一种恒功率钢轨打磨方法与流程

本发明涉及铁路轨道测量技术领域，尤其是涉及一种应用于钢轨打磨车的恒功率钢轨打磨方法。

背景技术：

轨道交通线路开通运营之后，作为线路基础部件的钢轨将长期处于恶劣、复杂的环境中，由于列车的动力作用、自然环境，以及钢轨本身质量的差异等因素，钢轨产生伤损的情况时有发生。典型的钢轨伤损，如：裂纹、磨耗等现象，将直接造成钢轨寿命的减少，同时钢轨养护工作量和养护成本都将大幅增加，甚至可能会严重影响到轨道交通行车运营的安全性。因此，必须及时对钢轨的伤损进行消除或修复，才能最大限度地避免影响轨道交通安全运行的事故发生。

在现有技术当中，针对不同类型的钢轨缺陷采取了各种不同的模式对高速铁路钢轨的波浪型磨耗(钢轨顶面高低不平的波浪形磨耗，简称波磨)、钢轨肥边、马鞍型磨耗、焊缝凹陷及鱼鳞裂纹等病害实施快速打磨，以消除钢轨表面不平顺、轨头表面缺陷。同时，将轨头轮廓恢复至设计要求，从而减缓钢轨表面缺陷的进一步发展，提高钢轨表面的平滑度，以进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮轨噪音和延长钢轨使用寿命的目的。

钢轨打磨车是钢轨维护的重要铁路工程机械设备，主要用于对钢轨的各种缺陷进行打磨。自上世纪90年代从国外引进，其控制系统全部为进口，进口系统成本非常高，且控制算法技术对国内完全封锁，同时配件昂贵且维护响应慢。而在现有技术当中，针对钢轨打磨车的打磨控制方法大致有恒定压力控制方法和下压行程控制方法两种类型。这两种方法在小型打磨装置中使用广泛，但是对于大型打磨车辆来说，由于液压系统响应速度、执行部件结构影响等因素，其打磨控制方式还完全不能符合实际铁路钢轨打磨的标准和要求。同时，恒定压力控制方法和下压行程控制方法在打磨过程中极易形成小波长波磨，由于钢轨具体线路磨耗的区别，采用恒压打磨控制方式后的钢轨轨面不平整度不能很好地得到消除。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种恒功率钢轨打磨方法，能够解决现有打磨方式在钢轨打磨过程中易形成小波长波磨，由于钢轨具体线路磨耗的区别，导致钢轨轨面的不平整度不能得到很好消除的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种恒功率钢轨打磨方法的技术实现方案，一种恒功率钢轨打磨方法，包括以下步骤：

S10：控制单元通过控制液压系统施加至打磨电机的下压力来控制打磨电机的输出功率；

S11：所述打磨电机在所述液压系统的控制下带动磨石下压至钢轨上，所述磨石接触到钢轨后使得所述打磨电机的输出功率发生变化；

S12：所述打磨电机的输出功率反馈至所述控制单元，所述控制单元根据给定的目标功率，以及所述打磨电机的输出功率，通过调整比例阀的电流控制所述液压系统施加至所述打磨电机的下压力，以实现所述打磨电机在钢轨打磨车移动打磨过程中的输出功率恒定。

优选的，所述控制单元包括功率PID控制环节、下压力计算环节和下压力PID控制环节，所述控制单元根据给定的目标功率，以及所述打磨电机的输出功率，调整所述液压系统施加至所述打磨电机的下压力的过程进一步包括以下步骤：

S120：所述功率PID控制环节根据打磨控制计算机给定的目标功率与所述打磨电机实际反馈的输出功率进行PID计算；

S121：所述下压力计算环节根据所述功率PID控制环节输出的计算结果计算出给定下压力；

S122：所述下压力PID控制环节根据所述下压力计算环节输出的给定下压力，以及下压力的实际反馈值进行PID计算，得到输出至所述比例阀的电流，通过调整所述比例阀的电流控制所述液压系统施加至所述打磨电机的下压力，以此调节所述打磨电机的输出功率。

优选的，所述功率PID控制环节根据以下公式进行PID计算：

ΔP_n＝K_P1*ΔP_n+K_I1*ΔP_n-1+K_D1*ΔP_n-2；

ΔP_n＝P^*_n-P_n-1；

ΔP_n-1＝P^*_n-1-P_n-2；

ΔP_n-2＝P^*_n-2-P_n-3；

其中，K_P1为比例参数，K_I1为积分参数，K_D1为微分参数，ΔP_n为第n次打磨电机的目标功率P^*_n与第n-1次打磨电机的实际输出功率P_n-1的差值，ΔP_n-1为第n-1次打磨电机的目标功率P^*_n-1与第n-2次打磨电机的实际输出功率P_n-2的差值，ΔP_n-2为第n-2次打磨电机的目标功率P^*_n-2与第n-3次打磨电机的实际输出功率P_n-3的差值。

优选的，所述下压力计算环节根据以下公式进行下压力计算：

ΔN_n＝f₁(P_n)*ΔP_n；

其中，ΔN_n为第n次液压系统的给定下压力N^*_n与第n-1次液压系统的实际下压力N_n-1的差值，f₁(P_n)为以第n次打磨电机的实际输出功率P_n为变量的下压力模糊计算函数。

优选的，所述下压力PID控制环节根据以下公式进行PID计算：

ΔN_n＝K_P2*ΔN_n+K_I2*ΔN_n-1+K_D2*ΔN_n-2；

ΔN_n＝N^*_n-N_n-1；

ΔN_n-1＝N^*_n-1-N_n-2；

ΔN_n-2＝N^*_n-2-N_n-3；

其中，K_P2为比例参数，K_I2为积分参数，K_D2为微分参数，ΔN_n-1为第n-1次液压系统的给定下压力N^*_n-1与第n-2次液压系统的实际下压力N_n-2的差值，ΔN_n-2为第n-2次液压系统的给定下压力N^*_n-2与第n-3次液压系统的实际下压力N_n-3的差值。

优选的，在移动打磨过程中，所述钢轨打磨车的行驶速度保持恒定。

通过实施上述本发明提供的恒功率钢轨打磨方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明解决了钢轨打磨过程中易形成小波长波浪型磨耗的技术问题，同时针对钢轨具体线路的磨耗区别，能够很好地消除钢轨轨面的不平整度；

(2)本发明采用打磨电机实际输出电流并结合电机功率特性作为实际输出功率，并形成了高精度功率控制闭环，不但大大提高了系统响应速度，而且解决了实际磨削量难以测量形成闭环控制的技术问题；

(3)本发明打破了国外相关技术的封锁，为钢轨维护保养领域中打磨控制部件的全面国产化提供了保障，同时使得设备成本大大降低，且维护响应速度快，极好地适应了实际铁路钢轨打磨的标准和要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明方法所应用的恒功率钢轨打磨系统一种具体实施方式的结构原理示意图；

图2是本发明方法所应用的恒功率钢轨打磨系统一种具体实施方式的控制结构框图；

图3是本发明方法所应用的恒功率钢轨打磨系统一种具体实施方式中控制单元的结构组成框图；

图中：1-控制单元，2-比例阀，3-液压系统，4-打磨电机，5-磨石，6-钢轨打磨车，7-钢轨，11-功率PID控制环节，12-下压力计算环节，13-下压力PID控制环节。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PID控制：比例(Proportion)-积分(Integral)-微分(Derivative)控制的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图3所示，给出了本发明恒功率钢轨打磨方法及其所应用的恒功率钢轨打磨系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，一种本发明方法所应用的恒功率钢轨打磨系统的具体实施例，包括：设置在钢轨打磨车6上的控制单元1、比例阀2、液压系统3、打磨电机4和磨石5。控制单元1通过控制输出至比例阀2的电流，调整液压系统3施加的下压力。打磨电机4上设置有磨石5，通过打磨电机4带动磨石5对钢轨7进行打磨。

打磨电机4在液压系统3的控制下带动磨石5下压至钢轨7上，磨石5接触到钢轨7后使得打磨电机4的输出功率发生变化，控制单元1通过控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力来控制打磨电机4的输出功率。

打磨电机4的输出功率反馈至控制单元1，控制单元1根据给定的目标功率，以及打磨电机4的输出功率，通过调整比例阀2的电流控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力，以实现打磨电机4在钢轨打磨车6移动打磨过程中的输出功率恒定。打磨电机4的实际输出功率是通过采集打磨电机4的输出电压和电流，并通过计算得到的。恒功率钢轨打磨系统直接采集最终的打磨执行部件—打磨电机4的实际电功率并作为控制目标，在算法上实现闭环控制。同时，恒功率钢轨打磨系统采用控制打磨电机4的输出功率恒定，来保证打磨作业稳定的作业效果。

如附图3所示，控制单元1进一步包括依次相连的功率PID控制环节11、下压力计算环节12和下压力PID控制环节13。功率PID控制环节11根据打磨控制计算机给定的目标功率与打磨电机4实际反馈的输出功率进行PID计算，下压力计算环节12根据功率PID控制环节11输出的计算结果计算出给定下压力。目标功率由操作人员针对不同的线路、钢轨伤损类型，以及打磨类型等情况根据经验给定，并由打磨控制计算机给出。下压力PID控制环节13根据下压力计算环节12输出的给定下压力，以及下压力的实际反馈值进行PID计算，得到输出至比例阀2的电流，通过调整比例阀2的电流控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力，以此调节打磨电机4的输出功率。其中，下压力的实际反馈值可以来自但不限于比例阀2出油口的压力值，以及液压系统3输出的压力值，活塞杆的位置等。

用于实现打磨加压控制PID调节算法的控制单元1在恒功率钢轨打磨系统中处于核心地位。控制单元1的控制参数根据给定功率模糊计算出下压力，通过调节比例阀2的输出实现下压力调节，并通过反馈的打磨电机4的输出功率计算实际下压力与给定下压力之间的差值，并进行进一步调节。控制单元1包括两个闭环控制单元，大闭环PID调节为目标功率与输出功率的PID调节，小闭环PID调节为下压力调节，两者之间的转换采用模糊算法单元，并通过PID算法进行实时调节，式1为功率PID算法的基本公式，式2为下压力PID算法的基本公式，式3为下压力与输出功率之间的模糊计算基本公式。

功率PID控制环节11根据以下公式进行PID计算：

ΔP_n＝K_P1*ΔP_n+K_I1*ΔP_n-1+K_D1*ΔP_n-2； 式1

ΔP_n＝P^*_n-P_n-1；

ΔP_n-1＝P^*_n-1-P_n-2；

ΔP_n-2＝P^*_n-2-P_n-3；

其中，K_P1为PID算法中的比例参数，简称P参数；K_I1为PID算法中的积分参数，简称I参数；K_D1为PID算法中的微分参数，简称D参数；ΔP_n为第n次打磨电机4的目标功率P^*_n与第n-1次打磨电机4的实际输出功率P_n-1的差值；ΔP_n-1为第n-1次打磨电机4的目标功率P^*_n-1与第n-2次打磨电机4的实际输出功率P_n-2的差值；ΔP_n-2为第n-2次打磨电机4的目标功率P^*_n-2与第n-3次打磨电机4的实际输出功率P_n-3的差值。

下压力PID控制环节13根据以下公式进行PID计算：

ΔN_n＝K_P2*ΔN_n+K_I2*ΔN_n-1+K_D2*ΔN_n-2； 式2

ΔN_n＝N^*_n-N_n-1；

ΔN_n-1＝N^*_n-1-N_n-2；

ΔN_n-2＝N^*_n-2-N_n-3；

其中，K_P2为PID算法中的比例参数，简称P参数；K_I2为PID算法中的积分参数，简称I参数；K_D2为PID算法中的微分参数，简称D参数；ΔN_n-1为第n-1次液压系统3的给定下压力N^*_n-1与第n-2次液压系统3的实际下压力N_n-2的差值；ΔN_n-2为第n-2次液压系统3的给定下压力N^*_n-2与第n-3次液压系统3的实际下压力N_n-3的差值；ΔN_n对应于一定的比例阀2电流增量，在前次输出至比例阀2的电流基础上加上电流增量即为本次比例阀2的电流。

下压力计算环节12根据以下公式进行下压力计算：

ΔN_n＝f₁(P_n)*ΔP_n； 式3

其中，ΔN_n为第n次液压系统3的给定下压力N^*_n与第n-1次液压系统3的实际下压力N_n-1的差值；f₁(P_n)为以第n次打磨电机4的实际输出功率P_n为变量的下压力模糊计算函数。下压力模糊计算函数f₁(P_n)可以根据钢轨打磨经验数据得到，即根据之前积累的大量钢轨打磨优化数据进行拟合从而得到ΔN_n与ΔP_n之间的函数关系。

恒功率钢轨打磨系统中的打磨电机4在液压系统3的油缸控制下下压至钢轨7上，磨石5接触钢轨7后打磨电机4的输出功率发生变化。恒功率钢轨打磨系统以打磨电机4的输出功率为主要控制目标，调整控制比例阀2的电流实现打磨作业移动过程中的功率恒定。恒功率打磨控制的目标是打磨电机4的输出功率，打磨电机4由液压系统3控制下压力，打磨电机4的输出功率与下压力成比例关系，在本实施例中采用模糊算法单元，对输出功率和下压力进行实时计算。本发明恒功率钢轨打磨系统采用基于钢轨打磨控制电气系统的智能控制算法单元，根据打磨控制计算机给出的目标功率与打磨电机4实际返回的输出功率进行PID计算，调节液压系统3的输出，以达到目标功率与打磨电机4实际反馈的输出功率之间的平衡。

作为一种较佳的具体实施例，在移动打磨过程中，钢轨打磨车6的行驶速度保持恒定。恒功率钢轨打磨系统在采用打磨电机4恒功率控制的同时，还对钢轨打磨车6进行恒速控制，进一步提升了钢轨打磨作业的质量。

一种恒功率钢轨打磨方法的具体实施例，包括以下步骤：

S10：控制单元1通过控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力来控制打磨电机4的输出功率；

S11：打磨电机4在液压系统3的控制下带动磨石5下压至钢轨7上，磨石5接触到钢轨7后使得打磨电机4的输出功率发生变化；

S12：打磨电机4的输出功率反馈至控制单元1，控制单元1根据给定的目标功率，以及打磨电机4的输出功率，通过调整比例阀2的电流控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力，以实现打磨电机4在钢轨打磨车6移动打磨过程中的输出功率恒定。

作为本发明一种较佳的具体实施例，在移动打磨过程中，钢轨打磨车6的行驶速度保持恒定，即对钢轨打磨车6进行恒速控制，这样能够进一步优化钢轨打磨的效果。

控制单元1进一步包括功率PID控制环节11、下压力计算环节12和下压力PID控制环节13，控制单元1根据给定的目标功率，以及打磨电机4的输出功率，调整液压系统3施加至打磨电机4的下压力的过程进一步包括以下步骤：

S120：功率PID控制环节11根据打磨控制计算机给定的目标功率与打磨电机4实际反馈的输出功率进行PID计算；

S121：下压力计算环节12根据功率PID控制环节11输出的计算结果计算出给定下压力；

S122：下压力PID控制环节13根据下压力计算环节12输出的给定下压力，以及下压力的实际反馈值进行PID计算，得到输出至比例阀2的电流，通过调整比例阀2的电流控制液压系统3施加至打磨电机4的下压力，以此调节打磨电机4的输出功率。

功率PID控制环节11根据以下公式进行PID计算：

ΔP_n＝K_P1*ΔP_n+K_I1*ΔP_n-1+K_D1*ΔP_n-2；

ΔP_n＝P^*_n-P_n-1；

ΔP_n-1＝P^*_n-1-P_n-2；

ΔP_n-2＝P^*_n-2-P_n-3；

其中，K_P1为比例参数，K_I1为积分参数，K_D1为微分参数，ΔP_n为第n次打磨电机4的目标功率P^*_n与第n-1次打磨电机4的实际输出功率P_n-1的差值，ΔP_n-1为第n-1次打磨电机4的目标功率P^*_n-1与第n-2次打磨电机4的实际输出功率P_n-2的差值，ΔP_n-2为第n-2次打磨电机4的目标功率P^*_n-2与第n-3次打磨电机4的实际输出功率P_n-3的差值。

下压力计算环节12根据以下公式进行下压力计算：

ΔN_n＝f₁(P_n)*ΔP_n；

其中，ΔN_n为第n次液压系统3的给定下压力N^*_n与第n-1次液压系统3的实际下压力N_n-1的差值，f₁(P_n)为以第n次打磨电机4的实际输出功率P_n为变量的下压力模糊计算函数。

下压力PID控制环节13根据以下公式进行PID计算：

ΔN_n＝K_P2*ΔN_n+K_I2*ΔN_n-1+K_D2*ΔN_n-2；

ΔN_n＝N^*_n-N_n-1；

ΔN_n-1＝N^*_n-1-N_n-2；

ΔN_n-2＝N^*_n-2-N_n-3；

其中，K_P2为比例参数，K_I2为积分参数，K_D2为微分参数，ΔN_n-1为第n-1次液压系统3的给定下压力N^*_n-1与第n-2次液压系统3的实际下压力N_n-2的差值，ΔN_n-2为第n-2次液压系统3的给定下压力N^*_n-2与第n-3次液压系统3的实际下压力N_n-3的差值。

钢轨打磨效果的实际影响因素很多，如车辆行车恒速控制、液压系统响应速度与执行精度等，但直接作用在钢轨7上并直接影响打磨质量的因素就是打磨电机4的实际输出功率。大量的实际试验数据表明，在其他因素均能很好满足的条件下，采用控制精度能够做到最好的打磨电机4输出功率控制，实现恒功率打磨控制，能够达到最佳的钢轨打磨控制效果。采用打磨电机4的实际输出电流并结合打磨电机4的功率特性得到打磨电机4的实际输出功率，解决了实际磨削量难以测量并形成闭环控制的技术问题。本发明具体实施例描述的恒功率钢轨打磨方法不仅可以用于普通铁路钢轨打磨车，还可以用于地铁钢轨打磨车等相关钢轨维护设备。

通过实施本发明具体实施例描述的恒功率钢轨打磨方法的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的恒功率钢轨打磨方法解决了钢轨打磨过程中易形成小波长波浪型磨耗的技术问题，同时针对钢轨具体线路的磨耗区别，能够很好地消除钢轨轨面的不平整度；

(2)本发明具体实施例描述的恒功率钢轨打磨方法采用打磨电机实际输出电流并结合电机功率特性作为实际输出功率，并形成了高精度功率控制闭环，不但大大提高了系统响应速度，而且解决了实际磨削量难以测量形成闭环控制的技术问题；

(3)本发明具体实施例描述的恒功率钢轨打磨方法打破了国外相关技术的封锁，为钢轨维护保养领域中打磨控制部件的全面国产化提供了保障，同时使得设备成本大大降低，且维护响应速度快，极好地适应了实际铁路钢轨打磨的标准和要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。