一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法技术

一种基于NURBS‑Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，先构建基于三次NURBS曲线的待打磨钢轨横断面廓形曲线参数化模型，计算不同打磨模式下单个砂轮的打磨面积，再设计单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案，然后构建单个砂轮的打磨面积的Kriging预测模型，通过砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法，获得单个砂轮打磨后的交点为Pn和Qn，计算获得任意打磨模式中第n个打磨砂轮打磨完成后的廓形，本发明专利技术将NURBS曲线的动态可调整优势与Kriging近似模型技术的高计算效率特点结合起来，对不同打磨模式下钢轨的打磨廓形进行预测，能够快速获得直观的打磨廓形预测结果，保证钢轨打磨质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械工程钢轨打磨
，尤其涉及一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法。
技术介绍
高速铁路钢轨打磨能够提高车辆运行稳定性，在钢轨打磨实际作业过程中，通常需要根据现场钢轨损伤与磨损情况，设计相应的打磨目标廓形，然后结合打磨实践经验，选择合适的打磨模式对钢轨进行打磨，最终获得与目标廓形一致的打磨廓形。但是，这种凭打磨经验选择打磨模式的方法并不能够保证钢轨打磨作业后最终获得的打磨廓形与预先设计的钢轨打磨目标廓形完全吻合，这在一定程度行限制了钢轨打磨质量的提高。因此，有必要在钢轨打磨之前对预设打磨模式下钢轨的最终打磨廓形进行预测，为钢轨打磨现场作业过程中打磨模式的选择和优化提供依据。为了预测不同打磨模式下钢轨的最终廓形，需要对钢轨打磨的作用机理进行研究。智少丹等(智少丹,李建勇,刘月明,聂蒙.基于磨粒切削模型的钢轨打磨机理研究[J].中国铁道科学,2015(01):33-39)基于钢轨打磨原理建立打磨砂轮磨粒与钢轨接触的几何模型和受力模型，分析磨粒切削深度与打磨设定功率的理论关系，仿真预测获得对应区域的钢轨打磨深度、打磨宽度和打磨横断面积。该方法基于对应的打磨模式仿真预测得到对应的打磨结果，例如打磨深度、宽度和横断面积，但是并不能直接获得打磨后的廓形，不能与预先设计的打磨廓形进行直观对比，不利于打磨模式的确定与优选，限制了钢轨打磨质量的提高。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，将NURBS曲线的动态可调整优势与Kriging近似模型技术的高计算效率特点结合起来，对不同打磨模式下钢轨的打磨廓形进行预测，能够快速获得直观的打磨廓形预测结果，保证钢轨打磨质量。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，包括以下步骤：1)利用钢轨轮廓扫描仪，获得钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的待打磨钢轨横断面廓形曲线参数化模型；2)假设在同一打磨模式下砂轮的打磨量相同，根据钢轨的打磨原理，将砂轮打磨量的计算转化成为求解由廓形NURBS曲线与砂轮打磨端面直线相交围成的面积的问题，砂轮打磨量为廓形横断面打磨面积S；3)利用三次NURBS曲线面积积分量精算公式计算不同打磨模式下单个砂轮的打磨面积S；4)将打磨模式中列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p三个打磨参数作为设计变量，打磨面积S为因变量，设计单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案；5)利用打磨车依次选择对应的打磨模式对一段磨损钢轨进行打磨，并使用钢轨轮廓检测仪获得打磨前后的钢轨廓形坐标值，应用步骤3)确定的打磨面积计算方法，得到30组打磨模式对应的打磨面积S，以此作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，使用步骤4)确定的Kriging模型构建方案，构建单个砂轮的打磨面积的Kriging预测模型；6)通过砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法，获得单个砂轮打磨后的交点为Pn和Qn；7)基于钢轨打磨顺序成形原理，采用步骤6)确定的砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法设计钢轨打磨廓形预测方案，计算获得任意打磨模式中第n个打磨砂轮打磨完成后的廓形，并将之在图形用户界面中输出。所述步骤4)中单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案，包括以下步骤：4.1)将打磨模式中列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p三个打磨参数作为设计变量，打磨面积S为因变量；4.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对三个打磨参数进行随机抽样组合，获得由三个打磨参数随机组合成的30组打磨模式；4.3)使用打磨列车采用步骤4.2)确定的30组打磨模式进行打磨，并应用钢轨轮廓扫描仪获得打磨前、后钢轨的横断面打磨面积S；4.4)将30组由列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p构成的打磨模式及其对应的打磨面积S组合起来，以此作为训练样本，应用Matlab软件Dace工具箱构建单个砂轮打磨面积的Kriging预测模型。所述步骤6)中砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法，包括以下步骤：6.1)在打磨参数设计空间中，选择任意打磨参数vi，θi,pi构成任意车轮的打磨模式，利用步骤5)构建的打磨面积Kriging预测模型，计算该模式下的打磨面积预测值Si；6.2)在钢轨廓形曲线上寻找两点Pi和Qi，保证直线lPQ的斜率kPiQi与砂轮的打磨角度θi的正切值tanθi相等；6.3)采用步骤3)确定的三次NURBS曲线面积计算方法，计算直线lPQ与点Pi和Qi之间的曲线围成的面积SPiQi，若SPiQi与Si相等，则点Pi和Qi即为所需要找到的交点；否则更换点Pi和Qi，直到找到交点为止。所述步骤7)中钢轨打磨廓形预测实现方案，包括以下4个步骤：7.1)通过步骤1)获得待打磨钢轨横断面廓形曲线，根据选择的打磨模式中设置的打磨角度，应用步骤6)确定的求交算法计算第一个打磨角度打磨完成后的交点P1和Q1；7.2)用直线连接P1和Q1，去除原待打磨曲线上两点间的点，获得新的待打磨钢轨横断面廓形；7.3)根据选择的打磨模式中设置的第二打磨角度，应用步骤6)确定的求交算法计算第二个打磨角度打磨完成后的交点P2和Q2，重复步骤7.2)，对待打磨钢轨横断面廓形曲线进行更新；7.4)重复步骤7.3)，直到完成打磨模式中设置的所有打磨角度，输出由所有交点构成的打磨预测曲线。本专利技术的有益效果为：应用本专利技术方法预测不同打磨模式下钢轨的打磨廓形，可以对任意磨损钢轨在任意打磨模式下的最终打磨廓形进行预测，解决了钢轨打磨工程实践中需要根据实践经验选择打磨模式的问题，提高了打磨廓形预测的精度和效率，具有良好的工程应用价值；使用三次NURBS曲线构建钢轨断面廓形曲线的参数化模型，基于三次NURBS曲线面积精算公式，设计了单砂轮打磨量计算模型，提高了钢轨打磨的预测精度；本专利技术考虑到钢轨打磨参数对钢轨打磨量之间的复杂关系，基于Kriging模型构建了单个砂轮打磨量的近似模型，能够快速、准确的计算不同打磨模式下砂轮的打磨量，提高了钢轨打磨廓形预测的计算效率。附图说明图1是本专利技术方法的流程图。图2是钢轨打磨原理示意图。图3是单个砂轮的单次打磨面积计算原理。图4是单个砂轮单次打磨面积Kriging模型构建方案。图5是单个砂轮端面直线与钢轨廓形曲线的求交算法。图6是钢轨打磨廓形预测实现方案。图7是实施例中磨损钢轨横断面廓形。图8是实施例中基于三次NURBS曲线的磨损钢轨廓形参数化模型。图9是实施例中应用Kriging模型构建方案获得的GMC-96x型打磨列车单个砂轮单次打磨面积的Kriging预测模型。图10是实施例中磨损钢轨的打磨廓形预测结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明晰，以下结合附图对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的具体实施方式不限于此。如图1所示，一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，包括以下步骤：1)利用钢轨轮廓扫描仪，获得钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的待打磨钢轨横断面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于NURBS‑Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用钢轨轮廓扫描仪，获得钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的待打磨钢轨横断面廓形曲线参数化模型；2)假设在同一打磨模式下砂轮的打磨量相同，根据钢轨的打磨原理，将砂轮打磨量的计算转化成为求解由廓形NURBS曲线与砂轮打磨端面直线相交围成的面积的问题，砂轮打磨量为廓形横断面打磨面积S；3)利用三次NURBS曲线面积积分量精算公式计算不同打磨模式下单个砂轮的打磨面积S；4)将打磨模式中列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p三个打磨参数作为设计变量，打磨面积S为因变量，设计单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案；5)利用打磨车依次选择对应的打磨模式对一段磨损钢轨进行打磨，并使用钢轨轮廓检测仪获得打磨前后的钢轨廓形坐标值，应用步骤3)确定的打磨面积计算方法，得到30组打磨模式对应的打磨面积S，以此作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，使用步骤4)确定的Kriging模型构建方案，构建单个砂轮的打磨面积的Kriging预测模型；6)通过砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法，获得单个砂轮打磨后的交点为Pn和Qn；7)基于钢轨打磨顺序成形原理，采用步骤6)确定的砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法设计钢轨打磨廓形预测方案，计算获得任意打磨模式中第n个打磨砂轮打磨完成后的廓形，并将之在图形用户界面中输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用钢轨轮廓扫描仪，获得钢轨断面廓形的数据点坐标值，将之作为NURBS曲线的型值点，构建基于三次NURBS曲线的待打磨钢轨横断面廓形曲线参数化模型；2)假设在同一打磨模式下砂轮的打磨量相同，根据钢轨的打磨原理，将砂轮打磨量的计算转化成为求解由廓形NURBS曲线与砂轮打磨端面直线相交围成的面积的问题，砂轮打磨量为廓形横断面打磨面积S；3)利用三次NURBS曲线面积积分量精算公式计算不同打磨模式下单个砂轮的打磨面积S；4)将打磨模式中列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p三个打磨参数作为设计变量，打磨面积S为因变量，设计单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案；5)利用打磨车依次选择对应的打磨模式对一段磨损钢轨进行打磨，并使用钢轨轮廓检测仪获得打磨前后的钢轨廓形坐标值，应用步骤3)确定的打磨面积计算方法，得到30组打磨模式对应的打磨面积S，以此作为训练样本，基于Matlab软件Dace工具箱，使用步骤4)确定的Kriging模型构建方案，构建单个砂轮的打磨面积的Kriging预测模型；6)通过砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法，获得单个砂轮打磨后的交点为Pn和Qn；7)基于钢轨打磨顺序成形原理，采用步骤6)确定的砂轮端面直线与钢轨廓形NURBS曲线的求交算法设计钢轨打磨廓形预测方案，计算获得任意打磨模式中第n个打磨砂轮打磨完成后的廓形，并将之在图形用户界面中输出。2.根据权利要求1所述的一种基于NURBS-Kriging的钢轨打磨廓形预测方法，其特征在于：所述步骤4)中单个砂轮打磨面积的Kriging模型构建方案，包括以下步骤：4.1)将打磨模式中列车运行速度v、砂轮打磨角度θ和打磨压力p三个打磨参数作为设计变量，打磨面积S为因变量；4.2)使用拉丁超立方抽样方法在设计空间中对三个打磨参数进行随机抽样组合，获得由三个打磨参数随机组合成的30组打磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：解欢，曾威，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61