钢轨探伤车激光自动对中系统研制

钟艳春

（中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

钢轨探伤车激光自动对中系统研制

钟艳春

（中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

大型钢轨探伤车进行探伤作业时，必须使超声波探头对准钢轨轨腰的中心线，由于线路的不平顺及轮对的蛇行运动，钢轨探伤车在线路上行进时不可避免地产生横摆、摇头运动，会使超声波探头偏离钢轨。为使超声波探头能对准钢轨轨腰的中心线，本文研制了超声波探头激光自动对中系统，并进行了装车和实际线路试验。试验结果表明，该激光自动对中系统对中性能良好，在0～80 km/h的速度等级下99%的自动对中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）区间内，能够适应不同速度等级的自动对中需求。

钢轨探伤车；超声波探头；激光传感器；自动对中

钢轨探伤车承担在役钢轨的伤损检测任务，对保证铁路运输安全起到重要的作用。我国对钢轨探伤车的研究虽然起步较晚，但是相关的各项技术研究取得了很大的进步［1-7］，钢轨探伤车超声波探头的自动对中技术就是其中一个重要的研究成果。

我国现有大型钢轨探伤车的自动对中系统有2种。一种是可变轴距的机械涨轮结构对中，其主要原理是依靠气缸的压力使涨轮对的轮缘始终紧贴钢轨的轨头内侧，这样涨轮对中心位置始终对准钢轨中心，实现自动对中。这种方式虽结构简单，且在探伤小车低速运行时能很好地实现对中要求，但是随着运行速度的提高，这种变轮距的探伤小车容易出现脱轨问题［8］。另一种是采用电磁传感器的自动对中系统［9］，这种方式的对中系统没有考虑钢轨磨耗的影响，当钢轨磨耗严重时，传感器很难找准钢轨中心线，导致对中失败；另外这种方式也没考虑钢轨锈蚀的影响，电磁传感器由于具有强磁性，因此会把铁锈吸引到传感器上，经过一段时间，电磁传感器上就会沾满铁锈，造成电磁传感器失效，从而导致对中系统失效。为使超声波探头能对准钢轨轨腰的中心线，本文设计研制了超声波探头激光自动对中系统，并进行了装车和实际线路试验。

1　钢轨探伤车激光自动对中系统

1.1概述

钢轨探伤车是根据钢轨伤损反射的超声回波来检测钢轨伤损的，即通过监控设定的闸门内有无反射波，来判断钢轨的某个部位是否存在伤损。为了使超声波能打到轨底，在使用超声波探头进行钢轨探伤时，必须使0度超声波探头对准钢轨截面的几何中心线。当超声波探头对准钢轨截面中心线时（见图1（a）），如果钢轨没有伤损，超声波探头可以接收到比较强的轨底回波（底波）信号，如果钢轨有伤损，超声波探头就会收到伤损底波信号，从而检测出钢轨的伤损；而当超声波探头偏离钢轨时（见图1（b）），正常的底波信号强度就会减弱甚至消失，导致很难甚至不能检测出钢轨伤损。

图1　超声波探头处于钢轨不同位置时收到的底波信号

由于线路的不平顺及轮对的蛇行运动，钢轨探伤车在线路上行进时不可避免地产生横摆、摇头运动，如果将超声波探头直接装在探伤车车体上，车体的这种横向运动就会传递到超声波探头上，使超声波探头难以对准钢轨，从而达不到检测伤损的目的。因此必须对这种横向运动加以控制，才能使0度超声波探头对准钢轨截面的几何中心线，实现钢轨探伤。

1.2激光自动对中系统功能结构

激光自动对中系统由激光位移传感器、控制计算机、伺服驱动器、电动缸、手动控制器等组成。系统功能结构如图2所示。

图2　激光自动对中系统功能结构

激光位移传感器测量钢轨轨廓并获取当前超声波探头位置，然后将测量的数据传送到控制计算机中。根据激光位移传感器传过来的钢轨位置数据，控制计算机计算当前传感器与钢轨之间的距离。由于安装时，激光位移传感器和超声波探头之间的位置是相对固定的，因此根据传感器和钢轨之间的距离可以计算出超声波探头和钢轨中心线的偏差，根据偏差，控制计算机运用相应的控制算法即可得到相应的控制量。控制量传给伺服驱动器，伺服驱动器根据得到的驱动量驱动电动缸，电动缸带动超声波探头沿减少偏差的方向移动相应的距离，从而使超声波探头和钢轨中心线相重合，实现自动对中。

相对于现有的自动对中系统，激光自动对中系统具有以下优点：①测量精度高，激光位移传感器测量精度可达到0.1 mm；②实用性强，可以适应各种工况的钢轨，不受钢轨磨耗、锈蚀等影响；③安全性高，能安全通过各种道岔及接头。

1.3控制方式

为了达到理想的控制效果，本系统采用双环控制，其自动控制原理如图3所示。

图3　激光自动对中系统双环控制原理示意

在该控制系统中，内环为速度控制环，通过旋转编码器检测电机的速度反馈到速度调节系统，实现速度的自动调节。外环为位置控制环，通过激光位移传感器测量钢轨的轮廓数据，经过计算机处理，得到钢轨位置数据，将该数据和给定位置数据进行比较，得到钢轨中心线和探头中心线的偏差数据，根据偏差数据及控制算法可以得到相应的输出量，从而控制电动缸输出相应的位移，实现自动对中。

2　激光自动对中系统试验

为了验证该激光自动对中系统的性能，在实际线路中对其进行了动态试验。

2.1不同速度等级下自动对中

为了考察速度对自动对中的影响，在实际直线段进行检测试验，速度分别为20，30，40，50，60，70，80 km/h。在不同速度下典型探头水平位移偏差曲线见图4～图10所示。

图4　速度20 km/h时探头水平位移偏差曲线

图5　速度30 km/h时探头水平位移偏差曲线

图6　速度40 km/h时探头水平位移偏差曲线

图7　速度50 km/h时探头水平位移偏差曲线

图8　速度60 km/h时探头水平位移偏差曲线

图9　速度70 km/h时探头水平位移偏差曲线

图10　速度80 km/h时探头水平位移偏差曲线

对速度等级为20，30，40，50，60，70，80 km/h时采集的数据进行统计分析，在每一个速度等级下，从测试数据中随机抽取10组该速度等级附近的数据进行统计。统计结果表明，该对中位移统计数据概率密度分布函数符合正态分布。统计的不同速度等级下不同位移范围内概率密度分布如表1所示。

表1　不同速度不同位移范围内概率密度%

根据图4～图10和表1的统计结果可知，在0～80 km/h的速度等级下，99%的自动对中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）的区间上，能够适应不同速度等级的自动对中需求，并且速度越低自动对中性能越好。

2.2自动对中安全性测试

过道岔时，道岔中的钢轨形状会发生改变，由于激光位移传感器采集的是钢轨轨头和轨腰的数据，因此过道岔时采集的数据会发生突变，这对系统来说是一个很大的干扰，可能造成系统的不稳定，这时要确保安全。经测试，典型过道岔位移偏差曲线及控制量曲线如图11所示。

图11　过道岔位移偏差曲线及控制量曲线

从图11可以看出，过道岔时由于道岔钢轨形状突变，造成激光传感器测量位移数据突变，超出了设定的正常钢轨轮廓数据范围，此时通过设置滤波器，系统可识别出道岔或异常数据，就不会发出控制信号，控制信号为零，从而确保安全。经实际测试，在里程1 289.43～1 289.45 km附近，位移曲线发生了突变，此时系统可识别出道岔或异常数据，就不会发出控制信号，控制信号为零，自动对中电机输出为零，探头保持原来的位置，保证钢轨探伤车能够安全平稳地通过道岔。

3　结论

1）研制了高速钢轨探伤车激光自动对中系统，采用激光位移传感器测量钢轨的轮廓数据，实现了高速钢轨探伤车的自动对中。

2）对所研制的激光自动对中系统进行了实际线路的动态试验，结果表明，在0～80 km/h的速度等级下，99%的自动对中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）区间内，满足探伤车自动对中的要求。

3）通过设置不同的滤波器，对所采集的数据进行滤波处理，系统的安全性和可靠性得到了很大的提高，使探伤车在正常检测的状况下，能够安全通过各种接头和道岔。

［1］石永生，张玉华，李培，等.高速铁路钢轨探伤车动态灵敏度设置探讨［J］.铁道建筑，2014（9）：113-116.

［2］张玉华，许贵阳，李培，等.钢轨探伤车自主化超声检测系统的关键技术［J］.中国铁道科学，2015，36（5）：131-135.

［3］刘晓东，李长春，沈健，等.高速钢轨探伤车自动对中控制系统的设计与实现［J］.铁道学报，2005，27（6）：108-111.

［4］刘峰，王凯，徐国兴.现役钢轨探伤车检测系统60 km/h提速改造方案与实施［C］//铁道科学技术新进展——铁道科学研究院五十五周年论文集.北京：铁道部科学研究院，2005.

［5］李培，王旭，石永生，等.高速轮式钢轨探伤变距式超声波发射模式的设计与应用［J］.铁道建筑，2015（11）：127-130.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 28426—2012大型超声波钢轨探伤车［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［7］徐其瑞，石永生，许贵阳，等.GTC-80型钢轨探伤车及其运用［J］.中国铁路，2013（11）：55-58.

［8］金炜，范荣巍，孙琼.新型钢轨探伤中试验车探伤小车的研制［J］.铁道机车车辆，2005，25（5）：31-34.

［9］王新海.高速探伤车超声波探头自动对中系统研究［J］.铁道机车车辆，2005，25（2）：18-21.

（责任审编周彦彦）

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

中国铁路总公司科技研究开发计划（2015G003-A）；中国铁道科学研究院基础设施检测研究所基金（2016JJXM15）

钟艳春（1982—），男，助理研究员，博士。