轮轨接触状态评估方法和装置与流程

本发明涉及车辆检测技术领域，尤其涉及一种轮轨接触状态评估方法和装置。

背景技术：

众所周知，车轮和车轨是车辆的关键部件，特别是铁路机车车辆的关键部件，与运行的安全性、经济性密切相关。然而，轮轨外形会随着运行因磨耗而不断改变，这种改变对于动力学性能而言一般趋向不利的方向，对于接触应力和磨耗有较大不确定性和阶段变化性。特别的，车辆在实际运营过程中，由于车辆的类型不同，例如货车或客车；钢轨线路的走向不同，例如走向为直线或曲线以及车辆的载荷量不同，例如满载或空载，所导致的车辆的车轮型面和钢轨型面之间的接触状态也不同，因此轮轨接触状态极为复杂。为了对轮轨接触状态进行研究，通常会随机选取一对钢轨型面进行轮轨接触状态的匹配，然而所得到的轮轨接触参数往往难以正确反映轮轨接触状态的具体情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种轮轨接触状态评估方法和装置，可以准确评估被评估钢轨。

根据本发明的一方面，提供一种轮轨接触状态评估方法，所述方法包括：测取若干实际运营车辆的车轮型面和被评估钢轨型面；将所述车轮型面与被评估钢轨型面匹配，获取接触参数序列；根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨。

进一步地，所述测取若干实际运营车辆的车轮型面包括：将处于不同维修周期的运营车辆的车轮外形分别进行测绘，得到若干实际运营车辆的车轮型面。

进一步地，所述根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨的处理包括：根据所述接触参数中的轮轨接触点位置位于所述车轮型面上不同区域的分布比例，评估所述被评估钢轨的倾翻风险。

进一步地，所述根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比 例，评估所述被评估钢轨的处理包括：根据所述接触参数中的等效锥度相对于等效锥度阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

进一步地，所述根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨的处理包括：根据所述接触参数中的轮径差相对于轮径差阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

进一步地，所述根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨的处理包括：根据所述接触参数中的接触角相对于接触角阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

进一步地，所述根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨的处理包括：根据所述接触参数中的接触应力相对于接触应力阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

根据本发明的另一方面，提供一种轮轨接触状态评估装置，所述装置包括：测取单元，用于测取若干实际运营车辆的车轮型面和被评估钢轨型面被评估钢轨型面；接触参数获取单元，用于将所述车轮型面与被评估钢轨型面被评估钢轨型面匹配，获取接触参数序列；评估单元，用于根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨。

进一步地，所述测取单元具体用于将处于不同维修周期的运营车辆的车轮外形分别进行测绘，得到若干实际运营车辆的车轮型面。

进一步地，所述评估单元包括：轮轨接触点评估子单元，用于根据所述接触参数中的轮轨接触点位置位于所述车轮型面上不同区域的分布比例，评估所述被评估钢轨的倾翻风险；和/或，等效锥度评估子单元，用于根据所述接触参数中的等效锥度相对于等效锥度阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修；和/或，轮径差评估子单元，用于根据所述接触参数中的轮径差相对于轮径差阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修；和/或，接触角评估子单元，用于根据所述接触参数中的接触角相对于接触角阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修；和/或，接触应力评估子单元，用于根据所述接触参数中的接触应力相对于接触应力阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

本发明实施例提供的轮轨接触状态评估方法和装置，通过统计的方法根据接触参数序列分析得到接触参数的分布规律，每项接触参数与轮轨动力学性能之间有对应关系，根据接触参数相对于接触参数评估标准 值的比例，可以准确评估被评估钢轨型面的优劣，并进一步地确定被评估钢轨的维修等级。

附图说明

图1示出本发明实施例一中轮轨接触状态评估方法的流程图；

图2示出本发明实施例二中轮轨接触状态评估方法的流程图；

图3示出本发明实施例二中车轮型面的示意图；

图4示出本发明实施例二中被评估钢轨型面的示意图；

图5示出本发明实施例二中的钢轨结构示意图；

图6示出本发明实施例二中的轨顶结构示意图；

图7示出本发明实施例二中车轮型面和钢轨型面的一种接触状态示意图；

图8示出本发明实施例二中车轮型面和钢轨型面的另一种接触状态示意图；

图9示出本发明实施例三中轮轨接触状态评估装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。

实施例一

图1示出本发明实施例一中轮轨接触状态评估方法的流程图。参见图1，一种轮轨接触状态评估方法包括s110、s120和s130。

在s110，测取若干实际运营车辆的车轮型面和被评估钢轨型面。

从车辆的实际运营环境中，测取一定数量的车轮型面，优选地，可以将处于不同维修周期的运营车辆的车轮外形分别进行测绘，得到若干实际运营车辆的车轮型面。具体地，可以将车辆的维修周期划分为若干个阶段，选取处于每个阶段内的一定数量的车轮，对选取的车轮外形进行测绘，得到车轮型面。

对被评估钢轨型面进行测绘，得到被评估钢轨型面。

在s120，将所述车轮型面与被评估钢轨型面匹配，获取接触参数序列。

将所有车轮型面逐一与被评估钢轨型面进行匹配，获取接触参数序列。其中，轮轨接触参数是由车轮型面和钢轨型面进行几何接触而确定 的参数值，轮轨接触参数可以包括但不限于：轮轨接触点位置、等效锥度、轮径差、接触应力和接触角度等等。因此，可以获取所有车轮型面逐一与被评估钢轨型面进行匹配得到的轮轨接触点位置序列、等效锥度序列、轮径差序列、接触应力序列和接触角度序列等等

在s130，根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨。

本发明实施例提供的技术方案，通过统计的方法根据接触参数序列分析得到接触参数的分布规律，每项接触参数与轮轨动力学性能之间有对应关系，根据接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，可以准确评估被评估钢轨型面的优劣，并进一步地确定被评估钢轨的维修等级。

实施例二

图2示出本发明实施例二中轮轨接触状态评估方法的流程图。参见图2，一种轮轨接触状态评估方法包括s210、s220以及s230、s240、s250、s260和s270。其中s210与实施例一中的s110对应，s220与实施例一中的s220对应，s230、s240、s250、s260和s270与实施例一中的s230对应。

在s210，测取若干实际运营车辆的车轮型面和被评估钢轨型面。

图3示出本发明实施例二中车轮型面的示意图。参见图3，例如，将车轮的维修周期划分为四个阶段，每个阶段随机选取80个车轮样本，由此得到的车轮型面310的样本可代表车轮完整寿命时期内的磨耗状态。

图4示出本发明实施例二中被评估钢轨型面的示意图。参见图4，对被评估钢轨进行测绘，得到被评估钢轨型面410。

在s220，将所述车轮型面与被评估钢轨型面匹配，获取接触参数序列。

得到车轮型面的数据样本后，使图3中的每个车轮型面310分别与图4中的被评估钢轨型面410进行匹配。

在s230，根据所述接触参数中的轮轨接触点位置位于所述车轮型面上不同区域的分布比例，评估所述被评估钢轨的倾翻风险。

在图3中的每个车轮型面310分别与图4中的被评估钢轨型面410进行匹配后，分析轮轨接触点位置。轮轨接触点位置直接影响轮轨力相对于轨底的力矩，图5示出本发明实施例二中的钢轨结构示意图，图6 示出本发明实施例二中的轨顶结构示意图。参见图5，作用于轨顶的横向力l和垂向力v均对钢轨非工作边侧510轨底产生一定力矩，合成力矩m可由式(1)描述。力矩m大于零时，钢轨倾覆风险较高，等于零时为钢轨倾覆的临界值。力矩m大小与轮轨接触点位置密切相关，接触点位于非工作边时，力矩最大，钢轨倾覆风险最高。

m＝l*h-v*d式(1)

式(1)中d为垂向力力臂，h为横向力力臂。

参见图6，为便于进行评估，从钢轨的工作边620起从内向外将轨顶分别划分为4个区域：轨肩610、轨顶内侧620、轨顶中心630和轨顶外侧640。根据钢轨倾翻风险评估结果，形成以下评估限值标准：

(1)应尽可能避免车轮型面与被评估钢轨的接触点位于轨顶外侧640，接触点分布比例不应大于30％，当超过50％时应立即维修。

(2)在车轮型面直线和曲线下股，接触点应尽可能分布于轨顶中心630，接触点比例不小于60％，当低于40％时应及时维修。

(3)在车轮型面半径小于1000m的曲线上股，接触点分布于轨肩610的比例不应大于30％，当超过50％时应及时维修。

(4)在车轮型面半径大于1000m曲线上股，接触点分布于轨顶内侧620的比例不应小于60％，低于40％应及时维修。

在s240，根据所述接触参数中的等效锥度相对于等效锥度阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

稳定性是轮轨交通领域的特有现象，与车辆结构参数和等效锥度密切相关，通常由临界速度来描述。等效锥度直接影响临界速度，通常，等效锥度越大，临界速度越小。因此，采用等效锥度对车辆稳定性进行评估。在图3中的每个车轮型面310分别与图4中的被评估钢轨型面410进行匹配后，计算出等效锥度的分布规律。通过多体动力学方法建立车辆动力学模型，计算等效锥度对临界速度的对应关系，结合车辆运营速度确定等效锥度阈值。例如，常用货车、普速客车等效锥度阈值为0.35，当等效锥度超出等效锥度阈值比例超过20％时，应开展钢轨型面维修。

在s250，根据所述接触参数中的轮径差相对于轮径差阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

图7示出本发明实施例二中车轮型面和钢轨型面的一种接触状态示 意图。参见图7，车辆通过小半径曲线时，在轴箱定位约束下轮对难以处于径向位置，产生明显的轮对冲角。在车轮型面710和钢轨型面720的外股轮轨间形成两点接触，点a位于踏面，点b位于轨侧/轮缘。通常两接触点处的轮径差存在一定差异，而且此轮径差越大，轮对导向力矩越小，车辆通过性能越低。因此，此轮径差可作为车辆通过性能的评价指标，对于不同的车轮和钢轨而言，轮径差阈值不同，在本实施例中，通过理论计算发现，当轮径差超过6mm时，车辆通过性能明显降低，因此，在本实施例中设定6mm为轮径差阈值。

在图7中的每个车轮型面710和钢轨型面720进行匹配后，计算轮径差的分布比例，当超出轮径差阈值的比例大于20％时，应开展钢轨型面维修。

在s260，根据所述接触参数中的接触角相对于接触角阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

图8示出本发明实施例二中车轮型面和钢轨型面的另一种接触状态示意图。参见图8，车轮型面810的轮缘和钢轨型面820的轨侧接触时，轨间法向力产生横向分量q和摩擦力，形成车轮爬轨风险。

qsinαμ+pcosαμ≥psinα-qcosα式(2)

根据式(2)，当轮轨间的摩擦力大于荷载沿接触角方向的分量，车轮便能爬上钢轨，式(2)中μ为摩擦系数，α为接触角，q为轮轨横向力，p为轮轨垂向力。摩擦系数和接触角是影响爬轨的关键参数。摩擦系数受运营环境影响，难以控制。而接触角由轮轨外形决定，接触角越大爬轨风险越低。例如，干燥条件下摩擦系数取0.5，结合现有脱轨安全评价标准，据式(3)计算得到对应的接触角为71°，将此角度作为接触角阈值，在图8中的每个车轮型面810和钢轨型面820接触后，接触角超出接触角阈值的比例超过20％时，应开展钢轨型面维修。

在s270，根据所述接触参数中的接触应力相对于接触应力阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

较大的接触应力是产生接触疲劳的根源，根据接触疲劳形成理论，剪切应力越大，越易形成接触疲劳。钢轨材料的平均屈服极限约为470mpa，根据安定极限理论，当材料接触应力超过屈服极限3～3.5倍时材料易形成接触疲劳。因此，将1500mpa作为接触应力阈值。在每个车 轮型面810和钢轨型面820接触后，接触应力超出接触应力阈值比例超过20％时，应开展钢轨型面维修。

实施例三

图9示出本发明实施例三中轮轨接触状态评估装置的结构示意图，本实施例的轮轨接触状态评估装置用于执行实施例一和实施例二的轮轨接触状态评估方法。参见图9，轮轨接触状态评估装置包括测取单元910、接触参数获取单元920和评估单元930。

测取单元910，用于测取若干实际运营车辆的车轮型面和被评估钢轨型面。

接触参数获取单元920，用于将所述车轮型面与被评估钢轨型面被评估钢轨型面匹配，获取接触参数序列。

评估单元930，用于根据所述接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，评估所述被评估钢轨。

进一步地，所述测取单元具体用于将处于不同维修周期的运营车辆的车轮外形分别进行测绘，得到若干实际运营车辆的车轮型面。

进一步地，所述评估单元至少包括以下子单元其中之一：轮轨接触点评估子单元、等效锥度评估子单元、轮径差评估子单元、接触角评估子单元和接触应力评估子单元。

轮轨接触点评估子单元(图中未示出)，用于根据所述接触参数中的轮轨接触点位置位于所述车轮型面上不同区域的分布比例，评估所述被评估钢轨的倾翻风险。

等效锥度评估子单元(图中未示出)，用于根据所述接触参数中的等效锥度相对于等效锥度阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

轮径差评估子单元(图中未示出)，用于根据所述接触参数中的轮径差相对于轮径差阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

接触角评估子单元(图中未示出)，用于根据所述接触参数中的接触角相对于接触角阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

接触应力评估子单元(图中未示出)，用于根据所述接触参数中的接触应力相对于接触应力阈值的比例，评估所述被评估钢轨是否应该维修。

本发明实施例提供的技术方案，通过统计的方法根据接触参数序列分析得到接触参数的分布规律，每项接触参数与轮轨动力学性能之间有对应关系，根据接触参数相对于接触参数评估标准值的比例，可以准确评估被评估钢轨型面的优劣，并进一步地确定被评估钢轨的维修等级。

上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如cdrom、ram、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如asic或fpga)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，ram、rom、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。