[发明专利]一种带磨耗补偿的自动对中控制装置

说明书

本发明公开了一种带磨耗补偿的自动对中控制装置，包括：对中传感器，获取钢轨内侧的轨廓数据，以及探轮的实际位置；磨耗补偿计算单元，根据钢轨内侧的轨廓数据计算钢轨的轨头磨耗量，通过该磨耗量计算磨耗补偿量，并根据磨耗补偿量至少分三档对对中基准值进行补偿；PID控制单元，根据磨耗补偿计算单元输出的经过补偿的对中基准值，以及探轮的实际位置进行PID控制，并输出对中控制值。本发明能够解决在轨头磨耗严重的钢轨上，对中装置控制偏差正常的情况下，仍然严重失波的技术问题。

技术领域

本发明涉及铁路工程领域，尤其是涉及一种应用于钢轨探伤车探轮自动对中控制的带磨耗补偿的自动对中控制装置。

背景技术

目前，国内在80km/h钢轨探伤车上正式使用的自动对中系统都进口自美国Sperry公司，造价昂贵，备品备件也价格高昂，其中对中控制算法是核心技术不进行转让，可供查询的针对国内线路钢轨状态的对中控制算法文献资料寥寥无几。超声波钢轨探伤是目前世界公认的早期发现钢轨内部伤损，降低断轨风险，提高列车运行安全性的最有效、最重要的手段之一。探轮自动对中控制是钢轨探伤车的关键核心技术，如何控制探轮位置使超声波有效入射钢轨将直接影响探伤检测质量和效果。探轮自动对中控制的目的就是确保探轮处于钢轨中心一定偏差范围内，使探轮与钢轨踏面的结合处利于各通道超声波入射，特别是底波反射，是衡量对中控制效果的主要指标。

根据研究表明，超声波探轮与钢轨中心偏差大于4mm时，底波的回波衰减超过50％，系统会判定处于对中不良状态。目前，常见的对中控制方法是根据探轮位置偏差，计算出伺服控制系统的控制量，再由执行机构驱动探轮在钢轨上横向移动，减小与中心位置的偏差。在高铁线上这个偏差可以控制到小于1mm，既有线上小于2.5mm。但经过长期试验，发现在轨头有磨耗的钢轨上，即使探轮与中心位置的偏差控制在合理范围内，仍然会出现底波丢失，且失波程度和磨耗的值呈正相关。在这种情况下，操作者只能通过手动操作来调整探轮位置减少失波，这样做虽然暂时解决问题，但同时也人为改变了对中控制的基准，降低了后续控制的精度。

如附图1所示，为超声波钢轨探伤原理示意图，(超声波)探轮1里布置有各种角度的超声(波)晶片2，负责从不同区域和不同角度对钢轨3的伤损进行扫查，只有使它们处于合适的位置，即探1轮处于钢轨3的踏面中心，才能保证探伤检测的有效性。如何判断探轮1是否处于钢轨3的中心，目前的主要判断依据是0°晶片21的超声波回波强度。

如附图2所示，当探轮1处于钢轨3的中心时，0°晶片21发射的超声波声束(如附图2中A所示)主要能量部分能通过钢轨3的轨腰到达轨底并形成强反射而再次被0°晶片21接收。经实践研究表明，当(超声波)探轮1与钢轨3的中心偏差大于4mm时，轨底的回波衰减会超过50％，系统会判定处于对中不良状态，此时需要通过自动对中系统来纠正偏差。

自动对中系统的基本原理框如附图3所示，自动对中系统包括：探轮1、PID控制单元4、对中控制单元5、电缸6和对中传感器7。对中传感器7将探轮1的实际位置输入至PID控制单元4，与设定的对中基准进行比较，通过对中控制算法生成控制量给对中控制单元5来驱动电缸6，带动探轮1移动，减小与对中基准的偏差。图中，n_k是探轮1的实际位置；n₀是设定的对中基准，e_k是探轮1的位置偏差，e_k＝n_k-n₀，E_k是依据对中控制算法输出的控制量，常见的控制算法有：

(1)直接控制，E_k＝e_k；

(2)PID控制，E_k＝Ae_k-Be_k-1+Ce_k-2，其中e_k为第k次位置偏差，e_k-1为第k-1次位置偏差，e_k-2为第k-2次位置偏差，A、B、C为PID参数，如附图3所示即采用此种控制方式。