鋼軌探傷車激光自動對中系統研制

鐘艷春

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

鋼軌探傷車激光自動對中系統研制

鐘艷春

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

大型鋼軌探傷車進行探傷作業時，必須使超聲波探頭對準鋼軌軌腰的中心線，由于線路的不平順及輪對的蛇行運動，鋼軌探傷車在線路上行進時不可避免地產生橫擺、搖頭運動，會使超聲波探頭偏離鋼軌。為使超聲波探頭能對準鋼軌軌腰的中心線，本文研制了超聲波探頭激光自動對中系統，并進行了裝車和實際線路試驗。試驗結果表明，該激光自動對中系統對中性能良好，在0～80 km/h的速度等級下99%的自動對中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）區間內，能夠適應不同速度等級的自動對中需求。

鋼軌探傷車；超聲波探頭；激光傳感器；自動對中

鋼軌探傷車承擔在役鋼軌的傷損檢測任務，對保證鐵路運輸安全起到重要的作用。我國對鋼軌探傷車的研究雖然起步較晚，但是相關的各項技術研究取得了很大的進步［1-7］，鋼軌探傷車超聲波探頭的自動對中技術就是其中一個重要的研究成果。

我國現有大型鋼軌探傷車的自動對中系統有2種。一種是可變軸距的機械漲輪結構對中，其主要原理是依靠氣缸的壓力使漲輪對的輪緣始終緊貼鋼軌的軌頭內側，這樣漲輪對中心位置始終對準鋼軌中心，實現自動對中。這種方式雖結構簡單，且在探傷小車低速運行時能很好地實現對中要求，但是隨著運行速度的提高，這種變輪距的探傷小車容易出現脫軌問題［8］。另一種是采用電磁傳感器的自動對中系統［9］，這種方式的對中系統沒有考慮鋼軌磨耗的影響，當鋼軌磨耗嚴重時，傳感器很難找準鋼軌中心線，導致對中失??；另外這種方式也沒考慮鋼軌銹蝕的影響，電磁傳感器由于具有強磁性，因此會把鐵銹吸引到傳感器上，經過一段時間，電磁傳感器上就會沾滿鐵銹，造成電磁傳感器失效，從而導致對中系統失效。為使超聲波探頭能對準鋼軌軌腰的中心線，本文設計研制了超聲波探頭激光自動對中系統，并進行了裝車和實際線路試驗。

1　鋼軌探傷車激光自動對中系統

1.1概述

鋼軌探傷車是根據鋼軌傷損反射的超聲回波來檢測鋼軌傷損的，即通過監控設定的閘門內有無反射波，來判斷鋼軌的某個部位是否存在傷損。為了使超聲波能打到軌底，在使用超聲波探頭進行鋼軌探傷時，必須使0度超聲波探頭對準鋼軌截面的幾何中心線。當超聲波探頭對準鋼軌截面中心線時（見圖1（a）），如果鋼軌沒有傷損，超聲波探頭可以接收到比較強的軌底回波（底波）信號，如果鋼軌有傷損，超聲波探頭就會收到傷損底波信號，從而檢測出鋼軌的傷損；而當超聲波探頭偏離鋼軌時（見圖1（b）），正常的底波信號強度就會減弱甚至消失，導致很難甚至不能檢測出鋼軌傷損。

圖1　超聲波探頭處于鋼軌不同位置時收到的底波信號

由于線路的不平順及輪對的蛇行運動，鋼軌探傷車在線路上行進時不可避免地產生橫擺、搖頭運動，如果將超聲波探頭直接裝在探傷車車體上，車體的這種橫向運動就會傳遞到超聲波探頭上，使超聲波探頭難以對準鋼軌，從而達不到檢測傷損的目的。因此必須對這種橫向運動加以控制，才能使0度超聲波探頭對準鋼軌截面的幾何中心線，實現鋼軌探傷。

1.2激光自動對中系統功能結構

激光自動對中系統由激光位移傳感器、控制計算機、伺服驅動器、電動缸、手動控制器等組成。系統功能結構如圖2所示。

圖2　激光自動對中系統功能結構

激光位移傳感器測量鋼軌軌廓并獲取當前超聲波探頭位置，然后將測量的數據傳送到控制計算機中。根據激光位移傳感器傳過來的鋼軌位置數據，控制計算機計算當前傳感器與鋼軌之間的距離。由于安裝時，激光位移傳感器和超聲波探頭之間的位置是相對固定的，因此根據傳感器和鋼軌之間的距離可以計算出超聲波探頭和鋼軌中心線的偏差，根據偏差，控制計算機運用相應的控制算法即可得到相應的控制量?？刂屏總鹘o伺服驅動器，伺服驅動器根據得到的驅動量驅動電動缸，電動缸帶動超聲波探頭沿減少偏差的方向移動相應的距離，從而使超聲波探頭和鋼軌中心線相重合，實現自動對中。

相對于現有的自動對中系統，激光自動對中系統具有以下優點：①測量精度高，激光位移傳感器測量精度可達到0.1 mm；②實用性強，可以適應各種工況的鋼軌，不受鋼軌磨耗、銹蝕等影響；③安全性高，能安全通過各種道岔及接頭。

1.3控制方式

為了達到理想的控制效果，本系統采用雙環控制，其自動控制原理如圖3所示。

圖3　激光自動對中系統雙環控制原理示意

在該控制系統中，內環為速度控制環，通過旋轉編碼器檢測電機的速度反饋到速度調節系統，實現速度的自動調節。外環為位置控制環，通過激光位移傳感器測量鋼軌的輪廓數據，經過計算機處理，得到鋼軌位置數據，將該數據和給定位置數據進行比較，得到鋼軌中心線和探頭中心線的偏差數據，根據偏差數據及控制算法可以得到相應的輸出量，從而控制電動缸輸出相應的位移，實現自動對中。

2　激光自動對中系統試驗

為了驗證該激光自動對中系統的性能，在實際線路中對其進行了動態試驗。

2.1不同速度等級下自動對中

為了考察速度對自動對中的影響，在實際直線段進行檢測試驗，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圖4～圖10所示。

圖4　速度20 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖5　速度30 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖6　速度40 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖7　速度50 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖8　速度60 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖9　速度70 km/h時探頭水平位移偏差曲線

圖10　速度80 km/h時探頭水平位移偏差曲線

對速度等級為20，30，40，50，60，70，80 km/h時采集的數據進行統計分析，在每一個速度等級下，從測試數據中隨機抽取10組該速度等級附近的數據進行統計。統計結果表明，該對中位移統計數據概率密度分布函數符合正態分布。統計的不同速度等級下不同位移范圍內概率密度分布如表1所示。

表1　不同速度不同位移范圍內概率密度%

根據圖4～圖10和表1的統計結果可知，在0～80 km/h的速度等級下，99%的自動對中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）的區間上，能夠適應不同速度等級的自動對中需求，并且速度越低自動對中性能越好。

2.2自動對中安全性測試

過道岔時，道岔中的鋼軌形狀會發生改變，由于激光位移傳感器采集的是鋼軌軌頭和軌腰的數據，因此過道岔時采集的數據會發生突變，這對系統來說是一個很大的干擾，可能造成系統的不穩定，這時要確保安全。經測試，典型過道岔位移偏差曲線及控制量曲線如圖11所示。

圖11　過道岔位移偏差曲線及控制量曲線

從圖11可以看出，過道岔時由于道岔鋼軌形狀突變，造成激光傳感器測量位移數據突變，超出了設定的正常鋼軌輪廓數據范圍，此時通過設置濾波器，系統可識別出道岔或異常數據，就不會發出控制信號，控制信號為零，從而確保安全。經實際測試，在里程1 289.43～1 289.45 km附近，位移曲線發生了突變，此時系統可識別出道岔或異常數據，就不會發出控制信號，控制信號為零，自動對中電機輸出為零，探頭保持原來的位置，保證鋼軌探傷車能夠安全平穩地通過道岔。

3　結論

1）研制了高速鋼軌探傷車激光自動對中系統，采用激光位移傳感器測量鋼軌的輪廓數據，實現了高速鋼軌探傷車的自動對中。

2）對所研制的激光自動對中系統進行了實際線路的動態試驗，結果表明，在0～80 km/h的速度等級下，99%的自動對中偏移量分布在（-6 mm，6 mm）區間內，滿足探傷車自動對中的要求。

3）通過設置不同的濾波器，對所采集的數據進行濾波處理，系統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的狀況下，能夠安全通過各種接頭和道岔。

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

［2］張玉華，許貴陽，李培，等.鋼軌探傷車自主化超聲檢測系統的關鍵技術［J］.中國鐵道科學，2015，36（5）：131-135.

［3］劉曉東，李長春，沈健，等.高速鋼軌探傷車自動對中控制系統的設計與實現［J］.鐵道學報，2005，27（6）：108-111.

［4］劉峰，王凱，徐國興.現役鋼軌探傷車檢測系統60 km/h提速改造方案與實施［C］//鐵道科學技術新進展——鐵道科學研究院五十五周年論文集.北京：鐵道部科學研究院，2005.

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

［6］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 28426—2012大型超聲波鋼軌探傷車［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［7］徐其瑞，石永生，許貴陽，等.GTC-80型鋼軌探傷車及其運用［J］.中國鐵路，2013（11）：55-58.

［8］金煒，范榮巍，孫瓊.新型鋼軌探傷中試驗車探傷小車的研制［J］.鐵道機車車輛，2005，25（5）：31-34.

［9］王新海.高速探傷車超聲波探頭自動對中系統研究［J］.鐵道機車車輛，2005，25（2）：18-21.

（責任審編周彥彥）

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

中國鐵路總公司科技研究開發計劃（2015G003-A）；中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所基金（2016JJXM15）

鐘艷春（1982—），男，助理研究員，博士。