面向廓形质量的钢轨打磨模式优化决策方法_姜曼.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023面向廓形质量的钢轨打磨模式优化决策方法姜曼1，杨岳1，丘文生2，邓银强1(1.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；2.广铁铁路(集团)公司 广州大型养路机械运用检修段，广东 广州 511400)摘要：钢轨廓形质量对轮轨关系和列车运行品质具有重要影响。为解决打磨作业施工过程中钢轨打磨模式决策规范性差及个性化程度低的问题，提出一种面向钢轨打磨廓形质量的打磨模式优化决策方法。为了准确描述服役条件下的钢轨现有廓形，以钢轨廓形离散点数据为基础，采用NURBS曲线拟合方法对打磨前的钢轨廓形进行参数化建模。引入钢轨廓形质量指数对打磨后的钢轨廓形质量进行描述，推导钢轨打磨断面廓形与打磨目标廓形的偏差求解函数关系，采用方向包围盒和区间迭代算法对钢轨打磨廓形质量指数进行精确求解。分析打磨砂轮对待打磨钢轨的作用机理，将多砂轮单角度的打磨过程转化为单砂轮多角度打磨，以砂轮摆角、排列顺序及打磨功率为变量，通过砂轮底面与钢轨断面廓形的数学接触关系模拟多个砂轮对同一钢轨断面的打磨过程，实现了砂轮组合作用下的钢轨打磨廓形曲线与廓形质量指数的预测。以钢轨打磨廓形质量指数为目标，结合钢轨打磨模式参数，设计面向钢轨廓形质量的打磨模式优化决策模型和算法方案。在此基础上，采用本文方法进行了钢轨打磨模式优化决策现场实验，结果表明，该决策优化算法可以从钢轨打磨模式库中有效筛选出最优打磨方案，大大减少人工实验成本，有效控制和提升钢轨打磨质量，实现钢轨最优打磨模式的科学决策。关键词：钢轨打磨；廓形质量指数；NURBS；打磨模式；优化决策中图分类号：U216 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0537-08Optimal decision method of rail grinding pattern oriented to rail profile qualityJIANG Man1,YANG Yue1,QIU Wensheng2,DENG Yinqiang1(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Guangzhou Heavy Railway Maintenance Machinery Operation and Maintenance Depot,Guangzhou Railway Group,Guangzhou 511400,China)Abstract:The quality of the rail profile has an important influence on the wheel-rail relationship and the train operation quality.In order to solve the problems of poor standardization and low degree of individualization of decision on grinding mode,a grinding mode optimization decision method based on rail grinding profile quality was proposed.In order to accurately describe the existing profile of the rail under service conditions,based on the discrete point data of rail profile,the NURBS curve fitting method was used to model the profile of the rail before grinding.The rail profile quality index was introduced to describe the rail profile quality after grinding,and the 收稿日期：2022-03-09基金项目：国家自然科学基金面上项目(52175372)；大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室开放课题(2017ZJKF09)通信作者：杨岳(1962)，男，湖南桃源人，教授，博士，从事轨道交通设备数字化设计制造与智能维护研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220431铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月function relationship between the deviation of the rail grinding section profile and the grinding target profile was deduced,and the directional bounding box and interval iterative algorithm are used to accurately solve the GQI.The action mechanism of the grinding wheel for grinding the rail was analyzed,and the grinding process of single-angle grinding wheels was converted into multi-angle grinding wheel.The mathematical relationship of the contact between the grinding wheel and the rail profile when the grinding train acts on the rail was extracted,and a rail grinding profile prediction algorithm was designed accordingly,which realized the rail grinding profile prediction under different grinding modes.By taking the rail grinding profile quality index as the goal,combined with the rail grinding mode parameters,the grinding mode optimization decision model and algorithm scheme were designed.On this basis,the on-site experiment of rail grinding mode optimization decision was carried out using this method.The field test results show that the method can effectively select the optimal grinding scheme from the grinding mode database,greatly reduce the cost of manual experiment,effectively control and improve the quality of rail grinding,and realize the scientific decision of rail optimal grinding mode.Key words:rail grinding;profile quality index;NURBS;grinding pattern;optimal decision 钢轨打磨是改善轮轨关系、提升列车运行品质、改善与消除病害的主要技术手段，通过钢轨打磨可以有效去除钢轨表面损伤缺陷，使轮轨匹配关系恢复至理想状态13，延长钢轨的使用寿命。目前，现场钢轨打磨作业大多依靠工程技术人员的经验，根据服役钢轨廓形病害类型从已有打磨模式库中选取合适的打磨模式，受到主观经验的影响，对于同一条打磨线路，可能会出现多种打磨策略45，这不仅增大了作业的工作量，而且无法准确控制钢轨打磨质量，严重时可能导致不良廓形的出现，对列车运行安全造成重大影响。因此，科学合理地确定打磨模式成为钢轨打磨领域的热点研究问题，UHLMANN等67分析了钢轨打磨的影响因素，通过对比不同工艺参数组合对打磨结果的影响，提出了符合钢轨打磨条件的钢轨打磨策略；GRASSIE8综合考量打磨周期、作业质量及经济性的影响，提出了 RCF(Rolling Contact Fatigue)方法，该方法对钢轨波磨和内侧剥落等问题起到了改善作用。王军平9-11等对打磨量与打磨参数进行了研究，在此基础上建立了打磨列车在不同打磨角度和打磨功率下的数值计算模型，实现了打磨模式的个性化生成。上述方法均在一定程度上提高了打磨模式与待打磨钢轨的匹配度，但受实际线路情况复杂、打磨列车车型不同、各区段钢轨的实际廓形或病害差异等因素的影响，按照现有研究方法或人工选择的打磨模式进行钢轨打磨，形成的钢轨实际廓形往往不能很好地与钢轨目标廓形匹配，因此亟需研究一种考虑线路实际情况、面向廓形质量的钢轨打磨模式决策方法。由于打磨模式的优劣取决于打磨后钢轨廓形的质量，因此本文以钢轨打磨廓形质量指数(GQI，Grinding Quality Index)作为评判打磨模式优劣的指标，采用NURBS自由曲线造型方法描述钢轨打磨前后的廓形，通过分析钢轨打磨列车多个砂轮对钢轨的作用机理，构建包含打磨模式参数的钢轨打磨廓形预测模型，实现钢轨打磨廓形及其质量指数GQI的准确预测；在此基础上，设计钢轨打磨模式优化决策算法，实现最优钢轨打磨模式的快速科学决策，从而有效控制钢轨打磨质量，提升钢轨打磨模式的决策效率。1 基于NURBS的钢轨打磨廓形质量指数计算1.1钢轨廓形的NURBS描述钢轨廓形曲线是钢轨打磨廓形质量指数数值计算的重要依据，由于服役中的钢轨在轮轨作用力及自然环境的影响下廓形形状复杂，特征点缺失，普通曲线拟合方法难以支持钢轨打磨质量评估过程中的指标计算，NURBS曲线拟合方法用非均匀样条替代了传统短线段，在几何精度、连续性和代码长度等方面都具有更高的优越性12。一条三次NURBS曲线定义为13：C(u)=i=0nNi,3(u)idii=0nNi,3(u)i,aub(1)538第 2 期姜曼，等：面向廓形质量的钢轨打磨模式优化决策方法其中u为节点矢量，Ni,3(u)为B样条基函数，i为权因子，di为控制顶点，i=0,1,2,n。提 取 钢 轨 轨 头 断 面 廓 形 的 坐 标 信 息Pixi,yi(i=0,1,2,n)作为构建NURBS曲线的型值点，用来进行轨头断面廓形的NURBS曲线的反向求解，其对应的节点矢量为u i(i=0,1,n)，由弦长参数化法和 Cox-deBoor递推公式13计算得到B样条基函数，由此建立求解控制顶点di的目标方程组：|1000N0,3(u 1)N1,3(u 1)N2,3(u 1)Nn,3(u 1)N0,3(u 2)N1,3(u 2)N2,3(u 2)Nn,3(u 2)00001|d0d1d2dn=|P0p1p2Pn(2)更改权因子可以实现曲线的局部修改，初始权因子取1，由控制顶点di与B样条基函数即可构建符合打磨后钢轨轨头断面廓