一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法与流程

本发明涉及钢轨打磨，具体为一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法。

背景技术：

1、在铁路运输系统中，钢轨作为轨道结构的重要组成部分，承受着来自列车行驶的动态载荷和长期应力集中，导致其在服役期间出现多种形式的损伤，如轮轨侧面磨耗、轨角裂纹、波磨磨损、轨头压溃、剥离掉块、轨顶擦伤等。这些病害不仅影响列车运行品质，还威胁到行车安全，增加了商业运营成本。因此，对钢轨进行定期打磨，以消除或减缓这些病害，是保障铁路运输安全、延长钢轨使用寿命的重要手段。

2、在申请公布号为cn106951657a的中国发明申请中，公开了一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括使用三次nurbs曲线构建磨损廓形的参数化模型；以磨损钢轨廓形nurbs参数化模型的可调整权因子为设计变量，轮轨接触应力和轮轨动力学性能指标为因变量，建立磨损钢轨打磨目标廓形性能的kriging模型；以可调整权因子为设计变量，以钢轨打磨目标廓形性能的kriging模型为目标函数，建立钢轨打磨目标廓形的优化设计模型，实现对磨损钢轨打磨目标廓形的最优设计。

3、在以上发明申请中，使用三次nurbs曲线构建磨损廓形的参数化模型，以磨损钢轨廓形nurbs参数化模型的可调整权因子为设计变量，轮轨接触应力和轮轨动力学性能指标为因变量，建立磨损钢轨打磨目标廓形性能的kriging模型，但磨损钢轨廓形为使用钢轨轮廓扫描仪，获得磨损钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为nurbs曲线的型值点，构建基于三次nurbs曲线的磨损钢轨打磨横断面廓形曲线参数化模型，也就是说是对每一个点进行打磨轮廓分析，使得计算量非常庞大，对于已经重度损伤的钢轨，打磨已经无法满足使用需求，依旧对钢轨上的每一个点进行打磨轮廓分析，浪费了时间和计算成本。

4、为此，本发明提供了一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，本发明通过将磨损钢轨划分为曲线段和直线段分开分析，先分析段内钢轨损伤程度是否需要进行打磨轮廓分析，再对段内每一节钢轨进行细化分析，这有助于制定更加精细化的维护计划，针对不同磨损程度的钢轨采取不同的修复措施，从而解决了背景技术中记载的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，包括如下步骤：

5、测量磨损钢轨各处的垂直磨耗量和侧面磨耗量，并依据测量时间顺序对磨损钢轨测量点进行顺序编号，计算每个测量点与前一个顺序编号测量点的斜率k1和后一个顺序编号测量点的斜率k2，依据k1和k2的关系将测量点划分为直线段点或曲线段点，遍历整个点集，标记出直线段和曲线段的开始点和结束点，将磨损钢轨划分为直线段和曲线段；

6、通过每个直线段的平均垂直磨耗量、平均侧面磨耗量和平均总磨损量与重伤阈值之间的关系，判断整个直线段是直接更换还是进行打磨修复，若直线段进行打磨修复，则进一步分析直线段内每节钢轨的磨损状态，确定每节钢轨的代表磨损廓形；

7、通过曲线段内每个测量点的垂直磨耗量、侧面磨耗量和总磨损量与重伤阈值之间的关系，判断该测量点对应的一节钢轨是直接更换还是进行打磨修复，若进行打磨修复则计算钢轨的极限差异系数，依据钢轨的极限差异系数和曲线段极限差异阈值的关系，确定曲线段每节钢轨的代表磨损廓形；

8、依据钢轨的初始轨头曲线和代表磨损廓形数据确定打磨目标廓形，并将每节钢轨节端点的打磨目标廓形进行比对和平滑过渡，依据顺序编号将钢轨完整打磨目标廓形数据拼接后，输出磨损钢轨的打磨廓形方案。

9、进一步的，将磨损测量仪与磨损钢轨起点相接触并吻合，自动沿磨损钢轨移动至磨损钢轨终点，测量磨损钢轨各处的垂直磨耗量和侧面磨耗量，并记录磨损钢轨测量点的测量时间和位置坐标。

10、钢轨磨损测量仪通常通过机械或电子方式测量钢轨表面的磨损深度。其中，机械式测量仪通常利用游标卡尺或类似原理进行测量，而电子式测量仪则可能采用激光、超声波等先进技术进行非接触式测量。这些测量数据可以直观地显示在仪表上，供工作人员读取和分析，部分型号具备自动移动测量能力。

11、进一步的，获取磨损钢轨测量点的测量时间和位置坐标，依据测量时间顺序对磨损钢轨测量点进行顺序编号，计算每个测量点与前一个顺序编号测量点的斜率k1和后一个顺序编号测量点的斜率k2，若，则该测量点划分为直线段点，若，则该测量点划分为曲线段点，遍历整个点集，标记出直线段和曲线段的开始点和结束点，将磨损钢轨划分为直线段和曲线段。

12、进一步的，获取每个直线段各测量点的垂直磨耗量和侧面磨耗量，统计后获得每个直线段内各测量点的平均垂直磨耗量和平均侧面磨耗量，计算每个直线段的平均总磨损量：

13、

14、其中， i表示磨损钢轨每一段的顺序编号，， j表示磨损钢轨同一段内每一节拼接钢轨的顺序编号，， k表示磨损钢轨同一节拼接钢轨内测量点的顺序编号，，上标z表示直线段；

15、判断每个直线段的平均垂直磨耗量、平均侧面磨耗量和平均总磨损量是否大于重伤阈值，若任一磨耗量大于重伤阈值，则向外发出直线段更换预警，表示该直线段内所有钢轨已经重度伤损，无法继续使用。

16、进一步的，若直线段所有磨耗量均不大于重伤阈值，则获取该直线段各测量点的垂直磨耗量和侧面磨耗量，计算每个测量点的总磨损：

17、

18、判断每个测量点的垂直磨耗量、侧面磨耗量和总磨损量是否大于重伤阈值，若任一磨耗量大于重伤阈值，则向外发出测量点更换预警，表示该测量点对应的一节钢轨已经重度伤损，无法继续使用。

19、进一步的，获取直线段内其余不存在重度伤损测量点的钢轨，获取各测量点的垂直磨耗量和侧面磨耗量，计算每节钢轨内测量点的磨耗变化率和直线段磨损变化阈值：

20、

21、当每节钢轨内测量点的磨耗变化率超过直线段磨损变化阈值时，表示此节钢轨磨损不均匀，依据总磨损量最大的测量点廓形为代表磨损廓形设计打磨目标廓形；

22、当每节钢轨内测量点的磨耗变化率不超过直线段磨损变化阈值时，表示此节钢轨磨损均匀，依据平均垂直磨耗量和平均侧面磨耗量形成的廓形为代表磨损廓形设计打磨目标廓形。

23、进一步的，获取每个曲线段各测量点的垂直磨耗量和侧面磨耗量，计算每个测量点的总磨损：

24、

25、其中，下标q表示曲线段；

26、判断每个测量点的垂直磨耗量、侧面磨耗量和总磨损量是否大于重伤阈值，若任一磨耗量大于重伤阈值，则向外发出测量点更换预警，表示该测量点对应的一节钢轨已经重度伤损，无法继续使用。

27、进一步的，获取曲线段内其余不存在重度伤损测量点的钢轨，获取各测量点的垂直磨耗量和侧面磨耗量，计算曲线段每节钢轨的极限差异系数和极限差异阈值：

28、

29、当钢轨的极限差异系数不超过极限差异阈值时，表示此节钢轨极限磨损差异小，依据总磨损量最大的测量点廓形为代表磨损廓形设计打磨目标廓形。

30、进一步的，当钢轨的极限差异系数超过曲线段极限差异阈值时，表示此节钢轨磨损差异大，分别依据总磨损量最大的测量点和钢轨对应节端点廓形为代表磨损廓形设计打磨目标廓形，在总磨损量最大的测量点与其对应节端点的打磨目标廓形之间使用平滑过渡实现整节钢轨的打磨目标廓形设计。

31、进一步的，依据钢轨的设计图纸获取钢轨的初始轨头曲线数据，将初始轨头曲线和代表磨损廓形数据转换为相同的坐标系并对齐，将初始轨头曲线的所有点按照设定的平移量向下移动，如果移动后的初始轨头曲线未完全落入代表磨损钢轨廓形内部，则重复执行平移操作，当移动后的初始轨头曲线上所有点均落入代表磨损钢轨廓形内部时，认为达到收敛条件，停止平移操作，并将初始轨头曲线与代表磨损廓形下半部分形成的封闭图形作为该代表磨损廓形的打磨目标廓形。

32、进一步的，获取每节钢轨节端点的打磨目标廓形，与相邻钢轨节端点的打磨目标廓形进行比对，廓形面积大的钢轨节端点设置1m缓冲区，由相邻打磨目标廓形平滑过渡至此钢轨的打磨目标廓形。

33、（三）有益效果

34、本发明提供了一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，具备以下有益效果：

35、1、测量磨损钢轨各处的垂直磨耗量和侧面磨耗量，并依据测量时间顺序对磨损钢轨测量点进行顺序编号，计算每个测量点与前一个顺序编号测量点的斜率k1和后一个顺序编号测量点的斜率k2，依据k1和k2的关系将测量点划分为直线段点或曲线段点，遍历整个点集，标记出直线段和曲线段的开始点和结束点，将磨损钢轨划分为直线段和曲线段，可以更加精确地识别出哪些区域需要详细分析打磨廓形，对于磨损严重的曲线段，能够集中资源进行详细的磨损分析，而对于磨损相对较轻、状态稳定的直线段，则可以相应减少磨损分析，将资源合理分配至更需要关注的区域，显著提高打磨目标廓形设计的整体效率。

36、2、通过每个直线段的平均垂直磨耗量、平均侧面磨耗量和平均总磨损量与重伤阈值之间的关系，判断整个直线段是直接更换还是进行打磨修复，若直线段进行打磨修复，则进一步分析直线段内每节钢轨的磨损状态，确定每节钢轨的代表磨损廓形，可以准确判断整个直线段的磨损程度是否已达到需要更换的标准，若整个直线段的磨损程度未达到需要更换的标准，则进一步分析确定每节钢轨的代表磨损廓形，这有助于制定更加精细化的维护计划，针对不同磨损程度的钢轨采取不同的修复措施。

37、3、通过曲线段内每个测量点的垂直磨耗量、侧面磨耗量和总磨损量与重伤阈值之间的关系，判断该测量点对应的一节钢轨是直接更换还是进行打磨修复，若进行打磨修复则计算钢轨的极限差异系数，依据钢轨的极限差异系数和曲线段极限差异阈值的关系，确定曲线段每节钢轨的代表磨损廓形，对曲线段可以制定更加针对性的打磨策略，为后续的维护工作提供了参考依据，有助于实现维护工作的标准化和规范化。

38、4、依据钢轨的初始轨头曲线和代表磨损廓形数据确定打磨目标廓形，并将每节钢轨节端点的打磨目标廓形进行比对和平滑过渡，依据顺序编号将钢轨完整打磨目标廓形数据拼接后，输出磨损钢轨的打磨廓形方案，可以更加准确地确定每节钢轨需要恢复的轮廓形状，还兼顾了钢轨之间的拼接对列车运行平稳性的影响，避免过度打磨或不足打磨，可以减少因钢轨轮廓不良而导致的列车脱轨等安全事故的风险。

技术特征：

1.一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

6.根据权利要求2所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种磨损钢轨打磨目标廓形快速设计方法，涉及钢轨打磨技术领域，包括测量磨损钢轨各处的垂直磨耗量和侧面磨耗量，将磨损钢轨划分为直线段和曲线段；判断整个直线段是直接更换还是进行打磨修复，分析直线段内每节钢轨的磨损状态，确定每节钢轨的代表磨损廓形；判断该测量点对应的一节钢轨是直接更换还是进行打磨修复，确定曲线段每节钢轨的代表磨损廓形；确定打磨目标廓形，并将每节钢轨节端点的打磨目标廓形进行比对和平滑过渡，依据顺序编号将钢轨完整打磨目标廓形数据拼接后，输出磨损钢轨的打磨廓形方案。有助于制定更加精细化的维护计划，针对不同磨损程度的钢轨采取不同的修复措施。

技术研发人员：马志宇,章立华,唐益
受保护的技术使用者：常州晟驱机电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5