CN103128539B - 高精度智能化轨道扣件螺栓扳手及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种轨道扣件螺栓高精度智能扳手及其操作方法，其动力系统安置在车架上，并通过油泵及控制阀组件向液压马达输送驱动动力；车架上还设置有工作系统，其包括两组垂直设置的工作装置，各组工作装置包括同轴连接的螺栓套筒和驱动螺栓套筒旋转的液压马达；螺栓套筒和液压马达之间串接有扭矩传感器，扭矩传感器连接于扭矩测控器，扭矩传感器将扭矩状态传递给扭矩测控器，进而对液压马达的扭矩输出状态进行控制；旋紧操作时，扭矩传感器检测到的即时扭矩值与设定扭矩值相同时液压马达停止旋转；旋紧操作时，既有螺栓扭矩超过设定值时，工作装置将螺栓反向旋松卸载，进而再旋紧至设定值。结构简单可靠，两组工作装置单独工作，相互无直接影响。
Description
技术领域
本发明涉及铁路轨道铺设与养护的装置与方法，特别是一种用于客运专线和高速铁路轨道扣件螺栓旋紧、放松作业的高精度智能化轨道扣件螺栓扳手及其操作方法。
背景技术
轨道扣件螺栓的旋紧、放松作业是铁路轨道铺设、既有线路大修和养护维修作业中必不可少的工作，需要大量适用的专用机械代替繁重的人工劳动，更重要的是使轨道的弹条扣件经常性地保持准确的扣压力，保持钢轨左右两侧扣件的扣压力均衡，最终保证铁道线路的行车安全。
目前在铁路施工作业现场使用的轨道扣件螺栓扳手设备主要有以下几种：
1、单头机械式冲击扳手；
该结构扳手采用动力系统械冲击方式实现螺栓扳手的扭矩输出，用一套冲击套筒分别对钢轨左右两侧的扣件螺栓进行旋紧、放松作业。该结构扳手存在的主要不足是：（1）难以准确控制套筒的旋紧扭矩，套筒工作扭矩的变化操作者无法得知；（2）冲击套筒磨损后不能准确调整旋紧扭矩；（3）钢轨左右两侧的扣件螺栓只能依次旋紧，螺栓扣件的扣压力不均衡，造成钢轨两侧受到偏载力；（4）螺栓套筒的冲击力对螺母的损伤较严重；（5）钢轨左右扣件依次作业时，需抬起后部机身跨越钢轨，增加了操作者的劳动强度。
2、双头机械式冲击扳手（中心距不可调）；
该结构扳手也是采用动力系统械冲击方式实现螺栓扳手的扭矩输出。发动机的动力通过分动齿轮箱的两个输出轴分别驱动两套冲击式套筒，可同时对钢轨两侧的扣件螺栓进行旋紧或放松作业。因此较之单头机械式冲击扳手，工作效率较高，操作者的劳动强度较小。但该结构扳手仍然存在明显的不足：（1）难以准确控制套筒的旋紧扭矩，套筒工作扭矩的变化操作者无法得知；（2）冲击套筒磨损后不能准确调整旋紧扭矩；（3）由于左右冲击套筒的中心距是固定的，只能适用于同一类型的轨道扣件作业。同时，为适应扣件螺栓中心距的偏差，只能采用“万向节”传动式螺栓套筒，降低了旋紧扭矩的准确性。
3、单头液压式扭矩扳手；
该结构采用液压马达作为驱动螺栓套筒的动力，螺栓套筒在液压马达的静压驱动下对扣件螺栓进行旋紧、放松作业；马达的工作扭矩由压力阀控制，马达的压力与扭矩的关系依靠换算来获得，扭矩表显示的扭矩值实际是马达的工作压力值。液压式扭矩扳手较之机械冲击式扳手是一个进步，工作扭矩的控制较为准确，也易于调整。但此液压式扭矩扳手也存在一些明显不足：（1）工作扭矩稳定性差，由于以马达的工作压力来换算扭矩值，而马达的输出扭矩除由工作压力决定外，还受马达机械效率的影响，当液压系统的油温升高后，马达的机械效率会发生明显变化，液压回路压力控制阀的开启特性也会发生变化，导致在常温下确定的工作压力与扭矩的换算关系发生改变，这就是目前所有以液压马达的设定工作压力作为螺栓套筒停止工作的螺栓扳手，都存在扭矩值稳定性不好的主要原因；（2）由于是单头扳手，钢轨左右两侧的扣件螺栓不能同时旋紧，扣件的扣压力不均衡，造成钢轨两侧受到偏载力，影响钢轨的精确定位；（3）钢轨左右扣件依次作业时，需抬起后部机身跨越钢轨，增加了操作者的劳动强度。
4、双头液压式扭矩扳手（中心距不可调）。
该结构扳手也是采用液压马达作为驱动螺栓套筒的动力，用一台马达通过分动齿轮箱的两个输出轴对钢轨两侧的扣件螺栓进行旋紧或放松作业。除了与单头液压式扭矩扳手同样存在“工作扭矩稳定性差”的缺点外，还存在以下不足：（1）由于输出轴是固定中心距，只适用于同一型号的轨道扣件作业，为适应扣件螺栓中心距的偏差，只能采用“万向节”式螺栓套筒，套筒经常处于倾斜状态工作，降低了旋紧扭矩的准确性；（2）由于用一台马达通过分动齿轮箱同时驱动两个螺栓套筒工作，两个螺栓套筒只能同步旋转，因此钢轨两侧的扣件螺栓无法同时达到适宜的旋紧状态，俗称“假双头”。
例如中国专利CN201128065Y，公开了一种高速铁路液压螺栓扳手，其采用分开设置的动力系统和工作系统，两者通过联接结构联接成一体，两系统的液压管路连通，其中工作系统设有由液压马达、传感器和螺栓套筒构成扳手作业机构，以单片机控制系统和液压集成块控制由汽油机、发电机驱动的变量控制阀、变量泵实现对液压动力的控制；设置于液压马达与螺栓套筒之间的传感器检测扭矩的变化，进而通过单片机控制变量泵变量，即在小扭矩时系统变为大排量，提高工作头转速，在大扭矩时变为小排量，提高系统压力实现大扭矩，同时，在拧紧工况下利用液压流体的特性，将两马达并联，使钢轨两侧扣件螺栓同时被拧紧，实现了钢轨两侧均衡加载；用于调节两套扳手作业机构中心距的调节装置则采用由低速电动机、链轮传动副、正反向丝杆和与正反向丝杆配合的螺母组成的复杂机构驱动扳手作业机构的左右移动。
该技术方案具有下列不足：
动力系统和工作系统分开设置，其虽然分散了重量易于上下轨，但更增加了系统的协调控制难度，系统结构更加复杂，操作困难；传感器通过单片机控制系统向变量控制阀发出控制信号，提高控制变量缸推动变量泵的控制手柄实现变量变量泵改变排量实现扭矩的变化，不但控制原理相对复杂，且由于间接控制而导致扭矩控制精度不足，更严重的是液压系统油温的变化对马达输出扭矩的影响很大，对输出扭矩的控制很难达到理想状态；当螺栓过紧，处于“锁死”状态时，扭矩控制系统无法检测调整螺栓的扭矩，可能导致螺栓锁定在过紧的状态下；不能针对两侧的螺栓分别进行扭矩的调整；用于调节两套扳手作业机构中心距的调节机构过于复杂，降低了调整的精度和可靠性。
综上所述，现有的各型扣件螺栓扳手主要存在以下几个共同的问题：
（1）螺栓套筒的工作扭矩精度不高（只能达到7-10%）或不稳定；
（2）左右两侧的螺栓套筒不能同时旋紧作业；
（3）双头扳手的套筒中心距是固定的，不能适应不同类型扣件的需要；
（4）螺栓套筒的工作扭矩值或者没有指示方式，或者不准确，不便于操作者监控或检查；
（5）机构过于复杂，操作不便。
为此，本申请的发明人针对上述传统技术的缺陷，通过本申请提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种轨道扣件螺栓高精度智能扳手及其操作方法，以满足客运专线和高铁无砟轨道线路对扣件螺栓作业的要求。
为达到上述目的，本发明所提供的螺栓扳手通过以下技术方案来来实现：
一种轨道扣件螺栓高精度智能扳手，主要由车架、动力系统和工作系统组成，其特征在于：车架通过导轮架设在轨道面上；动力系统安置在车架上，并通过油泵及控制阀组件向液压马达输送驱动动力；车架上还设置有工作系统，其包括两组垂直设置的工作装置，各组工作装置包括同轴连接的螺栓套筒和驱动螺栓套筒旋转的液压马达。
优选的是，螺栓套筒和液压马达之间串接有扭矩传感器，扭矩传感器连接于扭矩测控器，扭矩传感器将扭矩状态传递给扭矩测控器。
优选的是，扭矩测控器再与液压马达、油泵的控制阀组件相连接，对液压马达的扭矩输出状态进行控制；扭矩监控表与扭矩传感器和扭矩测控器相连接，用以监视即时扭矩。
优选的是，设有左右两套独立工作的螺栓旋紧机构，可以实现左右螺栓套筒同时工作，旋紧到设定扭矩值自动停止；也可将两侧的扣件螺栓同时放松。
优选的是，两组工作装置分别设置在两支臂的一端，两支臂的另一端被一中心固定销可转动地固定在一起，两支臂支撑在一带孔横梁上，所述横梁和支臂通固定销将支臂和横梁可调节地相互固定连接，用以对两螺栓套筒的间距进行调节。
优选的是，所述扭矩监控表具有扭矩设定值和即时扭矩值显示装置。
优选的是，所述扭矩监控表为指针式或数字式。
本发明的第二方面是一种轨道扣件螺栓高精度智能扳手的操作方法，其中在旋紧操作时，扭矩测控器检测已旋紧的扣件螺栓的紧固扭矩，超过设定值5%时通过控制液压马达的动作将螺栓反向旋松卸载，进而再旋紧至设定值；未达到设定值时，旋紧至设定值，实现自动纠正扣件螺栓扭矩的功能，并通过扭矩监控表进行监视。
优选的是，所述控制液压马达的动作，是以扭矩测控器通过对螺栓套筒的旋紧扭矩的测量结果而改变液压马达的供油量来控制液压马达的动作。
优选的是，所述扭矩监控表具有即时扭矩值显示装置。
优选的是，所述扭矩监控表为指针式或数字式。
本发明的工作原理及有益效果如下：
本发明的轨道扣件螺栓高精度智能扳手的操作方法依据高精度的扭矩传感器对螺栓套筒旋紧螺栓的扭矩的检测结果来控制液压马达的动作，实现扣件螺栓旋紧扭矩的高精度控制。两组工作装置单独工作，相互无直接影响，左右两套独立工作的装置分别对轨道两侧的螺栓旋紧，可以实现左右螺栓套筒同时工作，旋紧到设定扭矩值自动停止，也可将两侧的扣件螺栓同时放松。本发明另一主要发明点在于，扭矩测控器准确地检测已旋紧的扣件螺栓的紧固扭矩，超过设定值5%时将螺栓反向旋松卸载，进而再旋紧至设定值，实现自动纠正扣件螺栓扭矩的功能。并且，本发明左右两组工作装置间距只需通过带孔支臂固定即可，既简便又可靠。
本发明根据扭矩测控器对螺栓套筒的旋紧扭矩的测量结果来改变液压马达的供油量，当螺栓套筒的旋紧扭矩小于特定值时，螺栓套筒的旋转速度升高，螺栓套筒的旋紧扭矩大于特定值时，螺栓套筒的旋转速度降低，驱动扭矩增加。
更具体地说，按照本发明可以达到如下效果，
（1）旋紧螺栓的扭矩精度稳定在5%以内；
（2）钢轨两侧的扣件螺栓能够同时旋紧；
（3）扣件螺栓扳手能适应不同类型、不同中心距扣件的需要；
（4）旋紧扭矩能在80-350Nm范围内准确设置，并能清晰显示工作扭矩值；
（5）简化结构，提高系统的可靠性。
左右两套扭矩测控器检测的扭矩值，分别由左右两个扭矩表显示。
从结构上看，本发明的装置是组合在一个机架内，不存在整体协调方面的缺陷。
以下通过具体实施方式结合附图详细地进一步描述本发明的技术特征。
附图说明
图1是按照本发明的轨道扣件螺栓高精度智能扳手的一优选实施例的整体配置示意图；
图2是图1中工作系统的A向示意图。
附图标记说明：扭矩传感器1，螺栓套筒2，液压马达3，中心固定销4，支臂41，横梁42，支臂固定销43，扭矩测控器5，扭矩监控表6，油泵及控制阀组件7，控制模组8，动力系统9，车架10，导轮11，轨道面12。
具体实施方式
参见图1，本发明轨道扣件螺栓高精度智能扳手，具有车架10，通过导轮11架设在轨道面12上；动力系统9，以汽油发动机作为原动机来驱动油泵系统，安置在车架10上，油泵及控制阀组件7向液压马达3输送油压动力，使液压系统的压力与流量适应液压马达3的工作参数；车架10上还设置有工作系统，其包括两组垂直设置的工作装置，各装置包括同轴连接的螺栓套筒2和驱动螺栓套筒2旋转的液压马达3，螺栓套筒2和液压马达3之间串接有扭矩传感器1；扭矩传感器1连接有扭矩测控器5，扭矩传感器1将扭矩状态传递给扭矩测控器5；扭矩测控器5再与控制阀组件7相连接，对液压马达3的扭矩输出状态进行控制；扭矩监控表6与扭矩测控器5相连接，用以监视实际输出扭矩。扭矩监控表6显示有即时扭矩值。，既可以采用指针式仪表显示，也可以采用数字式仪表显示，并非本发明的保护要点，无需赘述。两组工作装置均单独工作，单独测控，分别显示，相互间无直接影响，这也是本发明的主要发明点之一。
参见图2，所示为图1中工作系统的A向示意。为了清楚展示本发明的另一主要发明点，该图仅描绘了与支臂41直接连接的机械结构。两组螺栓套筒2设置在支臂41的远端，支臂41共同被一中心固定销4可转动地固定，使两组螺栓套筒2分别可沿以固定销4为圆心的一圆弧段移动，同时，两支臂41被支撑在一横梁42上，横梁42则与车架10相固定；支臂固定销43将支臂41和横梁42在一定分合角度范围内可调节地相互固定连接在一起，据此对两螺栓套筒2的间距互分别进行调节。由于支臂41仅起到支撑的作用，给支臂41的结构带来设计上的便利。
根据上述装置，本发明一种轨道扣件螺栓高精度智能扳手的操作方法，其依据高精度的扭矩传感器1对螺栓套筒2旋紧螺栓的扭矩的检测结果来控制液压马达3的动作，实现扣件螺栓旋紧扭矩的高精度控制，两组工作装置单独工作，相互无直接影响，左右两套独立工作的装置分别对螺栓旋紧，可以实现左右螺栓套筒同时工作，旋紧到设定扭矩值自动停止，也可将两侧的扣件螺栓同时放松；本发明另一重要发明点在于，扭矩测控器5准确地检测已旋紧的扣件螺栓的紧固扭矩，超过设定值5%时将螺栓反向旋松卸载，进而再旋紧至设定值，实现自动纠正扣件螺栓扭矩的功能，亦即本发明所述的“智能”效果。当螺栓套筒2的旋紧扭矩小于特定值时，增加液压油泵的供油量，螺栓套筒2的旋转速度提高；当螺栓套筒2的旋紧扭矩大于特定值时，螺栓套筒的旋转速度降低。扭矩测控器可以在80-350Nm范围内由分档开关选定所需要的扭矩设定值。本发明左右两组工作装置间距只需通过支臂固定销43固定即可，无需采用传统技术方案中复杂的机械传动装置，极大地提高了装置的可靠性。
本领域技术人员不难看出，本发明的轨道扣件螺栓高精度智能扳手及其操作方法的技术方案的范畴包括上述各部分的任意组合。
Claims (9)
1.轨道扣件螺栓扳手，具有车架（10）、动力系统（9）和工作系统组成，车架（10）通过导轮（11）架设在轨道面（12）上，动力系统（9）设置在车架（10）上，其特征在于：动力系统（9）通过油泵及控制阀组件（7）向液压马达（3）输送驱动动力；车架（10）上还设置有工作系统，其包括两组垂直设置的工作装置，各组工作装置包括同轴连接的螺栓套筒（2）和驱动螺栓套筒（2）旋转的液压马达（3）；两组工作装置分别设置在两支臂（41）的一端，两支臂（41）的另一端被一中心固定销（4）可转动地固定在一起；扣件两支臂（41）支撑在一带孔横梁（42）上，所述横梁（42）和支臂（41）通过固定销（43）将支臂（41）和横梁（42）可调节地相互固定连接，用以对两螺栓套筒的间距进行调节。
2.如权利要求1的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：螺栓套筒（2）和液压马达（3）之间串接有扭矩传感器（1），扭矩传感器（1）连接于扭矩测控器（5）并将扭矩状态传递给扭矩测控器（5）；扭矩测控器（5）再与控制阀组件（7）相连接，对液压马达（3）的扭矩输出状态进行控制。
3.如权利要求1或2的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：扭矩传感器（1）和扭矩测控器（5）与一扭矩监控表（6）相连接，用以监视即时扭矩。
4. 根据上述权利要求1或2所述的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：设有左右两套独立工作的螺栓旋紧机构，以使得左右螺栓套筒能够同时工作，旋紧到设定扭矩值自动停止，并使得两侧的扣件螺栓能够同时放松。
5.根据上述权利要求3所述的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：设有左右两套独立工作的螺栓旋紧机构，以使得左右螺栓套筒能够同时工作，旋紧到设定扭矩值自动停止，并使得两侧的扣件螺栓能够同时放松。
6.根据权利要求3所述的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：所述扭矩监控表（6）具有扭矩设定值和即时扭矩值显示装置。
7.根据权利要求3所述的轨道扣件螺栓扳手，其特征在于：所述扭矩监控表（6）为指针式或数字式。
8.如上述任一权利要求所述的轨道扣件螺栓扳手的操作方法，包括旋紧操作，其特征在于：旋紧操作时，扭矩测控器（5）检测已旋紧的扣件螺栓的紧固扭矩，超过设定值5%时通过控制液压马达（3）的动作将螺栓反向旋松卸载，进而再旋紧至设定值；未达到设定值时，旋紧至设定值，实现自动纠正扣件螺栓扭矩的功能，并通过扭矩监控表（6）进行监视。
9.根据权利要求8所述轨道扣件螺栓扳手的操作方法，其特征在于：所述控制液压马达（3）借助于扭矩测控器（5）并通过对螺栓套筒（2）的旋紧扭矩的测量结果来改变液压马达（3）的供油量，从而控制液压马达（3）的动作。
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