CN116644890A - 一种高速铁路钢轨大修指数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，涉及高速铁路钢轨技术领域，采集高速铁路钢轨服役信息；基于所述钢轨线路信息计算获得钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数和钢轨伤损参数；基于钢轨管理单位和线路实际情况，获取钢轨大修经济性参数；基于钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数。本发明提出的高速铁路钢轨大修指数计算方法能够在保证高速铁路运输安全的同时有效避免资源浪费，兼顾安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路钢轨技术领域，特别涉及一种高速铁路钢轨大修指数计算方法。
背景技术
高速铁路是指列车运行速度200km/h及以上的铁路。对高速铁路钢轨进行维护是高速铁路运营的重要工作，其中，钢轨大修是指铁路线路大范围更换钢轨的一种维修手段。部分高速铁路开通运营十余年，钢轨已处于服役中后期，需要提前储备大修相关技术、制定大修规则，大修时机的决策就是其中的首要技术难题，大修过早不能充分发挥钢轨性能，带来不必要的资源浪费，大修过晚钢轨可能发生严重伤损，存在安全风险。因此，提出科学合理的高速铁路钢轨大修时机决策方法十分必要。
现有的一种钢轨大修技术方案为固定周期修方案。我国普速铁路基于长期钢轨修理经验，钢轨大修主要考虑钢轨疲劳伤损，采用周期修模式，规定了60kg/m钢轨大修周期为通过总质量10亿吨或重伤达到2～4处/km。上述固定周期修方案对高速铁路适用性不强，无法直接应用于高速铁路钢轨大修时机决策工作中。一方面考虑到我国人口密度和经济发展特点，不同地区高速铁路运量存在较大差异，若按固定周期(通过总质量10亿吨)进行大修，可能导致运量较小地区钢轨服役年限过长而存在其他安全风险；另一方面，高速铁路钢轨技术标准、养护维修水平、线路条件及运行车辆状态均优于普速铁路，钢轨服役状态总体良好，鲜有重伤出现，因此，重伤达到2～4处/km的大修判定依据也不适用。
现有的另一种钢轨大修技术方案是基于人工智能的钢轨大修决策支持方法。通过采集与钢轨大修相关的特征数据，将钢轨轻重伤列为重点影响因素，并将钢轨磨耗列为次要影响因素，钢轨服役时间列为历史因素，综合重点影响因素、次要影响因素和历史因素综合计算得到换轨趋势。但是，上述基于人工智能的钢轨大修决策支持方法对于高速铁路服役特点考虑不足，无法适用于高速铁路钢轨大修时机决策工作中。现有的基于人工智能的钢轨大修决策支持方法的重点影响因素为钢轨轻重伤，次要影响因素为磨耗，历史因素为服役时间，可从目前高速铁路钢轨服役情况来看，钢轨整体状态良好，伤损、磨耗均较少，且服役状态并未随服役时间增加而急剧劣化。因此，在分析高速铁路钢轨大修决策影响因素时，不能简单地将服役状态参数(伤损、磨耗)和服役时间列为次要影响因素。
有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，经过反复试验设计出一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，以期解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，能够在保证高速铁路运输安全的同时有效避免资源浪费，兼顾安全性和经济性。
为达到上述发明目的，本发明提出一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，其中，采集高速铁路钢轨服役信息；基于所述钢轨线路信息计算获得钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数和钢轨伤损参数；基于钢轨管理单位和线路实际情况，获取钢轨大修经济性参数；基于钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
本发明提出的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，根据钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数，综合考虑了反应钢轨安全性的钢轨服役时长、磨耗和伤损等参数，又兼顾了经济性的钢轨大修经济性参数，可在保障高速铁路运输安全的同时有效避免资源浪费。
本发明提出的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，充分结合高速铁路钢轨服役特点，将钢轨服役时间、磨耗伤损状态考虑为同等重要的因素，并新增了钢轨大修经济性评估，更有利于实现高速铁路钢轨精准修和经济修。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明提出的高速铁路钢轨的大修指数计算方法的示意图；
图2为本发明中一实施例的流程图。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
如图1所示，本发明提出一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，采集高速铁路钢轨服役信息；基于钢轨线路信息计算获得钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数和钢轨伤损参数；基于钢轨管理单位和线路实际情况，获取钢轨大修经济性参数；基于钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数。
本发明提出的高速铁路钢轨大修指数计算方法，根据钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数，综合考虑了反应钢轨安全性的钢轨服役时长、磨耗和伤损等参数，又兼顾了经济性的钢轨大修经济性参数，可在保障高速铁路运输安全的同时有效避免资源浪费。
本发明提出的高速铁路钢轨大修指数计算方法，充分结合高速铁路钢轨服役特点，将钢轨服役时间、磨耗伤损状态考虑为同等重要的因素，并新增了钢轨大修经济性评估，更有利于实现高速铁路钢轨精准修和经济修。在本发明一个可选的实施方式中，高速铁路钢轨服役信息，包括：钢轨服役的线路信息和钢轨状态信息。
在该实施方式一个可选的例子中，线路信息，包括：钢轨所在线路的名称、行别、股别、里程范围、铺设时间、通过总质量和环境特征信息。
在一个可选的例子中，行别包括上行和下行。
在一个可选的例子中，股别包括左股和右股。
在一个可选的例子中，通过总质量，为钢轨铺设上道后的累计通过总质量。
在一个可选的例子中，环境特征为钢轨是否服役于强腐蚀环境。
在一个可选的例子中，可以将高速铁路钢轨服役的线路信息记录于如下表1-1中以便于后续计算和分析。
表1
在表1中，里程范围中“KXXX+XXX”中的“KXXX”表示钢轨所在的公里标，“+XXX”表示钢轨所在的具体位置，精确到米；如K123+300～K125+500表示钢轨位于第123.3公里～第135.5公里之间。
在该实施方式一个可选的例子中，钢轨状态信息包括钢轨牌号、型式尺寸、磨耗和伤损信息。
在一个可选的例子中，磨耗信息包括钢轨垂直磨耗和侧面磨耗。
在一个可选的例子中，伤损信息包括钢轨接触疲劳类伤损信息、锈蚀伤损信息、钢轨表面裂纹信息和焊接接头伤损信息。
进一步的，钢轨接触疲劳类伤损信息包括表面裂纹深度、次表面裂纹深度、剥离掉块深度、擦伤深度和隐伤深度等。
进一步的，钢轨表面裂纹信息包括是否出现轨头下颚水平裂纹、轨腰水平裂纹、轨头纵向裂纹、轨底裂纹等。
进一步，焊接接头伤损信息以超声波探伤达到判废标准。
在一个可选的例子中，可以将高速铁路钢轨服役的钢轨状态信息记录于如下表2-1中以便于后续计算和分析。
表2
在本发明一个可选的实施方式中，钢轨服役时间参数由实际钢轨服役时长和区段累计通过总质量计算获得，铁路钢轨服役时间参数计算公式为：
式中，T为钢轨服役时间参数，A为区段钢轨预计服役时长(单位：年)，Ai为实际服役时长(单位：年)；B为区段预计通过总质量(单位：亿吨)，Bi为实际通过总质量(单位：年)。
上式中，利用预计服役时长和预计通过总质量分别对实际服役时长和实际通过总质量进行归一化处理。预计服役时长和预计通过总质量需参考区段钢轨使用历史和服役状态进行预判，建议取值分别为30年和10亿吨。
进一步的，高速铁路的钢轨服役时间参数即为实际服役时长或实际通过总质量归一化处理后的最小值。
在本发明一个可选的实施方式中，所述钢轨磨耗参数，其计算公式为：
式中，W为钢轨磨耗参数，W1为高速铁路钢轨垂直磨耗限值(单位：mm)，W1i为实际钢轨垂直磨耗(单位：mm)；W2为高速铁路钢轨侧面磨耗限值(单位：mm)，W2i为实际钢轨侧面磨耗(单位：mm)；W3为高速铁路钢轨总磨耗限值(单位：mm)，W3i为实际钢轨总磨耗(单位：mm)，并且，钢轨总磨耗＝钢轨垂直磨耗+1/2侧面磨耗。
在该实施方式中，利用磨耗限值对实测磨耗进行归一化处理。依据相关标准，高速铁路钢轨垂直磨耗限值为8mm，侧面磨耗限值为10mm，钢轨总磨耗限值为9mm。钢轨磨耗参数即为实际钢轨垂直磨耗、侧面磨耗或总磨耗归一化处理后的最小值。
在本发明一个可选的实施方式中，钢轨伤损参数，其计算公式为：
式中，S为钢轨伤损参数，S1为高速铁路钢轨接触疲劳类伤损深度限值(单位：mm)，S1i为实际钢轨接触疲劳类伤损裂纹深度(单位：mm)；S2为强腐蚀区段高速铁路钢轨使用年限(单位：年)，Ai为实际服役时长；S3为钢轨表面伤损，出现伤损S3＝0，未出现伤损S3＝1；S4为钢轨焊接接头伤损，出现伤损S4＝0，未出现伤损S4＝1。
在一个可选的例子中，S1i建议取值为1mm；S2建议取值为15年。
在该实施方式中，钢轨伤损参数即为实际钢轨接触疲劳类伤损或锈蚀伤损归一化处理后，以及表面伤损或焊接机头伤损取值后的最小值。
在本发明一个可选的实施方式中，通过比较高速铁路钢轨大修和维修的经济成本及安全风险，确定所述钢轨大修经济性参数。
具体的，高速铁路钢轨大修经济性评估主要考虑钢轨大范围换轨和局部换轨的经济成本，需基于不同钢轨管理单位和线路实际情况(如换轨装备、换轨技术成熟度、天窗时间、备轨情况、维修能力等)，兼顾经济成本和安全风险。
在一个可选的例子中，对比分析大范围换轨和局部维修的经济成本和安全风险，若大修换轨策略更佳，大修经济性参数E＝0；若局部维修策略更佳，大修经济性参数E＝1。
在本发明一个可选的实施方式中，钢轨大修指数的计算方法，是按照a：b：c：d的权重系数分配给时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数，则钢轨大修指数的计算公式为：
I＝aT+bW+cS+dE
式中，T为钢轨服役时间参数；a为钢轨服役时间参数的权重：W为钢轨磨耗参数；b为钢轨磨耗参数的权重系数：S为钢轨伤损参数；c为钢轨伤损参数的权重系数：E为钢轨大修经济性参数；d为钢轨大修经济性参数的权重系数。
在该实施方式一个可选的例子中，权重系数的分配，a：b：c：d优选为3：3：3：1。则，高速铁路钢轨大修指数(I)的计算公式为：
I＝3T+3W+3S+E
需要说明的是，目前给出的权重系数建议值可通过专家问卷、座谈等方式进行调整优化。
在本发明一个可选的实施方式中，根据如上所述的计算高速铁路钢轨大修指数确定钢轨大修方案。
在该实施方式一个可选的例子中，当高速铁路钢轨大修指数为最高分10分时，表明钢轨处于初始状态，无需对高速铁路钢轨进行维修和大修；当高速铁路钢轨大修指数为6～10分时，表明钢轨服役状态逐渐劣化，存在维修换轨情况；当高速铁路钢轨大修指数小于等于6时，需及时制定钢轨大修计划、安排大修换轨。
现结合一实施例，详细说明本发明提出的高速铁路钢轨的大修指数计算方法的具体实施过程。
步骤1：采集高速铁路钢轨服役信息。
以某高速铁路下行某区段为例，该区段长2公里，钢轨于2009年6月铺设上道，累积服役约13年，累积通过总质量4.9亿吨，线路环境为南方潮湿气候条件，但不是强腐蚀环境。其他线路信息见表1-2：
表1-2某高速铁路钢轨线路信息
经现场调查发现，该区段铺设60kg/m的U71MnK钢轨，钢轨垂直磨耗4.5mm，无侧磨，轨面存在隐伤伤损，裂纹深度1mm，无其他伤损。具体情况见表2-2：
表2 -2某高速铁路钢轨服役信息
步骤2：计算高速铁路钢轨服役时间参数
依据上述钢轨服役时间参数计算方法和线路信息，先对服役时长和累积通过总质量进行归一化处理：
(1)该区段钢轨服役时长为13年，服役时长归一化结果＝(30-13)/30＝0.57；
(2)该区段累积通过总质量为4.9亿吨，累积通过总质量归一化结果＝(10-4.9)/10＝0.51。
该区段钢轨服役时间参数(T)取(1)和(2)的最小值，即T＝0.51。
步骤3：计算高速铁路钢轨服役状态参数
基于该区段钢轨服役信息和磨耗参数、伤损参数计算方法，对钢轨磨耗和伤损进行分别计算：
(1)钢轨磨耗参数
1)钢轨垂直磨耗为4.5mm，钢轨垂直磨耗归一化结果＝(8-4.5)/8＝0.44；
2)钢轨无侧面磨耗，钢轨侧面磨耗归一化结果＝1；
3)钢轨总磨耗为4.5mm，钢轨总磨耗归一化结果＝0.5
钢轨磨耗参数(W)取1)、2)和3)中的最小值，即W＝0.44。
(2)钢轨伤损参数
从钢轨服役信息可见，该区段钢轨伤损主要为钢轨隐伤，深度1mm，由伤损参数计算方法，可见计算得到接触疲劳类伤损深度S1＝0，钢轨锈蚀S2＝1，钢轨表面伤损S3＝1，焊接接头伤损S4＝1，由此可得钢轨伤损参数S＝0。
步骤4：评估高速铁路钢轨大修经济性
由于该区段钢轨接触疲劳类伤损出现较多，钢轨维修换轨、打磨等需占用大量天窗时间、人力和物力，且维修施工期间，车辆需限速通过，影响运输效率，长时间维修施工也将增加安全风险。
该区段钢轨管理单位具有较强的大修换轨施工能力和丰富的大修换轨施工经验，施工方案成熟，2公里的钢轨可在2个天窗时间内完成更换，换轨施工效率高且工完料清，施工安全更有保障，对铁路运输的影响也较小。
综上所述，考虑经济成本和安全风险，大修换轨策略更加，大修经济性参数E＝0。
步骤5：计算高速铁路钢轨大修指数
由钢轨时间参数(T)、钢轨磨耗参数(W)和钢轨伤损参数(S)和大修经济性参数(E)的计算结果，可获得该区段钢轨大修指数I＝3×0.51+3×0.44+3×0+1×0＝2.85
步骤6：提出高速铁路钢轨大修决策建议
依据该区段钢轨大修指数计算结果(I＝2.85)，该区段需及时制定钢轨大修计划、安排大修换轨。
针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。
Claims (16)
1.一种高速铁路钢轨大修指数计算方法，其特征在于，采集高速铁路钢轨服役信息；基于所述钢轨线路信息计算获得钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数和钢轨伤损参数；基于钢轨管理单位和线路实际情况，获取钢轨大修经济性参数；基于钢轨服役时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数计算钢轨大修指数。
2.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨服役信息，包括：钢轨服役的线路信息和钢轨状态信息。
3.如权利要求2所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述线路信息，包括：钢轨所在线路的名称、行别、股别、里程范围、铺设时间、通过总质量和环境特征信息。
4.如权利要求3所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述行别包括上行和下行。
5.如权利要求3所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述股别包括左股和右股。
6.如权利要求3所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述通过总质量，为钢轨铺设上道后的累计通过总质量。
7.如权利要求3所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述环境特征为钢轨是否服役于强腐蚀环境。
8.如权利要求2所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨状态信息包括钢轨牌号、型式尺寸、磨耗和伤损信息。
9.如权利要求8所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述磨耗信息包括钢轨垂直磨耗和侧面磨耗。
10.如权利要求8所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述伤损信息包括钢轨接触疲劳类伤损、锈蚀伤损、钢轨表面裂纹和焊接接头伤损。
11.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨服役时间参数由实际钢轨服役时长和区段累计通过总质量计算获得，铁路钢轨服役时间参数计算公式为：
式中，T为钢轨服役时间参数，A为区段钢轨预计服役时长，Ai为实际服役时长；B为区段预计通过总质量，Bi为实际通过总质量。
12.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨磨耗参数，其计算公式为：
式中，W为钢轨磨耗参数，W1为高速铁路钢轨垂直磨耗限值，W1i为实际钢轨垂直磨耗；W2为高速铁路钢轨侧面磨耗限值，W2i为实际钢轨侧面磨耗；W3为高速铁路钢轨总磨耗限值，W3i为实际钢轨总磨耗。
13.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨伤损参数，其计算公式为：
式中，S为钢轨伤损参数，S1为高速铁路钢轨接触疲劳类伤损深度限值，S1i为实际钢轨接触疲劳类伤损裂纹深度；S2为强腐蚀区段高速铁路钢轨使用年限，Ai为实际服役时长；S3为钢轨表面伤损；S4为钢轨焊接接头伤损。
14.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，通过比较高速铁路钢轨大修和维修的经济成本及安全风险，确定所述钢轨大修经济性参数。
15.如权利要求1所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述钢轨大修指数的计算方法，是按照a：b：c：d的权重系数分配给时间参数、钢轨磨耗参数、钢轨伤损参数和钢轨大修经济性参数，则钢轨大修指数的计算公式为：
I＝aT+bW+cS+dE
式中，T为钢轨服役时间参数；a为钢轨服役时间参数的权重：W为钢轨磨耗参数；b为钢轨磨耗参数的权重系数：S为钢轨伤损参数；c为钢轨伤损参数的权重系数：E为钢轨大修经济性参数；d为钢轨大修经济性参数的权重系数。
16.如权利要求15所述的高速铁路钢轨的大修指数计算方法，其特征在于，所述权重系数的分配，a：b：c：d优选为3：3：3：1。
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