[发明专利]用于钢轨表面在线测量及激光选择性修复的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于铁路钢轨磨损表面修复技术，具体涉及一种用于钢轨表面磨损的在线检测和激光选择性修复的装置及方法。

背景技术

无缝线路是铁路钢轨的主要铺设方式，其经过高密度、重载荷和高速度的长时间运行后，钢轨轨头表面不可避免地会出现各种波磨和侧磨。这些磨损不仅会降低乘客乘车的舒适度，增加轮轨噪音，加大列车运行能耗，严重的甚至会引起断轨，危及行车安全。因此，如何高效、安全的在线修复钢轨磨损表面，提高钢轨的使用寿命，已经成为了铁路线路维护的关键问题之一。

目前主要的钢轨在线修复方式为打磨和焊补。其中，钢轨打磨主要是用打磨装置减少钢轨表面的不平顺，消除轨头表面缺陷及恢复轨头轮廓到原来的设计要求，从而减缓钢轨表面缺陷的发展，提高钢轨表面平滑度，改善旅客乘车的舒适度和延长钢轨的使用寿命。但是，需要指出的是，钢轨打磨修复的深度和次数不能过多，否则其轮廓尺寸与原始尺寸的差距会越来越大。

钢轨焊补技术是广泛采用的一种磨损钢轨修复技术，其方法主要有冷焊、热焊和热喷涂三种。冷焊方法具有焊前不需预热，作业时间短、操作简便的优点，但是焊补层易生成脆硬的马氏体组织，导致焊补层的冲击韧性大大降低，容易在车轮的冲击作用下开裂剥离；热焊方法需要对钢轨进行焊前预热和焊后缓冷，焊补层的组织成分与母体大致相同，但是该方法耗时过长，不利于正常的行车要求；热喷涂方法设备简单，投资小、见效快，但是喷涂效果不易保证，喷涂层厚度薄起不到修复钢轨的目的，喷涂层厚度厚容易出现热应力大、修复层开裂的情况。

西南交通大学陈辉等人采用珠光体堆焊焊条TY320进行了钢轨热焊焊补试验，焊补层组织为珠光体+铁素体，与母材组织没有明显差别，焊补质量良好，但是焊前预热和焊后缓冷工序繁琐，修复效率不高。

西南交通大学陈辉等人还采用Ni29自保护药芯焊丝进行了钢轨冷焊焊补试验，经测验表明焊缝和热影响区没有出现裂纹，但是焊补层硬度稍低和耐磨性较差。

北京工业大学杨胶溪和刘华东采用Trumpf 6000高功率CO₂气体激光器和Fe基合金材料对U71Mn重轨进行了熔覆实验，涂层厚度1mm，无裂纹、气孔等缺陷，但是在熔合区靠近基体处出现了马氏体组织。

中国发明专利文献“一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置”（公告号为CN 101798789A，公布日为2010.08.11）中提到了一种用于钢轨表面激光强韧化处理和修复的在线双工位激光移动式加工装置。该装置采用在线双工位移动式操纵系统，对双轨不同部位进行激光表面强韧化处理与修复，包括了直线钢轨、曲线钢轨、护轮轨、道岔等的激光相变淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆、激光合金化、激光毛化和激光冲击强化处理等。该激光加工装置的不足之处是没有将钢轨磨损部位的数据与修复装置的运动结合起来形成完整的数据链；此外，该装置对待修复部位的定位精度不够，加工量大，不能仅对需要修复的钢轨进行选择性修复，修复时间长、修复效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自动化程度高、修复速度快、修复质量好及野外适应能力强的钢轨表面在线测量及激光选择性修复的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于钢轨表面在线测量及激光选择性修复的装置，包括设在钢轨轨道上的机车，以及：三维扫描仪：装配在机车车身下方，用于在机车行进过程中对钢轨表面进行快速扫描测量，采集得到钢轨表面三维轮廓数据；计数器：安装在机车轮毂固定架外侧，用于在轨面数据采集过程及激光修复过程中，对钢轨磨损部位进行定位；钢轨修复装置：安装在机车尾部，由机车牵引，根据钢轨磨损部位的三维轮廓数据及与其关联的该处计数器定位数值对钢轨磨损进行定位，并对钢轨磨损部位进行选择性激光修复；控制装置：安装在机车上，用于扫描数据和计数数值的存储和关联处理，以及钢轨修复装置的控制。

其中，所述钢轨修复装置包括两套工位独立的三维运动执行装置和架设在三维运动执行装置下方的激光修复装置。

其中，所述三维运动执行装置包括装配在一起的与钢轨平行的X轴平台、与钢轨垂直且水平设置的Y轴平台、与钢轨垂直且竖直设置的Z轴平台；所述X轴平台、Y轴平台、Z轴平台上均设有装配在一起的导轨、丝杠、电机和滑块，其中，Y轴平台固定在X轴平台的滑块上，Z轴平台固定在Y轴平台的滑块上，并且Z轴平台的滑块上还设有电控旋转台；电控旋转台上设有摆臂。