一种双轨式探伤车智能喷水装置及方法与流程

1.本发明涉及安装在轨道上检测钢轨伤损的探伤车的喷水装置，具体地说是一种双轨式探伤车智能喷水装置及方法。


背景技术：

2.探伤装置广泛适用于对现有普通铁路、高速铁路、城市地铁或轻轨所使用钢轨进行检测。目前，应用最广泛的探伤车是超声波探伤仪车。超声波检测的原理是，当探头中的超声探头(压电晶片)受到系统发出的超声发射信号(即“高电压脉冲”)激励之后，会按照自身固有的振动频率振动。超声在钢轨中传播，遇到钢轨中存在裂缝、缺陷或空洞，部分超声波能量将被反射回来，反射回来的能量被晶片接收后即为回波。各种不同的超声探头得到的回波在超声换能器中转化成电信号，再经过模拟处理、数字处理、空间转换、伤损识别，最终在显示控制计算机上以图像形式显示出来，完成钢轨不同部位、不同形态伤损的检测过程。
3.双轨式钢轨探伤仪采用超声波探测钢轨内部的伤损，因为采用高频超声波，故在空气中衰减严重，所以需要采用液体填充探头和钢轨间的缝隙，称之为耦合。一般在轮内充满专用耦合液，而在轮外喷水提高耦合效果。当前市场上的双规式钢轨探伤车普遍采用普通的扇形喷头，对着轮式探头的前面一处喷洒，喷出水柱为一条线，喷水压力波动大，耗水量大，容易堵塞，耦合效果差。


技术实现要素：

4.本发明针对目前双轨式钢轨超声波探伤车喷水装置喷水压力波动大，耗水量大，容易堵塞，耦合效果差等问题，提出一种双轨式探伤车智能喷水装置及方法，关键特征是一种基于三个喷头的喷水装置和三相变占空比开关喷水控制方法。本发明的具体技术方案是：
5.本发明首先公开了一种双轨式探伤车智能喷水装置，由恒压泵、三个电磁阀、三个喷头及控制器构成。恒压泵提供恒定水压，控制器控制各电磁阀开或关以控制喷水或停喷。所述三个喷头中第一喷头垂直于钢轨表面，起到预湿钢轨的作用，第二喷头正对轮式探头的表面，起到湿润轮式探头的作用，第三喷头正对钢轨和轮式探头的接合面处，直接填充钢轨和轮式探头间的细小缝隙。
6.恒压泵管路的输入口放入水箱内，恒压泵的管路输出口端接3个流量计的管路输入端，各个流量计的管路输出端与对应电磁阀管路输入端相连，各电磁阀的管路输出端接对应喷头。
7.控制器信号输入端接流量计信号输出端用于检测各喷水管路流量，控制器信号输出端接恒压泵的信号输入端和电磁阀的信号输入端，用于控制各喷水管路喷水量。
8.每个喷头是一种椭圆形出口雾化喷头，其结构包括：喷头主体；压芯；侧过滤网；滤网固定芯四部分。压芯通过螺牙拧进喷头主体内，侧过滤网安装于滤网固定芯上，滤网固定
芯通过螺牙拧进喷头主体内。采用侧过滤网替代直过滤网，过滤面积大，不易堵塞。
9.本发明还公开了一种双轨式探伤车智能喷水方法，采用恒压、三相位互补、变周期、变占空比、脉冲喷水控制。水箱、恒压泵、三个流量计、三个电磁阀、三个喷头由连接管路构成喷水管路，其中恒压泵保证水压恒定；所述三相位互补指一次喷水过程包含两个并行的喷水周期t，第一喷头、第二喷头喷水周期为t/2,共占一个喷水周期t的前后半周期；第三喷头独占一个喷水周期t，与第一喷头起始时间同步。第一喷头、第二喷头和第三喷头的占空比互不相同，各个喷头按照各自占空比开关。t的大小与探伤车速度成反比，探伤车行驶速度越快，t越小。具体喷水周期t表示为：
10.t＝t0+k/vm，其中：t0为避免电磁发高频震荡的最小开关周期，k为电磁阀开关周期比例系数，vm为实测探伤车行驶速度。
11.本双轨式探伤车的智能喷水方法采用电磁阀变占空比，包括以下步骤：
12.1)计算实际喷水比例其中：v
an
为实测第n路流量计对应出水流速，n＝1,2,3；vm为对应实测探伤车行驶速度；
13.2)控制器获取第n路喷水管路给定喷水比例及其实际喷水比例，基于pid算法进行数字运算，获得第n路喷水管路控制电磁阀的时间占空比ρn:
[0014][0015]
其中：ei、ej为给定比例与实际比例偏差；k
p
为控制器比例参数；ti为控制器的积分时间参数；td为控制器的微分时间参数；tc为控制器的控制周期；n为第n路喷水管路的电磁阀，n＝1,2,3；
[0016]
3)第n路电磁阀开启时间为t
kn
＝t*ρn；关闭时间为t
gn
＝t*(1-ρn)；n＝1,2,3。其中：t为电磁阀开关周期。则控制器对第n路喷水管路输出的控制量表达式如下：
[0017][0018]
4)mn输出值为1时，第n路电磁阀打开；控制器输出值为0时，第n路电磁阀关闭。
[0019]
本实发明的有益效果：
[0020]
1)装置设置三个喷头，第一喷头预湿钢轨，第二喷头预湿探轮，第三喷头正对钢轨和探轮的接合面处，直接填充钢轨和探轮的细小缝隙，结构布局合理，耦合效果好；
[0021]
2)喷头结构改变，实现由喷水变喷雾，喷淋更加均匀；测滤网设计过滤面积大，不易堵塞；
[0022]
3)采用恒压泵为喷水管路提供动力，无论三个喷水管路开、关情况，均能保证各喷水管路恒压喷水，喷水管路互相不干扰独立性强。
[0023]
4)控制方法：恒压喷水，实现均匀喷雾效果；第一喷头、第二喷头喷水周期各t/2,共占一个喷水周期；第三喷头独占一个喷水周期t，三相位互补喷水，有利于供水主回路流量稳定；能够根据探伤车行驶速度，自动改变喷水周期t，探伤车行驶速度越快，t越小，喷水更加频繁。变占空比、脉冲喷水控制实现喷水比例给定值与实际喷水比例的无静差。
附图说明
[0024]
图1是本发明的喷水装置部件连接关系图。
[0025]
图2是本发明的椭圆形出口雾化喷头分布图。
[0026]
图3是本发明的椭圆形出口雾化喷头构成图。
[0027]
图4是本发明的喷头主体剖视图。
[0028]
图5是本发明的喷头的正视图。
[0029]
图6是本发明的压芯细节图。
[0030]
图7是本发明的侧滤网安装图。
[0031]
图8是本发明的椭圆形出口雾化喷头装配图。
[0032]
图9是本发明的实施安装环境侧视图。
[0033]
图10是本发明的实施安装环境底部视图。
[0034]
图11是本发明的喷水周期与时序关系图。
[0035]
图12是本发明的控制器输出与时间关系图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0037]
如图1所示，本发明包括水箱11、恒压泵12、三个流量计13、三个电磁阀14、三个喷头、连接管路15及控制器；水箱11连接恒压泵12，恒压泵12通过连接管路15连接三个喷头，三个喷头所属管路上各设置一个流量计、一个电磁阀；恒压泵提供恒定水压，控制器控制各电磁阀开或关以控制喷水或停喷；
[0038]
如图2所示，所述三个喷头中第一喷头16垂直于钢轨9表面，起到预湿钢轨9的作用；第二喷头17正对轮式探头3的表面，起到湿润轮式探头3的作用；第三喷头18正对钢轨9和轮式探头3的接合面处，直接填充钢轨9和轮式探头3间的细小缝隙。
[0039]
如图3所示，本发明的每个喷头是一种椭圆形出口雾化喷头，其结构包括喷头主体1-1、压芯1-2、侧过滤网1-3、滤网固定芯1-4，压芯1-2通过螺牙拧进喷头主体1-1内，滤网固定芯1-4通过螺牙拧进喷头主体1-1内，侧过滤网1-3安装于滤网固定芯1-4上，采用侧过滤网1-3替代直过滤网，过滤面积大，不易堵塞。
[0040]
如图4-8所示，给出了本发明的椭圆形出口雾化喷头的具体结构，具体的：
[0041]
如图4所示，本发明的1-1为喷头主体，1-1-1为喷头内出水口。
[0042]
如图5所示，本发明的喷头主体1-1的椭圆出水口，宽度0.1mm，长0.2mm，耦合液通过喷头内出水口1-1-1从椭圆出水口出水。
[0043]
如图6所示，本发明的1-2为压芯，1-2-1为顶针，顶针1-2-1的锥度略小于内出水口1-1-1，压在内出水口1-1-1上，给出水提供一定的雾化压力，使喷淋更加均匀。1-2-2为水道，液体从此处流过。1-2-3为螺丝刀槽，用于拧紧压芯1-2上的螺丝。
[0044]
如图7所示，本发明的侧滤网安装于滤网固定芯1-4上。侧滤网相比于直滤网，过滤面积更大，不容易堵塞。
[0045]
如图8所示，本发明的椭圆形出口雾化喷头装配图，压芯1-2通过螺牙拧进喷头主体1-1内，侧过滤网1-3安装于滤网固定芯1-4上，滤网固定芯1-4通过螺牙拧进喷头主体1-1内。1-2-1为顶针，它的锥度略小于内出水口1-1-1，压在内出水口1-1-1上，给出水提供一定
的雾化压力。耦合液通过喷头内出水口1-1-1从椭圆出水口出水。
[0046]
如图9-10所示，本发明的实施安装环境为双轨式钢轨探伤车。
[0047]
所述的智能加注控制方法:
[0048]
如图1、11、12所示，本发明的喷水装置连接关系图、喷水周期与时序关系图及控制器输出与时间关系图。
[0049]
水箱11、恒压泵12、流量计13、电磁阀14、第一喷头16,第二喷头17,第三喷头18由连接管路15构成喷水管路，其中恒压泵12保证水压恒定；所述三相位互补指一次喷水过程包含两个并行的喷水周期t，第一喷头16、第二喷头17的喷水周期为t/2,各占一个喷水周期t的前后半周期；第三喷头18独占一个喷水周期t，与第一喷头16起始时间同步。第一喷头16、第二喷头17、第三喷头18的占空比互不相同，各个喷头按照各自占空比开关。t的大小与探伤车速度成反比，探伤车行驶速度越快，t越小，喷水更加频繁。变占空比、脉冲喷水控制实现喷水比例给定值与实际喷水比例的无静差。具体喷水周期t表示为：
[0050]
t＝t0+k/vm，其中：t0为避免电磁阀高频震荡的最小开关周期，k为电磁阀开关周期比例系数，vm为实测探伤车行驶速度。
[0051]
本双轨式探伤车的智能喷水方法采用电磁阀变占空比、脉冲喷水控制，包括以下步骤：
[0052]
1)计算实际喷水比例其中：v
an
为实测第n路流量计13对应出水流速，n＝1,2,3；vm为对应实测探伤车行驶速度；
[0053]
2)控制器获取第n路喷水管路给定喷水比例及其实际喷水比例，基于pid算法进行数字运算，获得第n路喷水管路控制电磁阀14的时间占空比ρn:
[0054][0055]
其中：ei、ej为给定比例与实际比例偏差；k
p
为控制器比例参数；ti为控制器的积分时间参数；td为控制器的微分时间参数；tc为控制器的控制周期；n为第n路喷水管路的电磁阀14，n＝1,2,3；
[0056]
3)第n路电磁阀14开启时间为t
kn
＝t*ρn；关闭时间为t
gn
＝t*(1-ρn)；n＝1,2,3。其中：t为电磁阀14开关周期。则控制器对第n路喷水管路输出的控制量表达式如下：
[0057][0058]
4)mn输出值为1时，第n路电磁阀14打开；控制器输出值为0时，第n路电磁阀14关闭。
[0059]
采用本发明提出的控制方法：恒压喷水，实现均匀喷雾效果；第一喷头、第二喷头喷水周期各t/2,共占一个喷水周期；第三喷头独占一个喷水周期t，三相位互补喷水，有利于供水主回路流量稳定；能够根据探伤车行驶速度，自动改变喷水周期t，探伤车行驶速度越快，t越小，喷水更加频繁。变占空比、脉冲喷水控制实现喷水比例给定值与实际喷水比例的无静差。

技术特征：
1.一种双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是它包括水箱(11)、恒压泵(12)、三个流量计(13)、三个电磁阀(14)、三个喷头、连接管路(15)及控制器；水箱(11)连接恒压泵(12)，恒压泵(12)通过连接管路(15)连接三个喷头，三个喷头所属管路上各设置一个流量计、一个电磁阀；恒压泵(12)提供恒定水压，控制器控制各电磁阀开或关以控制喷水或停喷；所述三个喷头中第一喷头(6)垂直于钢轨(9)表面，起到预湿钢轨(9)的作用；第二喷头(7)正对轮式探头(3)的表面，起到湿润轮式探头(3)的作用；第三喷头(8)正对钢轨(9)和轮式探头(3)的接合面处，直接填充钢轨(9)和轮式探头(3)间的细小缝隙。2.根据权利要求1所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是恒压泵(12)的管路输入口放入水箱(11)内，恒压泵(12)的管路输出口端接三个流量计(13)的管路输入端，各个流量计(13)的管路输出端与对应电磁阀(14)的管路输入端相连，各电磁阀(14)的管路输出端接对应喷头。3.根据权利要求1所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是控制器的信号输入端接流量计(13)的信号输出端用于检测各喷水管路流量，控制器的信号输出端接恒压泵(12)的信号输入端和电磁阀(14)的信号输入端，用于控制各喷水管路喷水量。4.根据权利要求1所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是每个喷头是一种椭圆形出口雾化喷头，其结构包括喷头主体(1-1)、压芯(1-2)、侧过滤网(1-3)、滤网固定芯(1-4)，压芯(1-2)通过螺牙拧进喷头主体(1-1)内，滤网固定芯(1-4)通过螺牙拧进喷头主体(1-1)内，侧过滤网(1-3)安装于滤网固定芯(1-4)上。5.根据权利要求4所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是喷头主体(1-1)的顶端至腔内设置喷头内出水口(1-1-1)；压芯(1-2)的顶端为顶针(1-2-1)结构，顶针(1-2-1)的锥度小于内出水口(1-1-1)并压在内出水口(1-1-1)的尾部，给出水提供一定的雾化压力，使喷淋更加均匀。6.根据权利要求4所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是压芯(1-2)的尾端设置螺丝刀槽(1-2-3)，用于拧紧压芯(1-2)上的螺丝。7.根据权利要求4所述的双轨式探伤车智能喷水装置，其特征是压芯(1-2)的中部外表面设置水道(1-2-2)。8.一种双轨式探伤车智能喷水方法，基于权利要求1-7任一项所述的装置，其特征是其中恒压泵保证水压恒定；一次喷水过程包含两个并行的喷水周期t，第一喷头、第二喷头的喷水周期为t/2,各占一个喷水周期t的前后半周期；第三喷头独占一个喷水周期t，与第一喷头的起始时间同步；第一喷头、第二喷头和第三喷头的占空比互不相同，各个喷头按照各自占空比开关；t的大小与探伤车速度成反比，探伤车行驶速度越快，t越小，喷水更加频繁；采用变占空比、脉冲喷水控制实现喷水比例给定值与实际喷水比例的无静差。9.根据权利要求8所述的双轨式探伤车智能喷水方法，其特征是具体喷水周期t表示为：t＝t0+k/v
m
，其中：t0为避免电磁发高频震荡的最小开关周期，k为电磁阀开关周期比例系数，v
m
为实测探伤车行驶速度。10.根据权利要求8所述的双轨式探伤车智能喷水方法，其特征是变占空比、脉冲喷水控制方法，包括以下步骤：
1)计算实际喷水比例其中：v
an
为实测第n路流量计对应出水流速，n＝1,2,3；v
m
为对应实测探伤车行驶速度；2)控制器获取第n路喷水管路给定喷水比例及其实际喷水比例，基于pid算法进行数字运算，获得第n路喷水管路控制电磁阀的时间占空比ρ
n
：其中：e
i
、e
j
为给定比例与实际比例偏差；k
p
为控制器比例参数；t
i
为控制器的积分时间参数；t
d
为控制器的微分时间参数；tc为控制器的控制周期；n为第n路喷水管路的电磁阀，n＝1,2,3；3)第n路电磁阀开启时间为t
kn
＝t*ρ
n
；关闭时间为t
gn
＝t*(1-ρ
n
)；n＝1,2,3；其中：t为电磁阀开关周期；则控制器对第n路喷水管路输出的控制量表达式如下：4)m
n
输出值为1时，第n路电磁阀打开；控制器输出值为0时，第n路电磁阀关闭。

技术总结
本发明公开了一种双轨式探伤车智能喷水装置，包括水箱、恒压泵、三个流量计、三个电磁阀、三个喷头、连接管路及控制器；水箱连接恒压泵，恒压泵通过连接管路连接三个喷头，三个喷头所属管路上各设置一个流量计、一个电磁阀；恒压泵提供恒定水压，控制器控制各电磁阀开或关以控制喷水或停喷；所述三个喷头中第一喷头垂直于钢轨表面，起到预湿钢轨的作用；第二喷头正对轮式探头的表面，起到湿润轮式探头的作用；第三喷头正对钢轨和轮式探头的接合面处，直接填充钢轨和轮式探头间的细小缝隙。本发明结构布局合理，耦合效果好。耦合效果好。耦合效果好。


技术研发人员：叶彦斐 程立 颜志爽 侯翔一 史永翔 曹忠国
受保护的技术使用者：南京富岛数字化检测技术有限公司
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/4/25