CN113584970B - 一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置及方法，该装置包括行走机构、高压喷射机构、超声振动加工机构、清洗回收机构；所述高压喷射机构包括高压喷头、送料管道和研磨料箱，所述送料管道连接在高压喷头和研磨料箱之间；所述超声振动加工机构包括超声波发生器、超声波工具头和升降驱动机构，所述超声波发生器与升降驱动机构的驱动端连接；在工作状态下，所述超声波工具头位于高压喷头和清洗喷头之间；所述清洗回收机构包括清洗机构和回收机构，所述清洗机构包括清洗喷头和清洗容器；所述回收机构包括两个相对设置的回收槽和回收驱动机构。本发明能够全自动地对铁轨进行强化研磨，无需人工参与，有效地提高加工的工作效率。

Description

一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置及方法

技术领域

本发明涉及铁轨强化加工装置和方法，具体涉及一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置及方法。

背景技术

随着现代工业技术的快速发展，各行各业对零部件的安全可靠性能和寿命要求越来越高，例如钢轨，被应用于火车、地铁等交通运输工具中。钢轨是铁路轨道的主要组成部件，用于引导机车的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。

由此可知，钢轨的刚度和硬度对于铁路安全尤其重要。为了提高轨的机械物理性能，现有技术中提出一些能够直接提高钢轨的机械性能的加工方法，例如申请公布号为CN110651084A的中国发明申请公开了一种能够沿着纵向方向在轨道的铁轨上手动移位的铁轨研磨机，该强化研磨机通过引导来自电动机的空气向下经过研磨工具将使空气撞击铁轨头部表面，从而移除附着在所述铁轨头部表面上的碎屑和金属粉末，因此提高了研磨质量，换句话说，降低了所研磨的铁轨头部表面的表面粗糙度。

上述铁轨研磨机虽然能够有效的完成强化加工并提高研磨质量，但是仍存在以下的不足：

1、上述铁轨研磨机是手动移动，不能保证铁轨的每个地方都均匀地提高机械性能，而且操作复杂，不方便。

2、上述铁轨研磨机工作效率低，且研磨质量依旧有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，该铁轨强化研磨装置能够全自动地对铁轨进行强化研磨，无需人工参与，有效地提高加工的工作效率。

本发明的另一个目的在提供一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，包括行走机构和设置在行走机构上的高压喷射机构、超声振动加工机构、清洗回收机构；所述行走机构包括行走轮和车厢；

所述高压喷射机构包括高压喷头、送料管道和研磨料箱，所述送料管道连接在高压喷头和研磨料箱之间；所述研磨料箱设置在车厢中，所述高压喷头设置在车厢的下方；

所述超声振动加工机构包括超声波发生器、超声波工具头和升降驱动机构，所述超声波发生器与升降驱动机构的驱动端连接，该超声波工具头的一端与超声波发生器连接，另一端延伸至设置在车厢的下方；在工作状态下，所述超声波工具头位于高压喷头和清洗回收机构的清洗喷头之间；

所述清洗回收机构包括清洗机构和回收机构，所述清洗机构包括清洗喷头和清洗容器，所述清洗容器设置在在车厢中；所述清洗喷头设置在车厢的下方，该清洗喷头通过清洗管道与清洗容器连接；

所述回收机构包括两个相对设置的回收槽和用于驱动两个回收槽靠近或远离铁轨的回收驱动机构，在工作状态下，两个回收槽分别位于铁轨的两侧。

上述基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置的工作原理为：

工作时，将行走机构置于铁路中，使得车厢跨在铁轨之上；然后启动行走机构，行走机构沿着铁轨延伸的方向移动。与此同时，通过送料管道将研磨料箱中的混合研磨料(钢珠、研磨粉和研磨液)输送至高压喷头，由高压喷头将混合研磨料喷在铁轨上；在此之前或同时，启动超声波发生器，升降驱动机构驱动超声波工具头往下移动，靠近铁轨，直至超声波工具头与附着在铁轨表面的混合研磨料接触，从而驱动混合研磨料对铁轨进行高速撞击，实现研磨加工。

随着行走机构继续往前移动，当清洗喷头移动至完成加工的铁轨的上方时，在此之前或同时，通过回收驱动机构驱动两个回收槽靠近铁轨，两个回收槽分别位于铁轨的两侧；通过清洗管道将清洗水输送至清洗喷头，由清洗喷头对铁轨进行喷洒，从而将铁轨上的混合研磨料冲落至两侧的回收槽中，进行统一回收。按照上述操作，在行走机构的驱动下，沿着铁轨的延伸方向进行强化研磨加工，从而提高铁轨的物理性能。

本发明的一个优选方案，其中，所述车厢的底面设有喷头底座，该喷头底座上设有用于驱动高压喷头进行摆动的摆动驱动机构和用于驱动高压喷头进行水平转动的旋转驱动机构，所述摆动驱动机构设置在旋转驱动机构上，该摆动驱动机构的驱动平面均与竖直面和行走机构的前进方向平行。

优选地，所述摆动驱动机构包括摆动驱动电机和摆动臂，所述摆动臂与摆动驱动电机的驱动端连接，所述高压喷头与摆动臂固定连接。通过上述结构，在摆动驱动电机的驱动下，可以调整高压喷头相对于竖直方向的夹角，从而获得最佳研磨效果。

优选地，所述旋转驱动机构包括旋转驱动气缸，所述摆动驱动机构设置在旋转驱动气缸的驱动端上。当然，所述旋转驱动机构也可以采用其他驱动机构，例如电机驱动机构。通过上述结构，在旋转驱动气缸的驱动下，可以调整高压喷头的水平方向，从而获得最佳研磨效果。

本发明的一个优选方案，其中，所述升降驱动机构包括升降驱动气缸，该升降驱动气缸的伸缩杆与超声波发生器连接。当然，所述升降驱动机构也可以采用其他驱动机构，例如电机驱动机构。

本发明的一个优选方案，其中，所述超声波工具头的另一端固定连接有辅助加工板，该辅助加工板的延伸方向与铁轨的延伸方向平行。

优选地，所述辅助加工板的两侧均设有护板，该护板通过铰接结构与辅助加工板连接；在工作状态下，两个护板位于铁轨的两侧。通过上述结构，可以对混合研磨料进行限位和防护，防止掉落，使得混合研磨料始终在铁轨的上表面进行振动，从而提高研磨加工的质量。

本发明的一个优选方案，其中，所述回收机构还包括回收管道和回收容器，所述回收管道连接在回收容器与回收槽之间，该回收管道上设有回收输送泵。

优选地，所述回收容器由所述研磨料箱构成，该回收容器内设有滤网。通过上述结构，可以对研磨料进行统一回收，并进行过滤分离，从而实现循环利用。

本发明的一个优选方案，其中，所述回收驱动机构包括竖向驱动机构和横向驱动机构，所述横向驱动机构设置在竖向驱动机构上；

所述横向驱动机构包括横向双轴驱动气缸，两个回收管道分别连接在横向双轴驱动气缸的伸缩杆上；

所述竖向驱动机构包括竖向驱动气缸，该竖向驱动气缸的伸缩杆与所述横向双轴驱动气缸的缸体连接。

本发明的一个优选方案，其中，所述清洗喷头通过弧形滑动机构连接在车厢的底面，所述弧形滑动机构包括弧形滑轨和滑块，所述弧形滑轨固定设置在车型的底面，该弧形滑轨上设有弧形滑槽；所述滑块配合在弧形滑槽中；所述清洗喷头与滑块固定连接，所述滑块与能够驱动滑块在弧形滑槽内滑动的滑动驱动机构连接；所述弧形滑轨所在的平面与行走机构的前进方向垂直。通过上述结构，清洗喷头可以在铁轨的上方进行横向移动，从而全面地对铁轨进行清洗。

一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨方法，包括以下步骤：

将行走机构置于铁路中，使车厢跨在铁轨之上；启动行走机构，行走机构沿着铁轨延伸的方向移动；

通过送料管道将研磨料箱中的混合研磨料输送至高压喷头，由高压喷头将混合研磨料喷在铁轨上；

启动超声波发生器，升降驱动机构驱动超声波工具头往下移动，靠近铁轨，直至超声波工具头与附着在铁轨表面的混合研磨料接触，驱动混合研磨料进行振动，对铁轨进行高速撞击，实现研磨加工；

通过回收驱动机构驱动两个回收槽靠近铁轨，两个回收槽分别位于铁轨的两侧；当清洗喷头移动至完成加工的铁轨的上方时，通过清洗管道将清洗水输送至清洗喷头，由清洗喷头对铁轨进行喷洒，将铁轨上的混合研磨料冲落至两侧的回收槽中，进行统一回收。

本发明的一个优选方案，其中，通过摆动驱动机构驱动高压喷头进行姿态调整：

所述高压喷头的射流轴线与非共面的竖直平面之间的夹角大小为35°-55°；所述高压喷头至铁轨的上表面的距离为35mm-45mm。

优选地，当高压喷头的朝向与行走机构的前进方向相同或相反时，分别通过以下公式获得研磨料中的钢珠打到铁轨时的速度：

式中：v₁为超声波辅助的铁轨强化研磨加工装置的行走速度，v₂为研磨料中钢珠从喷嘴喷出时的速度，v′₂为研磨料中钢珠打到铁轨上时的速度，g为重力加速度，h为喷嘴与铁轨间的高度，ρ为空气密度(取值为1.293kg/m³)，d为研磨料中钢珠直径，m为研磨料中钢珠的质量；

所述研磨料中的钢珠打到铁轨上时的速度为：48m/s≤v′₂≤56m/s。在此速度下，可以获得相当于较好的研磨质量。

本发明的一个优选方案，其中，通过旋转驱动机构驱动高压喷头进行姿态调整：

以铁轨所在的竖直平面为中心，所述高压喷头的水平旋转角度为±5°，以增大研磨料在铁轨上的覆盖率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的铁轨强化研磨装置先将混合研磨料喷在铁轨上，再利用超声波振动混合研磨料对铁轨进行频率统一地敲击，使得铁轨的机械物理性能可以均匀地提高。

2、本发明能够全自动地对铁轨进行强化研磨，无需人工参与，有效地提高加工的工作效率。

附图说明

图1-2为本发明中的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置的两个不同视角的立体结构示意图。

图3为本发明中的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置的侧视图。

图4为本发明中的超声振动加工机构的立体结构示意图。

图5为本发明中的清洗回收机构的立体结构示意图。

图6为本发明中的清洗回收机构的侧视图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-3，本实施例中的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，包括行走机构和设置在行走机构上的高压喷射机构、超声振动加工机构、清洗回收机构；所述行走机构包括行走轮1和车厢2，其他结构可参考现有技术的工程施工车。

参见图1-3，所述高压喷射机构包括高压喷头3、送料管道和研磨料箱4，所述送料管道连接在高压喷头3和研磨料箱4之间；所述研磨料箱4设置在车厢2中，所述高压喷头3设置在车厢2的下方。

所述车厢2的底面设有喷头底座5，该喷头底座5上设有用于驱动高压喷头3进行摆动的摆动驱动机构和用于驱动高压喷头3进行水平转动的旋转驱动机构，所述摆动驱动机构设置在旋转驱动机构上，该摆动驱动机构的驱动平面均与竖直面和行走机构的前进方向平行。

进一步，所述摆动驱动机构包括摆动驱动电机(图中未显示)和摆动臂6，所述摆动臂6与摆动驱动电机的驱动端连接，所述高压喷头3与摆动臂6固定连接。通过上述结构，在摆动驱动电机的驱动下，可以调整高压喷头3相对于竖直方向的夹角，从而获得最佳研磨效果。

进一步，所述旋转驱动机构包括旋转驱动气缸(图中未显示)，所述摆动驱动机构设置在旋转驱动气缸的驱动端上。当然，所述旋转驱动机构也可以采用其他驱动机构，例如电机驱动机构。通过上述结构，在旋转驱动气缸的驱动下，可以调整高压喷头3的水平方向，从而获得最佳研磨效果。

参见图1-4，所述超声振动加工机构包括超声波发生器7、超声波变幅杆8、超声波工具头9和升降驱动机构(图中未显示)，所述超声波发生器7与升降驱动机构的驱动端连接，该超声波工具头9的一端与超声波发生器7连接，另一端延伸至设置在车厢2的下方；在工作状态下，所述超声波工具头9位于高压喷头3和清洗回收机构的清洗喷头10之间。

所述升降驱动机构包括升降驱动气缸，该升降驱动气缸的伸缩杆与超声波发生器7连接。当然，所述升降驱动机构也可以采用其他驱动机构，例如电机驱动机构。

所述超声波工具头9的另一端固定连接有辅助加工板11，该辅助加工板11的延伸方向与铁轨的延伸方向平行。

参见图1-4，所述辅助加工板11的两侧均设有护板12，该护板12通过铰接结构与辅助加工板11连接；在工作状态下，两个护板12位于铁轨的两侧。通过上述结构，可以对混合研磨料进行限位和防护，防止掉落，使得混合研磨料始终在铁轨的上表面进行振动，从而提高研磨加工的质量。

参见图2-6，所述清洗回收机构包括清洗机构和回收机构，所述清洗机构包括清洗喷头10和清洗容器13，所述清洗容器13设置在在车厢2中；所述清洗喷头10设置在车厢2的下方，该清洗喷头10通过清洗管道与清洗容器13连接。

所述清洗喷头10通过弧形滑动机构连接在车厢2的底面，所述弧形滑动机构包括弧形滑轨14和滑块，所述弧形滑轨14固定设置在车型的底面，该弧形滑轨14上设有弧形滑槽；所述滑块配合在弧形滑槽中；所述清洗喷头10与滑块固定连接，所述滑块与能够驱动滑块在弧形滑槽内滑动的滑动驱动机构连接；所述弧形滑轨14所在的平面与行走机构的前进方向垂直。通过上述结构，清洗喷头10可以在铁轨的上方进行横向移动，从而全面地对铁轨进行清洗。

所述回收机构包括两个相对设置的回收槽15和用于驱动两个回收槽15靠近或远离铁轨的回收驱动机构，在工作状态下，两个回收槽15分别位于铁轨的两侧。

所述回收槽15中设有送料组件，该送料组件包括推料机构、助力器、滑块以及伸缩杆；所述推料机构将在凹槽中研磨混合物推进回收槽15的腔内；所述助力器将研磨混合物推进通孔进入水管。

参见图1-6，所述回收机构还包括回收管道16和回收容器，所述回收管道16连接在回收容器与回收槽15之间，该回收管道16上设有回收输送泵。

所述回收容器由所述研磨料箱4构成，该回收容器内设有滤网。通过上述结构，可以对研磨料进行统一回收，并进行过滤分离，从而实现循环利用。

所述回收驱动机构包括竖向驱动机构和横向驱动机构，所述横向驱动机构设置在竖向驱动机构上；所述横向驱动机构包括横向双轴驱动气缸，两个回收管道16分别连接在横向双轴驱动气缸的伸缩杆上；所述竖向驱动机构包括竖向驱动气缸，该竖向驱动气缸的伸缩杆与所述横向双轴驱动气缸的缸体连接。

参见图1-6，本实施例中的基于超声波辅助的铁轨强化研磨方法，包括以下步骤：

将行走机构置于铁路中，使车厢2跨在铁轨之上；启动行走机构，行走机构沿着铁轨延伸的方向移动。

通过送料管道将研磨料箱4中的混合研磨料输送至高压喷头3，由高压喷头3将混合研磨料喷在铁轨上。

其中，通过摆动驱动机构驱动高压喷头3进行姿态调整：所述高压喷头3的射流轴线与非共面的竖直平面之间的夹角大小为35°-55°，优选35°；所述高压喷头3至铁轨的上表面的距离为35mm-45mm，优选40mm。

通过旋转驱动机构驱动高压喷头3进行姿态调整：以铁轨所在的竖直平面为中心，所述高压喷头3的水平旋转角度为±5°，以增大研磨料在铁轨上的覆盖率。

进一步，当高压喷头3的朝向与行走机构的前进方向相同或相反时，分别通过以下公式获得研磨料中的钢珠打到铁轨时的速度：

式中：ν₁为超声波辅助的铁轨强化研磨加工装置的行走速度，v₂为研磨料中钢珠从喷嘴喷出时的速度，v′₂为研磨料中钢珠打到铁轨上时的速度，g为重力加速度，h为喷嘴与铁轨间的高度，ρ为空气密度(取值为1.293kg/m³)，d为研磨料中钢珠直径，m为研磨料中钢珠的质量。

所述研磨料中的钢珠打到铁轨上时的速度为：48m/s≤ν′₂≤56m/s。在此速度下，可以获得相当于较好的研磨质量。

启动超声波发生器7，升降驱动机构驱动超声波工具头9往下移动，靠近铁轨，直至超声波工具头9与附着在铁轨表面的混合研磨料接触，驱动混合研磨料进行振动，对铁轨进行高速撞击，实现研磨加工。

通过回收驱动机构驱动两个回收槽15靠近铁轨，两个回收槽15分别位于铁轨的两侧；当清洗喷头10移动至完成加工的铁轨的上方时，通过清洗管道将清洗水输送至清洗喷头10，由清洗喷头10对铁轨进行喷洒，从而将铁轨上的混合研磨料冲落至两侧的回收槽15中，进行统一回收。

上述基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置的工作原理为：

工作时，将行走机构置于铁路中，使得车厢2跨在铁轨之上；然后启动行走机构，行走机构沿着铁轨延伸的方向移动。与此同时，通过送料管道将研磨料箱4中的混合研磨料(钢珠、研磨粉和研磨液)输送至高压喷头3，由高压喷头3将混合研磨料喷在铁轨上；在此之前或同时，启动超声波发生器7，升降驱动机构驱动超声波工具头9往下移动，靠近铁轨，直至超声波工具头9与附着在铁轨表面的混合研磨料接触，从而驱动混合研磨料对铁轨进行高速撞击，实现研磨加工。

随着行走机构继续往前移动，当清洗喷头10移动至完成加工的铁轨的上方时，在此之前或同时，通过回收驱动机构驱动两个回收槽15靠近铁轨，两个回收槽15分别位于铁轨的两侧；通过清洗管道将清洗水输送至清洗喷头10，由清洗喷头10对铁轨进行喷洒，从而将铁轨上的混合研磨料冲落至两侧的回收槽15中，进行统一回收。按照上述操作，在行走机构的驱动下，沿着铁轨的延伸方向进行强化研磨加工，从而提高铁轨的物理性能。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，其特征在于，包括行走机构和设置在行走机构上的高压喷射机构、超声振动加工机构、清洗回收机构；所述行走机构包括行走轮和车厢；

所述高压喷射机构包括高压喷头、送料管道和研磨料箱，所述送料管道连接在高压喷头和研磨料箱之间；所述研磨料箱设置在车厢中，所述高压喷头设置在车厢的下方；

所述超声振动加工机构包括超声波发生器、超声波工具头和升降驱动机构，所述超声波发生器与升降驱动机构的驱动端连接，该超声波工具头的一端与超声波发生器连接，另一端延伸至设置在车厢的下方；在工作状态下，所述超声波工具头位于高压喷头和清洗回收机构的清洗喷头之间；

所述清洗回收机构包括清洗机构和回收机构，所述清洗机构包括清洗喷头和清洗容器，所述清洗容器设置在车厢中；所述清洗喷头设置在车厢的下方，该清洗喷头通过清洗管道与清洗容器连接；

所述回收机构包括两个相对设置的回收槽和用于驱动两个回收槽靠近或远离铁轨的回收驱动机构，在工作状态下，两个回收槽分别位于铁轨的两侧；

所述车厢的底面设有喷头底座，该喷头底座上设有用于驱动高压喷头进行摆动的摆动驱动机构和用于驱动高压喷头进行水平转动的旋转驱动机构，所述摆动驱动机构设置在旋转驱动机构上，该摆动驱动机构的驱动平面均与竖直面和行走机构的前进方向平行；

通过摆动驱动机构驱动高压喷头进行姿态调整：

所述高压喷头的射流轴线与非共面的竖直平面之间的夹角大小为35°-55°；所述高压喷头至铁轨的上表面的距离为35mm -45mm；

当高压喷头的朝向与行走机构的前进方向相同或相反时，分别通过以下公式获得研磨料中的钢珠打到铁轨时的速度：

；

；

式中：

为超声波辅助的铁轨强化研磨加工装置的行走速度，

为研磨料中钢珠从喷嘴喷出时的速度，

为研磨料中钢珠打到铁轨上时的速度，g为重力加速度，h为喷嘴与铁轨间的高度，ρ 为空气密度，d 为研磨料中钢珠直径，m为研磨料中钢珠的质量；

所述研磨料中的钢珠打到铁轨上时的速度为：48m/s≤

≤56m/s。

2.根据权利要求1所述的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，其特征在于，所述摆动驱动机构包括摆动驱动电机和摆动臂，所述摆动臂与摆动驱动电机的驱动端连接，所述高压喷头与摆动臂固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，其特征在于，所述超声波工具头的另一端固定连接有辅助加工板，该辅助加工板的延伸方向与铁轨的延伸方向平行；

所述辅助加工板的两侧均设有护板，该护板通过铰接结构与辅助加工板连接；在工作状态下，两个护板位于铁轨的两侧。

4.根据权利要求1所述的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，其特征在于，所述回收机构还包括回收管道和回收容器，所述回收管道连接在回收容器与回收槽之间，该回收管道上设有回收输送泵；

所述回收容器由所述研磨料箱构成，该回收容器内设有滤网。

5.根据权利要求1所述的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置，其特征在于，所述清洗喷头通过弧形滑动机构连接在车厢的底面，所述弧形滑动机构包括弧形滑轨和滑块，所述弧形滑轨固定设置在车型的底面，该弧形滑轨上设有弧形滑槽；所述滑块配合在弧形滑槽中；所述清洗喷头与滑块固定连接，所述滑块与能够驱动滑块在弧形滑槽内滑动的滑动驱动机构连接；所述弧形滑轨所在的平面与行走机构的前进方向垂直。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的基于超声波辅助的铁轨强化研磨装置的铁轨强化研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

将行走机构置于铁路中，使车厢跨在铁轨之上；启动行走机构，行走机构沿着铁轨延伸的方向移动；

通过送料管道将研磨料箱中的混合研磨料输送至高压喷头，由高压喷头将混合研磨料喷在铁轨上；

启动超声波发生器，升降驱动机构驱动超声波工具头往下移动，靠近铁轨，直至超声波工具头与附着在铁轨表面的混合研磨料接触，驱动混合研磨料进行振动，对铁轨进行高速撞击，实现研磨加工；

通过回收驱动机构驱动两个回收槽靠近铁轨，两个回收槽分别位于铁轨的两侧；当清洗喷头移动至完成加工的铁轨的上方时，通过清洗管道将清洗水输送至清洗喷头，由清洗喷头对铁轨进行喷洒，将铁轨上的混合研磨料冲落至两侧的回收槽中，进行统一回收。

7.根据权利要求6所述的铁轨强化研磨方法，其特征在于，通过旋转驱动机构驱动高压喷头进行姿态调整：

以铁轨所在的竖直平面为中心，所述高压喷头的水平旋转角度为±5°。

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