基于机器视觉的钢轨轨头非接触测量精度研究

采用基于机器视觉的三角测距原理和光取断面法,开发出将廓形上的激光点进行空间坐标转换的算法,消除了已有方法中借助标定板计算所带来的误差和操作的复杂性,提高了钢轨动态测量的精度和效率.开发了非接触式钢轨检测装置.通过对60轨打磨后轨廓的测量结果与标准廓形的分析比对,验证了开发系统的精度和性能.     

42号高速道岔转辙器区钢轨磨耗规律的预测分析

为了弥补42号高速道岔钢轨磨耗规律理论研究的不足，建立了高速道岔钢轨磨耗发展的理论预测模型. 基于Archard材料磨损理论和车辆-道岔耦合动力学仿真分析进行钢轨磨耗深度分布计算；采用了一种自适应步长算法对岔区各特征位置钢轨型面进行更新，可有效减少误差累积、改善数值模型稳定性；基于理论预测模型研究了42号高速道岔尖轨和基本轨的磨耗分布和发展规律. 研究的主要结论如下:1） 直向过岔时，轮载过渡发生于35.0～50.0 mm断面之间；在轮载过渡前磨耗发展缓慢加快，轮载过渡区段磨耗发展迅速加剧，轮载过渡完成后磨耗发展有所减缓. 2） 侧向过岔时，列车进岔后很快就开始贴靠曲尖轨运行，9.1 mm断面即出现侧磨；随着曲尖轨逐渐加宽，尖轨轨肩始终存在较严重磨耗，直基本轨虽主要承担轮载，但磨耗相对曲尖轨要小得多；轮载过渡开始后曲尖轨磨耗分布变宽，轨肩磨耗显著减小，至全断面后曲尖轨磨耗再次显著减小；曲基本轨磨耗均主要分布于轨头中部，轮载过渡前磨耗发展逐渐加快，过渡开始后磨耗发展减缓.      

钢轨硬度对疲劳裂纹萌生和钢轨磨耗的影响

为了研究钢轨磨耗和疲劳裂纹萌生寿命与钢轨硬度的关系，基于Archard磨耗模型和临界平面法疲劳裂纹萌生预测模型，结合磨耗和型面变化分段迭代和疲劳损伤累积，提出了钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法；对4种不同硬度钢轨的磨耗发展、疲劳损伤累积以及疲劳裂纹萌生寿命进行研究. 结果表明:该方法预测的裂纹萌生寿命与现场观测结果有较好的吻合性；高硬度钢轨可以降低磨耗、延长疲劳裂纹萌生寿命，适合在小半径曲线上应用；4种硬度的钢轨中，钢轨硬度每提高10 HBW，平均磨耗发展率将降低约3%～6%，疲劳裂纹萌生寿命延长约9%～12%；对比U78CrV/U76CrRE热轧钢轨，U78CrV热处理钢轨的平均硬度值增加了17.9%，磨耗发展率降低了约19.8%，疲劳裂纹萌生寿命延长了约57.7%；在轮轨摩擦系数为0.3时，4种钢轨的疲劳裂纹均萌生于轨面1.0～2.5 mm以下的亚表面范围内，距离轨顶中心15～18 mm.      

基于LoG-Zernike矩算子的钢轨激光图像提取识别

采用激光摄像技术进行钢轨轮廓测量,图像中钢轨激光光条中心提取精度及效率,是决定钢轨轮廓测量是否可行的关键因素.提出采用LoG-Zernike矩算子进行钢轨激光光条中心提取,先利用LoG算子进行钢轨激光光条边缘粗定位,在粗定位图像边缘邻域内,再采用Zernike矩算子进行激光光条中心精确定位.详细论述了LoGZernike矩算子进行图像亚像素提取原理、过程,给出了LoG-Zernike矩算子详细计算步骤.试验结果表明,LoGZernike矩算子提取的钢轨轮廓曲线较细,连续性较好.     

基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法

移动式钢轨廓形检测系统能够对线路钢轨进行全区段的连续、高频率测量,获得里程位置准确的高精度钢轨廓形三维图像,但如何利用这些钢轨廓形数据进行精确打磨尚没有成熟的方法。为此,提出了一种基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法,通过实测廓形与目标廓形对比得到所需打磨量随里程的变化曲线,然后进行轨头精细化分区、打磨里程分段,最终得到整个测量区间的精确打磨方案,通过在京沪高铁虹桥线路进行现场试验,证明该方法能够实现钢轨精确打磨。最后还提出一种钢轨廓形相似指数PSI(profile similarity index),对钢轨打磨前后的廓形进行了评判。结果表明,PSI能够量化反映实测廓形与目标廓形的相似程度,直接准确地评估打磨作业效果。     

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

应用电阻应变计的无缝线路纵向力测试原理及方案

针对无缝线路纵向力测试问题,在双向应变法原理的基础上,应用电阻应变计提出了一种新的无缝线路钢轨纵向力测试方案.综合考虑应变计热输出及同一钢轨断面温度非均匀分布的条件下,较为系统的阐述了基于电阻应变计的无缝线路纵向力测试原理,并对较为常用的既有测试方案的测试误差进行了对比分析.结果表明:钢轨断面温度的非均匀分布是测量误差的一个主要来源;采用电阻应变计测量无缝线路钢轨纵向及竖向应变时,必须考虑应变计的热输出以及钢轨纵向及竖向约束不同对相应的应变计热输出的影响;采用电阻应变计直接进行钢轨纵向力测量,无法将钢轨中的基本温度力及伸缩附加力进行分离;本文提出的测试方案不需附加补偿片,能够抵消荷载引起的弯曲应变,当两侧轨腰温差为2 ℃时,测量误差较之既有测试方案分别能够降低84.0%及60.3%.      

基于改善轮轨共形度的60 kg/m钢轨廓形优化

重载铁路及客货共线铁路运营条件下，轮轨磨耗问题尤为突出. 为了有效减缓轮轨磨耗发展，以不同接触条件下轮轨廓形共形度最优为原则，设计目标函数及约束条件，建立钢轨廓形非线性优化数学模型，并基于序列二次规划法进行求解，提出60 kg/m钢轨廓形的优化方案；从轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力作用、磨耗的角度对优化廓形的优化效果进行了对比分析. 结果表明:1） 所提出的60 kg/m钢轨优化廓形相对于原始廓形使目标函数值降低了50%，与LM车轮廓形具有更高的共形度水平；2） 优化廓形的轮轨接触点分布更为均匀，在轮对横移量较小的条件下轮径差更小，在轮对横移较大的条件下轮径差更大；3） 优化廓形对车辆运行安全性和平稳性无显著影响，可有效增大轮轨接触面积达11.24%，降低接触应力达20.42%，减缓轮轨磨耗发生发展速率.      

轮对自稳定性及提速轨道车辆MBS仿真研究

提速轨道车辆需要开展轮轨关系改进与提速转向架动态设计MBS协同仿真研究,正确处理(非)线性的辩证关系,努力维系轮对自稳定理想状态。CRH5转向架仅凭XP55踏面就实现了轨底坡由1∶20到1∶40的轨道参数转变,因而安全稳定裕度不充裕是其引进转化所遗留的1个固有技术问题。但是改用XP55踏面也带来了诸多技术效果,如低磨耗区域拓宽至16 mm并使磨耗轮轨局部密贴型接触的发生概率降低。在经常性的横风扰动下,轮轨匹配及动态仿真分析表明:钢轨轨头打磨修型至60N处理削弱了因上述轮轨关系改进设计所带来的技术效果,进而成为了防风沙动车组CRH5G产生磨耗振动的直接原因。为了增强抵御极端气候影响的稳定鲁棒性能,制订了抗蛇行参数优配方案,明确了CRH5的技改方向。     

振噪融合的地铁钢轨波磨快速测量方法

为实现数据驱动的钢轨波磨状态修，提出一种时-空密集型的钢轨波磨测量方法.首先，采用智能终端检测列车编组车体振动和车厢噪声，对列车编组不同车体三向加速度进行波形匹配，得到延时估计值，修正列车运行速度和里程估计误差；其次，基于声纹谱能量法分析车厢声纹数据，并定义“波噪比”指标，量化钢轨波磨噪声能量及其高阶谐波能量占噪声总能量的比值，作为钢轨波磨自动识别的依据；最后，建立列车响应到钢轨波磨状态的反向映射关系，获取波噪比超限时的钢轨波磨波长和里程信息，以地铁某区间实测为例，采用钢轨波磨仪测量1.6 km范围的轨面短波不平顺，将测量结果 [0,50] mm波长范围的波深峰峰值与车厢声纹波噪比进行对比.结果表明：当波噪比阈值取为0.2时，基于声纹数据识别的钢轨波磨与线路分布一致，验证了该方法可为钢轨波磨状态评估提供数据支撑.     

过度磨耗钢轨的打磨廓形设计方法

针对过度磨耗钢轨的打磨，提出一种以圆弧切点为关键参数的钢轨廓形设计方法；以轮轨接触位置为优化区域，以钢轨磨耗和打磨材料去除量作为优化目标函数，以廓形边界范围、凹凸性、脱轨系数和轮轨横向力为约束条件，建立磨耗钢轨打磨设计廓形多目标函数；集成多元模拟退火寻优算法进行求解；为了得到能代表重载线路曲线区段的钢轨廓形，作为优化的输入数据，采用最小二乘距离算法、算术平均算法、加权平均算法和散点重构算法得出4种钢轨代表廓形；使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数计算出4种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性，取相关性最高的代表廓形为等效重载线路曲线区段的实际廓形；对某重载线路过度磨耗钢轨的经济性打磨廓形以及采用圆弧型廓形设计方法的优化廓形进行分析。分析结果表明:优化廓形与现场打磨廓形相较，截面廓形磨削量减少69.56 mm2，下降64.98%，脱轨系数小幅增大，轮轨横向力基本不变，轮对横移变化较小，曲线通过性能相近，80万次通过量下的磨耗面积增加2.19 mm2，钢轨的磨耗速率略微增大，整体仍延长了钢轨寿命。      

基于轮轨接触的高速铁路钢轨磨耗量

为预测高速铁路钢轨的磨耗量,建立了轨道结构静力学有限元模型和动力分析模型,基于Archard磨耗理论从曲线半径、行车速度、轮轨横移量3个角度计算分析了钢轨磨耗量,利用垂直磨耗深度0.5mm的磨耗量为界反算出通过总质量.计算结果表明：曲线地段钢轨磨耗较为严重,垂直磨耗深度为0.5mm时,直线上通过的总质量为45.9～60.0 Mt,曲线上通过仅为22.9～29.9Mr;相同曲线半径条件下,单轮作用下的接触斑处钢轨磨耗量随着行车速度提高而增大;相同速度和曲线半径下,钢轨磨耗量随着轮轨横移量增大而增大.     

高速铁路线下工程沉降差压式精密测量系统

为精确获取高速铁路基础结构沉降变形信息,提出了差压式沉降测量方法,以静止流体欧拉平衡微分方程为基础,讨论了测量基本原理,通过差压处理及对流体密度进行温度修正解决了温度变化引入测量系统误差的问题,对传感器量程、热漂移特性等关键技术参数进行了分析,设计集成了沉降自动化精密测量系统HSMS-1.对高速铁路某线桥梁基础沉降的实测结果表明: HSMS-1在-18~42 ℃环境温度内与电子水准仪测值一致,最大偏差仅为0.44 mm, 300 mm量程沉降测量系统测试准确度可达0.2级,适用于复杂自然环境下高铁线下工程沉降的长期自动化测试.      

轮轨系统的现状与展望

总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法;分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理,对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想;拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路,获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案;总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮,讨论了轮轨系统的检测方...     

基于单目视觉的轨道固定桩基准点测量方法

为了提高铁路线路固定桩基准点绝对坐标测量的效率, 提出了一种新的测量方法; 建立了无合作目标的单点测量模型, 采用单目相机采集激光靶标图像, 利用光饱和点重心法提取激光光斑中心; 研究了平面直线成像规律, 构造了基于正交直线的单应性矩阵求解方法, 并对图像进行透视畸变校正; 根据校正后的图像与靶标的几何相似关系, 计算了激光光斑与靶标的横、纵向偏差; 在室内环境下, 进行了靶标图片拍摄的正交试验, 计算与比较了横、纵向偏差。试验结果表明: 在激光光斑和靶标固定的条件下, 保持相机与靶标的距离不变, 改变相机角度拍摄图片, 经过透视变换校正后, 横、纵向偏差与期望偏差分别为0.082、0.254mm; 相机拍摄角度固定, 改变相机与靶标距离拍摄图片, 经过透视变换校正后, 横、纵向偏差与期望偏差分别为0.126、0.014mm; 在相机的角度、相机与靶标的距离都改变的情况下, 拍摄的图片经过透视变换校正后, 横、纵向偏差与期望偏差分别为0.329、0.064mm; 可见3组试验的横、纵向偏差与期望偏差的误差均小于0.5mm; 系统的水平距离测量误差范围为±1.52mm, 高程测量误差范围为±0.67mm, 根据轨道检查仪性能指标, 线路水平距离误差范围为±3.0mm, 高程误差范围为±2.5mm, 因此, 本文的测量方法精度满足轨道测量要求。水平距离测量误差完全由激光测距仪和倾角传感器决定, 而高程测量误差是由激光测距仪、倾角传感器与激光点和靶心的偏移量共同决定的。      

涂油技术对曲线钢轨磨耗与振动的影响分析

小半径曲线轨道往往会加剧钢轨的磨耗与振动,影响列车的安全性和舒适度,增加维修养护的工作.文章以台湾铁路沙仑支线中洲车站端的爬升曲线为监测地点,在曲线前后端安装钢轨涂油器,进行为期6个月轨旁钢轨振动和磨耗的观测测量;分析小半径曲线轨道在润滑前后,列车经过时钢轨的磨耗和振动变化,观察涂油技术对钢轨磨耗和振动的影响.     

基于摩擦自激理论的单侧钢轨波磨机理分析

为了分析重载铁路曲线地段钢轨波磨的产生原因,基于摩擦自激振动理论建立小半径曲线轮轨三维接触精细化模型,讨论了不同扣件刚度、摩擦系数、超高对轮轨系统不稳定摩擦自激振动的影响,揭示了单侧钢轨波磨产生的内在原因,并通过轮轨瞬态动力学方法,分析了单侧钢轨波磨的传递及演化过程. 结果表明:超高和实际运行速度的不匹配是曲线内股钢轨首先产生波磨的主要原因;内股钢轨波磨产生后会导致轮轨系统不稳定,并将振动传递至外股钢轨,从而诱发小半径曲线地段两侧钢轨均产生波磨;适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的趋势,从而抑制波磨发展.