一种钢轨探伤装置的对中系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种钢轨探伤装置的对中系统及方法，钢轨探伤装置包括超声波探轮，系统包括：传感器，用于采集钢轨的轮廓数据；控制模块，用于根据所述轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差；伺服驱动器，用于根据所述偏差调整所述超声波探轮实现对中。本发明实现了钢轨探伤车高速运行下的对中，克服了采用大型钢轨探伤车下挂小车探伤速度低的缺点，实现高速运行下的钢轨探伤，提高了工作效率。
【专利说明】一种钢轨探伤装置的对中系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检测技术，具体的讲是一种钢轨探伤装置的对中系统及方法。
【背景技术】
[0002]钢轨的功能在于引导车辆车轮前进，承受来自车轮的巨大压力。在役钢轨长时间承受车轮的反复碾压，不可避免地会存在疲劳伤损和缺陷。因此为了确保机车的安全运行，需要经常对在役钢轨进行探伤检测，及时发现存在钢轨中的伤损，以便采取补救措施，防范于未然。
[0003]超声波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，使用超声波探头进行钢轨探伤时，必须使O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，如图1所示，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回波信号，从而检测出钢轨的伤损；而当超声波探头偏离钢轨时，如图2所示，底波信号强度就会减弱甚至消失，因而就很难甚至不能检测出钢轨伤损。
[0004]由于线路的不平顺及轮对的蛇形运动，钢轨探伤车在线路上探伤行进时不可避免地要有横摆、摇头运动，如果将超声探头直接装在探伤车车体上，车体的这种横向运动使超声探头难以对准钢轨，而且车体的垂向运动也很大，超声探头也很难适应。
[0005]现有技术中，为减小车体的垂向和横向运动对超声探伤的影响，超声波探头一般都安装在探伤走行小车上，走行小车的横向和垂向运动较探伤车车体的运动要小的多。为使超声探头对准钢轨，低速探伤小车多采用可变轴距的机械涨轮结构。如图3所示，当给跟踪气缸301无杆端通以一定压力的压缩气体，气缸就把压力作用在涨轮对302上，从而使涨轮对的轮缘始终紧贴钢轨303的轨头内侧，这样涨轮对中心位置始终对准钢轨中心，而探轮架上的探轮中心和涨轮对中心是处于同一纵向面内，因此保证了探轮中心面和钢轨中心面重合，从而实现探头对中。
[0006]采用机械涨轮的方式对中，虽结构简单可靠，在探伤走行小车低速运行时能实现很好的对中要求，但是随着运行速度的提高，涨轮的横向运动速度随之提高，由于横向加速度是以速度的平方规律增大的，所以探头对中所需的横向对中作用力随着速度的提高会快速增大。当探伤车运行速度由40km/h提高到80km/h时，小车的横向运动速度是原来的2倍，而横向对中作用力则是原来的4倍，这种很大的横向力对于探伤小车的安全走行是非常不利的。
[0007]进一步，现有技术中，为实现高速运行条件下钢轨探伤，钢轨探伤装置安装在转向架下面，采用电磁传感器测量探轮与钢轨中心线的位置偏差，伺服机构控制探轮在钢轨上的横向位置。
[0008]电磁式传感器可能测量方式有电涡流传感器组和差动变压器两种方式，图4所示电涡流传感器组对中示意图，如图5所示差动变压器对中示意图。
[0009]采用图4的电涡流传感器组的横向对中传感器用两个电涡流传感器的输出信号偏差来反映横向相对偏差，当传感器组对钢轨中心时，两个电涡流探头的输出电压一致，电压偏差为O，传感器组偏离钢轨中心两个电涡流探头的输出信号就会有偏差，传感器偏离钢轨中心越多，则偏差输出电压就越大，这样两个电涡流传感器就构成了一个对中传感器。
[0010]当采用图5的差动变压器时，钢轨就成了做差动变压器的动铁芯，如在中间线圈上加上激励电压，当传感器对钢轨中心时，两个次边线圈的感应电压相同，当传感器偏离钢轨时两个次边线圈的感应电压就会有差异，将两个次边感应电压信号进行处理就可以得到一个反映相对偏差的输出信号。
[0011]现有技术中，采用电磁传感器测量位置偏差，伺服机构控制探轮位置实现对中的方式，由于在役钢轨线路铺设在野外，日晒雨淋，不可以避免地会产生锈蚀，电磁传感器由于具有强磁性，因此会把铁锈吸引上来并粘在传感器上，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。
【发明内容】
[0012]为准确，快速地测量超声波探轮与钢轨中心线之间的位置偏差，并且尽量少地受外界环境的干扰，本发明实施例提供了一种钢轨探伤装置的对中系统，钢轨探伤装置包括超声波探轮，系统包括:
[0013]传感器，用于采集钢轨的轮廓数据；
[0014]控制模块，用于根据所述轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差；
[0015]伺服驱动器，用于根据所述偏差调整所述超声波探轮实现对中。
[0016]同时，本发明还提供了一种钢轨探伤装置的对中方法，所述钢轨探伤装置包括超声波探轮，所述的方法包括:
[0017]采集钢轨的轨廓数据；
[0018]根据所述轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差；
[0019]根据所述偏差调整所述超声波探轮实现对中。
[0020]本发明实现了钢轨探伤车高速运行下的对中，克服了采用大型钢轨探伤车下挂小车探伤速度低的缺点，实现高速运行下的钢轨探伤，提高了工作效率，并且高速运行下钢轨探伤车可以和既有货车一起编入运行图，不需要在天窗期进行钢轨探伤，避免了占用天窗期的时间，节省了大量的钢轨探伤时间，大大提高了铁路运行的经济效率。同时，本发明适应多种轨型，多种使用状况下的钢轨，不受天气等因素的影响，在雨天，雪天都可以正常进行探伤检测，实用性好。本发明大大提高了钢轨伤损的检出率，减少了由于钢轨对中不良出现的伤损误报率，能及时准确地发现在役钢轨中存在伤损，对保证了铁路运行的安全起大了很大的作用。
[0021]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]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地介绍，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附图。
[0023]图1为现有技术中进行探伤测量时超声波探头在钢轨中心的示意图；
[0024]图2为现有技术中进行探伤测量时超声波探头横向偏离钢轨中心的示意图；
[0025]图3为现有技术中的机械涨轮对中示意图；
[0026]图4为现有技术中的电涡流传感器组对中示意图；
[0027]图5为现有技术中的差动变压器对中示意图；
[0028]图6为本发明公开的钢轨探伤装置的对中系统的示意图；
[0029]图7为本发明实施例中控制模块的框图；
[0030]图8为本发明实施例的示意图；
[0031]图9为本发明公开的钢轨探伤装置的对中方法的流程图；
[0032]图10为本发明实施例中根据确定偏差的流程图；
[0033]图11为本发明一实施例的示意图；
[0034]图12为本发明实施例的超声波探轮自动对中系统控制框图；
[0035]图13为本发明一实施方式的示意图；
[0036]图14为本发明一实施方式的示意图。
【具体实施方式】
[0037]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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。超声波探轮与钢轨中心线之间的位置偏差测量，是超声波钢轨探伤自动对中一项非常重要的内容。准确，快速地测量超声波探轮与钢轨中心线之间的位置偏差，并且尽量少地受外界环境的干扰，是本发明所要解决的技术问题。
[0038]本发明公开的一种钢轨探伤装置的对中系统，其中，钢轨探伤装置包括超声波探轮，如图6所示，为本发明公开的系统的示意图，该系统包括:
[0039]传感器601，用于采集钢轨的轮廓数据；
[0040]控制模块602，用于根据轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差；
[0041]伺服驱动器603，用于根据偏差调整所述超声波探轮实现对中。
[0042]其中，如图7所示，控制模块602包括:
[0043]位置确定单元6021，用于根据轨廓数据确定超声波探轮在钢轨上的位置数据；
[0044]距离确定单元6022，用于根据位置数据确定传感器与钢轨之间的距离数据。
[0045]偏差数据确定单元6023，用于根据距离数据和预存储的超声波探轮与传感器之间的距离数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差。
[0046]此外，伺服驱动器包括:
[0047]控制量确定模块，用于根据所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差确定控制量。
[0048]如图8所示，本发明的对中系统还包括:
[0049]伺服电机605，用于根据控制量调整所述超声波探轮实现对中。
[0050]同时，本发明还公开了一种钢轨探伤装置的对中方法，如图9所示，该方法包括:
[0051]步骤S901，采集钢轨的轨廓数据；
[0052]步骤S902，根据轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差；
[0053]步骤S903，根据偏差调整所述超声波探轮实现对中。
[0054]其中，如图10所示，根据轨廓数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差包括:
[0055]步骤S9021，根据轨廓数据确定超声波探轮在钢轨上的位置数据；
[0056]步骤S9022，根据位置数据确定传感器与钢轨之间的距离数据；
[0057]步骤S9023，根据距离数据和预存储的超声波探轮与传感器之间的距离数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差。
[0058]如图11所示，为本发明一实施例的示意图，本实施例的超声波探轮自动对中系统结构由测距传感器1101、控制计算机1102、伺服驱动器1103、伺服电机1104组成。测距传感器测量钢轨1105轨廓，获取当前超声波探轮1106位置，将测量的数据传送到控制计算机1102中，根据测距传感器1101传过来的钢轨距离数据，控制计算机根据编制好的软件，计算当前传感器1101和钢轨1105之间的距离，由于安装时，测距传感器1101和超声波探轮1106之间的位置是相对固定的，因此根据传感器1101和钢轨1105之间的距离可以计算出超声波探轮1106和钢轨1105中心线的偏差，伺服驱动器1103根据偏差运用相应的控制算法得到相应的控制量，并驱动伺服电机1104，伺服电机带动超声波探轮沿减少偏差的方向移动相应的距离，从而使超声波探轮1106和钢轨1105中心线相重合，实现自动对中。
[0059]由于钢轨探伤车在检测过程中检测速度非常快，从而要求该系统具有很快的反应速度，本发明能保证钢轨探伤车高速运行时，超声波探头的横向位置偏差控制在能够正常探伤的范围内。
[0060]本发明实施例的超声波探轮自动对中系统控制框图如图12所示，控制计算机接收传感器采集的偏差数据和预设的控制期望，根据预存储的控制算法生成控制量，控制对中系统的左、右探轮架，实现自动对中。
[0061]本发明实施例中的测距传感器采用二维激光传感器，激光传感器从轨内侧测量，得到下面的钢轨激光自动对中系统，如图13所示:二维激光传感器能测量钢轨轨头内侧的轨廓信息，控制计算机根据得到的轨廓信息进行计算，计算出超声波探轮和钢轨中心线的偏差值，根据偏差控制计算机运用相应的控制算法得到相应的控制量，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伺服电机，伺服电机带动超声波探轮沿减少偏差的方向移动相应的距离，从而使超声波探轮和钢轨中心线相重合，实现自动对中。
[0062]此外，具体实施时，激光传感器也既可以从轨外侧测量，得到下面的钢轨激光自动对中系统示意图，如图14所示。
[0063]本发明实施例中，采用伺服系统实现了钢轨探伤车高速运行下的对中，克服了采用大型钢轨探伤车下挂小车探伤速度低的缺点，实现了高速运行下的钢轨探伤，提高了工作效率；并且高速运行下钢轨探伤车可以和和既有货车一起编入运行图，不需要在天窗期进行钢轨探伤，避免了占用天窗期的时间，节省了大量的钢轨探伤时间，大大提高了铁路运行的经济效率。
[0064]同时，本发明适应多种轨型，多种使用状况下的钢轨，不受天气等因素的影响，在雨天，雪天都可以正常进行探伤检测，实用性好。本发明采用伺服系统实现钢轨探伤自动对中，大大提高了钢轨伤损的检出率，减少了由于钢轨对中不良出现的伤损误报率，能及时准确地发现在役钢轨中存在的伤损，对保证铁路运行的安全起到了很大的作用。克服了采用机械涨轮的方式实现对中的缺点，消除了走行小车钢轮与钢轨之间的预紧力，实现了高速情况下的钢轨探伤。
[0065]本发明中的伺服系统能保证钢轨探伤车在高速运行时，克服钢轨探伤车在线路上探伤行进时横摆、摇头运动带来的探伤失效的影响，保证超声波探头的横向位置偏差控制在能够正常探伤的范围内，保障钢轨探伤准确有效地进行。本发明运用于大型钢轨探伤车实现高速钢轨上，同样适用于在无损检测过程中对中较高的领域。
[0066]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种钢轨探伤装置的对中系统，所述钢轨探伤装置包括超声波探轮，其特征在于，所述的系统包括: 传感器，用于采集钢轨的轮廓数据； 控制模块，用于根据所述轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差； 伺服驱动器，用于根据所述偏差调整所述超声波探轮实现对中。
2.如权利要求1所述的钢轨探伤装置的对中系统，其特征在于，所述的控制模块包括: 位置确定单元，用于根据所述轨廓数据确定超声波探轮在钢轨上的位置数据。
3.如权利要求2所述的钢轨探伤装置的对中系统，其特征在于，所述的控制模块还包括: 距离确定单元，用于根据所述的位置数据确定传感器与钢轨之间的距离数据。
4.如权利要求3所述的钢轨探伤装置的对中系统，其特征在于，所述的控制模块包括: 偏差数据确定单元，用于根据所述距离数据和预存储的超声波探轮与传感器之间的距离数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差。
5.如权利要求4所述的钢轨探伤装置的对中系统，其特征在于，所述的伺服驱动器包括: 控制量确定模块，用于根据所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差确定控制量。
6.如权利要求5所述的钢轨探伤装置的对中系统，其特征在于，所述的系统还包括: 伺服电机，用于根据所述控制量调整所述超声波探轮实现对中。
7.一种钢轨探伤装置的对中方法，所述钢轨探伤装置包括超声波探轮，其特征在于，所述的方法包括: 采集钢轨的轨廓数据； 根据所述轨廓数据确定所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差； 根据所述偏差调整所述超声波探轮实现对中。
8.如权利要求7所述的钢轨探伤装置的对中方法，其特征在于，所述的根据轨廓数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差包括: 根据所述轨廓数据确定超声波探轮在钢轨上的位置数据； 根据位置数据确定传感器与钢轨之间的距离数据； 根据所述距离数据和预存储的超声波探轮与传感器之间的距离数据确定超声波探轮与钢轨中心线的偏差。
9.如权利要求8所述的钢轨探伤装置的对中方法，其特征在于，所述的方法还包括: 根据所述超声波探轮与钢轨中心线的偏差确定控制量。
10.如权利要求9所述的钢轨探伤装置的对中方法，其特征在于，所述的方法还包括: 根据所述控制量调整所述超声波探轮实现对中。
【文档编号】G01N29/26GK104359983SQ201410608424
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】钟艳春, 石永生, 张玉华, 王卫东, 顾世平, 杨国涛, 许建明, 徐其瑞, 马运忠, 李培 申请人:中国铁道科学研究院, 中国铁道科学研究院基础设施检测研究所, 北京铁科英迈技术有限公司