CN105544327B - 一种钢轨快速在线检测复能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨快速在线检测复能装置，包括数据采集系统、主控系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统，主控系统分别与机车控制系统、数据采集系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统相连；数据采集系统包括主水平轮廓光电传感器、边缘轮廓光电传感器、硬度计A、次水平轮廓光电传感器和硬度计B；钢轨修磨系统包括预磨砂轮机、修磨砂轮机、粗抛光机和精抛光机；快速热处理系统包括平板式淬火感应线圈、喷水枪、平板式回火感应线圈和水箱。本发明通过对轨道表面变形进行快速打磨和抛光，恢复其硬度、强度、平顺度和光洁度；采用快速感应加热淬火+回火克服因循环载荷和对轨道踏面造成的反复弹塑性变形导致表面硬度降低的软化效应，维护效率高。

Description

一种钢轨快速在线检测复能装置

技术领域

本发明属于铁路钢轨磨损修复技术，特别涉及一种钢轨快速在线检测复能装置。

背景技术

钢轨是轨道车辆的专有道路，轨道上表面是关键工作部位，称为“踏面”，车轮经过时承受局部很大的压力、剪切力和滑动-滚动磨损，经受复杂疲劳载荷。特别是所谓的“波磨”，造成表面局部产生磨损和微小塑性变形。而且经年累月暴露在大气环境中，经受大气腐蚀和露水、雾气、盐雾、雨水腐蚀，同时在车站、货场等许多特殊路段，还要承受矿渣、砂石、煤粉以及其他更苛刻的腐蚀性物质侵蚀，服役环境恶劣，造成踏面表面局部损坏和硬度与强度降低，服役性能衰减。与站场减速/加速频繁、编组次数多等因素叠加，造成轨道更容易损坏和破坏。这种累积式载荷作用造成的轨道踏面软化、磨损、变形，从而导致踏面接触不良、轨道截面变形甚至产生微裂纹，造成行车振动增大、车辆磨损加剧，导致车辆损坏加剧、牵引动力过渡消耗，严重时发生脱轨、轨道断裂等恶性事故。

轨道线路广泛应用于支线和干线客货运输、区域铁路、矿山-矿井专用铁路、城市轨道客运线路以及高速客运铁路(客运专线)。高速列车由于运行速度高、编组密度高，对轨道的平直度、光滑度、硬度和强度等都有更高的要求。但是在站场、弯道、大坡度坡道等位置，轨道踏面机械损伤和性能衰减比较显著，更需要及时在线恢复功能。客货混用轨道既要承受客车的高速运行载荷，也要承担货运列车的低速高载荷，工作条件复杂，钢轨服役条件恶劣。就高速客车运行而言，轨道的平整程度、平直程度要求很高；而对于货运列车而言，由于载荷大、运行速度高低不等，对轨道的强度和刚度要求更为严格。

当前一般采用人工修磨、严重时更换轨道等方法，不仅维修效率低、成本高、浪费大，而且严重影响行车运营。正在研发的修磨系统不具备快速热处理功能，不能恢复钢轨的硬度和强度，无法解决轨道功能的彻底修复。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对因大负载和高频率循环作用造成的轨道表面变形进行快速打磨和抛光，采用快速感应加热淬火+回火克服因循环载荷对轨道踏面造成的反复弹塑性变形导致表面硬度降低的软化效应的钢轨快速在线检测复能装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种钢轨快速在线检测复能装置，包括设置在钢轨上的机车及其控制系统，安装在机车上的数据采集系统、主控系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统，主控系统分别与机车控制系统、数据采集系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统相连；

数据采集系统用于检测钢轨的平顺度和硬度数据，并将采集到的数据传输至主控系统，数据采集系统包括安装在机车车头车身下方的主水平轮廓光电传感器、边缘轮廓光电传感器和硬度计A，以及安装在机车车尾车身下方的次水平轮廓光电传感器和硬度计B；

钢轨修磨系统包括安装在机车车身下方的预磨砂轮机、修磨砂轮机、粗抛光机和精抛光机；

快速热处理系统包括安装在机车车身下方的平板式淬火感应线圈和平板式回火感应线圈，与平板式淬火感应线圈和平板式回火感应线圈电连接的感应线圈电源，与感应线圈电源联动的喷水枪，以及安装在机车内部的水箱；喷水枪与水箱通过管道连接；

预磨砂轮机安装在数据采集系统之后，用于对钢轨的表面进行预磨处理，使钢轨达到设定的淬火处理条件；

平板式淬火感应线圈安装在在预磨砂轮机后方，用于对已预磨的钢轨踏面和内侧上部轨缘进行预热，在感应线圈的热作用下将钢轨踏面的温度升高至钢轨淬火临界温度以上；

喷水枪安装在平板式淬火感应线圈之后，用于对钢轨踏面和内侧上部轨缘进行淬火处理；

平板式回火感应线圈安装在喷水枪之后，用于对淬火后的钢轨进行回火处理，利用中频感应回火装置，将钢轨踏面和内侧上部轨缘快速加热至预设温度进行回火处理；

修磨砂轮机安装在平板式回火感应线圈之后，用于对热处理后的钢轨进行精磨；

硬度计B安装在修磨砂轮机之后，用于采集经过修复的钢轨的硬度，并将采集到的数据发送至主控系统；

次水平轮廓光电传感器安装在硬度计B之后，用于对钢轨的修复部位进行二次测量；

粗抛光机和精抛光机依次安装在硬度计B之后，分别对修复后的钢轨进行粗抛光和精抛光处理。

进一步地，本发明的装置还包括供电系统，所述供电系统包括机车顶部的受电弓和机车车厢内的配电柜，受电弓与配电柜连接，配电柜分别为机车控制系统、数据采集系统、主控系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统供电。

进一步地，感应线圈电源采用中频电源供电，中频电源的电源输入端连接配电柜，中频电源的电源输出端分别与平板式淬火感应线圈和平板式回火感应线圈相连。

进一步地，主水平轮廓光电传感器位于钢轨正上方对应位置的机车底部，边缘轮廓光电传感器位于钢轨侧面方向对应位置的机车底部。

本发明的有益效果是：本发明的装置根据设定的运行速度，对因大负载和高频率循环 作用造成的局部飞边、表面扭拧、下陷、凸起、压塌等轨道表面变形进行快速打磨和抛光，恢复轨道表面的硬度和强度、平直度、光洁度，使钢轨恢复设计的硬度水平和形位精度及平滑光洁度；对钢轨踏面和内侧上部轨缘采用快速感应加热淬火+回火进行表面热处理，恢复因循环载荷和对轨道表面的反复弹塑性作用造成硬度降低的软化效应，恢复设计的服役性能；实现了钢轨的在线检测和自动复能，维护效率高、成本低、精确度高、且不影响行车运营。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的装置工作流程图；

附图标记说明：1-主水平轮廓光电传感器，2-边缘轮廓光电传感器，3-硬度计A，4-预磨砂轮机，5-中频电源，6-平板式淬火感应线圈，7-喷水枪，8-平板式回火感应线圈，9-修磨砂轮机，10-硬度计B，11-粗抛光机，12-精抛光机，13-配电柜，14-水箱，15-受电弓，16-主控系统，17-驾驶员门窗，18-机车，19-钢轨。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种钢轨快速在线检测复能装置，包括设置在钢轨19上的机车18及其控制系统，机车18上设有驾驶员门窗17，安装在机车18上的数据采集系统、主控系统16、快速热处理系统和钢轨修磨系统，主控系统16分别与机车控制系统、数据采集系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统相连；

数据采集系统用于检测钢轨19的平顺度和硬度数据，并将采集到的数据传输至主控系统16，数据采集系统包括安装在机车18车头车身下方的主水平轮廓光电传感器1、边缘轮廓光电传感器2和硬度计A3，以及安装在机车18车尾车身下方的次水平轮廓光电传感器和硬度计B10；

钢轨修磨系统包括安装在机车18车身下方的预磨砂轮机4、修磨砂轮机9、粗抛光机11和精抛光机12；

快速热处理系统包括安装在机车18车身下方的平板式淬火感应线圈6和平板式回火感应线圈8，与平板式淬火感应线圈6和平板式回火感应线圈8电连接的感应线圈电源，与感应线圈电源联动的喷水枪7，以及安装在机车18内部的水箱14；喷水枪7与水箱14通过管道连接；

预磨砂轮机4安装在数据采集系统之后，用于对钢轨19的表面进行预磨处理，使钢轨19达到设定的淬火处理条件；

平板式淬火感应线圈6安装在在预磨砂轮机4后方，用于对已预磨的钢轨踏面和内侧上部轨缘进行预热，在感应线圈的热作用下将钢轨踏面的温度升高至钢轨淬火临界温度以上；

喷水枪7安装在平板式淬火感应线圈6之后，用于对钢轨踏面和内侧上部轨缘进行淬火处理；

平板式回火感应线圈8安装在喷水枪7之后，用于对淬火后的钢轨19进行回火处理，利用中频感应回火装置，将钢轨踏面和内侧上部轨缘快速加热至预设温度进行回火处理；

修磨砂轮机9安装在平板式回火感应线圈8之后，用于对热处理后的钢轨19进行精磨；

硬度计B10安装在修磨砂轮机9之后，用于采集经过修复的钢轨的硬度，并将采集到的数据发送至主控系统16；

次水平轮廓光电传感器安装在硬度计B10之后，用于对钢轨19的修复部位进行二次测量；

粗抛光机11和精抛光机12依次安装在硬度计B10之后，分别对修复后的钢轨19进行粗抛光和精抛光处理。

进一步地，本发明的复能装置还包括供电系统，所述供电系统包括机车18顶部的受电弓15和机车18车厢内的配电柜13，受电弓15与配电柜13连接，配电柜13分别为机车控制系统、数据采集系统、主控系统16、快速热处理系统和钢轨修磨系统供电。

进一步地，感应线圈电源采用中频电源5供电，中频电源5的电源输入端连接配电柜13，中频电源5的电源输出端分别与平板式淬火感应线圈6和平板式回火感应线圈8相连。

进一步地，主水平轮廓光电传感器1位于钢轨19正上方对应位置的机车底部，边缘轮廓光电传感器2位于钢轨19侧面方向对应位置的机车底部。

本发明的复能装置具有以下功能：

1、快速热处理恢复钢轨硬度和强度：对钢轨19上部踏面和内侧上部轨缘采用快速感应加热淬火+回火进行表面热处理，恢复因循环载荷和对轨道表面的反复弹塑性作用造成硬度降低的软化效应，恢复设计的服役性能；

2、快速修磨恢复设计的平直度和光洁度水平：在快速表面热处理之前和之后，对因大负载和高频率循环作用造成的轨道表面变形-踏面畸形，如局部压塌、下陷、飞边、表面局部扭拧、凸起等几何变形进行快速打磨和抛光，然后进行热处理。经过以上环节的处理，恢复轨道的表面硬度和强度，并改善平直度和光洁度，使钢轨恢复设计的硬度水平和形位精度及平滑光洁度，即一种“快速在线钢轨复能车”。

本发明的具体部分的设计如下：

(一)根据设定的运行速度，对因大载荷循环作用造成的轨道表面变形(局部飞边、表面扭拧、下陷、凸起、压塌等)进行预测、评估和几何矫正量测算、并测算临界运行速度时的粗磨方案-道次和临界主轴转速；对钢轨19硬度进行实时测定，并与设计参数对比、设计中频电磁感应主频率和临界调节范围、中频电磁感应回火参数、硬化层深度和硬度控制范围、最终修磨道次主轴转速及调节范围、抛光机主轴转速及调节范围、光洁度控制方案等、变频方案和整机(车)功率设计-电气方案设计等；

(二)高精度钢轨检测和基准定位技术和电气系统，利用激光/电测等方法，快速测定和确定轨道基准高度和宽度，以及准确定位轨面基准中心线，由系统自动设定修磨基准；利用离线数据和系统硬度快速测定装置得到的硬度检测值确定和自动设定快速热处理参数；

(三)机-电系统包括：(a)初级打磨，钢轨表面形状校正试验和设计优化；在车辆前部安装光电传感器、位移计等轨道踏面的外形轮廓由光电测量装置进行动态测量，由机车18内部的主控系统重构、计算对比标准轨道踏面，确定预磨量，控制预磨机进行预磨。当钢轨踏面因反复重载产生局部畸变，光电传感器感受变化输出相关电信号，经过调制解调器处理后产生相应的电压信号，电压信号随后经过相应的系统处理可以得到轨道踏面的外形，将得到的数据和数据库中的原始数据进行比对得到需要校正的参数，随后通过系统对打磨机进行控制完成精准的外形修复。(b)钢轨上表面和内侧上部轨缘进行表面热处理(快速淬火+回火)试验和设计优化；通过车前方的硬度计可以准确的测量出受损轨道的硬度参数，反馈到车内数据处理系统，主控系统将给出一个相应的淬火和回火参数，然后通过控制回路控制淬火线圈和回火线圈的加热频率、加热时间、加热温度及保温时间，对轨道进行热处理。(c)最终打磨和抛光试验和设计优化，经过热处理后的表面还需要进行精磨，抛光处理，通过系统给出的打磨参数，对轨道进行打磨抛光处理。

(四)整体系统机车18供电、走行、操作系统：(1)走行极限速度研究，针对客货混运线路的特点，系统车辆工作运行速度为30km/h起，重点研究最大工作运行速度；非工作时的空载运行速度初步设定为160km/h。(2)走行机构设计选型，研究动力配置、主控系统、轴距、轴重、整车重量、操作人员配置等尤佳参数。其中通信系统、转向架、受电弓等系统采用商用产品。

如图2所示，本发明的装置工作流程具体包括以下步骤：

S1、轨道表面状态检测：利用钢轨轮廓主水平轮廓光电传感器1对钢轨轮廓表面进行扫描，并与前述主控系统中所建立的钢轨模型数据进行比较，确定粗磨基准(即粗磨需要达到的尺寸要求)。在进行复能操作之前，先对两类参量进行重点研究，即钢轨工作表面硬度和工作表面的几何尺寸和形状进行测量。采用常规轨道和无砟轨道实测调研、资料查阅等获取数据，应用数学统计方法，形成基础数据库，建立几何模型，作为在线修磨的基准数据；同时在系统内设置在线测量子系统，获取即时数据作为实时变量，运算后形成即时修磨-热处理参数。进而确定粗磨(预磨砂轮机)参数(即临界主轴转速及粗磨道次)；

S2、根据S1中确定的粗磨参数进行粗磨；

S3、粗磨完成后，根据车载硬度计A3检测到的轨道表面硬度，并结合该钢轨19上列车的临界运行速度所需硬度(通过理论计算和实际调研获得)计算硬度差，根据该差值确定淬火时所需的加热温度、升温速度、保温时间、冷却速度，以及回火温度及保温时间，进而确定平板式淬火感应线圈6的频率、工作时间，喷水枪7水压，以及平板式回火感应线圈8的频率、工作时间；

S4、利用S3中所提供热处理参数对钢轨19待修复部位进行淬火和回火处理，并在各热处理环节完成后利用硬度计B10测试硬度，与钢轨19热处理环节完成后所需硬度进行对比，若满足要求则进入下一环节，若不满足要求则需要重复该热处理环节，直至满足要求为止。在热处理环节的所有数据，均通过主控系统记录，建立热处理参数数据库，逐渐建立精确的热处理参数与硬度值对应关系；

S5、再次对修复部位进行三维扫描，并与钢轨原始模型尺寸进行比较，确定精确修磨基准，进而确定精磨参数(即修磨砂轮机临界转速及精磨道次)，并利用该参数进行精磨；

S6、通过车载粗抛光机11和精抛光机12对修复部位进行二级抛光，使修复部位表面粗糙度达到运行要求，进而实现钢轨的在线复能；

S7、机车按照预设的参数继续运行，进行下一段钢轨的在线检测及复能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钢轨快速在线检测复能装置，其特征在于，包括设置在钢轨(19)上的机车(18)及其控制系统，安装在机车(18)上的数据采集系统、主控系统(16)、快速热处理系统和钢轨修磨系统，主控系统(16)分别与机车控制系统、数据采集系统、快速热处理系统和钢轨修磨系统相连；

数据采集系统用于检测钢轨(19)的平顺度和硬度数据，并将采集到的数据传输至主控系统(16)，数据采集系统包括安装在机车(18)车头车身下方的主水平轮廓光电传感器(1)、边缘轮廓光电传感器(2)和硬度计A(3)，以及安装在机车(18)车尾车身下方的次水平轮廓光电传感器和硬度计B(10)；

钢轨修磨系统包括安装在机车(18)车身下方的预磨砂轮机(4)、修磨砂轮机(9)、粗抛光机(11)和精抛光机(12)；

快速热处理系统包括安装在机车(18)车身下方的平板式淬火感应线圈(6)和平板式回火感应线圈(8)，与平板式淬火感应线圈(6)和平板式回火感应线圈(8)电连接的感应线圈电源，与感应线圈电源联动的喷水枪(7)，以及安装在机车(18)内部的水箱(14)；喷水枪(7)与水箱(14)通过管道连接；

预磨砂轮机(4)安装在数据采集系统之后，用于对钢轨(19)的表面进行预磨处理，使钢轨(19)达到设定的淬火处理条件；

平板式淬火感应线圈(6)安装在在预磨砂轮机(4)后方，用于对已预磨的钢轨踏面和内侧上部轨缘进行预热，在感应线圈的热作用下将钢轨踏面的温度升高至钢轨淬火临界温度以上；

喷水枪(7)安装在平板式淬火感应线圈(6)之后，用于对钢轨踏面和内侧上部轨缘进行淬火处理；

平板式回火感应线圈(8)安装在喷水枪(7)之后，用于对淬火后的钢轨(19)进行回火处理，利用中频感应回火装置，将钢轨踏面和内侧上部轨缘快速加热至预设温度进行回火处理；

修磨砂轮机(9)安装在平板式回火感应线圈(8)之后，用于对热处理后的钢轨(19)进行精磨；

硬度计B(10)安装在修磨砂轮机(9)之后，用于采集经过修复的钢轨的硬度，并将采集到的数据发送至主控系统(16)；

次水平轮廓光电传感器安装在硬度计B(10)之后，用于对钢轨(19)的修复部位进行二次测量；

粗抛光机(11)和精抛光机(12)依次安装在硬度计B(10)之后，分别对修复后的钢轨(19)进行粗抛光和精抛光处理。

2.根据权利要求1所述的钢轨快速在线检测复能装置，其特征在于，所述的装置还包括供电系统，所述供电系统包括机车(18)顶部的受电弓(15)和机车(18)车厢内的配电柜(13)，受电弓(15)与配电柜(13)连接，配电柜(13)分别为机车控制系统、数据采集系统、主控系统(16)、快速热处理系统和钢轨修磨系统供电。

3.根据权利要求2所述的钢轨快速在线检测复能装置，其特征在于，所述的感应线圈电源采用中频电源(5)供电，中频电源(5)的电源输入端连接配电柜(13)，中频电源(5)的电源输出端分别与平板式淬火感应线圈(6)和平板式回火感应线圈(8)相连。

4.根据权利要求1所述的钢轨快速在线检测复能装置，其特征在于，所述的主水平轮廓光电传感器(1)位于钢轨(19)正上方对应位置的机车底部，边缘轮廓光电传感器(2)位于钢轨(19)侧面方向对应位置的机车底部。