一种打磨单元偏转控制方法及其在钢轨打磨车上的应用技术

本发明专利技术公开了一种打磨单元偏转控制方法及其在钢轨打磨车上的应用，该方法包括以下步骤：S11)在打磨车停车状态下控制打磨单元偏转，在偏转过程中采集多组打磨单元实际偏转角度值，及对应的执行机构行程反馈值；S12)采用设定的函数拟合，根据打磨单元实际偏转角度值及对应的执行机构行程反馈值的多组数据组合得到函数的参数，并返回拟合得到的新参数；S13)将打磨单元偏转控制的函数参数替换为拟合得到的新参数；S16)在打磨车作业状态下根据设定的函数及拟合得到的新参数对打磨单元进行偏转控制。本发明专利技术能解决现有打磨偏转控制方式由于打磨单元加工组装及结构弹性变形等原因容易引起误差，进而导致偏转角度控制精度低的技术问题。的技术问题。的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种打磨单元偏转控制方法及其在钢轨打磨车上的应用


[0001]本专利技术涉及轨道工程机械领域，尤其涉及一种打磨单元偏转控制方法及其在钢轨打磨车上的应用。

技术介绍

[0002]随着铁路运量和载重的不断增加，钢轨表面和内部容易出现各种损伤和缺陷，如波磨、裂纹、剥离、压溃、点蚀和肥边等。如不进行及时修复，这些缺陷会加速恶化，从而带来高昂的钢轨更换成本。钢轨打磨是消除钢轨病害和修复钢轨廓形的主要手段，利用钢轨打磨技术进行线路维护已成为国内外轨道养护的共识，其应用越来越普及，也为铁路系统创造了很大的效益。
[0003]钢轨打磨车是用于对线路钢轨表面进行磨削加工，以消除钢轨表面缺陷(锈蚀、疲劳裂纹、不平顺、波磨、肥边、变形等)的设备。打磨车下部设有多个打磨小车，打磨小车在整车的牵引下在钢轨上进行连续打磨作业。每个打磨小车内部设有打磨单元100，打磨单元100为钢轨打磨车的核心机构。如附图1所示，打磨单元100由可旋转的偏转机构2(又称为摇篮)、打磨电机1、打磨砂轮(又称为打磨头3)、打磨下压油缸(即下压驱动机构7)、导向杆(即下压导柱4)、导向套(即下压导套5)及调节机构等组成。两组下压导柱4的上部通过连接架6相连，下压导柱4的下部固定连接于偏转机构2上。下压驱动机构7的一端连接至连接架6，另一端通过连接臂板10连接至打磨电机1的外表面。打磨电机1与打磨头3直联并驱动其高速旋转，同时打磨电机1安装在下压导套5上，通过控制下压驱动机构7来驱动下压导套5沿下压导柱4的轴向运动，实现打磨电机1的下压打磨作业，而调节机构用以保证打磨的位置、质量和效率并避开障碍物保证安全。随着铁路运行速度的不断提升，尤其是高速铁路的快速发展，对钢轨打磨车的作业精度要求越来越高，作业精度的核心在于打磨单元100的偏转控制和下压控制。尤其是对打磨单元偏转角度的精确调整控制是决定打磨质量的关键因素，直接影响着打磨后钢轨的廓形精度，而其控制精度的保证一直是一个技术难题。
[0004]打磨头3与钢轨200之间的接触为线型接触，每个砂轮在钢轨200上打磨形成一个光亮带(细长平面)，多个打磨头3通过不同的角度分布形成多个光亮带，从而覆盖整个钢轨200的轨面。偏转机构2设有转轴，可在偏转驱动机构8的驱动下，朝向钢轨内外侧产生所需的偏转角度。现有国铁打磨车打磨单元100的偏转角度范围一般为
‑
25
°
～+70
°
，其角度偏转实现形式主要有两种：一种为偏转油缸(即偏转驱动机构8)一级偏转，另一种为摆动油缸(即摆动驱动机构9)+偏转电缸(即偏转驱动机构8)两级偏转。偏转油缸和偏转电缸内部自带行程传感器，通过长度的变化来确定打磨头3的偏转角度。其中，采用偏转油缸偏转方式的打磨单元100偏转结构如附图3所示，而采用摆动油缸+偏转电缸两级偏转方式的打磨单元100偏转结构如附图4所示。
[0005]如附图5所示，偏转机构2(即摇篮)的转动点为O点，偏转油缸(即偏转驱动机构8)在车架上的安装点为B点，偏转油缸在偏转机构2上的安装点为A点，OB的线段长b为固定值，OA的线段长a为固定值，AB线段长度L随着偏转油缸伸缩而产生变化。打磨电机1的偏转角度
α为打磨电机重力垂线与旋转轴之间的夹角，打磨电机外偏角度为
“‑”
，打磨电机内偏角度为“+”；α＝0
°
时，偏转油缸或偏转电缸的长度为L0(此时∠AOB＝θ0)。
[0006]根据上述余弦定理：
[0007][0008]可得：
[0009][0010][0011]因此：
[0012][0013]其中，偏转油缸收缩后的最小长度为L
mim
，反馈电压为V
min
；偏转油缸伸出后的最大长度为L
max
，反馈电压为V
max
；V
目标
为目标长度L
目标
所对应的偏转油缸反馈电压。
[0014]然而，在实际的使用中发现，现有控制方式实测打磨单元的偏转角度与理论角度存在较大的误差，如附图2所示(图中纵坐标代表偏转角度，单位为
°
；横坐标代表行程电压，单位为V)，最大误差达到2
°
，而且同一台打磨车上的不同打磨单元的误差也不同，一致性差，不能满足《TB/T3520
‑
2018铁路大型养路机械钢轨打磨车》标准所要求的
±
0.5
°
偏转角度误差范围要求。
[0015]综上，现有打磨单元偏转控制方式存在的技术问题主要有：
[0016](1)打磨单元偏转控制精度差，从而严重影响打磨质量。产生该问题的原因主要在于：一是加工误差，实际加工组装后A、O、B三点的位置存在一定误差，导致a、b、L0的尺寸与理论存在偏差，而该偏差现场无法测量，且会对偏转角度的精度造成较大的影响。二是打磨单元架结构弹性变形，不同的偏转角度，重力对打磨单元造成的形变不同，导致打磨单元在不同偏转角度情况下的角度变形不同。三是各偏转轴的间隙影响，主要为转动轴承内部间隙、轴承与销轴之间间隙，油缸内间隙。四是偏转油缸行程传感器反馈电压信号的精度及线性度误差。由于以上四种原因很难得到消除，因此偏转角度的误差控制成为一个技术难题，很难进一步提高其偏转精度。
[0017](2)打磨偏转角度标定效率低，人工误差大。产生该问题的原因主要在于：为了提高偏转角度标定精度，往往通过多点标定分段修正的措施进行标定，但是相对工作量较大。同时现有标定方法采用的倾角仪为单轴倾角仪，必须依靠人工凭观察和经验放置在旋转面上，测试的倾角才准确。标定受人员操作影响较大，效率低且精度难以保证。
[0018](3)打磨单元作业时高温，内部高压导致偏转油缸液压锁卡滞。产生该问题的原因主要在于：打磨作业时，打磨砂轮在钢轨上高速旋转，磨削钢轨顶面，产生高温花火，导致打磨小车内部温度急剧升高，从而使偏转油缸及内部液压油温度升高。油缸内部被液压锁封闭的液压油在高温下产生膨胀，导致油缸内部液压压强明显增大，从而使液压锁无法开启或出现卡滞现象。同时也使液压油缸、液压锁及油管频繁出现漏油现象。
[0019](4)打磨单元偏转抖动大。在对打磨电机进行角度偏转控制时，经常会出现偏转油
缸剧烈振动的现象，使得偏转摇架不能平稳地停在所需角度位置，达不到所需要的打磨效果。尤其是当摇架偏转至较大角度，以及摇架偏转到位停止时会产生较大振动，随着偏转角度继续增加，振幅变大，振动频率加快，剧烈的振动对液压系统和摇架机构产生伤害。产生该问题的原因主要在于：现有打磨单元偏转控制方式并未实现加减速控制，且未考虑偏转角度对输出力的影响。
[0020]在现有技术中，主要有以下技术方案与本专利技术相关：
[0021]现有技术1为本申请人于2017年02月22日申请，并于2017年06月20日公开，公开号为CN106873639A的中国专利技术申请。该专利技术申请公开了一种钢轨打磨偏转角度控制方法，钢轨打磨偏转角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种打磨单元偏转控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S11)在打磨车停车状态下控制打磨单元偏转，在偏转过程中采集多组打磨单元实际偏转角度值，及对应的执行机构行程反馈值；S12)采用设定的函数拟合，根据打磨单元实际偏转角度值及对应的执行机构行程反馈值的多组数据组合得到函数的参数，并返回拟合得到的新参数；S13)将打磨单元偏转控制的函数参数替换为拟合得到的新参数；S16)在打磨车作业状态下根据设定的函数及拟合得到的新参数对打磨单元进行偏转控制。2.根据权利要求1所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于，在所述步骤S13)与步骤S16)之间进一步包括：S14)利用替换后的控制参数在打磨车停车状态下控制打磨单元偏转，测试所述打磨单元的理论偏转角度值与实际偏转角度值的误差，并判断是否存在误差大于设定角度误差值；S15)若判断误差大于设定角度误差值，则减小目标角度、电压或电流值的容差控制范围，或重新根据打磨单元实际偏转角度值及执行机构行程反馈值进行函数拟合。3.根据权利要求1或2所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于：所述设定的函数包括但不限于指数函数、傅里叶级数、正弦函数、多项式函数中的任一种。4.根据权利要求3所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于，所述步骤S16)进一步包括以下步骤：控制器根据设定角度值与反馈角度值之间的偏差向控制元件发出控制指令，由所述控制元件控制执行机构动作，再由所述执行机构驱动偏转机构执行偏转动作；在偏转过程中，行程传感器实时检测执行机构的行程位移量，偏转控制单元根据设定的函数及参数将行程传感器的电压或电流值转换为反馈角度值并输出至控制器，使得所述偏转机构准确偏转至设定角度值。5.根据权利要求4所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于，所述设定的函数采用以下两项指数函数进行拟合：α＝f(V)＝a*xp(b*)+*exp(d*V)其中，a、b、c、d为指数函数中的参数，exp为以自然常数e为底的指数函数，α为打磨单元偏转的反馈角度值，V为行程传感器的电压值。6.根据权利要求3所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于，所述步骤S16)进一步包括以下步骤：偏转控制单元根据设定的函数及参数将设定角度值转换为目标电压或电流值，控制器根据目标电压或电流值与反馈值之间的偏差向控制元件发出控制指令，由所述控制元件控制执行机构动作，再由所述执行机构驱动偏转机构执行偏转动作；在偏转过程中，所述行程传感器实时检测执行机构的行程位移量，并将行程电压或电流反馈值输出至控制器，使得所述偏转机构准确偏转至设定角度值。7.根据权利要求4所述的打磨单元偏转控制装置，其特征在于，所述设定的函数采用以下傅里叶级数一次展开函数进行拟合：V＝f(α)＝0+1*os(α*ω)+1*sin(α*ω)
其中，a0、a1、b1、ω为傅里叶级数中的参数，V为行程传感器的目标电压值，α为打磨单元偏转的设定角度值。8.根据权利要求4、5、6或7所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于，所述步骤S11)进一步包括：在偏转角度标定状态下，采集打磨单元实际偏转角度值及执行机构行程反馈值过程中，所述打磨单元的打磨头按照正常打磨作业状态的平均下压力下压至钢轨的轨面上。9.根据权利要求8所述的打磨单元偏转控制方法，其特征在于：在所述步骤S11)中，偏转角度标定状态下，通过设置需要偏转的打磨单元序号、偏转角度间隔、偏转角度范围及偏转电压范围，实现对打磨单元的偏转角度标定控制；在所述步骤S16)中，打磨车作业状态下，由所述偏转控制单元实现打磨单元作业偏转动作的控制。10.根据权利要求9...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全，郭平，张东方，余高翔，何伟，吴磊，谢尚，曾海林，刘红霞，
申请(专利权)人：株洲时代电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：