鐘艷春

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

鋼軌探傷車激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)研制

鐘艷春

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

大型鋼軌探傷車進(jìn)行探傷作業(yè)時(shí)，必須使超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)鋼軌軌腰的中心線，由于線路的不平順及輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)，鋼軌探傷車在線路上行進(jìn)時(shí)不可避免地產(chǎn)生橫擺、搖頭運(yùn)動(dòng)，會(huì)使超聲波探頭偏離鋼軌。為使超聲波探頭能對(duì)準(zhǔn)鋼軌軌腰的中心線，本文研制了超聲波探頭激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)，并進(jìn)行了裝車和實(shí)際線路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)對(duì)中性能良好，在0～80 km/h的速度等級(jí)下99%的自動(dòng)對(duì)中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）區(qū)間內(nèi)，能夠適應(yīng)不同速度等級(jí)的自動(dòng)對(duì)中需求。

鋼軌探傷車；超聲波探頭；激光傳感器；自動(dòng)對(duì)中

鋼軌探傷車承擔(dān)在役鋼軌的傷損檢測(cè)任務(wù)，對(duì)保證鐵路運(yùn)輸安全起到重要的作用。我國(guó)對(duì)鋼軌探傷車的研究雖然起步較晚，但是相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步［1-7］，鋼軌探傷車超聲波探頭的自動(dòng)對(duì)中技術(shù)就是其中一個(gè)重要的研究成果。

我國(guó)現(xiàn)有大型鋼軌探傷車的自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)有2種。一種是可變軸距的機(jī)械漲輪結(jié)構(gòu)對(duì)中，其主要原理是依靠氣缸的壓力使?jié)q輪對(duì)的輪緣始終緊貼鋼軌的軌頭內(nèi)側(cè)，這樣漲輪對(duì)中心位置始終對(duì)準(zhǔn)鋼軌中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。這種方式雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在探傷小車低速運(yùn)行時(shí)能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)中要求，但是隨著運(yùn)行速度的提高，這種變輪距的探傷小車容易出現(xiàn)脫軌問(wèn)題［8］。另一種是采用電磁傳感器的自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)［9］，這種方式的對(duì)中系統(tǒng)沒(méi)有考慮鋼軌磨耗的影響，當(dāng)鋼軌磨耗嚴(yán)重時(shí)，傳感器很難找準(zhǔn)鋼軌中心線，導(dǎo)致對(duì)中失??；另外這種方式也沒(méi)考慮鋼軌銹蝕的影響，電磁傳感器由于具有強(qiáng)磁性，因此會(huì)把鐵銹吸引到傳感器上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電磁傳感器上就會(huì)沾滿鐵銹，造成電磁傳感器失效，從而導(dǎo)致對(duì)中系統(tǒng)失效。為使超聲波探頭能對(duì)準(zhǔn)鋼軌軌腰的中心線，本文設(shè)計(jì)研制了超聲波探頭激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)，并進(jìn)行了裝車和實(shí)際線路試驗(yàn)。

1　鋼軌探傷車激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)

1.1概述

鋼軌探傷車是根據(jù)鋼軌傷損反射的超聲回波來(lái)檢測(cè)鋼軌傷損的，即通過(guò)監(jiān)控設(shè)定的閘門內(nèi)有無(wú)反射波，來(lái)判斷鋼軌的某個(gè)部位是否存在傷損。為了使超聲波能打到軌底，在使用超聲波探頭進(jìn)行鋼軌探傷時(shí)，必須使0度超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)鋼軌截面的幾何中心線。當(dāng)超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)鋼軌截面中心線時(shí)（見(jiàn)圖1（a）），如果鋼軌沒(méi)有傷損，超聲波探頭可以接收到比較強(qiáng)的軌底回波（底波）信號(hào)，如果鋼軌有傷損，超聲波探頭就會(huì)收到傷損底波信號(hào)，從而檢測(cè)出鋼軌的傷損；而當(dāng)超聲波探頭偏離鋼軌時(shí)（見(jiàn)圖1（b）），正常的底波信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)減弱甚至消失，導(dǎo)致很難甚至不能檢測(cè)出鋼軌傷損。

圖1　超聲波探頭處于鋼軌不同位置時(shí)收到的底波信號(hào)

由于線路的不平順及輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)，鋼軌探傷車在線路上行進(jìn)時(shí)不可避免地產(chǎn)生橫擺、搖頭運(yùn)動(dòng)，如果將超聲波探頭直接裝在探傷車車體上，車體的這種橫向運(yùn)動(dòng)就會(huì)傳遞到超聲波探頭上，使超聲波探頭難以對(duì)準(zhǔn)鋼軌，從而達(dá)不到檢測(cè)傷損的目的。因此必須對(duì)這種橫向運(yùn)動(dòng)加以控制，才能使0度超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)鋼軌截面的幾何中心線，實(shí)現(xiàn)鋼軌探傷。

1.2激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)由激光位移傳感器、控制計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)缸、手動(dòng)控制器等組成。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

激光位移傳感器測(cè)量鋼軌軌廓并獲取當(dāng)前超聲波探頭位置，然后將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送到控制計(jì)算機(jī)中。根據(jù)激光位移傳感器傳過(guò)來(lái)的鋼軌位置數(shù)據(jù)，控制計(jì)算機(jī)計(jì)算當(dāng)前傳感器與鋼軌之間的距離。由于安裝時(shí)，激光位移傳感器和超聲波探頭之間的位置是相對(duì)固定的，因此根據(jù)傳感器和鋼軌之間的距離可以計(jì)算出超聲波探頭和鋼軌中心線的偏差，根據(jù)偏差，控制計(jì)算機(jī)運(yùn)用相應(yīng)的控制算法即可得到相應(yīng)的控制量?？刂屏總鹘o伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)得到的驅(qū)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，電動(dòng)缸帶動(dòng)超聲波探頭沿減少偏差的方向移動(dòng)相應(yīng)的距離，從而使超聲波探頭和鋼軌中心線相重合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。

相對(duì)于現(xiàn)有的自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)，激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)量精度高，激光位移傳感器測(cè)量精度可達(dá)到0.1 mm；②實(shí)用性強(qiáng)，可以適應(yīng)各種工況的鋼軌，不受鋼軌磨耗、銹蝕等影響；③安全性高，能安全通過(guò)各種道岔及接頭。

1.3控制方式

為了達(dá)到理想的控制效果，本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，其自動(dòng)控制原理如圖3所示。

圖3　激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)雙環(huán)控制原理示意

在該控制系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)為速度控制環(huán)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)電機(jī)的速度反饋到速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。外環(huán)為位置控制環(huán)，通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量鋼軌的輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，得到鋼軌位置數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)和給定位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到鋼軌中心線和探頭中心線的偏差數(shù)據(jù)，根據(jù)偏差數(shù)據(jù)及控制算法可以得到相應(yīng)的輸出量，從而控制電動(dòng)缸輸出相應(yīng)的位移，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。

2　激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)的性能，在實(shí)際線路中對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

2.1不同速度等級(jí)下自動(dòng)對(duì)中

為了考察速度對(duì)自動(dòng)對(duì)中的影響，在實(shí)際直線段進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，速度分別為20，30，40，50，60，70，80 km/h。在不同速度下典型探頭水平位移偏差曲線見(jiàn)圖4～圖10所示。

圖4　速度20 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖5　速度30 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖6　速度40 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖7　速度50 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖8　速度60 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖9　速度70 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

圖10　速度80 km/h時(shí)探頭水平位移偏差曲線

對(duì)速度等級(jí)為20，30，40，50，60，70，80 km/h時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在每一個(gè)速度等級(jí)下，從測(cè)試數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取10組該速度等級(jí)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該對(duì)中位移統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)概率密度分布函數(shù)符合正態(tài)分布。統(tǒng)計(jì)的不同速度等級(jí)下不同位移范圍內(nèi)概率密度分布如表1所示。

表1　不同速度不同位移范圍內(nèi)概率密度%

根據(jù)圖4～圖10和表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在0～80 km/h的速度等級(jí)下，99%的自動(dòng)對(duì)中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）的區(qū)間上，能夠適應(yīng)不同速度等級(jí)的自動(dòng)對(duì)中需求，并且速度越低自動(dòng)對(duì)中性能越好。

2.2自動(dòng)對(duì)中安全性測(cè)試

過(guò)道岔時(shí)，道岔中的鋼軌形狀會(huì)發(fā)生改變，由于激光位移傳感器采集的是鋼軌軌頭和軌腰的數(shù)據(jù)，因此過(guò)道岔時(shí)采集的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生突變，這對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的干擾，可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這時(shí)要確保安全。經(jīng)測(cè)試，典型過(guò)道岔位移偏差曲線及控制量曲線如圖11所示。

圖11　過(guò)道岔位移偏差曲線及控制量曲線

從圖11可以看出，過(guò)道岔時(shí)由于道岔鋼軌形狀突變，造成激光傳感器測(cè)量位移數(shù)據(jù)突變，超出了設(shè)定的正常鋼軌輪廓數(shù)據(jù)范圍，此時(shí)通過(guò)設(shè)置濾波器，系統(tǒng)可識(shí)別出道岔或異常數(shù)據(jù)，就不會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，控制信號(hào)為零，從而確保安全。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在里程1 289.43～1 289.45 km附近，位移曲線發(fā)生了突變，此時(shí)系統(tǒng)可識(shí)別出道岔或異常數(shù)據(jù)，就不會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，控制信號(hào)為零，自動(dòng)對(duì)中電機(jī)輸出為零，探頭保持原來(lái)的位置，保證鋼軌探傷車能夠安全平穩(wěn)地通過(guò)道岔。

3　結(jié)論

1）研制了高速鋼軌探傷車激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)，采用激光位移傳感器測(cè)量鋼軌的輪廓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了高速鋼軌探傷車的自動(dòng)對(duì)中。

2）對(duì)所研制的激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際線路的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在0～80 km/h的速度等級(jí)下，99%的自動(dòng)對(duì)中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）區(qū)間內(nèi)，滿足探傷車自動(dòng)對(duì)中的要求。

3）通過(guò)設(shè)置不同的濾波器，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了很大的提高，使探傷車在正常檢測(cè)的狀況下，能夠安全通過(guò)各種接頭和道岔。

［1］石永生，張玉華，李培，等.高速鐵路鋼軌探傷車動(dòng)態(tài)靈敏度設(shè)置探討［J］.鐵道建筑，2014（9）：113-116.

［2］張玉華，許貴陽(yáng)，李培，等.鋼軌探傷車自主化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2015，36（5）：131-135.

［3］劉曉東，李長(zhǎng)春，沈健，等.高速鋼軌探傷車自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2005，27（6）：108-111.

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［5］李培，王旭，石永生，等.高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2015（11）：127-130.

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（責(zé)任審編周彥彥）

Research and Manufacture of Laser Automatic Alignment System for Rail Flaw Detection Car

ZHONG Yanchun
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

W hen a large-scale rail flaw detection car was working，the ultrasonic probe must be used to align the center line of the rail waist.Because of the track irregularity and the wheel serpentine movement，there would inevitably be horizontal pendulum and yaw motion when the rail flaw detection car was moving on the railway line，which would make the ultrasonic probe deviate from the rail.In order to make the ultrasonic probe align the center line of the rail waist，the laser automatic alignment system with ultrasonic probe was designed and developed and the loading and the actual line experiment of rail flaw detection car were carried out.T he results show that this laser automatic alignment system has excellent performance and 99%of the automatic alignment offset is in the interval between-6 mm and 6 mm at the speed of 0～80 km/h，which could meet the automatic alignment needs at different speed level.

Rail flaw detection car；Ultrasonic probe；Laser sensor；Automatic alignment

U216.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.32

1003-1995（2016）10-0121-04

2016-03-21；

2016-06-26

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2015G003-A）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所基金（2016JJXM15）

鐘艷春（1982—），男，助理研究員，博士。