钢轨打磨检测一体化系统

张文学， 曾雄丰

(1.山海关铁路技师学院，河北 秦皇岛 066200；2.华北理工大学 材料科学与工程学院，河北 唐山 063009)



钢轨打磨检测一体化系统

张文学1， 曾雄丰2

(1.山海关铁路技师学院，河北 秦皇岛 066200；2.华北理工大学 材料科学与工程学院，河北 唐山 063009)

钢轨；平直度；位移传感器；测量

为保持铁路线路(钢轨顶部)的平直度，铁路施工部门通常采用打磨、测量交替进行的间歇方式作业，作业效率较低。为此，设计了一种安装在钢轨仿形打磨机上的测量系统，以实现测量和打磨的连续作业。测量系统采用容栅位移传感器和PCU平台，安装在钢轨仿形打磨机主梁上，容栅位移传感器将机械位移量转变成电信号的相位变化量，然后通过数据处理模块，以多种模式显示测量钢轨平直度的偏差值，并控制磨削进给，使钢轨仿形打磨机实现连续磨削。沈阳、成都铁路局的使用效果表明：钢轨打磨的作业效率显著提高，平直度明显改善。

铁路线路(钢轨顶部)的平直度是线路质量的重要指标，也是行车安全的重要保证[1]。由钢轨现场铝热焊、制动等原因造成的钢轨顶部平直度缺陷，主要依靠钢轨仿形打磨机修复。此前的钢轨打磨作业不能连续进行，是因为打磨作业与钢轨平直度的检测须交替进行，以保证打磨作业不偏离合理趋向[2]。另外，钢轨铝热焊后，焊接区域有较高余温[3,4]，抵近测量也较困难。所有这些都严重降低了钢轨打磨作业的效率。为此，对钢轨打磨检测一体化系统进行了研究，旨在提高作业的效率。

1 总体结构

为改善上述状况，尝试在钢轨仿形打磨机上附加一套测量装置，实现测量与打磨同步作业，即在不间断打磨的情况下，持续、实时地测量并显示待加工表面的磨削余量，为控制磨削加工提供依据。总体结构如图1 所示。

图1　安装有测量装置的钢轨仿形打磨机结构示意图

该装置的基本工作方式是：当打磨机沿轨向左右移动，测量装置的滚轮轧上待检测部位时，滚轮、活塞、位移传感器动栅同时发生等量位移，相关信息通过处理模块形成加工数据上传，在LED窗口显示。该装置安装在以4冲程汽油机为动力的钢轨仿形打磨机上，受振严重，并且钢轨断面为组合圆弧的曲面，实现测量装置与砂轮同轨迹、同步调运行，具有较大难度。通过多次改进设计，预定的功能已基本实现。

2 核心部件和设计要求

2.1核心部件

位移传感器种类繁多，广泛地应用于线位移测量的诸多领域。由于容栅位移传感器具有工作可靠、功耗低、体积小、质量轻、频响速度快等优点，尤其适合野外及恶劣条件下工作，因此适合作为该测量装置的核心部件。

其工作原理是：容栅位移传感器动栅相对于容栅位移传感器定栅间的机械位移量转变成电信号的相位变化量，送给测量电路进行数据处理。容栅传感器通过精密电压比较器TLC354进行控制，由继电器供电，由CPU89C52提供所需的激励信号，同时接受其感应信号，并通过鉴相型电路测量出激励信号与感应信号的相位差，由此得出活塞移动的距离，即被测部位与钢轨基准顶部的高度差，也就是磨削余量。经过数据模块的处理，可通过2种模式示出：一种是实时模式，即实时显示所有的测量数据；另一种是极值模式，即显示一次测量过程中(高于钢轨顶面基准)的极大值。

2.2设计要求

综合钢轨仿形打磨机打磨作业的需求，设定了以下设计要求。

(1) 分辨力和量程。钢轨打磨机的标准结构为2个支点(左右仿形轮)的距离为1 m，钢轨1 m内的平直度偏差规定为≤0.2 mm。因此，该测量装置的分辨力应为最大偏差值的1/10，即0.02 mm。量程应设定为+7，-3 mm。

(2) 整体结构形式应满足测量精度的要求。

(3) 测量装置应具有适应野外作业防雨、防磕碰的要求。

(4) 操作/显示终端应具有控制打磨作业的多种功能。

3 实现设计要求提升测量精度的若干措施

3.1结构优化对测量精度的影响

3.1.1 测量装置的结构

测量装置的结构如图2所示，滚轮1、支架2、活塞3、动栅基板4、离合器，同轴连接在壳体5内，并可沿壳体5的轴线上下联动。半圆块6固定在壳体5内壁上，容栅位移传感器的定栅7固定在半圆块6上，并与固定在动栅基板4上端的容栅位移传感器的动栅8相对。在容栅传感器的上下两端各同轴安装一支弹簧。容栅位移传感器的定栅7的数据、电源线9，连接显示操作终端10。这种结构契合了设计要求，将测量元器件置于密闭的钢制圆柱壳体内，形成了有效的防雨、放磕碰保护。另外，同轴的活塞式结构，可灵敏地传递机械位移量的变化。

图2　测量装置结构示意图

3.1.2测量装置与砂轮的并列结构

测量装置与砂轮的并列结构如图1所示，钢轨仿形打磨机的2个支点(仿形轮)距离为1 m，砂轮轴线在2个支点中间，测量装置在砂轮一侧150 mm的位置上。为验证砂轮与测量装置并列布置对测量精度的影响。在CAD环境中，模拟了多种情况。结果表明，这种测量装置与打磨机的并列结构能够满足测量的要求。

3.1.3 测量装置与砂轮仿型的同面结构

测量装置、砂轮、左右仿形轮的同面结构，钢轨断面由多段圆弧组成，为保证砂轮磨削点、测量滚轮的中点始终处于一条线，结构中左右2个仿形轮径向中间断面、砂轮轴线、测量装置轴线处于同一平面。因此，在仿形轮的作用下，砂轮和测量装置在钢轨横向，同步仿形钢轨断面。在钢轨纵向，走行轨迹一致，使测量精度有了可靠保证。

3.2精度补偿和进给控制

3.2.1 特殊用途时的测量精度补偿

特殊用途时的测量精度补偿,当打磨机、测量装置在有波浪弯曲的钢轨上作业时，会产生整体船状晃动，从而影响测量精度。针对这种可能出现的情况，在测量装置内嵌入倾角传感器，进行辅助测量，通过CPU函数计算，对测量结果进行补偿。例如，以左侧仿形轮为基准，当整机翘起角度为β时，在测量装置位置翘起的高度H=sinβ×350 mm(左支点到测量装置的距离)。通过数据处理模块，实时减去H值，使测量数据在终端显示前得到了补偿。

3.2.2 精确控制磨削进给

精确控制磨削进给,由于可实时获得磨削余量的数据，用步进电机取代原设计的直流电机驱动砂轮磨削进给，由原来的等量进给，提升为0.15、0.10、0.05三档进给。减少了总的进给次数。

3.2.3 2种模式切换与显示

在CPU平台的支持下，终端可通过2种模式示出测量数据：一种是实时模式，即实时显示所有的测量数据；另一种是极值模式，即显示一次测量过程中(高于钢轨顶面基准)的极大值。系统默认极值模式。

4 结论

(1)通过该种安装有测量装置的打磨机，不仅实现了打磨连续作业，大幅度减少了作业间断，而且通过合理选择磨削进给量，可减少总的进给次数。该测量装置还具有相当的耐热能力，使测量不受钢轨铝热焊余温的影响，可减少工作人员和量具避热时间。

(2)由于磨削余量全程处于受控状态，使工作人员操作打磨机轨向往复的动作更加流畅，因此提高了钢轨磨削表面质量。

[1]贾朝龙.铁路轨道不平顺数据挖掘及其时间序列趋势预测研究[D].北京：北京交通大学，2013:42-55.

[2]罗林，张格明，吴旺青，等.轮轨系统轨道平顺状态的控制[M]. 北京：中国铁道出版社, 2006:43-52.

[3]占栋，于龙，肖建，等.钢轨轮廓全断面高精度动态视觉测量方法研究[J].铁道学报 2015,90 :98-109.

[4]占栋，于龙，肖建，等.钢轨轮廓全断面检测中轨廓动态匹配方法研究[J].铁道学报 2015,(5):72-79.

Integrated System of Rail Grinding and Detection

ZHANG Wen-xue1, ZENG Xiong-feng2

(1.Shanhaiguan Railway Technician College, Qinhuangdao Hebei 066200,China;2. College of Materials Science and Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

rail; straightness; displacement sensor; measurement

In order to maintain the straightness of railway lines (in the top of rail), the intermittent operations of grinding and measurement in alternate way are usually used by the departments of railway construction, which is inefficient. A measurement system was designed to realize continuously grinding operations and measurement, which was installed on the girder of the rail profile grinding machine. The capacitive grating displacement sensor and PCU platform were used in the system. It can transform the mechanical displacement quantity into the phase variation quantity of electrical signals. The deviation value of rail straightness measurement was shown in many patterns by data processing module, and the continuous grinding was realized by controlling grinding feed. The application results in Shenyang and Chengdu Railway Bureau show that the efficiency of rail grinding is increased significantly and the rail straightness is improved obviously.

2095-2716(2016)03-0066-04

TH693.9

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