CN111843857A - 一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，包括行走单元、控制终端，以及安装在行走单元上的装置总成、磨料射流单元和纯水射流单元，所述装置总成包括水箱、由液压系统驱动的换向阀；所述磨料射流单元用于对轨道进行切削打磨，其包括通过管路依次连通的空气压缩机、磨料罐和第一喷嘴；所述纯水射流单元用于对钢轨进行表面喷射强化，其包括第二喷嘴；所述水箱的出口通过第一支管路与第一喷嘴连通，所述水箱的出口通过第二支管路与第二喷嘴连通，所述换向阀设于第一支管路上。本发明还提供了一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨方法。本发明的有益效果为：将磨料射流与纯水射流联合起来，在保留钢轨硬化层的同时，提高了打磨质量。

Description

一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铁路轨道表面处理技术，具体涉及一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置及方法。

背景技术

随着我国高铁的大量建设及运营，高铁轨道的维修养护就成为一项重要课题。目前，轨道打磨的主要方式是通过砂轮磨削轨道表面金属，矫正微小的轨道轮廓形变和铺设角度，修复在铺设过程中所产生的表面损坏。然而，传统的砂轮打磨方式存在以下不足：1、砂轮打磨轨道是一种机械切削过程，砂轮和轨道接触时会产生大量的热量，引起基础部位温度急剧升高，这会导致轨道由于冷热不均产生不平衡的热应力，同时还会破坏轨道的热处理效果，导致轨道淬火失效，降低轨道的各项性能；2、砂轮打磨的加工精度较低，钢轨的表面处理精度不足，难以控制进给速度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种打磨精度高、轨道使用寿命长的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置及方法。

本发明采用的技术方案为：一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，包括行走单元、控制终端，以及安装在行走单元上的装置总成、磨料射流单元和纯水射流单元，所述装置总成包括水箱；所述磨料射流单元用于对轨道进行切削打磨，其包括通过管路依次连通的空气压缩机、磨料罐和第一喷嘴；所述纯水射流单元用于对钢轨进行表面喷射强化，其包括第二喷嘴；所述水箱的出口通过第一支管路与第一喷嘴连通，所述水箱的出口通过第二支管路与第二喷嘴连通；第一支管路和第二支管路上分别设有控制通断的阀门；所述控制终端分别与行走单元、第一喷嘴和第二喷嘴连通，控制各结构动作。

按上述方案，所述第一支管路上增设有由液压系统驱动的换向阀，液压系统包括依次连通的液压油箱、油泵、单向阀和增压器，增压器的出口与换向阀相连。

按上述方案，所述行走单元包括车体，所述车体上设有前后布置的用于安装磨料射流单元的第一安装组件和用于安装纯水射流单元的第二安装组件，所述第一安装组件与第二安装组件配置相同。

按上述方案，所述第一安装组件包括第一座体、第一滑块和安装有第一喷嘴的第一安装架，所述第一座体内设有由伺服电机A驱动的第一滚珠丝杠副，第一滑块与第一滚珠丝杠副的螺母相连，第一安装架与第一滑块固定安装，以达到精密进给；所述第一座体上设有辅助第一滑块定位的第一直线导轨，第一直线导轨的长度方向与车体的行走方向垂直；控制终端控制第一伺服电机A的启停，通过第一滚珠丝杠副带动第一安装架和第一喷嘴沿第一直线导轨的长度方向滑动，实现第一喷嘴的横向定位。

按上述方案，所述第一安装组件还包括第一伸缩机构和第一旋转机构，所述第一伸缩机构为设置于第一安装架内的由伺服电机B驱动的第二滚珠丝杠副，第一旋转机构与第二滚珠丝杠副的螺母相连，第一喷嘴安装于第一旋转机构上；控制终端控制伺服电机B启动时，第二滚珠丝杠副带动第一旋转机构和第一喷嘴在竖直方向上移动，实现第一喷嘴的竖向定位。

按上述方案，所述第一旋转机构包括由伺服电机C驱动的谐波减速器和角度传感器，控制终端可根据角度传感器精确控制第一旋转机构的启停及第一旋转机构的转动角度,以使第一喷嘴偏转达到最佳射流入射角。

按上述方案，所述第二安装组件与第一安装组件的配置及结构完全相同，包括第二座体、第二安装架、第二滑块、第二伸缩机构和第二旋转机构，所述纯水射流单元的第二喷嘴固定于第二旋转机构上；所述第二伸缩机构和第二旋转机构均分别与控制终端电连接，控制终端控制对应伺服电机A的启停和第二安装架的横向位移以精确定位第二喷嘴的横向位置，控制对应伺服电机B的启停及第二伸缩机构的竖向移动量以精确定位第二喷嘴的竖向位置，控制第二旋转机构的启停及第二旋转机构的转动角度以使第二喷嘴达到最佳射流入射角。

按上述方案，所述装置总成还增设有供水泵和过滤器，所述水箱的出口与总供水管路连通，所述供水泵和过滤器均安装在总供水管路上；所述总供水管路的出口分别与第一支管路和第二支管路连通。

本发明还提供了一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、提供如权利要求5所述的联合打磨装置；

步骤二、数控电脑内输入钢轨打磨参数，根据钢轨打磨要求设置两喷嘴的相关运动参数、磨料水射流单元的相关参数和纯水射流单元的相关参数；

步骤三、启动行走单元，整个装置沿钢轨行进；

步骤四、启动液压驱动系统，利用换向阀切断第一支管路，仅启用纯水射流单元；

步骤五、启动系统开启伺服电机，第二喷嘴在第二滑块和第二伸缩机构的作用下按设定路线和速率行走，并在第二旋转机构的作用下转动，使第二喷嘴的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤六、打开第二喷嘴纯水射流，在纯水射流冲击作用下使钢轨表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，引入残余压应力，使钢轨获得冷作硬化层和应力强化层；

步骤七、钢轨表面喷射强化完成后，切断第二支路，启动液压驱动系统，利用换向阀连通第一支管路和水箱，仅启用磨料水射流单元；

步骤八、启动系统开启伺服电机，第一喷嘴在第一滑块和第一伸缩机构的作用下按设定路线和速率行走，并在第一旋转机构的作用下转动，使第一喷嘴的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤九、打开第一喷嘴磨料射流，空气压缩机提供的气压驱使磨料从磨料储存箱到磨料罐；水射流通过增压器加压,经过第一喷嘴上方的混砂室时形成负压，将磨料罐中的磨料吸入与水流混合，高速喷出，对钢轨进行磨削加工，去除表面病害。

本发明的有益效果为：本发明将磨料射流与纯水射流联合起来，高能纯水射流先集中喷射到钢轨表面时，会使表层材料在再结晶温度下产生塑性形变引入残余压应力，形成冷作硬化层和应力强化层(硬化层位于材料的表层和亚表层，是厚度为200μm左右的细晶层；普通砂轮打磨量为300-500μm，会破坏钢轨所获得的硬化层)，提高了钢轨的疲劳寿命；钢轨表面强化后引入拥有更低打磨量和更高加工精度的磨料水射流技术(磨料射流切削金属时，其打磨精度可以达到0.01mm甚至更低)，对钢轨进一步打磨，在保留钢轨硬化层的同时，提高了打磨质量；磨料水射流打磨技术拥有更低的打磨量和更精确的加工精度，是配合纯水射流表面喷射强化的最佳打磨技术。本发明中，磨料水射流技术属于冷加工方式，不会产生热效应，可有效避免温度变化对轨道材料性能产生的影响，进一步提高了加工精度。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实施例中磨料水射流单元和纯水射流单元的安装主视图。

图3为本实施例中磨料水射流单元和纯水射流单元的安装右视图。

图4为本实施例中喷嘴加工示意图。

图5为本实施例中控制终端的结构示意图。

其中：1、空气压缩机；2、磨料储存箱；3、磨料罐；4、第一喷嘴；5、过滤器；6、第二喷嘴；7、水箱；8、供水泵；9、液压油箱；10、油泵；11、单向阀；12、增压器；13、换向阀；14、数控电脑；15、伺服驱动器组；16、车体；17、第一伸缩机构；18、第二伸缩机构；19、第一座体；20、第二座体；21、第一安装架；22、第二安装架；23、第一旋转机构；24、第二旋转机构；25、钢轨；26、第一直线导轨。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示的一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，包括行走单元、控制终端，以及安装在行走单元上的装置总成、磨料射流单元和纯水射流单元，所述装置总成包括水箱7和由液压系统驱动的换向阀13；所述磨料射流单元用于对轨道进行切削打磨，其包括通过管路依次连通的空气压缩机1、磨料罐3、第一喷嘴4；所述纯水射流单元用于对钢轨25进行表面喷射强化，其包括第二喷嘴6；所述水箱7的出口通过第一支管路与第一喷嘴4连通，所述水箱7的出口通过第二支管路与第二喷嘴6连通，第一支管路和第二支管路分别配置有控制通断阀门；所述换向阀13设于第一支管路上；所述控制终端分别与行走单元、液压系统、第一喷嘴4和第二喷嘴6连通，控制各结构动作。

本发明中，所述磨料射流单元通过空气压缩机1提供的空气流添加硬度磨料，磨料被高能水射流加速获得动能，从而实现打磨效果；所述磨料射流单元还增设有磨料储存箱2，磨料储存箱2设于空气压缩机1和磨料罐3之间的管路上。

本发明中，所述行走单元包括车体16、底盘、车轮、发动机等相关结构；行走单元为现有常规技术手段，这里不再赘述。所述车体16上设有前后布置的用于安装磨料射流单元的第一安装组件和用于安装纯水射流单元的第二安装组件，所述第一安装组件与第二安装组件配置相同。所述第一安装组件包括第一座体19、第一滑块和安装有第一喷嘴4的第一安装架21。所述第一座体19内设有由伺服电机A驱动的第一滚珠丝杠副，第一滑块与第一滚珠丝杠副的螺母相连，第一安装架21与第一滑块固定安装，以达到精密进给；所述第一座体19上设有辅助第一滑块定位的第一直线导轨26，第一直线导轨26的长度方向与车体16的行走方向垂直；控制终端控制第一伺服电机A的启停，通过第一滚珠丝杠副带动第一安装架21和第一喷嘴4沿第一直线导轨26的长度方向滑动，实现第一喷嘴4的横向定位。本实施例中，所述磨料罐3固定于第一安装架21上。

优选地，所述第一安装组件还包括第一伸缩机构17和第一旋转机构23，所述第一伸缩机构17为设置于第一安装架21内的由伺服电机B驱动的第二滚珠丝杠副，第一旋转机构23与第二滚珠丝杠副的螺母相连，第一喷嘴4安装于第一旋转机构上；控制终端控制伺服电机B启动时，第二滚珠丝杠副带动第一旋转机构23和第一喷嘴4在竖直方向上移动，实现第一喷嘴的竖向定位。

优选地，所述第一旋转机构23包括由伺服电机C驱动的谐波减速器和角度传感器，控制终端可根据角度传感器精确控制第一旋转机构23的启停及第一旋转机构23的转动角度,以使第一喷嘴4偏转达到最佳射流入射角。本实施例中，谐波减速机可以在很小的体积下提供很高的扭矩，而且精度高，传动柔和，在旋转关节上广泛应用。由伺服电机输入后，输出可获得很高的减速比，再由角度传感器测量，从而达到精确角度的控制。第一旋转机构23为现有技术，这里不再赘述。

本实施例中，所述第二安装组件与第一安装组件的配置及结构完全相同，包括第二座体20、第二安装架22、第二滑块、第二伸缩机构18和第二旋转机构24，所述纯水射流单元的第二喷嘴6固定于第二旋转机构24上；所述第二伸缩机构18和第二旋转机构24均分别与控制终端电连接，控制终端控制对应伺服电机A的启停和第二安装架22的横向位移以精确定位第二喷嘴6的横向位置，控制对应伺服电机B的启停及第二伸缩机构18的竖向移动量以精确定位第二喷嘴6的竖向位置，控制第二旋转机构24的启停及第二旋转机构24的转动角度以使第二喷嘴6达到最佳射流入射角。磨料射流打磨等方式去除材料的效率与材料本身有关，射流入射角是加工维度方面的因素之一，可以根据不同材料做出相应调整；根据不同材料做对应试验可以得出不同材料的最佳入射角为现有技术，这里不再赘述；

本实施例中，第一滑块、第二滑块、各伺服电机、各滚珠丝杠副、谐波减速器和角度传感器均未在图中示意出。

优选地，所述装置总成还增设有供水泵8、油泵10和过滤器5，所述水箱7的出口与总供水管路连通，所述供水泵8和过滤器5均安装在总供水管路上；所述总供水管路的出口分别与第一支管路和第二支管路连通。

本实施例中，所述液压系统包括依次连通的液压油箱9、油泵10、单向阀11和增压器12，增压器12的出口与换向阀13相连；液压系统为现有常规技术手段，这里不再赘述。空气压缩机1提供约0.8MPa的气压驱使磨料从磨料储存箱2到磨料罐3。水射流通过与换向阀13相连的增压器12可加压到超过140MPa的压力(压力划分：低压<20MPa<中压<70MPa<高压<140MPa<超高压),经过喷嘴4上方的混砂室(图中未标出)时，高速射流使混砂室内形成负压，把磨料罐3中的磨料吸入与水流混合，高速喷出。

优选地，如图5所示，控制终端包括伺服驱动器组15和数控电脑14，其中伺服驱动器与各机构相连，驱动各机构运动，实现第一喷嘴4和第二喷嘴6的横向、竖向、偏转等运动，使两个喷嘴的精准定位；所述数控电脑14根据钢轨25打磨要求设置各运动参数(如两喷嘴横向移动量、竖向移动量、偏转角度等)、磨料水射流单元的相关参数(如磨料浓度、靶距、进给速度、流量、射流压力等)和纯水射流单元的相关参数(如靶距、进给速度、流量、射流压力)。

本发明还提供了一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、提供如上所述联合打磨装置；

步骤二、数控电脑14内输入钢轨25打磨参数，根据钢轨25打磨要求设置两喷嘴的相关运动参数、磨料水射流单元的相关参数和纯水射流单元的相关参数；

步骤三、启动行走单元，整个装置沿钢轨25行进；

步骤四、启动液压驱动系统，利用换向阀13切断第一支管路，仅启用纯水射流单元；

步骤五、启动伺服电机，第二喷嘴6在第二滑块和第二伸缩机构18的作用下按设定路线和速率行走，并在第二旋转机构24的作用下转动，使第二喷嘴6的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤六、打开第二喷嘴6纯水射流，在纯水射流冲击作用下使钢轨25表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，引入残余压应力，使钢轨25获得冷作硬化层和应力强化层；

步骤七、钢轨25表面喷射强化完成后，切断第二支管路，启动液压驱动系统，利用换向阀连通第一支管路和水箱7，仅启用磨料水射流单元；

步骤八、启动伺服电机，第一喷嘴4在第一滑块和第一伸缩机构17的作用下按设定路线和速率行走，并在第一旋转机构23的作用下转动，使第一喷嘴4的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤九、打开第一喷嘴4磨料射流，空气压缩机1提供的气压驱使磨料从磨料储存箱2到磨料罐3；水射流通过增压器12可加压,经过第一喷嘴4上方的混砂室时形成负压，把磨料罐3中的磨料吸入与水流混合，高速喷出，对钢轨25进行磨削加工，去除表面病害。

本发明中，硬化层位于材料的表层和亚表层，是厚度为200μm左右的细晶层，这里的金相发生变化，使钢轨25的使用寿命发生改变，同时增加了表面粗糙度。普通砂轮打磨量为300-500μm，将破坏钢轨25所获得的硬化层。

本发明所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，包括行走单元、控制终端，以及安装在行走单元上的装置总成、磨料射流单元和纯水射流单元，所述装置总成包括水箱；所述磨料射流单元用于对轨道进行切削打磨，其包括通过管路依次连通的空气压缩机、磨料罐和第一喷嘴；所述纯水射流单元用于对钢轨进行表面喷射强化，其包括第二喷嘴；所述水箱的出口通过第一支管路与第一喷嘴连通，所述水箱的出口通过第二支管路与第二喷嘴连通；第一支管路和第二支管路上分别设有控制通断的阀门；所述控制终端分别与行走单元、第一喷嘴和第二喷嘴连通，控制各结构动作。

2.如权利要求1所述的联合打磨装置，其特征在于，所述第一支管路上增设有由液压系统驱动的换向阀，液压系统包括依次连通的液压油箱、油泵、单向阀和增压器，增压器的出口与换向阀相连。

3.如权利要求1所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述行走单元包括车体，所述车体上设有前后布置的用于安装磨料射流单元的第一安装组件和用于安装纯水射流单元的第二安装组件，所述第一安装组件与第二安装组件配置相同。

4.如权利要求3所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述第一安装组件包括第一座体、第一滑块和安装有第一喷嘴的第一安装架，所述第一座体内设有由伺服电机A驱动的第一滚珠丝杠副，第一滑块与第一滚珠丝杠副的螺母相连，第一安装架与第一滑块固定安装，以达到精密进给；所述第一座体上设有辅助第一滑块定位的第一直线导轨，第一直线导轨的长度方向与车体的行走方向垂直；控制终端控制第一伺服电机A的启停，通过第一滚珠丝杠副带动第一安装架和第一喷嘴沿第一直线导轨的长度方向滑动，实现第一喷嘴的横向定位。

5.如权利要求4所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述第一安装组件还包括第一伸缩机构和第一旋转机构，所述第一伸缩机构为设置于第一安装架内的由伺服电机B驱动的第二滚珠丝杠副，第一旋转机构与第二滚珠丝杠副的螺母相连，第一喷嘴安装于第一旋转机构上；控制终端控制伺服电机B启动时，第二滚珠丝杠副带动第一旋转机构和第一喷嘴在竖直方向上移动，实现第一喷嘴的竖向定位。

6.如权利要求4所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述第一旋转机构包括由伺服电机C驱动的谐波减速器和角度传感器，控制终端可根据角度传感器精确控制第一旋转机构的启停及第一旋转机构的转动角度,以使第一喷嘴偏转达到最佳射流入射角。

7.如权利要求5所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述第二安装组件与第一安装组件的配置及结构完全相同，包括第二座体、第二安装架、第二滑块、第二伸缩机构和第二旋转机构，所述纯水射流单元的第二喷嘴固定于第二旋转机构上；所述第二伸缩机构和第二旋转机构均分别与控制终端电连接，控制终端控制对应伺服电机A的启停和第二安装架的横向位移以精确定位第二喷嘴的横向位置，控制对应伺服电机B的启停及第二伸缩机构的竖向移动量以精确定位第二喷嘴的竖向位置，控制第二旋转机构的启停及第二旋转机构的转动角度以使第二喷嘴达到最佳射流入射角。

8.如权利要求1所述的轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨装置，其特征在于，所述装置总成还增设有供水泵和过滤器，所述水箱的出口与总供水管路连通，所述供水泵和过滤器均安装在总供水管路上；所述总供水管路的出口分别与第一支管路和第二支管路连通。

9.一种轨道超高压磨料射流与纯水射流联合打磨方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、提供如权利要求5所述的联合打磨装置；

步骤二、数控电脑内输入钢轨打磨参数，根据钢轨打磨要求设置两喷嘴的相关运动参数、磨料水射流单元的相关参数和纯水射流单元的相关参数；

步骤三、启动行走单元，整个装置沿钢轨行进；

步骤四、启动液压驱动系统，利用换向阀切断第一支管路，仅启用纯水射流单元；

步骤五、启动系统开启伺服电机，第二喷嘴在第二滑块和第二伸缩机构的作用下按设定路线和速率行走，并在第二旋转机构的作用下转动，使第二喷嘴的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤六、打开第二喷嘴纯水射流，在纯水射流冲击作用下使钢轨表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，引入残余压应力，使钢轨获得冷作硬化层和应力强化层；

步骤七、钢轨表面喷射强化完成后，切断第二支路，启动液压驱动系统，利用换向阀连通第一支管路和水箱，仅启用磨料水射流单元；

步骤八、启动系统开启伺服电机，第一喷嘴在第一滑块和第一伸缩机构的作用下按设定路线和速率行走，并在第一旋转机构的作用下转动，使第一喷嘴的射流入射角达到最佳加工工况；

步骤九、打开第一喷嘴磨料射流，空气压缩机提供的气压驱使磨料从磨料储存箱到磨料罐；水射流通过增压器加压,经过第一喷嘴上方的混砂室时形成负压，将磨料罐中的磨料吸入与水流混合，高速喷出，对钢轨进行磨削加工，去除表面病害。

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