分和尖轨部分的廓形分别确定分区的基准零点(x＝0，如图4)，基准零点确定方式如下：

A.对于基本轨廓形，以基本轨中垂线位置作为GQI计算的分区基准零点；

B.对于尖轨廓形，参考正线廓形轨距点与中垂线的横向位置关系，根据尖轨上的轨距点(组合廓形顶点向下16mm)确定尖轨部分的分区基准零点，即以轨距点向左36mm处为分区基准零点。

2)以分区基准零点为中心，分别按表1和表2中指定的分区边界将基本轨和尖轨廓形划分为4个计算区域(分区边界可根据实际情况酌情调整)，如图4所示，若区域内无有效廓形分段，计算时可直接忽略；

表1 基本轨和尖轨廓形的分区边界

表2 尖轨廓形的分区边界

3)鉴于分界点附近的内凹曲线并无实际意义，在GQI计算时应忽略：

A.对于基本轨廓形，一般先从基本轨廓形右侧端点向左侧找实测廓形与设计廓形的第一个交点，若该点在基本轨顶点右侧，则以该交点为计算截止点；若该交点不存在或者在基本轨顶点左侧，则需从基本轨顶点向右侧找廓形偏差在公差带以内的最后一点作为计算截止点；若基本轨顶点右侧的廓形均低于设计廓形且负偏差均超出公差带，则以基本轨顶点作为计算截止点。

B.对于尖轨廓形，一般以分界点向右测量廓形与设计廓形的第一个交点为计算截止点；若该点不存在或在尖轨顶点右侧，则默认以尖轨顶点作为计算截止点。

C.通过以上方法确定的基本轨计算截止点和尖轨计算截止点之间的廓形区段均不参与GQI计算，如图5所示为某组合断面廓形中不参与GQI计算的区间示意，该区间内的廓形不需进行步骤5中的法向偏差、面积和廓形质量指数计算。

4)对于基本轨和尖轨廓形，按表1和表2划分的4个区域偏差公差带如表3所示(表中各分区偏差公差带为工程应用经验值，可根据实际情况酌情调整)。

表3 基本轨和尖轨不同区域的偏差公差带

步骤5：在目标廓形曲线上等间距取点，保证取点间距不超过0.1mm，分别计算基本轨和尖轨两部分廓形上各区域内测量廓形与目标廓形的法向偏差和两廓形曲线所围成区域的面积，根据区域公差带和权重按公式(2)计算基本轨部分的廓形质量指数GQI_b和尖轨部分的廓形质量指数GQI_s；

式中，下标j为廓形分段类型，j为b或s；j为b时，表示基本轨部分的参数指标；j为s时，表示尖轨部分的参数指标；下标i为廓形区域编号，i＝1～4，分别对应横坐标x＜-20、-20≤x＜0、0≤x＜30和x≥30四个区域；G_Dj为基本轨或尖轨分段廓形的法向偏差评价指标，取值范围0～100；G_Aj为基本轨或尖轨分段廓形的面积偏差评价指标，取值范围0～100；k_Dj为法向偏差评价指标在当前分段廓形中的权重系数；k_Aj为面积偏差评价指标在当前分段廓形中的权重系数，一般有k_Dj+k_Aj＝1；k_ij为当前分段廓形各区域内法向偏差权重系数；d_ij为当前分段廓形各区域内法向偏差未超过偏差公差带的点数；D_ij为当前分段廓形各区域内的总点数(相邻点横坐标间隔一般不超过0.1mm)；A_realj为当前分段廓形各区域实际面积偏差之和；A_maxj为当前分段廓形面积偏差限值，即正向公差带与横轴围成的面积。

步骤6：根据尖轨宽度W_s、偏差基准值T_d、尖轨降低值偏差ΔR等参数，按公式(3)确定尖轨权重K_s和基本轨权重K_b，对GQI_b和GQI_s进行加权计算得到组合断面廓形整体质量指数GQI_Z；

式中，W_max为尖轨部分的横向宽度极限值，当W_s＝W_max时尖轨的权重达到最大值；ΔR为尖轨降低值偏差，即组合断面实测降低值与设计降低值的差值；T_d为尖轨权重调整时的偏差基准值，一般对于普速线路T_d＝0.3mm，对于客专线路T_d＝0.2mm；K_dr为尖轨部分权重的调整系数，其作用如下：若降低值偏差为正值，表示测量廓形上尖轨比理论要低，加权整合计算时，尖轨部分的权重可适当降低；反之，若降低值偏差为负值，尖轨部分的权重可适当提高。同时，对尖轨实际权重K_s做如下限制：0.1≤K_s≤0.95。

步骤7：利用尖轨降低值偏差ΔR按公式(4)对组合断面廓形质量指数GQI_Z进行修正，即可得到组合断面廓形最终的GQI质量指数。

式中，K_a为由尖轨降低值偏差ΔR确定的GQI调整系数：当尖轨降低值偏差绝对值|ΔR|≥2mm时，组合廓形GQI降为原计算值GQI_Z的1/3；当|ΔR|≤1mm时，组合廓形GQI保持原计算值；当1<|ΔR|<2mm时，组合廓形GQI按比例线性下降。

综上所述，通过以上步骤即可得到道岔组合断面廓形GQI，其结果为百分数值，仅当实测组合断面廓形与设计廓形在尖轨和基本轨两部分廓形的计算区域完全一致时，GQI评分才能达到100。通过大量现场试验对算法进行优化调整，目前组合断面GQI与廓形状态(测量廓形与设计廓形的趋近程度)有良好的对应关系，算法较为合理。

采用上述组合断面GQI算法，对打磨前后组合断面廓形进行对比验收，结果如图6所示；可知，采用合理打磨手段，可将组合断面廓形修复至更趋近与设计廓形的状态，各关键断面主要区域廓形偏差值显著下降，其GQI分值也随之显著提高，进一步验证了算法的合理性。

Claims (8)

1.一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：通过下述步骤实现

步骤1：确定道岔各关键组合断面位置，采集组合断面的实际廓形，以及与实际廓形对应的目标廓形；

步骤2：根据尖轨空吊值对测量的组合断面廓形进行修正，消除非承载状态下尖轨抬升对廓形测量造成的误差，得到GQI计算中实际使用的测量廓形；

步骤3：将修正后的组合断面测量廓形与对应的个性化打磨目标廓形进行对齐，以基本轨顶点或尖轨顶点和组合断面内侧直线段为基准；

步骤4：对齐完成后，保持组合断面测量廓形与目标廓形的相对位置不变，将组合廓形拆分成基本轨和尖轨两个分段，将拆分后的基本轨和尖轨两部分廓形分别按横坐标划分为不同区域，并确定各区域的廓形公差带和权重；

步骤5：分别计算基本轨和尖轨两部分廓形上各区域内测量廓形与目标廓形的法向偏差和所围成的面积，根据区域公差带和权重计算基本轨部分的廓形质量指数GQI_b和尖轨部分的廓形质量指数GQI_s；

步骤6：根据尖轨宽度、降低值等参数确定两分段的权重，对GQI_b和GQI_s进行加权计算得到组合断面廓形整体质量指数GQI_Z；

步骤7：通过尖轨降低值对GQI_Z进行修正，得到组合断面廓形最终的GQI质量指数。

2.如权利要求1所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：步骤3对齐方式分为基本轨对齐、尖轨对齐和自动对齐3种；其中，基本轨对齐即以基本轨顶点和内侧直线为基准进行对齐；尖轨对齐以尖轨顶点和内侧直线为基准进行对齐；自动对齐根据基本轨顶点和尖轨顶点与设计廓形的高度差，自动从两点中选择高度差值较小的一个顶点作为基准点，结合内侧直线段进行对齐。

3.如权利要求2所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：根据组合断面尖轨宽度和承载位置的不同，需要选择不同的对齐方式：

对于尖轨开始承载断面，优先采用基本轨对齐方式；

对于过渡承载断面，优先采用自动对齐方式；

对于尖轨完全承载断面，优先采用尖轨对齐方式。

4.如权利要求3所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：对于过渡承载断面，根据实际情况自行选择对齐方式：更关注基本轨状态时，优先使用基本轨对齐方式；重点关注尖轨廓形状态时，优先使用尖轨对齐。

5.如权利要求1所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：

步骤4中分区方法为：

1)针对基本轨部分和尖轨部分的廓形分别确定分区的基准零点，方式为：

A.对于基本轨廓形，以基本轨中垂线位置作为GQI计算的分区基准零点；

B.对于尖轨廓形，参考正线廓形轨距点与中垂线的横向位置关系，根据尖轨上的轨距点确定尖轨部分的分区基准零点；

2)基本轨部分和尖轨部分以基准零点为中心，分区边界点与基准零点的横向距离分别为-20mm与30mm；

3)忽略分界点附近的内凹曲线，不参与GQI计算：

A.对于基本轨廓形，从基本轨廓形右侧端点向左侧找实测廓形与设计廓形的第一个交点，若该点在基本轨顶点右侧，则以该交点为计算截止点；若该交点不存在或者在基本轨顶点左侧，则需从基本轨顶点向右侧找廓形偏差在公差带以内的最后一点作为计算截止点；若基本轨顶点右侧的廓形均低于设计廓形且负偏差均超出公差带，则以基本轨顶点作为计算截止点；

B.对于尖轨廓形，一般以分界点向右测量廓形与设计廓形的第一个交点为计算截止点；若该点不存在或在尖轨顶点右侧，则默认以尖轨顶点作为计算截止点；

C.通过以上方法确定的基本轨计算截止点和尖轨计算截止点之间的廓形区段均不参与GQI计算。

6.如权利要求1所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：步骤5中，基本轨部分的廓形质量指数GQI_b和尖轨部分的廓形质量指数GQI_s计算方法为：目标廓形曲线上等间距取点，保证取点间距不超过0.1mm，计算基本轨部分的廓形质量指数GQI_b和尖轨部分的廓形质量指数GQI_s；

式中，下标j为廓形分段类型，j为b或s；j为b时，表示基本轨部分的参数指标；j为s时，表示尖轨部分的参数指标；下标i为廓形区域编号，i＝1～4，分别对应横坐标x＜-20、-20≤x＜0、0≤x＜30和x≥30四个区域；G_Dj为基本轨或尖轨分段廓形的法向偏差评价指标，取值范围0～100；G_Aj为基本轨或尖轨分段廓形的面积偏差评价指标，取值范围0～100；k_Dj为法向偏差评价指标在当前分段廓形中的权重系数；k_Aj为面积偏差评价指标在当前分段廓形中的权重系数，有k_Dj+k_Aj＝1；k_ij为当前分段廓形各区域内法向偏差权重系数；d_ij为当前分段廓形各区域内法向偏差未超过偏差公差带的点数；D_ij为当前分段廓形各区域内的总点数；A_realj为当前分段廓形各区域实际面积偏差之和；A_maxj为当前分段廓形面积偏差限值。

7.如权利要求1所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：步骤6中，对GQI_b和GQI_s进行加权计算得到组合断面廓形整体质量指数GQI_Z为：

式中，K_s为尖轨实际权重：0.1≤K_s≤0.95；K_b为基本轨权重；W_max为尖轨部分的横向宽度极限值，当尖轨宽度W_s＝W_max时尖轨的权重达到最大值；ΔR为尖轨降低值偏差，即组合断面实测降低值与设计降低值的差值；T_d为尖轨权重调整时的偏差基准值，一般对于普速线路T_d＝0.3mm，对于客专线路T_d＝0.2mm；K_dr为尖轨部分权重的调整系数，其作用如下：若降低值偏差为正值，表示测量廓形上尖轨比理论要低，加权整合计算时，尖轨部分的权重可适当降低；反之，若降低值偏差为负值，尖轨部分的权重可适当提高。

8.如权利要求1所述一种道岔组合断面廓形质量指数计算方法，其特征在于：步骤7中，组合断面廓形质量指数GQI_Z修正方法为：

式中，K_a为由尖轨降低值偏差ΔR确定的GQI调整系数：当尖轨降低值偏差绝对值|ΔR|≥2mm时，组合廓形GQI降为原计算值GQI_Z的1/3；当|ΔR|≤1mm时，组合廓形GQI保持原计算值；当1<|ΔR|<2mm时，组合廓形GQI按比例线性下降。

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