CN114485353A - 一种钢轨廓形测量曲线的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道测量和检测技术领域，公开了一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，该生成方法以标准钢轨轨顶的最高点为坐标原点建立二维坐标系，采集钢轨廓形测量的第一轨迹数据并记录在二维坐标系内；根据测量轮的直径得到测量轮与待测钢轨接触边缘的第二轨迹数据；根据第二轨迹数据绘制包络曲线；在包络曲线的包围区域内取一定点作为圆心O，取一定长为扫描半径L，并计算包络曲线上的数据点与圆心O的距离L’，同一个扫描半径L上,以距离L’最小的数据点为有效数据点，依次连接有效数据点，得到钢轨廓形曲线。本发明通过查找内包络线方法，最终生成需要的钢轨廓形曲线，实现钢轨廓形测量曲线快速生成和计算，曲线生成的精度高。

Description

一种钢轨廓形测量曲线的生成方法

技术领域

本发明涉及轨道测量和检测技术领域，尤其涉及一种钢轨廓形测量曲线的生成方法。

背景技术

在轨道运输中，钢轨与车轮是直接接触的两个部件，精准的车轮和轨道的几何尺寸是提高效率和经济性的最有效办法。伴随着科学性的轮廓设计，可以有效的降低摩擦，提高钢轨和车轮的使用寿命，当钢轨和车轮发生磨损后，伴随着车轮和钢轨的轮廓改变，加剧了磨损和振动，此时精确的测量设备是指导钢轨打磨技术的关键，在精确的测量数据的指导下，将钢轨与车轮恢复到最初的设计轮廓，是轨道维护中一项关键的技术工作。

在实际操作中，操作人员操纵测量仪使得测量轮沿钢轨头断面滚动，在测量轮移动的整个过程中，它的所有轨迹都将被记录下来。实际采集轨迹数据过程中，由于人为因素(如手抖、重复测量某区域的廓形等)，或是需要转换左右两侧的测量轮，虽然最终测量轮轨迹会覆盖钢轨轨头全断面，但不可避免的会存在很多的额外的轨迹数据，影响最终的廓形数据计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，以对钢轨廓形测量得到的轨迹数据进行快速生成和计算以得到钢轨廓形测量曲线。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，包括如下步骤：

S1，以标准钢轨轨顶的最高点为坐标原点建立二维坐标系，采集钢轨廓形测量的第一轨迹数据并将所述第一轨迹数据的离散数据点记录在所述二维坐标系内；

S2，根据测量轮的直径和所述第一轨迹数据，得到所述测量轮与待测钢轨接触边缘的第二轨迹数据；

S3，根据所述第二轨迹数据绘制包络曲线；

S4,在所述包络曲线的包围区域内取一定点作为圆心O，取一定长为扫描半径L，并计算所述包络曲线上的数据点与圆心O的距离L’，同一个扫描半径L上，以所述距离L’最小的所述数据点为有效数据点，依次连接所述有效数据点，得到钢轨廓形曲线。

可选地，步骤S1中所述二维坐标系为X-Y-Z三轴坐标系中的X-Z二维坐标系，Y轴为沿所述标准钢轨的长轴方向，X-Y二维坐标系为水平坐标系。

可选地，步骤S1中所述轨迹数据为所述测量轮至少左右轮换两次测量得到。

可选地，在步骤S4之前还包括数据预处理的步骤：对所述第一轨迹数据和/或所述第二轨迹数据进行数据预处理得到第三轨迹数据，根据所述第三轨迹数据绘制所述包络曲线，然后执行步骤S4。

可选地，步骤S4所述数据预处理为低通滤波去噪处理和/或移动平均值去噪处理。

可选地，步骤S4中所述扫描半径L大于所述距离L’的最大值。

可选地，步骤S1中所述第一轨迹数据，通过钢轨轨头廓形测量仪得到，所述钢轨轨头廓形测量仪包括：

编码器，所述编码器设有两个，两个所述编码器之间通过连接杆连接；

测量支臂，所述测量支臂的一端连接于其中一个所述编码器，另一端转动连接测量轮；

上位机，所述上位机与两个所述编码器通讯连接，两个所述编码器采集所述连接杆和所述测量支臂的转角并上传给所述上位机。

可选地，所述第一轨迹数据为：

X(M)＝(L₁-L₂ cosω)sinθ₁-L₂ sinωcosθ₁

Y(M)＝-(L₁-L₂ cosω)cosθ₁-L₂ sinωsinθ₁

其中，L₁和L₂分别为所述连接杆和所述测量支臂的长度，ω为所述测量支臂和所述连接杆之间的夹角，θ₁为所述连接杆相对于竖直方向的转角，θ₂为所述测量支臂相对于竖直方向的转角。

可选地，所述测量轮设有两个，两个所述测量轮呈人字形对称设在所述测量支臂的长轴方向的两侧。

可选地，每个所述测量轮上设有磁性件，所述磁性件能够吸附在所述待测钢轨上。

本发明的有益效果：

本发明的一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，将采集的第一轨迹数据在二维坐标系内记录并绘制曲线，通过查找内包络线方法，最终生成需要的钢轨廓形曲线，实现钢轨廓形测量曲线快速生成和计算，曲线生成的精度高。

附图说明

图1是本发明的一种钢轨廓形测量曲线的生成方法流程图；

图2是本发明实施例中采集的第一轨迹数据在二维坐标系内的轨迹曲线；

图3是本发明实施例中测量轮与待测钢轨接触边缘的第二轨迹数据的轨迹曲线；

图4是本发明实施例中对第一轨迹数据或第二轨迹数据进行数据预处理后得到的轨迹曲线；

图5是本发明实施例中应用本发明的一种钢轨廓形测量曲线的生成方法得到的钢轨廓形曲线；

图6是本发明实施例中提供的一种钢轨轨头廓形测量仪的原理示意图；

图7是本发明实施例提供的一种钢轨轨头廓形测量仪(双测量轮)的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种钢轨轨头廓形测量仪(单测量轮)的结构示意图。

图中：

100.待测钢轨；

1.第一编码器；11.底座；2.第二编码器；3.连接杆；4.测量支臂；5.测量轮；6.基准座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。

本发明提供本发明提供一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，如图1所示流程图，结合图2-图7，包括如下步骤：

S1，以标准钢轨轨顶的最高点为坐标原点建立二维坐标系，采集钢轨廓形测量的第一轨迹数据并将第一轨迹数据的离散数据点记录在二维坐标系内；

在实际数据采集过程中，操作人员操作测量仪使得测量轮5沿待测钢轨100的轨头断面滚动，并进入自动控制跟踪测量轮5运动轨迹和采集数据过程，此过程中，通过设置二维坐标系，可以将测量轮5的滚动过程记录下来，得到第一轨迹数据。在多次采集数据时，会由于人为因素(如手抖、重复测量某区域的廓形)或更换测量轮5等原因，出现额外的轨迹数据，影响最终的廓形数据计算，因此需要对第一轨迹数据进行处理。如图2所示是根据测量轮5单次测量采集的第一轨迹数据绘制的二维坐标曲线。

S2，根据测量轮5的直径和第一轨迹数据，得到测量轮5与待测钢轨100接触边缘的第二轨迹数据；

步骤S1中通过测量轮5的滚动记录的第一轨迹数据为测量轮5的中心点M的运动轨迹数据，而实际上与钢轨表面直接接触的是测量轮5的轮缘，并不是测量轮5的中心，因此，需要将测量轮5的中心点M的运动轨迹数据转换为测量轮5的轮缘的运动轨迹数据。具体地，可以根据测量轮5的直径2r进行换算得到，如图3所示为测量轮5的轮缘和中心的运动轨迹对比示意图，两个运动轨迹的包络线相差一个测量轮5的半径r。

S3，根据第二轨迹数据绘制包络曲线，如图2和图3所示。

S4，在包络曲线的包围区域内取一定点作为圆心O，取一定长为扫描半径L，并计算包络曲线上的数据点与圆心O的距离L’，同一个扫描半径L上，以距离L’最小的数据点为有效数据点，依次连接有效数据点，得到钢轨廓形曲线，如图5。

以图2为例，首先取包络曲线内的一点为圆心O，计算包络曲线上所有数据点与圆心O之间的距离L’，并选取距离L’的最大值，取扫描半径L，扫描半径L不小于距离L’的最大值，扫描半径L绕圆心O扫描一周360°，在每一个扫描半径L上的找到有效数据点。需要说明的是，扫描半径L的扫描角度根据实际所需要的计算精度选取，对于拐点位置可以加密扫描，对于包络曲线上缺失的部分，或者数据相差很大的部分，可以根据移动平均值法进行数据补充。

本发明的一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，将采集的第一轨迹数据在二维坐标系内记录并绘制曲线，通过查找内包络线方法，最终生成需要的钢轨廓形曲线，实现钢轨廓形测量曲线快速生成和计算，且精度高。该钢轨廓形测量曲线的生成方法，对操作人员的技术要求较低，允许采集初始轨迹数据过程中存在较大的误差，因此能够大大降低操作人员的工作强度，利于提高钢轨廓形测量效率。

可选地，步骤S1中二维坐标系为X-Y-Z三轴坐标系中的X-Z二维坐标系，Y轴为沿标准钢轨的长轴方向，X-Y二维坐标系为水平坐标系。

对于钢轨测量，采用待测钢轨100与标准钢轨相同的坐标系，利于实现轨迹数据的转换，便于进行轨迹数据对照，以便快速得到待测钢轨100的检测结果。本发明中，以轨顶面最高点为原点P，定义Y轴沿标准钢轨的长轴方向，X-Y坐标系为水平坐标系，即位于X-Y平面，则可确定X-Z二维坐标系(位于X-Z平面)，采集测量轮的第一轨迹数据用于钢轨廓形生成。

可选地，步骤S1中第一轨迹数据为测量轮5至少左右轮换两次测量得到。

鉴于钢轨测量的实际操作过程中，由于钢轨较长，测量过程中可能发生中断，操作人员差异可能导致误差较大的情况，可以采用测量轮5多次重复滚动测量的方式以加强待测钢轨100的廓形可靠性，同时，对于双测量轮5结构，需要在多次测量时更换测量轮5在待测钢轨100两侧的滚动，以便得到待测钢轨100两侧的检测数据，对待测钢轨100实现全面的检测。

可选地，本实施例提供的钢轨廓形测量曲线的生成方法，在步骤S4之前，还包括数据预处理的步骤：对第一轨迹数据和/或第二轨迹数据进行数据预处理得到第三轨迹数据，根据第三轨迹数据绘制包络曲线，然后执行步骤S4。

从测量轮5中心点M在单次测量中的运动轨迹(图2)中可以清楚地看到，除了目标钢轨轨头廓形的外包络线之外，还存在操作过程中的额外干扰轨迹数据，由于轨廓测量仪对操作人员的操作过程没有硬性要求，因此这些干扰数据没有特定的规律，没有办法预判，不能通过简单的方法进行排除，因此需要首先对采集的数据通过低通滤波等预处理把明显的无用数据进行剔除，并通过移动平均法对廓形数据进行平滑波动效果，减少计算量，提高廓形的生成效率。

本实施例中，作为可选择地方案，可以对测量轮5的轮缘的第二轨迹数据进行预处理，也可以对测量轮5的中心点M的第一轨迹数据进行预处理，具有同样的减少计算量和提高廓形的生成效率的效果。

低通滤波处理需要根据采集的廓形数据的特点，设定一个截止频率，当超过该截止频率的高频信号则被阻隔减弱，由此把廓形数据(第一轨迹数据或第二轨迹数据)外侧的噪声数据过滤掉。

移动平均值去噪处理是一种移动平均法，对第一轨迹数据或第二轨迹数据进行平滑去噪。设各数据的权重都相等，则移动平均值去噪处理的计算公式如下：

F_t＝(A_t-1+A_t-2+A_t-3+…+A_t-n)/n

式中，F_t为预测值；n为移动平均的数据个数；A_t-n为前n个数据的实际值或计算值。

经过数据预处理计算得出的内侧测量轮5边缘轨迹(即内包络线的包围区域)，便是有效廓形数据，也是需要进行内包络线扫描的区域，如图4所示。

可选地，步骤S4中扫描半径L大于距离L’的最大值。以便于在扫描过程中得到尽可能的全部数据点对应的距离L’。

可选地，步骤S1中第一轨迹数据，通过钢轨轨头廓形测量仪得到，如图6和图7所示，钢轨轨头廓形测量仪包括编码器、测量支臂4和上位机，编码器设有两个，分别为第一编码器1和第二编码器2，两个编码器之间通过连接杆3连接；测量支臂4的一端连接于其中一个编码器(图7中连接于第二编码器2)，另一端转动连接测量轮5；上位机与两个编码器通讯连接，两个编码器采集连接杆3和测量支臂4的转角并上传给上位机。

需要解释说明的是，测量轮5在待测钢轨100上滚动测量时，第一编码器1设于待测钢轨100的最高点并能够在测量轮5滚动的过程中在待测钢轨100上滑动，起到限位测量轮5的导向作用，因此第一编码器1上可以设置底座与待测钢轨100相适配安装。测量轮5滚动过程中，测量支臂4相对于竖直方向的转角θ₂可以通过第二编码器2进行测量后上传给上位机，连接杆3相对于竖直方向的转角θ₁可以通过第一编码器1进行测量后上传给上位机，同时，在测量过程中，测量支臂4和连接杆3之间的夹角ω通过第一编码器1或第二编码器2采集并上传至上位机。测量支臂4的长度L₂和连接杆3的长度L₁为预设值，并储存在上位机。

据此，可以得到第一轨迹数据的横纵坐标数值为：

X(M)＝(L₁-L₂ cosω)sinθ₁-L₂ sinωcosθ₁

Y(M)＝-(L₁-L₂ cosω)cosθ₁-L₂ sinωsinθ₁

通过上述结构，可以实现在测量支臂4的检测端即朝向待测钢轨100的端部设置一个或两个测量轮5，如图7所示，两个测量轮5呈人字形对称设在测量支臂4的长轴方向的两侧，如图8所示，一个测量轮5设置在测量支臂4的末端，便于实现对待测钢轨100两侧的廓形检测。如图7和图8所示，测量支臂4的一端与第二编码器2转动连接，第二编码器1与第一编码器1转动连接，第一编码器1通过一个底座11设于待测钢轨100的顶端，底座11上设有基准座6，基准座6为杆件，在测量时，基准座6的两端分别设于两根待测钢轨100的最高点以支撑，能够确保测量轮5在待测钢轨100上的稳定滚动，避免倾覆或偏转影响测量，基准座6的两端配重相同。

可选地，每个测量轮5上设有磁性件，磁性件能够吸附在待测钢轨100上，使得待测钢轨100和测量轮5之间产生均匀的吸附力，磁性件优选采用高强磁柱结构便于安装和吸附。

经过测试，以上内包络线(即钢轨廓形测量曲线)生成方法，扫描生成一个钢轨轨头廓形的时间不超过1秒。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，以标准钢轨轨顶的最高点为坐标原点建立二维坐标系，采集钢轨廓形测量的第一轨迹数据并将所述第一轨迹数据的离散数据点记录在所述二维坐标系内；

S2，根据测量轮(5)的直径和所述第一轨迹数据，得到所述测量轮(5)与待测钢轨(100)接触边缘的第二轨迹数据；

S3，根据所述第二轨迹数据绘制包络曲线；

S4,在所述包络曲线的包围区域内取一定点作为圆心O，取一定长为扫描半径L，并计算所述包络曲线上的数据点与圆心O的距离L’，同一个扫描半径L上,以所述距离L’最小的所述数据点为有效数据点，依次连接所述有效数据点，得到钢轨廓形曲线。

2.根据权利要求1所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，步骤S1中所述二维坐标系为X-Y-Z三轴坐标系中的X-Z二维坐标系，Y轴为沿所述标准钢轨的长轴方向，X-Y二维坐标系为水平坐标系。

3.根据权利要求1所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，步骤S1中所述第一轨迹数据为所述测量轮(5)至少左右轮换两次测量得到。

4.根据权利要求1所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，在步骤S4之前还包括数据预处理的步骤：对所述第一轨迹数据和/或所述第二轨迹数据进行数据预处理得到第三轨迹数据，根据所述第三轨迹数据绘制所述包络曲线，然后执行步骤S4。

5.根据权利要求4所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，所述数据预处理为低通滤波去噪处理和/或移动平均值去噪处理。

6.根据权利要求1所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，步骤S4中所述扫描半径L大于所述距离L’的最大值。

7.根据权利要求1所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，步骤S1中所述第一轨迹数据，通过钢轨轨头廓形测量仪得到，所述钢轨轨头廓形测量仪包括：

编码器，所述编码器设有两个，两个所述编码器之间通过连接杆(3)连接；

测量支臂(4)，所述测量支臂(4)的一端连接于其中一个所述编码器，另一端转动连接所述测量轮(5)；

上位机，所述上位机与两个所述编码器通讯连接，两个所述编码器采集所述连接杆(3)和所述测量支臂(4)的转角并上传给所述上位机。

8.根据权利要求7所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，所述第一轨迹数据为：

X(M)＝(L₁-L₂cosω)sinθ₁-L₂sinωcosθ₁

Y(M)＝-(L₁-L₂cosω)cosθ₁-L₂sinωsinθ₁

其中，L₁和L₂分别为所述连接杆(3)和所述测量支臂(4)的长度，ω为所述测量支臂(4)和所述连接杆(3)之间的夹角，θ₁为所述连接杆(3)相对于竖直方向的转角，θ₂为所述测量支臂(4)相对于所述竖直方向的转角。

9.根据权利要求7所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，所述测量轮(5)设有两个，两个所述测量轮(5)呈人字形对称设在所述测量支臂(4)的长轴方向的两侧。

10.根据权利要求7所述的钢轨廓形测量曲线的生成方法，其特征在于，每个所述测量轮(5)上设有磁性件，所述磁性件能够吸附在所述待测钢轨(100)上。

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