CN101949116B - 一种采用激光修补钢轨的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用激光修补钢轨的方法,属于半导体激光器应用领域,其特点是在不拆卸钢轨的情况下,对表面有缺陷的旧钢轨进行快速可靠地修理,使其重新投入使用,而不影响交通秩序。该方法主要包括:钢轨的预清洗、钢轨信息的采集、分析整理、填粉修补、激光冶金融合和轨道修补处的抛光打磨。该装置体积小、重量轻,可集成到轨道运行机车或者汽车上,用于轨道的日常维护或抢险修理中。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术在现代轨道交通系统中的应用,该钢轨包括铁路、地铁、轻轨等交通系统中的钢轨。
背景技术
随着人类社会的进步,人口流动和货物运送量的日益增加,致使交通运输的压力也越来越重。轨道交通因其出货量大和运送速度快等优点,已成为了交通运输中的主力军。轨道交通主要包括铁路、地铁和轻轨等有轨机车,它在中国乃至全世界有很大的发展。
目前世界铁路约137万公里,超过60%是标准轨距(维基):中国8.6万公里(铁道部2009年底数据),美国22.6万公里(CIA2007年),日本2.7万公里(日本铁道),印度6.3万公里(印度铁道部2009年),欧盟23.7万公里(欧盟网站),俄罗斯8.6万公里(俄罗斯铁道部)。从上述数据可看出铁路运输在世界各个国家具有很广阔的分布,我国未来几年在铁路建设上也有新的发展。在地铁建设方面,我国各城市地铁建设规划,2010年地铁建设达480公里,2011~15年达2411公里,2016~20达3053公里,2011~2015年地铁新增线路长度复合增速为21%,2010~15年地铁建设投资规划额将达11568亿元,2011~2015年的预计投资额是2010年的5.93倍。在轻轨方面也同样有大的发展。由以上数据可看出轨道交通在我国未来的规划蓝图是非常宏伟的。
钢轨是轨道的重要组成部件,它与轨枕、道床(含路基)组成一个完整的铁道路线,支承及引导机车车头和车厢的车轮,使机车安全运行。铁路上使用的钢轨承受着列车重量的巨大压力,以及冲击、弯曲、温度变化产生的应力,因此需要使用经热处理后具有综合性能良好的钢材。铁路钢轨对钢的要求比一般性应用更为严格。例如,一个小瑕疵,在建筑物使用的钢筋内出现可能不会产生任何问题,但发生在铁路钢轨上则随时会导致路轨断裂而引发列车出轨,导致不堪设想的后果。运行表面和火车轮之间的摩擦是引起钢轨磨损的主要原因,并在小弯道,坡道和速度急剧变化时尤为严重。钢轨在长年累月的使用中, 受到运行机车的挤压,钢轨本身会产生很大的磨损,易损坏;同时由于暴露在风霜雨雪中,很容易被侵蚀,同时钢轨上面污质容易积累,轨道发生变形等,诸如表面波纹和变形等钢轨磨损加剧了钢轨的损坏,影响了乘客舒适感,增大了震动和噪音,这就为轨道交通的安全造成很大的隐患,因此对钢轨本身的维护和修理就变得很必要。
钢轨的种类及强度以kg/m表示。每米越重的钢轨所能承受的重量亦越大。现在欧洲的铁路常见的钢轨有以下多种重量:40kg/m、50kg/m、60kg/m,中国则有:50kg/m、60kg/m、75kg/m,主要线路使用的是60kg/m或75kg/m的钢轨。一般的有缝焊接的钢轨一段大约为20m左右,而无缝焊接的钢轨可能达到上百公里。由上面的重量和钢轨长度可知,先不考虑对交通秩序的影响,单从运输的方面来说,更换一根主要线路的钢轨就是非常困难的事。直接在铁路上对钢轨进行修理,除了在成本上占据优势,省时省力,不影响交通也是非常重要的。
发明内容
为了解决钢轨及时可靠的修补问题,本发明提出了一种采用激光修补钢轨的方法。
本方法通过如下步骤实现:
步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴;
步骤二、通过CCD相机对轨道进行扫描,采集X、Y两个方向的数值;
步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢轨表面的高度进行对比,若差值≥1mm,则判定该点(X,Y)为需要修补的破损处,执行步骤四,若差值<1mm,则判定该点(X,Y)不需要修补,返回步骤二;
步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y=0,Y方向高度差为真实高度差的负值,通过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值,据此在计算机中建立立体坐标,立体坐标中X方向记录缺陷的位置,Y方向记录缺陷的高度差;
步骤五、补粉系统根据步骤四中构建的立体坐标,在伺服电机的带动下采 用方波式运动对破损处进行精确添粉;
步骤六、利用半导体激光器模块通过激光头对步骤五中添粉后的破损处照射,使金属粉末与钢轨冶金结合;激光头在照射过程中通过伺服电机的带动以方波形式运动,激光头输出的光斑为矩形光斑;
步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光,完成对钢轨的修补。
本发明的有益效果,此装置可在不拆卸钢轨的情况下,现场修理磨损钢轨,具有修理成本低、绿色无污染;修理涂层与基底冶金结合,表层涂料含有可增加钢轨耐磨、耐腐蚀性能的粉末,可提高修理钢轨的性能;精确送粉,净形修理,合理使用粉末和激光功率,节约运行成本和资源,同时可减少后工艺;可用于钢轨的日常维护和抢险修理,安全性高,修理速度快;修理方法简便,修理设备简单。
附图说明
图1是本发明激光修补钢轨方法中补粉系统结构示意图;
图2是本发明激光修补钢轨方法中半导体激光器模块示意图;
图3是本发明激光修补钢轨方法中激光头结构示意图。
图4是本发明激光修补钢轨方法中激光头的剖视图。
图中:1-补粉系统,11-鼓风机,12-风管,13-粉仓,14-送粉管;2-半导体激光模块,21-半导体激光器,22-准直透镜,23-准直变焦元件;3-激光头,31-激光头外壳,32-柱透镜,33-光窗口,34-保护罩,35-入射激光束,36-送粉窗口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种采用激光修补钢轨的方法,由以下步骤完成:
步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴;
步骤二、通过CCD相机对轨道进行扫描,采集X、Y两个方向的数值;
步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢 轨表面的高度进行对比,若差值≥1mm,则判定该点(X,Y)为需要修补的破损处,执行步骤四,若差值<1mm,则判定该点(X,Y)不需要修补,返回步骤二;
步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y=0,Y方向高度差为真实高度差的负值,通过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值,据此在计算机中建立立体坐标,立体坐标中X方向记录缺陷的位置,Y方向记录缺陷的高度差;
步骤五、补粉系统根据步骤四中构建的立体坐标,在伺服电机的带动下采用方波式运动对破损处进行精确添粉;
步骤六、利用半导体激光器模块2通过激光头3对步骤五中添粉后的破损处照射,使金属粉末与钢轨冶金结合;激光头3在照射过程中通过伺服电机的带动以方波形式运动,激光头3输出的光斑为矩形光斑;
步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光,完成对钢轨的修补。
在步骤一之前需要对钢轨进行清洗,步骤如下:
步骤A、通过高压喷雾器将液体经高压喷头以不低于1MPa的压力直接对钢轨进行冲洗,并残留下一层液膜;
步骤B、通过半导体激光器模块2照射轨道使步骤A中的液膜气化,通过半导体激光器模块2输出的光斑为矩形光斑;
步骤C、通过鼓风机将步骤B中气化后的液膜吹离钢轨表面,完成钢轨的清洗。
如图1所示,补粉系统1由鼓风机11、风管12、送粉仓13和送粉管14组成,鼓风机11通过风管12与送粉仓13相连,在风管12吹入的风力辅助下,送粉仓13里的粉末通过送粉管14输送到钢轨表面待修理的缺陷处。
如图2所示,半导体激光器模块由半导体激光器21、准直透镜22和准直变焦元件23组成,如图2所示。半导体激光器21输出的光,经过准直透镜22将光束准直,然后再经过准直变焦元件23调节光束在X方向的大小,而不影响Z方向的光束尺寸。经过准直变焦元件后的光束仍为准直光束。最后通过激光头 对光束Z方向聚焦,形成矩形光斑打在钢轨表面。
如图3所示,激光头3由激光头外壳31,柱透镜32,光窗口33和保护罩34组成,在保护罩的Z方向一侧沿X方向开有一个送粉窗口36,用于送粉管道7通过。变焦后的准直光束35由柱透镜32在Z方向上聚焦,其焦点在钢轨上方。中间有一个光窗口33,其作用是防止在加工过程中,飞溅物损坏透镜,起保护透镜的作用。下端的保护罩34的作用是防止散射或反射的激光对周围环境造成影响。
修补中用的粉末除了钢轨的基本材料组分碳、锰、硅、硫和磷等外,还包含一些有助于增强钢轨表面特性的粉末,如铟、铬、镍、钼、钒、钛或铜。
Claims (6)
1.一种采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一、设定钢轨高度方向为Y轴、钢轨宽度方向为X轴、钢轨长度方向为Z轴;
步骤二、通过CCD相机对轨道进行扫描,采集X、Y两个方向的数值;
步骤三、将步骤二中CCD相机采集到的Y方向的数值在计算机中与标准钢轨表面的高度进行对比,若差值≥1mm,则判定该点(X,Y)为需要修补的破损处,执行步骤四;若差值<1mm,则判定该点(X,Y)不需要修补,返回步骤二;
步骤四、以标准钢轨表面的高度记为Y=0,Y方向高度差为真实高度差的负值,通过CCD相机沿Z方向周期为2mm记录一次X、Y两个方向的数值,据此在计算机中建立立体坐标,立体坐标中X方向记录缺陷的位置,Y方向记录缺陷的高度差;
步骤五、补粉系统(1)根据步骤四中构建的立体坐标,在伺服电机的带动下采用方波式运动对破损处进行精确添粉;
步骤六、利用半导体激光器模块(2)通过激光头(3)对步骤五中添粉后的破损处照射,使金属粉末与钢轨冶金结合;通过伺服电机控制激光头(3)在照射过程中以方波形式运动,进而使激光头(3)输出的光斑为矩形光斑;
步骤七、通过打磨机对步骤六中钢轨的冶金修补处进行打磨、抛光,完成对钢轨的修补。
2.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,在步骤一之前需要对钢轨进行清洗,步骤如下:
步骤A、通过高压喷雾器将液体经高压喷头以不低于1MPa的压力直接对钢轨进行冲洗,并残留下一层液膜;
步骤B、通过半导体激光器模块(2)照射轨道使步骤A中的液膜气化,半导体激光器模块(2)输出的光斑为矩形光斑;
步骤C、通过鼓风机将步骤B中气化后的液膜吹离钢轨表面,完成钢轨的清洗。
3.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,所述半导体激光器模块(2)包括半导体激光器(21)、准直透镜(22)和准直变焦元件(23),半导体激光器(21)发出的激光经准直透镜(22)准直,然后经准直变焦元件(23)聚焦形成矩形光斑,准直变焦元件(23)对X方向变焦,其变焦倍数>5,在X方向的最大尺寸和钢轨宽度相等。
4.根据权利要求3所述采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,所述半导体激光器(21)的转换效率≥40%,照射在钢轨表面的激光功率密度为104W/cm2~106W/cm2,激光器的工作方式为脉冲或连续。
5.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,所述CCD相机摄取范围Z方向>200mm,X方向>钢轨宽度,频率>20HZ。
6.根据权利要求1所述采用激光修补钢轨的方法,其特征在于,所述激光头(3)Z方向的一侧沿X方向开有横槽,补粉系统(1)的送粉管(14)通过横槽在X方向移动,其最大移动范围与钢轨表面的宽度相等。
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