一种实测焊缝几何的轮轨力预测方法及钢轨焊缝维护系统与流程

本发明涉及轨道交通领域，具体而言，涉及一种实测焊缝几何的轮轨力预测方法及钢轨焊缝维护系统。

背景技术：

无缝线路将标准长度的钢轨采用焊接方法焊接成所需长度的钢轨，可以消除轨缝、台阶、折角等接头缺陷，改善轨道结构的连续性和整体性，且具有行车平稳、延长钢轨使用寿命、节约养护维修劳力等特点，在世界各国铁路上均得到了大力发展。然而由于焊接工艺的限制及操作不当、焊接处的材料因相变与母材存在一定差异、焊接后出现的残余应力和疲劳裂纹等因素的影响，钢轨焊缝处的几何形位尺寸难以保持绝对的平顺性。针对中国高速线路的钢轨焊缝几何不平顺尺寸特征，有学者展开了一个详细的调查，发现短波不平顺是钢轨焊缝区表面缺陷的主要形式。

车轮在钢轨上处于稳态滚动时，系统的变形与所施加的恒定载荷处于平衡状态。当钢轨表面存在焊缝不平顺，这一平衡将被打破而激发较高的轮轨力，导致钢轨焊缝处压溃、波磨甚至断轨等病害的出现。因此，控制焊缝不平顺尺寸对保障高速铁路安全、稳定、经济运营是非常重要的。

日常运营时，通常以90kN的轮轨力为安全限值控制轮轨动态相互作用。因此，需要建立更为精确的几何梯度与动态力的关系以服务于铁路部门的养护维修。

开展钢轨焊缝处轮轨力评估的前提是获取其几何尺寸，这通常需要耗费较高的人力、物力和时间成本。而目前。

技术实现要素：

本发明提供了一种实测焊缝几何的轮轨力预测方法及钢轨焊缝维护系统，旨在解决现有技术中实测焊缝几何的轮轨力预测方法及钢轨焊缝维护系统存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种实测焊缝几何的轮轨力预测方法，包括如下步骤：

测量焊缝的梯度值，挑选出两个相邻的所述梯度值为0的第一焊缝位置和第二焊缝位置；

对所述第一焊缝位置和所述第二焊缝位置测量深度差得到特征深度；

建立梯度-轮轨动态力坐标系，通过模型的模拟得到所述特征深度下的梯度-轮轨动态力关系式；所述梯度-轮轨动态力关系式绘制到所述梯度-轮轨动态力坐标系内形成梯度-轮轨动态力关系曲线；

在所述焊缝的梯度值中挑选出最大梯度值，将所述最大梯度值对应所述梯度-轮轨动态力关系曲线，得到最大轮轨力。

在本发明的一种实施例中，所述模型为基于显式有限元单元法建立的三维轮轨滚动接触有限元模型。

在本发明的一种实施例中，所述三维轮轨滚动接触有限元模型的边界条件包括：约束车轮端部的横向运动，钢轨纵向端部被施加纵向约束，固定砂浆层底部，一系悬挂和扣件仅保留垂向自由度。

在本发明的一种实施例中，所述三维轮轨滚动接触有限元模型中，采用非均匀的实体单元离散划分所述车轮和所述钢轨，最小网格尺寸为1.1mm。

在本发明的一种实施例中，轨道板和所述砂浆层采用8节点实体单元划分网格。

在本发明的一种实施例中，所述显式有限元单元法模拟过程采用隐-显式分析，所述隐-显式分析包括：

隐式算法求得所述车轮在初始位置的静态接触解；

使用得到所述静态接触解初始化显式滚动接触计算；

通过在所述车轮中心施加转矩M使其保持恒定的速度v向前滚动。

在本发明的一种实施例中，在0.1mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.1＝0.0332g³-1.2611g²+14.2623g-1.0383。

在本发明的一种实施例中，在0.2mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.2＝0.0102g³-0.7002g²+14.7074g-2.4188。

在本发明的一种实施例中，在0.3mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.3＝0.0049g³-0.4848g²+14.7246g-3.5505。

一种钢轨焊缝维护系统，所述钢轨焊缝维护系统利用上述的实测焊缝几何的轮轨力预测方法，当所述最大轮轨力大于90kN时，启动维护程序。

本发明的有益效果是：通过本发明提供的实测焊缝几何的轮轨力预测方法，可以在给出不同深度的梯度-轮轨动态力曲线的情况下，使用Railprof等设备测量梯度即可轻松得到焊缝产生的最大轮轨力，进而判断焊缝是否健康。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明提供的余弦形焊缝几何及其梯度变化坐标系图；

图2是本发明提供的三维轮轨滚动接触有限元模型的模型示意图；

图3是本发明提供的三个梯度-轮轨动态力关系式在梯度-轮轨动态力的示意图；

图4是本发明实施例一提供的焊缝几何及其梯度变化坐标系图；

图5是本发明实施例一提供的焊缝在梯度-轮轨动态力坐标系中的对应图。

图标：110-砂浆层；120-轨道板；130-扣件；140-钢轨；150-车轮。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

本发明提供了一种实测焊缝几何的轮轨力预测方法，

通过余弦波形模拟焊缝不平顺，余弦形焊缝的高度z值与横向坐标的对应公式如下式：式中δ和λ分别是焊缝的波深和波长。

对两边求一阶导数，即可得到理想焊缝几何梯度的表达式：以1m波长为例，图1示出余弦形焊缝几何及其梯度变化，波深取为0.2mm。随着纵向坐标的增加，梯度先增大后减小，在焊缝1/4波长处达到最大值。当梯度大于零时，焊缝的高度随纵向坐标的增加而提高；而梯度为负值，这种变化与之相反，故梯度的三个零值点分别对应焊缝的起始点、峰值点和终止点。

因此可以通过梯度相邻的两个零值点来确定焊缝的特征深度。

基于上述理论，这种实测焊缝几何的轮轨力预测方法包括如下步骤：

通过物理设备手段(如Railprof)测量焊缝的梯度值，挑选出两个相邻的所述梯度值为0的第一焊缝位置和第二焊缝位置。

对所述第一焊缝位置和所述第二焊缝位置测量深度差得到特征深度；

建立梯度-轮轨动态力坐标系，通过模型的模拟得到所述特征深度下的梯度-轮轨动态力关系式；所述梯度-轮轨动态力关系式绘制到所述梯度-轮轨动态力坐标系内形成梯度-轮轨动态力关系曲线；

在所述焊缝的梯度值中挑选出最大梯度值，将所述最大梯度值对应所述梯度-轮轨动态力关系曲线，得到最大轮轨力。

在本实施例中，模型为基于显式有限元单元法建立的三维轮轨滚动接触有限元模型。三维轮轨滚动接触有限元模型的边界条件包括：约束车轮150端部的横向运动，钢轨140纵向端部被施加纵向约束，固定砂浆层110底部，一系悬挂和扣件130仅保留垂向自由度。

请参阅图2，为体现轮轨系统的高频振动响应，采用实体单元离散划分车轮150和钢轨140，并施加非均匀划分以降低模型规模，最小网格尺寸为1.1mm。为真实反映轮轨接触关系，其廓型分别为LMa和CN60，且考虑轨底坡为1：40。轮轨间的滚动接触通过“面-面”接触算法于时域求解。扣件130系统采用弹簧阻尼单元模拟。此外，轨道板120和砂浆层110同样采用8节点实体单元划分网格以充分体现其振动特征。

网格划分完成后的轮轨表面都是光滑的，计算钢轨140焊缝三维几何不平顺形状通过自编程序修改表面相关节点的坐标施加。对于实测几何则取自现场获取的不平顺；横向几何均呈抛物线分布，其函数表达如式：式中w为焊缝宽度之半，根据现场经验取为15mm。对于理想几何，其深度z在纵向分布如式：

显式有限元单元法模拟过程采用隐-显式分析，隐-显式分析包括：隐式算法求得车轮150在初始位置的静态接触解；

使用得到静态接触解初始化显式滚动接触计算；

通过在车轮150中心施加转矩M使其保持恒定的速度v向前滚动。

通过如上的模拟方法拟合得到理想焊缝的不同深度对应的几何梯度-轮轨动态力曲线：

在深度为0.1mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.1＝0.0332g³-1.2611g²+14.2623g-1.0383。式中y0.1为深度为0.1mm时的轮轨动态力，g为几何梯度。

在深度为0.2mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.2＝0.0102g³-0.7002g²+14.7074g-2.4188。式中y0.2为深度为0.2mm时的轮轨动态力，g为几何梯度。

在深度为0.3mm时，梯度-轮轨动态力关系式为：

y0.3＝0.0049g³-0.4848g²+14.7246g-3.5505。式中y0.3为深度为0.3mm时的轮轨动态力，g为几何梯度。

三个梯度-轮轨动态力关系式在梯度-轮轨动态力的示意图如图3所示，图3中示出不同深度下的梯度-轮轨动态力曲线。

而将实际得到的焊缝的特征深度对应相应的梯度-轮轨动态力曲线，再对应上焊缝最大的梯度值，即可得到最大轮轨力。

实施例一

在本实施例中，提供一种焊缝进行实际测量，对该焊缝的梯度值通过Railprof进行测量得到图4，如图4上部坐标系所示，得到两个梯度零值，可以明显从图4下部坐标系看出，两个梯度零值对应位置即为焊缝特征深度的两个取值点。定义左边的位置为第一焊缝位置，右边位置为第二焊缝位置，通过第二焊缝位置的z值减去第一焊缝位置的z值即可得到焊缝的特征深度，在本实施例中特征深度为0.11mm。而焊缝最大的梯度值为4.69mrad。

而特征深度确定后需要回归得到对实际检测有用的最大轮轨力，由于轮轨动态力与梯度和特征深度相关，通过模型的模拟得到特征深度下的梯度-轮轨动态力关系式，在确定梯度和特征深度的情况下可以回归得到轮轨动态力。

如图5所示，通过前述的方法已得到深度为0.1mm时的梯度-轮轨动态力曲线，将焊缝最大的梯度值为4.69mrad在0.1mm时的梯度-轮轨动态力曲线上进行标注得到(图5中M点)，该焊缝产生的最大轮轨力为42.95kN。

通过本发明提供的实测焊缝几何的轮轨力预测方法，可以在给出不同深度的梯度-轮轨动态力曲线的情况下，使用Railprof等设备测量梯度即可轻松得到焊缝产生的最大轮轨力，进而判断焊缝是否健康。

实施例二

本实施例提供一种钢轨140焊缝维护系统，这种维护系统在实测焊缝几何的轮轨力预测方法的基础上进行判断，如实施例一种给出的焊缝产生的最大轮轨力为42.95kN，该值小于90kN即不需要启动维护程序，而如果焊缝产生的最大轮轨力大于90kN即启动维护程序对焊缝进行维护。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。