CN113668304B - 一种钢轨型面智能修复车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢轨型面智能修复车，其包括车身、工作台及显示器、轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置，车身的底部设置有车轮，轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置依次设置在车身上，轨道表面损伤检测用于对已损伤的轨道表面进行检测，轨道表面预处理装置用于对待修复轨道进行表面预处理，激光修复装置用于对待修复轨道利用激光熔覆的方式进行修复。本发明的激光修复装置的机械手臂拥有多个自由度可以满足激光修复时的动作要求，在机械手臂上安装上了同轴送粉器，克服了侧向送粉单向性的缺点，大大提高了成型的质量。

Description

一种钢轨型面智能修复车

技术领域

本发明涉及钢轨修复装置领域，具体地涉及一种钢轨型面智能修复车。

背景技术

伴随着我国高速轨道交通的快速发展，大轴度、高密度、高速度使得钢轨的表面损伤日益严重，未来几年，轨道的损伤将逐步进入高峰期，研究轨道延寿技术将是我国铁路运输所要面临的关键任务，这对保障铁路的安全可靠运行、节约运输成本有着重要作用。针对现有的轨道修复技术要求以及应用情况，由于我国现有的铁轨的里程很长，为了降低维修成本，实现轨道在外的智能化在线修复势在必行。随着科技的发展，激光检测技术以及激光熔覆技术已经越发成熟，应用在轨道修复中，可以大大降低人工修复成本，减少中间环节，同时可以通过扫描图像分析缺陷类型，智能化的进行修复。但是要很好的契合各种不同类型的轨道损伤修复，需要设计一辆智能化的轨道表面损伤修复小车。现有修复检测存在的问题主要有以下几点：

首先是如何检测出受损的轨道表面，然后如何去除待修复轨道表面的氧化层和受损轨道表面的杂物，最后是在室外进行激光修复工序时如何进行保温的问题。另外，激光修复也存在诸多比如修复精度低、效率低等问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种钢轨型面智能修复车，其能够更好的对轨道进行预处理并进行激光修复，提高修复效率以及修复的质量。激光修复装置的机械手臂拥有多个自由度可以满足激光修复时的动作要求，同时，在机械手臂上安装上了同轴送粉器，克服了侧向送粉单向性的缺点，大大提高了成型的质量，并且降低了稀释率。

具体地，本发明提供一种钢轨型面智能修复车，其包括车身、工作台及显示器、轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置，所述车身的底部设置有车轮，轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置依次设置在所述车身上，所述轨道表面损伤检测用于对已损伤的轨道表面进行检测，所述轨道表面预处理装置用于对待修复轨道进行表面预处理，所述激光修复装置用于对待修复轨道利用激光熔覆的方式进行修复，所述辊压成型装置用于监测修复状态并对激光熔覆后放入轨道表面进行辊压成型；

所述车身包括车盖、第一侧车挡板、车底盘、第二侧车挡板、保温罩、前轮以及后轮，所述前轮和后轮与所述车底盘的底面连接后分别放置在两条待修复钢轨上，第一侧车挡板和第二侧车挡板分别固定在车底盘的两侧，车盖固定在车底盘上，所述保温罩通过连接块与车底盘连接，并通过第一连接板和第二连接板固定；工作台及显示器通过第三连接板与车底盘固定连接；

所述表面预处理装置包括激光扫描仪、空气压缩机、进气管、第四连接板、气压升降装置、出气口、驱动电机、传动轴以及轨道砂轮，气压升降装置借助于第四连接板与所述车底盘连接，驱动电机通过传动轴与轨道砂轮相连接，所述激光扫描仪用于对轨道进行扫描，当所述激光扫描仪扫描到轨道存在损伤时，空气压缩机开始工作并通过进气管通入气体使得气压升降装置向下运动使轨道砂轮与待修复轨道充分接触；电机开始运使传动轴带动轨道砂轮开始旋转工作，对待修复轨道进行表面预处理；

所述激光修复装置包括底盘电机、连接板、旋转底盘、第一电机、机械臂第一关节、第二电机、机械臂连接轴、机械臂第二关节、第三电机、粉箱、激光箱、保护气体储存罐、光纤、保护气体输送管、送粉管以及同轴送粉器，所述机械臂第一关节、机械臂连接轴以及机械臂第二关节；

所述底盘电机设置在所述车底盘上，所述底盘电机的上方设置有第五连接板，所述第五连接板上设置有旋转底盘，所述机械臂第一关节的第一端以及第一电机安装在所述旋转底盘上，所述机械臂第一关节的第二端连接所述机械臂第二关节的第一端，所述机械臂第二关节的第二端连接所述同轴送粉器，所述第二电机固定在机械臂第一关节上，所述第三电机固定在机械臂第二关节上，所述同轴送粉器连接有光纤、保护气体输送管以及送粉管，光纤、保护气体输送管以及送粉管的另一端分别连接所述粉箱、激光箱和保护气体储存罐，所述粉箱、激光箱和保护气体储存罐分别固定在底盘上，激光箱通过光纤向同轴送粉器输送激光，粉箱通过送粉管与同轴送粉器相连达到输送轨道修复材料的目的，激光修复过程中的保护气体通过保护气体储存罐从保护气体输送管进入同轴送粉器中；

当检测到受损伤轨道时，底盘电机、第一电机和第二电机启动使同轴送粉器到达待修复轨道表面，之后激光箱开始输送激光，同时粉箱和保护储存罐分别开始输送修复材料和保护气体进入同轴送粉器开始激光修复，随后第三电机启动使得轴送粉器进行横向平移，实现激光熔覆工作区域的可调整性，完成对轨道表面的修复工作。

优选地，所述保护罩能够罩设在所述同轴送粉器的外部，所述保护罩包括罩身和盖板，所述盖板为带裂纹的可变形的耐高温橡胶。

优选地，所述轨道砂轮包括砂轮保护罩、轨道特制砂轮、滚动轴承以及连接片，所述砂轮保护罩与所述气压升降装置连接，所述砂轮保护罩借助于所述连接片与所述传动轴连接，所述轨道特制砂轮在所述滚动轴承的传动下进行旋转，从而清除待修复轨道表面的杂质。

优选地，所述特制轨道砂轮的形状与轨道上边面相契合。

优选地，所述同轴送粉器从上至下依次设置有光纤入口、保护壳、送粉器轴身、粉末入口、保护气入口以及激光头，工作时，激光通过光纤入口进入同轴送粉器，保护壳用于保护并对送粉器轴身进行固定，粉末入口和保护气入口分别为修复材料和保护气进入送粉器的入口，气粉混合物与从光纤入口进来的激光汇聚，从激光头处出来进入待修复区域。

优选地，所述保护壳为长方体结构，所述粉末入口以及保护气入口分别均匀环绕设置在所述送粉器轴身的圆周上。

优选地，所述激光头为锥形结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)由于轨道上表面的形状是一个拱形不是一个平面，轨道出现的损伤有擦伤，波磨一般出现在轨道的拱形面侧面上，传统的激光修复装置无法满足轨道表面修复所需的自由度，本发明的机械手臂拥有多个自由度可以满足激光修复时的动作要求，在机械手臂上安装上了同轴送粉器，克服了侧向送粉单向性的缺点，大大提高了成型的质量，并且降低了稀释率。

(2)本发明的激光修复装置的激光通过光纤入口进入同轴送粉器，保护壳起到保护和使送粉器轴身固定的作用，粉末入口和保护器入口作为修复材料和保护气进入送粉器的入口，气粉混合物与从光纤入口进来的激光汇聚，从激光头处出来进入待修复区域，使激光、保护气体和修复粉末在同一个轴线上更好的适应了扫描方向的变化，大大的提高了修复成型的质量。

(3)本发明的轨道砂轮设计为与待修复轨道上表面相契合的形状，这样可以起到去除轨道表面的氧化层以及轨道表面杂物，以达到对轨道表面进行预处理的目的，在这个装置中还用到了气压升降机，通过连接板与车身底盘相连，在车身底盘出也安装了空气压缩机，在车身底盘上打孔使得气管与气压升降机相连，在激光扫描仪检测到损伤轨道时，空气压缩机开始工作，使气压升降机的向下压，这样使得轨道砂轮与待修复轨道可以接触充分，避免由于接触不规则的损伤表面而使砂轮产生跳动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的车身的爆炸示意图；

图3为本发明的图2中A部分的放大结构示意图；

图4为本发明的图3中B部分的放大结构示意图；

图5为本发明的表面预处理装置的结构示意图；

图6为本发明的轨道砂轮立体结构示意图；

图7为本发明的激光修复装置的结构示意图；

图8为本发明的同轴送粉器示意图；

图9为本发明的三维结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1及图9所示，其为设置有本发明的激光修复装置的修复轨道小车，该修复轨道小车由车身总成以及待修复轨道100、轨道表面损伤检测以及轨道表面预处理装置200、轨道损伤激光修复装置300和辊压成型及导轨进给装置400组成。

其中，车身总成以及待修复轨道100用于给轨道修复提供一个基础框架，作为完成轨道修复工作的载体；同时为激光熔覆后的轨道表面提供一个保温环境，使辊压成型充分进行。

轨道表面损伤检测以及轨道表面预处理装置200用于检测出已损伤的轨道表面，然后进行待修复轨道的表面预处理。

轨道损伤激光修复装置300用于以激光熔覆的方式修复受损的轨道表面。

辊压成型及导轨进给装置400一方面能够让辊压轮可以进给到需要辊压的表面，从而使激光熔覆后的轨道表面辊压成型。

另一方面，辊压成型及导轨进给装置400内置扫描仪可以确定小车和预处理装置工作停止的时间以及确定轨道修复工作是否完成。当扫描仪扫描确认修复过程完成后，对修复后的轨道进行辊压成型。辊压成型及导轨进给装置400设置有压辊进行辊压成型。

本专利主要解决的是表面处理问题以及激光修复问题，下述将着重对这两部分进行描述。

如图2至图4所示，车身包括车盖1、第一侧车挡板2、车底盘3、第二侧车挡板6、保温罩、前轮11以及后轮12，前轮11和后轮12与车底盘3的底面连接后分别放置在两条待修复钢轨上，第一侧车挡板2和第二侧车挡板6分别固定在车底盘3的两侧，车盖1固定在车底盘3上，保温罩通过第一连接块与车底盘3连接，并通过第二连接板和第三连接板固定。

左侧待修复钢轨5和右侧待修复钢轨4上放置着轨道小车的前轮11和后轮12；前轮11 和后轮12上与车底盘3通过螺栓进行连接；第一侧车挡板2和第二侧车挡板6焊接在车底盘 3的两侧；车盖1也是通过焊接与小车底盘相连，焊接方式见图2。工作台及显示器9通过小车底盘与工作台连接板13(即第三连接板)与车底盘3通过螺栓连接在一起。保温罩10通过连接块14与车底盘3连接，然后通过小车底盘与保温罩固定连接板15(即第一连接板) 和保温罩连接板16(即第二连接板)进行固定。小车开始运行后，激光扫描仪扫描的图像将显示在显示屏上，可以清楚看到轨道表面的损伤类型，保温罩通过连接板与小车相连一起向前行驶。

如图5所示，表面预处理装置包括激光扫描仪7、空气压缩机21、进气管22、第四连接板23、气压升降装置24、出气口25、驱动电机26、传动轴27以及轨道砂轮28，第四连接板23使气压升降装置24与图4中的车底盘3连接；在图3中的激光扫描仪7扫描到轨道存在损伤时，空气压缩机21开始工作通过进气管22通入气体使得气压升降装置24向下运动使轨道砂轮28与待修复轨道充分接触；驱动电机26通过传动轴27与轨道砂轮28相连接，在扫描到损伤的同时，驱动电机26也开始运使得的传动轴27带动轨道砂轮28开始旋转工作，以达到进行待修复轨道表面预处理的目的。

如图6所示，轨道砂轮28包括砂轮保护罩281、轨道特制砂轮282、滚动轴承283以及连接片284，砂轮保护罩281的作用是与图4中的气压升降装置24连接，连接片284是为了让图5中的传动轴27与砂轮保护罩281相连接从而实现达到升降的目的；滚动轴承283用来传动使轨道特制砂轮旋转，清除待修复表面的杂质，特制轨道砂轮设计成与轨道上边面相契合的形状目的是为了让砂轮与待修复轨道充分接触，更好的进行轨道表面的预处理工作。

如图7所示，激光修复装置包括底盘电机、第五连接板、旋转底盘、第一电机、机械臂第一关节、第二电机、机械臂连接轴、机械臂第二关节、第三电机、粉箱、激光箱、保护气体储存罐、光纤、保护气体输送管、送粉管以及同轴送粉器，机械臂第一关节、机械臂连接轴以及机械臂第二关节。

底盘电机31固定在车底盘上，通过第五连接板32与旋转底盘33相连，机械臂第一关节 34和第一电机35通过螺栓连接到旋转底盘上，两侧的关节通过机械连接轴36连接，第二电机37和机械臂第二关节38通过螺栓连接在机械臂第一关节34上，第三电机39固定在机械臂第二关节上与同轴送粉器316相连接；粉箱310、激光箱311和保护气体储存罐312按照图3中的位置固定在小车底盘上；激光箱311通过光纤313给同轴送粉器316输送激光，粉箱310通过送粉管315与同轴送粉器316相连，以达到输送轨道修复材料的目的，激光修复过程中的保护气体通过保护气体储存罐312从保护气体输送管314进入同轴送粉器316中。在检测到受损伤轨道时，底盘电机31、第一电机35、第二电机37启动使得同轴送粉器316 可以达到待修复轨道表面，然后激光箱311开始输送激光，同时粉箱310和气体储存罐312 分别开始输送修复材料和保护气体进入同轴送粉器316开始激光修复这一工序，随后第三电机39启动使得同轴送粉器可以左右移动，实现激光熔覆工作区域的可调整性，最后完成对轨道表面的修复工作。

如图8所示，激光通过光纤入口161进入同轴送粉器，保护壳162起到保护和使送粉器轴身163固定的作用，粉末入口164和保护器入口165作为修复材料和保护气进入送粉器的入口，气粉混合物与从光纤入口161进来的激光汇聚，从激光头166处出来进入待修复区域，使激光、保护气体和修复粉末在同一个轴线上更好的适应了扫描方向的变化，大大的提高了修复成型的质量。

在本发明的一个实施例中，保护壳162为长方体结构，粉末入口以及保护气入口分别均匀环绕设置在送粉器轴身的圆周上。

在本发明的一个实施例中，激光头166为锥形结构。

下面对本发明的修复小车的整体工作原理进行进一步说明：

工作时，首先，轨道表面损伤检测检测出已损伤的轨道表面，然后轨道表面预处理装置进行待修复轨道的表面预处理。表面预处理装置的轨道砂轮设计成了与待修复轨道上表面相契合的形状，这样可以起到去除轨道表面的氧化层以及轨道表面杂物，以达到对轨道表面进行预处理的目的，在这个装置中还用到了气压升降机，通过连接板与车身底盘相连，在车身底盘出也安装了空气压缩机，在车身底盘上打孔使得气管与气压升降机相连，在激光扫描仪检测到损伤轨道时，空气压缩机开始工作，使气压升降机的向下压，这样使得轨道砂轮与待修复轨道可以接触充分，避免由于接触不规则的损伤表面而使砂轮产生跳动。

其次，轨道损伤激光修复装置之后以激光熔覆的方式修复受损的轨道表面。

激光熔覆时，由于轨道上表面的形状是一个拱形不是一个平面，轨道出现的损伤有擦伤，波磨一般出现在轨道的拱形面侧面上，传统的激光修复装置无法满足轨道表面修复所需的自由度，此次设计的机械手臂拥有多个自由度可以满足激光修复时的动作要求，底盘电机固定在小车底盘上，通过连接板与旋转底盘相连，机械臂第一关节和第一电机通过螺栓连接到旋转底盘上，两侧的关节通过机械连接轴连接，第二电机和机械臂第二关节通过螺栓连接在机械臂第一关节上，第三电机固定在机械臂第二关节上与同轴送粉器相连接；粉箱、激光箱和保护气体储存罐固定在小车底盘上；激光箱通过光纤管道给同轴送粉器输送激光，粉箱通过送粉管与同轴送粉相连，以达到输送轨道修复材料的目的，激光修复过程中的保护气体通过保护气体储存罐从保护气体输送管进入同轴送粉器中。在检测到受损伤轨道时，底盘电机、第一电机、第二电机启动使得同轴送粉器可以达到待修复轨道表面，然后激光箱开始输送激光，同时粉箱和保护储存罐分别开始输送修复材料和保护气体进入同周送粉器开始激光修复这一工序，随后第三电机启动使得同轴送粉器可以左右移动，实现激光熔覆工作区域的可调整性，最后完成对轨道表面的修复工作，在机械手臂上安装上了同轴送粉器，这样就克服了侧向送粉单向性的缺点，大大提高了成型的质量，并且降低了稀释率。

最后，辊压成型装置驱动让辊压轮进给到需要辊压的表面，使激光熔覆后的轨道表面辊压成型。

同时，辊压成型装置Ⅳ内置的扫描仪对激光熔覆的工作状态进行监测，确定小车和预处理装置工作停止的时间以及确定轨道修复工作是否完成。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种钢轨型面智能修复车，其特征在于：其包括车身、工作台及显示器、轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置，所述车身的底部设置有车轮，轨道表面损伤检测、轨道表面预处理装置、激光修复装置以及辊压成型装置依次设置在所述车身上，所述轨道表面损伤检测用于对已损伤的轨道表面进行检测，所述轨道表面预处理装置用于对待修复轨道进行表面预处理，所述激光修复装置用于对待修复轨道利用激光熔覆的方式进行修复，所述辊压成型装置用于监测修复状态并对激光熔覆后放入经过激光修复后的轨道表面进行辊压成型；

所述车身包括车盖、第一侧车挡板、车底盘、第二侧车挡板、保温罩、前轮以及后轮，所述前轮和后轮与所述车底盘的底面连接后分别放置在两条待修复钢轨上，第一侧车挡板和第二侧车挡板分别固定在车底盘的两侧，车盖固定在车底盘上，所述保温罩通过连接块与车底盘连接，并通过第一连接板和第二连接板固定；工作台及显示器通过第三连接板与车底盘固定连接；

所述表面预处理装置包括激光扫描仪、空气压缩机、进气管、第四连接板、气压升降装置、出气口、驱动电机、传动轴以及轨道砂轮，气压升降装置借助于第四连接板与所述车底盘连接，驱动电机通过传动轴与轨道砂轮相连接，所述激光扫描仪用于对轨道进行扫描，当所述激光扫描仪扫描到轨道存在损伤时，空气压缩机开始工作并通过进气管通入气体使得气压升降装置向下运动使轨道砂轮与待修复轨道充分接触；电机开始运作使传动轴带动轨道砂轮开始旋转工作，对待修复轨道进行表面预处理；

所述激光修复装置包括底盘电机、连接板、旋转底盘、第一电机、机械臂第一关节、第二电机、机械臂连接轴、机械臂第二关节、第三电机、粉箱、激光箱、保护气体储存罐、光纤、保护气体输送管、送粉管以及同轴送粉器，所述机械臂第一关节、机械臂连接轴以及机械臂第二关节；

所述同轴送粉器从上至下依次设置有光纤入口、保护壳、送粉器轴身、粉末入口、保护气入口以及激光头，工作时，激光通过光纤入口进入同轴送粉器，保护壳用于保护并对送粉器轴身进行固定，粉末入口和保护气入口分别为修复材料和保护气进入送粉器的入口，气粉混合物与从光纤入口进来的激光汇聚，从激光头处出来进入待修复区域；

所述底盘电机设置在所述车底盘上，所述底盘电机的上方设置有第五连接板，所述第五连接板上设置有旋转底盘，所述机械臂第一关节的第一端以及第一电机安装在所述旋转底盘上，所述机械臂第一关节的第二端连接所述机械臂第二关节的第一端，所述机械臂第二关节的第二端连接所述同轴送粉器，所述第二电机固定在机械臂第一关节上，所述第三电机固定在机械臂第二关节上，所述同轴送粉器连接有光纤、保护气体输送管以及送粉管，光纤、保护气体输送管以及送粉管的另一端分别连接所述粉箱、激光箱和保护气体储存罐，所述粉箱、激光箱和保护气体储存罐分别固定在底盘上，激光箱通过光纤向同轴送粉器输送激光，粉箱通过送粉管与同轴送粉器相连达到输送轨道修复材料的目的，激光修复过程中的保护气体通过保护气体储存罐从保护气体输送管进入同轴送粉器中；

当检测到受损伤轨道时，底盘电机、第一电机和第二电机启动使同轴送粉器到达待修复轨道表面，之后激光箱开始输送激光，同时粉箱和保护储存罐分别开始输送修复材料和保护气体进入同轴送粉器开始激光修复，随后第三电机启动使得轴送粉器进行横向平移，实现激光熔覆工作区域的可调整性，完成对轨道表面的修复工作。

2.根据权利要求1所述的钢轨型面智能修复车，其特征在于：所述保温罩能够罩设在所述同轴送粉器的外部，所述保温罩包括罩身和盖板，所述盖板为带裂纹的可变形的耐高温橡胶。

3.根据权利要求1所述的钢轨型面智能修复车，其特征在于：所述轨道砂轮包括砂轮保护罩、轨道特制砂轮、滚动轴承以及连接片，所述砂轮保护罩与所述气压升降装置连接，所述砂轮保护罩借助于所述连接片与所述传动轴连接，所述轨道特制砂轮在所述滚动轴承的传动下进行旋转，从而清除待修复轨道表面的杂质。

4.根据权利要求3所述的钢轨型面智能修复车，其特征在于：所述轨道特制砂轮的形状与轨道上边面相契合。

5.根据权利要求1所述的钢轨型面智能修复车，其特征在于：所述保护壳为长方体结构，所述粉末入口以及保护气入口分别均匀环绕设置在所述送粉器轴身的圆周上。

6.根据权利要求1所述的钢轨型面智能修复车，其特征在于：所述激光头为锥形结构。

Images