研磨动力装置以及针对轨应用操作研磨动力装置的方法

摘要

用于定向和操作研磨动力装置的方法和装置以及其相关联的用于轨应用的机械参数被描述。用于确定针对研磨车上的研磨动力装置的操作的参数的方法可以包括：接收轨轮廓，将所述轨轮廓与目标轨模板相比较来提供比较结果以及基于所述比较结果通过处理器确定研磨动力装置的定向、功率以及速度中的一个或更多个。

说明书

相关申请的交叉引用：本申请要求2013年10月21日递交的美国临时申请No.61/893,546的优先权，美国临时申请No.61/893,546通过引用被整体地并入本文。

背景

铁路典型地被构造来包括一对细长的、基本上平行的轨，所述轨耦合于多个横向延伸的轨枕。轨枕被设置在硬的微粒材料(比如锐利边缘的花岗岩)的道碴床上。随着时间的过去，铁路上的正常磨损和破裂可以引起轨生成表面缺陷和形状上的变形。

轨研磨器是典型地被用来使轨的横贯截面成形以控制车轮/轨交界面以及去除纵向表面缺陷的轨道车。研磨动力装置(motor)可以是手持式的、车上安装的或有轨机械的一部分。有轨研磨器具有典型地从10个到96个研磨动力装置范围变化的动力装置配置。这些动力装置可以对轨的横截面轮廓以预定的角度被定向并且具有变化的马力。

简要内容

本公开是针对于用于在轨道维护(比如研磨)中使用的改进的系统和方法。

在实施方案中，用于确定针对研磨车上的研磨动力装置的操作的参数的方法包括：接收轨轮廓；将所述轨轮廓与目标轨模板相比较来提供比较结果；以及基于所述比较结果通过处理器确定研磨动力装置的定向、功率以及速度中的一个或更多个。

在另一个实施方案中，用于确定研磨车上的研磨动力装置的研磨操作的方法包括：接收与轨轮廓相关联的数据；确定轨轮廓数据的波纹特性；确定所述波纹特性是否指示存在可以通过研磨被去除的波纹；如果确定所述波纹特性指示存在不可以通过研磨被去除的波纹，针对轮廓研磨所述轨；以及如果确定所述波纹特性指示存在可以通过研磨被去除的波纹，针对波纹研磨所述轨。

在另一个实施方案中，轨研磨车包括第一研磨动力装置以及第二研磨动力装置。所述第一研磨动力装置被配置来相对于轨以基于对所述轨的轮廓和轨模板的比较所选择的定向被定位。所述第二研磨动力装置被配置来相对于所述轨以基于对所述轨模板的模型和轨模板的比较所选择的定向被定位，所述轨模板的模型被更新来估计被所述第一研磨动力装置去除的金属。

附图简要说明

在附图中，以举例的方式图示说明了实施方案，图中相同的数字指代相似的部件，并且其中：

图1是建立在轨研磨器上的示例性轨研磨动力装置的侧视图；

图2是示例性测量系统的立体图；

图3是示例性轨轮廓的图；

图4是示例性测量的轨轮廓和示例性目标轨模板的图；

图5是具有波纹的示例性轨的立体图；

图6是一般化的热图可视化的示例性轨波纹的立体图；

图7是用于确定研磨模态的示例性过程的流程图；

图8是用于确定针对轮廓研磨的研磨动力装置定向的示例性过程的流程图；

图9A是示例性轨轮廓和示例性目标轨模板的图；

图9B是针对图9A的轮廓和目标模板的示例性差异曲线的图；

图9C是在图9A的迭代之后的迭代中的示例性轨轮廓和示例性目标轨模板的图；

图9D是针对图9C的轮廓和目标模板的示例性差异曲线的图；

图10是针对给定列车速度和磨粒切削深度的示例性期望去除区域的图；以及

图11是示例性轨计算设备。

详细说明

尽管本公开的各种实施方案的形成和使用以下被详细讨论，将被领会的是，本公开提供可以呈现在广泛多样的具体环境中的许多可应用的发明构思。本文中所讨论的具体实施方案仅仅是对形成和使用本公开的具体方式的说明而不限制本公开的范围。

为了便利对本公开的理解，下面限定多个术语。本文所限定的术语具有如同与本公开相关的领域中普通技术人员所一般理解的意义。比如“一个(a)”、“一个(an)”以及“所述(the)”的术语不意图仅指代单一实体，而是包括具体实施例可以被用于图示说明的一般类别。本文的术语被使用来描述本公开的具体实施方案，但是它们的使用不限制本公开，除了如权利要求书中所概述的。

本公开是针对于用于使研磨动力装置定向自动化的过程。在一个实施方案中，该过程利用轨轮廓检查系统——横贯的(横截面)和纵向的(波纹、表面波)，以及预测性的金属去除公式来提供动力装置的期望定向和马力以及适当的研磨列车速度。

用于确定研磨动力装置定向、马力和/或速度的过程的各种实施方案被描述，并且包含根据本公开的这样的过程的轨机械被描述。然而，将被理解的是，下面的解释在描述本公开的设备和方法上仅仅是示例性的。从而，若干修改、更改和替代是可预期的。

本文所描述的过程可以实施在致力于轨研磨过程的有轨机械上。在其他实施方案中，研磨动力装置可以与其他类型的轨机械相关联。具有研磨动力装置的轨机械可以由操作者使用，或者在其他实施方案中，具有研磨动力装置的轨机械可以作为无人驾驶车(即，没有人类操作者)被操作。

图1是轨研磨动力装置10的侧视图。轨研磨动力装置10以部分视图被示出，并且轨研磨设备可以包括耦合于轨车的许多研磨动力装置，所述轨车可操作来沿轨行进(例如自推进的)。轨12以横截面被示出。研磨头14的定向可以相对于轨12被控制。轨研磨动力装置10可以通过安装件16a和16b耦合于轨车。耦合在研磨头14和轨车之间的致动器18a和18b可以控制研磨头14相对于轨12的竖直和横向定向。致动器20可以控制研磨头14相对于轨12的角度22。

图2是示例性轨测量系统的立体图。轨车可以包括测量系统100。测量系统100可以获得轨12的轮廓测量。测量系统100可以例如是摄像机系统、激光测量系统或可以获得表征轨的横贯轮廓的数据组的任何其他系统。数据组可以通过参考耦合于轨的编码器轮、参照轨的特定位置被记录。测量系统100可以连续地操作或可以周期性地(例如，每隔3米)测量轨轮廓。

根据本公开的过程可以利用实施横贯轮廓测量(例如，经由基于激光的轨轮廓测量系统或通过其他系统以笛卡尔坐标返回)以及轨波纹测量(经由加速度或位移数据的轨表面异常)，来确定针对轮廓和/或波纹研磨的方式。图3描绘坐标网格上给定轨的示例性横贯轮廓测量。取决于测量系统100，轮廓测量可以是连续的或可以是以多个区段110a、110b等被提供。区段的数量(从一个到许多个)可以取决于视野和测量感测器的数量。图4描绘对准于所测量的轨轮廓120所选择的目标轨模板122(例如在比如区段110a的轨顶部的左侧区域上)。轨模板可以是轨的横贯形状。

参照图5和图6，可以遇到的一个问题是沿轨500、轨600的纵向轮廓的轨波纹。图5是具有波纹(例如，抬高区域502a、502b和凹陷区域504a、504b)的示例性轨500的立体图，并且图6以一般化的热图可视化的方式依据深度来图示说明轨600的轨波纹。轨波纹可以通过轨研磨被去除或减小来平整波纹。通过将更多轨研磨动力装置中的一个定位在轨上，轨可以被研磨来使所述轨再成形。

被每个单独的动力装置从轨去除的金属的数量取决于研磨期间影响去除的金属量的若干因素(比如动力装置的马力)，包括车的速度、研磨石的组成、轨的硬度、轨的初始形状以及其他因素。有轨车的速度显著影响研磨期间所去除的金属量，并且在实践中是调整来控制所去除的金属量的更简单的参数中的一个。

用于确定研磨模态选择的示例性过程被描绘在图7中。一个可能的研磨模态是针对轮廓研磨。针对轮廓研磨包括在相同操作中使轨的多个表面(例如轨的顶部和侧部)成形来 寻求期望完成的轮廓。另一个可能的研磨模态是针对波纹研磨。针对波纹研磨包括将轨顶部的平整优先化以通过将研磨动力装置中的更多个或全部定位在轨顶部上(从而增加总体金属去除)来减小波纹。针对波纹的研磨操作可以随后进行针对轮廓的研磨操作，反之亦然。可替代地，仅针对轮廓的研磨模态可以被使用，或者仅针对波纹的研磨模态可以被使用。如果波纹幅度和波长测量指示存在足够的可以经由研磨被去除的波纹，研磨动力装置可以在调整轮廓之前被定向来去除波纹。

在步骤S100和S102，轨轮廓数据和波纹测量被提供(例如通过测量系统100)。波纹测量可以包括波长和幅度测量。在步骤S106，通过对波纹波长与研磨石的尺寸的比较确定波长是否可以通过研磨被去除。如果波长不可以通过研磨去除，那么在步骤S108针对轮廓研磨模态被选择。如果波长可以通过研磨被去除，那么过程进行到步骤S110，在步骤S110，确定波纹幅度是否可以通过研磨被去除同时保留轨的加工硬化层。如果幅度不可以通过研磨被去除，那么在步骤S112针对轮廓研磨模态被选择。如果幅度可以通过研磨被去除，那么在步骤S114研磨模态逻辑可以评估波纹的幅度(A)是否在某一限定值(例如，0.3175毫米)之上。如果幅度在限定值之上，那么在步骤S116针对波纹研磨被选择。如果所测量的波纹不指示应该应用波纹研磨，那么在步骤S118波纹质量指数(CQI)可以被确定。CQI的实施例是基于所测量的波纹数据的所产生的动态冲击与可接受的动态冲击之比。单独的铁路可以限定匹配其单独标准的CQI阈值。如果CQI在阈值处或在阈值之下，那么在步骤S120针对波纹研磨被选择。如果CQI在阈值之上，那么在步骤S122针对轮廓研磨被选择。

如果波纹研磨被要求，所要求来准备用于轮廓研磨的段的行程(pass)(相同位置上的顺序行进)的数量可以被建议给操作者。注意，行程的数量可以取决于研磨器上动力装置的数量和功率。在波纹研磨之后，如果要求，向操作者作出对研磨模式和研磨器速度的建议以将轨的横贯截面再成形为期望的形状(模板)。取决于有轨研磨器上研磨动力装置的数量，过程还可以预测行程的数量，并且针对每次行程限定研磨模式(例如，研磨动力装置的定向、研磨动力装置的功率)和研磨器速度。

当是时候针对轮廓研磨时，研磨模式可以自动地被生成来使得横贯轨轮廓成为目标轨模板，要么准确匹配，要么在一些公差之内。这些公差可以包括匹配所选择的轮廓模板或基于使用者公差优化行程。匹配所选择的轮廓模板的途径可以包括无限的行程，例如使用比如关于图8所更详细地讨论的追逐峰值研磨方法。

基于使用者公差优化行程的步骤可以包括具体化行程的数量，使用研磨质量指数(GQI)目标，或使用目标资源利用技术。GQI的实施例是差异曲线与可接受性曲线之比。行程数量途径可以包括最优位置研磨方法，最优位置研磨方法可以将轨头部的最关键区域(轨的顶部、计量面(gage face)、计量拐角(gage corner)或场侧(field side)中的一者)上的研磨优先化。GQI途径可以包括具有充足数量的行程来实现GQI目标的最优位置研磨方法和/或追逐峰值研磨方法。目标利用途径可以考虑历史上的燃料、石料以及其他使 用图来估计研磨操作的耗费。当达到针对研磨阈值的某一耗费量时，研磨可以停止。在以上途径中的任一种中，当施加限制因素时，优化逻辑可以支持轨的具体区域(比如计量拐角)优先研磨。

参照图8，以追逐峰值为目标的研磨方法被描述，以追逐峰值为目标的研磨方法可以包括以这样的方式定位和校准研磨动力装置以便研磨如同每个经过的动力装置所见的差异曲线(例如，测量横贯轮廓和比如模板的期望轮廓之间的正常差异)上的最高点。追逐峰值逻辑利用关于需要从轨上被去除的金属量的信息，以匹配所选择的目标模板(差异曲线)。所述过程可以是针对n个动力装置的迭代过程。

在步骤S200和步骤S202，轨轮廓数据和目标轨模板被提供。在步骤S204，利用例如区域最小化程序来对准轨轮廓数据和目标轨模板(参见例如图4)，以在步骤S206提供对准的轨轮廓和轨模板。在步骤208，轨轮廓数据和目标轨模板之间的差异曲线被计算来在步骤S210提供差异曲线。差异曲线可以识别相关于目标轨模板的、要被去除的材料沿所测量轨轮廓的横贯表面的深度。

差异曲线可以被利用来识别轨轮廓上的点，其中在步骤212，最大量的金属需要被去除。基于这一位置，在步骤214，动力装置角度可以被设定，以致在轨上的该位置形成接触。在步骤216，如果轨被研磨掉等于峰值深度的量则会从轮廓被去除的这样的金属的区域被计算。这一计算基于步骤S212中所识别的位置来识别所测量的轨轮廓上的接触点，并且计算通过将动力装置角度投影(project)到轨中所去除的区域。在步骤S218，这一区域值与最大可能金属去除区域(使用预测金属去除公式确定的)相比较。如果这一区域大于最大可能金属去除区域，在步骤S220研磨动力装置被设定到最大功率。如果万一去除区域大于要被去除的最大可能区域，在步骤S220研磨车被设定到其最慢速度。在步骤S222轨轮廓被修改来模拟单一动力装置的行程，并且过程返回到步骤S208，以在之前的研磨动力装置(其由过程的该行程设定)去除金属之后并且为了继续确定剩余的研磨动力装置的定向而再计算差异曲线(现在估计的)。

如果要被去除的区域少于最大值，研磨轨车速度可以增加。如果这是该模式(步骤S224)的第一动力装置，研磨轨车速度(例如，“列车速度”)也基于左侧轨和右侧轨之间要被去除的最大区域由针对行程的金属去除公式确定(步骤S226)，并且模式列车速度被设定到所确定出的结果(步骤S228)。

在步骤S229，列车速度和要被去除的区域被传递通过金属去除公式来确定针对动力装置功率所期望的设定以获得目标切削深度。如果要被去除的区域大于可以被去除的最大可能区域，动力装置的功率将被最大化输出，如果要被去除的区域小于可以被去除的最小区域，动力装置的功率将被设定到最小动力装置功率，或者如果所述区域处于以指定的研磨车速度可以被去除的最小区域和最大区域之间，动力装置的功率将被设定到所确定的具体功率。在步骤S230，研磨动力装置的功率被设定到所期望的动力装置功率。

如以上所提到的，这可以被实施为施加于研磨器上的n个研磨动力装置中的每个的迭代过程。在步骤S232，如果这是n个动力装置中的动力装置n，模式在步骤S232被终止，并且被传递到研磨器的控制软件来物理性地设定研磨动力装置以对应于轮廓模式(例如，通过使用致动器18a、18b和20)。如果这不是动力装置n，在步骤S222，存储器中的轨轮廓被修改来仿真研磨石以确定的定向和功率的经过。然后新的轮廓被使用来再计算在步骤S208处的差异曲线并且将该差异曲线传递到追逐峰值逻辑的下一个迭代。

以上所描述的过程可以创建一组针对研磨动力装置的定向，所述定向不取决于来自模式库的预定模式。就是说，在迭代方式中，基于在第一迭代中所测量的轨轮廓和目标轮廓之间的差异，研磨动力装置的布置按每个动力装置被单独地设定。在后续的迭代中，所测量的轨轮廓被更新到估计的轮廓，所述估计的轮廓考虑到之前所确定的研磨动力装置定向的金属去除效应。因为研磨动力装置不固定于预定模式，这种途径允许研磨动力装置的放置上的更大灵活性。所述模式可以对轨的具体情况而定制并且针对在领域中所遇到的具体情况而被优化。这种途径不被可以适用于研磨列车的少量的预定模式所限制。并且，当与大的预定模式库比较时，方案可以比通过大量预定模式分类拣选更快地被发现，由于计算的限制，通过大量预定模式分类拣选可能在实践上不能近实时地实施。

此外，随着每个动力装置的定向被确定，分析每个动力装置的金属去除效应也利用研磨动力装置的连续效应。就是说，当一个研磨动力装置在轨之上经过时，该研磨动力装置去除后续研磨动力装置将不会遇到的材料。因此，后续研磨动力装置所需要的功率和定向被研磨动力装置遇到轨的顺序所影响。简单地比较当前轮廓和目标轮廓以从轮廓库中选择研磨轮廓不考虑研磨动力装置被施加到轨的顺序的影响，也不考虑轨的初始横贯形状。例如，通用模式可以具有施加在研磨列车中某些点的非必要动力装置功率，这导致研磨操作的低效率或恶化的结果。

图9示出在示例性追逐峰值方法中的两个行程。动力装置接触点被指示在轨轮廓上，其中相应的针对每个行程的差异曲线在轮廓之下被示出。

参照图9A，轨轮廓902和目标轨模板904被示出。轨轮廓902和目标轨模板904之间的差异被示出为图9B中的差异轨迹906。峰值或最大幅度差异在差异轨迹906上的点908处被发现。可以包括接触点和接触角度二者的研磨动力装置的定向被设定在轨上对应于差异轨迹906中的峰值908的点910处。

在确定点910处的研磨动力装置的定向和功率后，金属去除公式被使用来估计910处具有研磨动力装置的应用的轨轮廓。所估计的轨轮廓920和目标轨模板922在图9C中被示出。轨轮廓920和目标轨模板922之间的差异被示出为图9D中的差异轨迹924。由于在点910处的研磨动力装置的放置，之前在图9B中的点908处的峰值或最大幅度差异已经被减小。因此，差异轨迹924中的峰值已经移动到点926。研磨动力装置定向被设定在 对应于差异轨迹924中的峰值926的点928处。这种过程可以对n个动力装置重复，直到差异曲线符合某种标准(比如GQI)或者已经符合另一个终止标准。

基于磨粒理论和实验性测量估计被研磨石所去除的金属区域的预测模型可以被施用在以上所描述的过程中。金属去除区域公式(MRE)是对使用产生具体磨粒切削深度的研磨设定所做的研磨实验结果的外推。这种实验以这样的方式进行，以便表征研磨区域去除中的列车速度的效应。

参照图10，针对各种磨粒切削深度的金属去除区域1002、1004、1006、1008、1010、1012被示出为依据列车速度。MRE可以以至少三种方式被使用。一，基于要针对行程而被去除的最大区域，列车速度可以针对模式被确定。二，MRE可以被使用来预料这样的功率，动力装置应当以设定在该功率来去除目标量的材料。为了实现某一切削深度，某一动力装置功率被要求。因此，切削深度相关于动力装置功率。三，如果动力装置被设定在具体的功率，MRE可以被使用来估计将要被去除的金属量。

一般地，金属去除区域公式(MRE)可以被使用来确定列车速度、动力装置功率以及去除的区域。列车速度可以被描述为依据：基于轨轮廓和差异曲线的最大目标去除区域、研磨器的研磨石的平均旋转速率、轨的剪切长度、研磨石表面上磨粒数量的总和、实际最大和最小研磨动力装置功率以及实际最大和最小研磨列车速度。动力装置功率可以被描述为依据：基于轨轮廓和差异曲线的目标去除区域、列车速度、研磨器的研磨石的平均旋转速率、实际最大和最小研磨动力装置功率以及实际最大和最小研磨列车速度。去除的金属区域可以被描述为依据：计算中当前动力装置的功率设定、列车的速率、研磨器的研磨石的平均旋转速率、实际最大和最小研磨动力装置功率以及实际最大和最小研磨列车速度。

本文所描述的过程可以被实施在与研磨车相关联的计算机上。所述计算机可以被设置在研磨车上，或者其可以位于远离研磨车处，而指令被传送到研磨车。在一个实施方案中，为了处理数据以执行本文所描述的技术中的一个或更多个的目的，用于实施本文所描述的一个或更多个过程的计算机包括被配置来实行储存在存储器中的至少一个程序的处理器。处理器可以耦合于通信接口来接收远程感测数据，比如轨轮廓数据和波纹测量。处理器还可以经由输入/输出模块接收感测数据。除了储存用于程序的指令，存储器可以储存本文所描述的技术中所涉及的初步的、中间的和最终的数据组。在其其他的特征中，计算机或数据处理系统可以包括显示界面和显示器，所述显示器显示如本文所描述的生成的各种数据。将被领会的是，图11中所示出的计算机或数据处理系统本质上仅是示例性的(例如，显示器可以与计算机分开，等等)，并且不是对本文所描述的系统和方法的限制。

图11图示说明用于实施根据本公开的一个实施方案的方法的数据处理系统1100。为了处理数据以执行本文所描述的技术中的一个或更多个的目的，数据处理系统1100可以包括被配置来实行储存在存储器1106中的至少一个程序1104的处理器1102。处理器1102可以耦合于通信接口1108来接收远程感测数据。处理器1102还可以经由输入/输出模块 1110接收感测数据。除了储存用于程序的指令，存储器1106可以储存本文所描述的技术中所涉及的初始的、中间的和最终的数据组。在其其他的特征中，计算机或数据处理系统1100还可以包括显示界面1112和显示器1114，显示器1114显示如本文所描述的产生的各种数据。将被领会的是，图11中所示出的计算机或数据处理系统1100本质上仅是示例性的(例如，显示器可以与计算机分开、可以被省略等等)，并且不是对本文所描述的系统和方法的限制。

尽管以上已描述了根据本文公开的原理的各种实施方案，应理解这些实施方案仅以实施例的方式被提出，而非限制。由此，所述一个或多个发明的宽度和范围不应受任何上述的示例性实施方案限制，而应仅根据本公开公布的任何权利要求以及它们的等同物来限定。而且，以上优点和特征提供在所描述的实施方案中，但不应将这些公布的权利要求的应用限制为实现以上优点的任一或全部的方法和结构。

将被理解的是，本公开的原理性特征可以在不偏离本公开的范围的情况下被应用在各种实施方案中。本领域技术人员将认识到或能够确认使用仅仅常规的实验、对本文所描述的具体过程的许多等同形式。这样的等同形式被认为在本公开的范围之内并且被本文的权利要求所覆盖。

此外，本文的段落标题是背提供来与37 CFR 1.77的建议一致，或者用于提供本文的结构线索。这些标题不应限制或特征化可以从该公开公布的任何权利要求中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题指“技术领域”，权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。进一步，“背景技术”中的技术的描述不是要被解读为承认某项技术是该公开中的任意一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不是要被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的特征描述。另外，该公开中对单数的“发明”的任何引用不应被用于证明在该公开中仅有一个新颖点。根据从该公开公布的多个权利要求的限定，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地定义了由其保护的一个或多个发明，以及它们的等同物。在所有例子中，这些权利要求的范围根据该公开按照这些权利要求本身的实质来理解，而不应被本文所陈述的标题限制。