基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法

周鵬剛，楊 岳，丘文生

（1.中南大學(xué) CAD/CAM研究所，長(zhǎng)沙 410075；2.廣州鐵路（集團(tuán)）公司 廣州大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，廣州 511400）

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法

周鵬剛1，楊 岳1，丘文生2

（1.中南大學(xué) CAD/CAM研究所，長(zhǎng)沙 410075；2.廣州鐵路（集團(tuán)）公司 廣州大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，廣州 511400）

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的打磨模式?jīng)Q策方法根據(jù)目標(biāo)廓形選擇最優(yōu)的打磨模式，避免了因打磨模式選擇不當(dāng)導(dǎo)致的打磨遍數(shù)過(guò)多的問(wèn)題，有效地提高了打磨作業(yè)效率，減少了作業(yè)量，對(duì)提高鋼軌打磨車(chē)的應(yīng)用水平具有借鑒意義，為實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路精確打磨的目標(biāo)提供技術(shù)保障。

計(jì)算機(jī)仿真；鋼軌打磨；打磨模式；決策方法

鋼軌打磨是鐵路線(xiàn)路的常規(guī)維護(hù)項(xiàng)目之一[1]。線(xiàn)路的提速和高速鐵路的發(fā)展，使得鋼軌打磨作業(yè)任務(wù)日益增多，人工確定打磨方案的方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要，亟需通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段提高打磨作業(yè)決策的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路精確打磨。打磨模式的決策是利用鋼軌打磨車(chē)進(jìn)行打磨作業(yè)的關(guān)鍵，打磨模式直接關(guān)系到鋼軌打磨的質(zhì)量[2]。本文開(kāi)展基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 鋼軌打磨模式技術(shù)現(xiàn)狀

目前，鋼軌打磨施工主要通過(guò)鋼軌打磨車(chē)進(jìn)行[3]，常見(jiàn)的鋼軌打磨車(chē)有GMC-96、PGM-48線(xiàn)路打磨車(chē)和RGH20C道岔打磨車(chē)。以GMC-96為例，鋼軌打磨作業(yè)時(shí)，通過(guò)工務(wù)系統(tǒng)有大量實(shí)際打磨經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員從已有的打磨模式庫(kù)中選取與線(xiàn)路測(cè)量輪廓和病害相匹配的打磨模式進(jìn)行施工；在必要的情況下，對(duì)打磨工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證打磨效果。GMC-96打磨模式庫(kù)中共有99種打磨模式，按適用的場(chǎng)合，分高鐵、重載、測(cè)磨、廓形、肥邊、波磨、部分磨頭不工作、自編以及維護(hù)保養(yǎng)共9種類(lèi)型。人工通過(guò)肉眼觀察，或者便攜式軌廓儀對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行病害判別，既無(wú)法保證準(zhǔn)確性，而且工作量很大。不同的打磨模式，其打磨角度分布完全不一樣，打磨模式選擇出現(xiàn)偏差，對(duì)后續(xù)打磨作業(yè)的安排造成了困難，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致不良廓形的出現(xiàn)，對(duì)行車(chē)安全造成重大影響。

部分鐵路局的工務(wù)系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單的自編軟件，利用CAD軟件的二次開(kāi)發(fā)插件對(duì)線(xiàn)路的測(cè)量廓形和打磨目標(biāo)廓形進(jìn)行比對(duì)，依據(jù)打磨作業(yè)車(chē)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)手工定義打磨模式，在一定程度上提高了打磨模式的適用性，但采用這種方式的作業(yè)效率普遍低下，且對(duì)操作者依賴(lài)性較高，自編打磨模式耗時(shí)耗力。近來(lái)，也有采用智能化的廓形儀，一次完成鋼軌廓形的測(cè)量和打磨模式的生成，但受鋼軌打磨車(chē)車(chē)型眾多、線(xiàn)路情況復(fù)雜等不確定性因素的限制，生成的打磨模式尚無(wú)法達(dá)到完全滿(mǎn)足打磨作業(yè)需要的程度。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)鋼軌打磨過(guò)程進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)決策出最佳打磨模式，對(duì)使用者的要求相對(duì)較低，可代替大量的實(shí)驗(yàn)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法

2.1 打磨模式?jīng)Q策總體方案

目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鑄造焊接、電子設(shè)備等領(lǐng)域，技術(shù)成熟度較高，且大多數(shù)計(jì)算機(jī)的處理器已經(jīng)足以勝任大量計(jì)算的需要，可以很好地解決鋼軌打磨模式?jīng)Q策的問(wèn)題。結(jié)合鋼軌打磨車(chē)的實(shí)際應(yīng)用和施工標(biāo)準(zhǔn)，以研究打磨量與打磨工藝參數(shù)的關(guān)系為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)打磨過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)根據(jù)測(cè)量廓形和打磨目標(biāo)廓形，從已有的打磨模式庫(kù)中選定最優(yōu)的打磨模式，并將打磨模式結(jié)果通過(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)接口傳遞給鋼軌打磨車(chē)的打磨控制系統(tǒng)。圖1是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的打磨模式?jīng)Q策方案設(shè)計(jì)。

圖1 基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的打磨模式?jīng)Q策方案

鋼軌打磨模式的區(qū)別在于打磨頭擺動(dòng)角度和驅(qū)動(dòng)打磨頭的電機(jī)的工作功率的不同，表1 是GMC-96鋼軌打磨車(chē)打磨模式庫(kù)中針對(duì)高鐵線(xiàn)路的4#和8#鋼軌打磨模式的對(duì)比情況。選取鋼軌廓形的測(cè)量數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象：

（1）對(duì)離散量進(jìn)行曲線(xiàn)擬合建立鋼軌廓形數(shù)學(xué)模型，根據(jù)打磨頭和鋼軌的接觸關(guān)系建立單個(gè)打磨頭的數(shù)學(xué)模型；

（2）將單個(gè)打磨頭作用于鋼軌廓形，得到單個(gè)打磨頭打磨后的鋼軌廓形，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)打磨頭打磨過(guò)程的仿真，不同打磨頭的循環(huán)作用模擬鋼軌打磨車(chē)多個(gè)打磨頭的實(shí)際打磨作業(yè)；

（3）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或管理辦法建立打磨效果評(píng)價(jià)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，對(duì)照選定的打磨目標(biāo)廓形，對(duì)不同打磨模式作用后的鋼軌廓形進(jìn)行排序和優(yōu)選確定最佳打磨模式。

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法算法，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)打磨模式打磨廓形預(yù)測(cè)，并依據(jù)仿真結(jié)果決策出適合當(dāng)前線(xiàn)路廓形的最優(yōu)打磨模式。

表1 不同鋼軌打磨模式對(duì)比

2.2 鋼軌打磨仿真算法

周老相公拿捏著他們的拐杖，敲了敲了地，慢悠悠地說(shuō)，一個(gè)孩子家，不管怎么樣，都是學(xué)習(xí)。如果畫(huà)畫(huà)不是學(xué)習(xí)，學(xué)堂里還設(shè)置這樣的課干什么呢。還有，馱子雖然對(duì)我們嶺北有些大方，不過(guò)好像對(duì)孩子有些小氣了，給孩子買(mǎi)些作業(yè)本又算什么呢。倒是我，給了周小羽好幾本本子了，你們不知道吧。

由于鋼軌打磨是按打磨頭在鋼軌的縱向排列順序進(jìn)行的[4]，這樣就可以根據(jù)選擇的打磨模式中的砂輪排布和單個(gè)砂輪的打磨量，從幾何的角度對(duì)打磨后的廓形進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖2所示。用直角坐標(biāo)系內(nèi)的直線(xiàn)段模擬鋼軌打磨車(chē)砂輪底面，直線(xiàn)段以一定的步長(zhǎng)逐漸逼近鋼軌原始廓形曲線(xiàn)來(lái)模擬打磨頭砂輪逼近的過(guò)程。作為砂輪的直線(xiàn)段和作為鋼軌的曲線(xiàn)相交接觸并相交后，開(kāi)始計(jì)算所夾面積作為已完成的打磨量。當(dāng)已完成的打磨量通過(guò)打磨量與打磨工藝參數(shù)關(guān)系計(jì)算所得值的偏差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的時(shí)候，停止直線(xiàn)段的逼近，將曲線(xiàn)與直線(xiàn)段求交獲得兩個(gè)交點(diǎn)。兩個(gè)交點(diǎn)區(qū)間之外的鋼軌廓形仍為原來(lái)的曲線(xiàn)，區(qū)間內(nèi)的曲線(xiàn)用兩個(gè)交點(diǎn)為端點(diǎn)的直線(xiàn)段替換，再次擬合曲線(xiàn)得到單個(gè)打磨頭砂輪作用后的新的鋼軌廓形曲線(xiàn)。

圖2 打磨頭砂輪排布示意圖

圖3是單個(gè)打磨頭砂輪作用過(guò)程仿真的示意圖，打磨頭砂輪初始位置時(shí)，其縱向?qū)ΨQ(chēng)面與鋼軌縱向?qū)ΨQ(chēng)面的夾角為θ，砂輪底面位于直線(xiàn)P0Q0處。砂輪在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)工作的同時(shí)也在液壓油缸的作用下沿軸向進(jìn)給，砂輪處于任何位置時(shí)其底面均與P0Q0平行的一條直線(xiàn)段在同一位置。當(dāng)砂輪底面位于PnQn處時(shí)，圖2中紅色區(qū)域的面積表示已完成的打磨量與單個(gè)砂輪在該角度時(shí)計(jì)算的打磨量的差值小于預(yù)設(shè)的偏差，停止砂輪的軸向進(jìn)給，對(duì)鋼軌廓形曲線(xiàn)進(jìn)行更新。因此，圖3中鋼軌實(shí)線(xiàn)輪廓即可表示該打磨頭單獨(dú)作用后的鋼軌預(yù)測(cè)廓形。重復(fù)上述過(guò)程，直至打磨模式所包含的打磨頭均作用完成得到的鋼軌廓形曲線(xiàn)作為最終打磨后的鋼軌預(yù)測(cè)廓形。為了提高計(jì)算速度，對(duì)于直線(xiàn)段的進(jìn)給步長(zhǎng)h采用變步長(zhǎng)算法，即當(dāng)直線(xiàn)段離軌面較遠(yuǎn)時(shí)，h取較大的值，使直線(xiàn)段快速逼近鋼軌表面；當(dāng)直線(xiàn)段接近鋼軌表面時(shí)，h取較小值，使仿真計(jì)算結(jié)果收斂于設(shè)定的值。實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)打磨頭的仿真計(jì)算時(shí)間約為1～4 s，一個(gè)打磨模式的仿真計(jì)算時(shí)間約為36～90 s。通過(guò)優(yōu)化仿真算法，改進(jìn)收斂閾值，計(jì)算速度還有進(jìn)一步提高的空間。

單個(gè)砂輪的打磨量與打磨角度、打磨功率、車(chē)速等打磨工藝參數(shù)均有關(guān)系。打磨角度越大，打磨功率越大，車(chē)速越高，打磨量越大。打磨量與上述參數(shù)的精確關(guān)系，需通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。假設(shè)打磨量與各參數(shù)間是二次關(guān)系，則至少進(jìn)行7組實(shí)驗(yàn)便可通過(guò)求解方程組獲得打磨量的表達(dá)式。在同一段線(xiàn)路上反復(fù)多次試驗(yàn)，其結(jié)果可以作為驗(yàn)證打磨量與打磨參數(shù)關(guān)系的重要依據(jù)。

圖3 單打磨頭作用下鋼軌打磨過(guò)程仿真示意圖

3 鋼軌打磨模式?jīng)Q策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例

3.1 鋼軌打磨模式?jīng)Q策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

鑒于圖像測(cè)量法對(duì)環(huán)境條件的苛刻要求及單點(diǎn)激光掃描法工作效率較低的弊端，為了提高測(cè)量精度，使用激光二維軌廓儀，如圖4a所示，對(duì)打磨作業(yè)前鋼軌斷面的實(shí)際廓形進(jìn)行測(cè)量，得到鋼軌表面離散點(diǎn)在特定坐標(biāo)系下的若干坐標(biāo)值，讀入鋼軌初始廓形的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用濾波技術(shù)對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪以確保準(zhǔn)確性，通過(guò)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)減少后續(xù)仿真計(jì)算的運(yùn)算量。實(shí)驗(yàn)中使用ZLDS200HS二維激光傳感器進(jìn)行鋼軌數(shù)據(jù)的采集，獲得鋼軌表面1 280個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)值，去噪精簡(jiǎn)后剩余140個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)打磨后的廓形進(jìn)行預(yù)測(cè)，還需要通過(guò)曲線(xiàn)擬合方法對(duì)其進(jìn)行處理，形成鋼軌原始廓形曲線(xiàn)，如圖4b所示。

考慮到Matlab在數(shù)據(jù)處理和圖像呈現(xiàn)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在Matlab編程環(huán)境下編寫(xiě)GUI界面實(shí)現(xiàn)鋼軌打磨仿真與打磨模式自動(dòng)優(yōu)選，軟件還具有打磨模式庫(kù)管理、預(yù)測(cè)后鋼軌廓形檢查和不同打磨模式仿真結(jié)果切換等功能。

3.2 鋼軌打磨模式?jīng)Q策應(yīng)用實(shí)例

在鋪設(shè)60N鋼軌的線(xiàn)路采集鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨過(guò)程的仿真計(jì)算，添加適用于高鐵線(xiàn)路的3#、5#、8#共3個(gè)打磨模式，選取60N鋼廓形作為打磨目標(biāo)廓形，仿真結(jié)果顯示8#打磨模式作用后的鋼軌預(yù)測(cè)廓形與目標(biāo)打磨廓形最為接近，故在所添加的3個(gè)打磨模式中，8#打磨模式為最優(yōu)模式如圖5所示，與實(shí)際打磨施工結(jié)果相符。

圖5 鋼軌打磨模式?jīng)Q策應(yīng)用實(shí)例

8#打磨模式打磨作業(yè)前后，分別測(cè)量輪軌間的接觸光帶，發(fā)現(xiàn)打磨后的接觸光帶全部居中，帶寬均勻較直，輪軌間的接觸關(guān)系得到了明顯的改善，如圖6所示；鋼軌打磨車(chē)作業(yè)過(guò)程中，鋼軌表面無(wú)連續(xù)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。經(jīng)鋼軌打磨后軌廓達(dá)到了理想效果，打磨效果良好。

圖6 打磨前后輪軌接觸光帶比較

4 結(jié)束語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的鋼軌打磨模式?jīng)Q策方法運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和鋼軌廓形預(yù)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌打磨過(guò)程的仿真，在鋼軌打磨任務(wù)日益繁重的背景下，無(wú)需額外的專(zhuān)業(yè)裝備即可實(shí)現(xiàn)打磨模式的決策，提高鋼軌打磨質(zhì)量和作業(yè)效率，不再依賴(lài)于人工經(jīng)驗(yàn)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)有計(jì)劃地制定打磨方案，及時(shí)合理安排打磨作業(yè)，可以有效地預(yù)防或消除鋼軌病害、修正軌頭廓形，修復(fù)或降低軌面?zhèn)麚p，減少輪軌接觸疲勞和軌道波磨的發(fā)生，改善輪軌匹配關(guān)系，提高列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)，延長(zhǎng)線(xiàn)路使用壽命。

[1]金學(xué)松，杜 星，郭 俊,等.鋼軌打磨技術(shù)研究進(jìn)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010（1）：1-11.

[2]馬良民.高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鐵道建筑,2011（5）：114-116.

[3]盧 軍.鋼軌打磨列車(chē)打磨質(zhì)量控制[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2011（1）：26-28.

[4]王文健,陳明韜,郭 俊,等.高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)及其應(yīng)用[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007（5）： 574-577.

[5]雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2000（1）：28-33.

責(zé)任編輯 徐侃春

Decision approach of rail grinding patterns based on computer simulation technology

ZHOU Penggang1,YANG Yue1,QIU Wensheng2
( 1.CAD/CAM Institute,Central South University,Changsha 410075,China;2.Guangzhou Railway Group,Guangzhou Heavy Railway Maintenance Machinery Operation and Maintenance Depot,Guangzhou 511400,China)

This article proposed a decision approach of rail grinding patterns based on computer simulation technology.The approach selected the optimal grinding pattern depending on the target profle shape,avoided too much grinding due to the improper selection grinding pattern,effectively improved the effciency of the grinding operation,reduced the amount of grinding work,had reference signifcance to improve the application of rail grinding vehicle,provide the technical support for the rail grinding.

computer simulation technology;rail grinding;grinding patterns;decision approach

U216.424∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0001-04

2016-03-05

周鵬剛，在讀碩士研究生；楊 岳，教授。