CN116047020A - 钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法 - Google Patents

钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法，包括底座，固定安装在所述底座上且用于在钢轨铣削修复时调节盘铣刀切深的切深调节模块，用于对钢轨表面进行铣削修复的加工模块，用于检测钢轨经过不同加工工艺参数后的表面质量的视觉检测模块和用于在在铣削时使钢轨进行直线运动以此模拟实际工况的钢轨进给模块。本发明通过切深调节、加工、视觉检测、钢轨进给等模块，可以对单一或多个模块进行替换或改造，将加工模块中盘铣刀替换为磨削砂轮，整体装置就可以进行磨削修复相关的评价，或者将视觉检测中工业相机替换为非接触式残余应力检测仪，观察钢轨经过不同修复参数后表面硬化层的厚度。

Description

钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法，属于机械制造和机器视觉检测技术领域。
背景技术
钢轨作为铁路运输网络中的关键基础部件，它的服役性能优劣直接关乎列车运行的稳定性和安全性。对轨道交通不断增长的需求导致了更高的动态轴载荷、列车速度和交通量，对钢轨的承载能力提出了更高的要求。在恶劣和复杂的服役条件下，钢轨在和车轮发生动态接触时更容易产生表面损伤和缺陷，例如：轨头核伤、波磨、剥落、暗伤、疲劳裂纹和麻坑，它服役过程中产生的表面损伤和缺陷会导致钢轨失效，甚至会使高铁脱轨，必须借助钢轨在线修复盘铣刀进行铣-磨修复定期去除表面缺陷使其恢复正常廓形。铣削过程中伴随的周期性冲击及恶劣的切削条件，使钢轨盘铣刀特定位置铣刀片出现严重磨损甚至崩刃，不仅降低钢轨铣磨列车的工作效率同时增加刀具成本。钢轨在铣-磨修复过程中伴随着高的切削温度和切削力，铣削加工工艺选择不得当会使钢轨表面产生热软化效应，甚至直接烧伤材料表面影响钢轨的正常服役。因此，急需提出一种能够准确模拟铣削加工工况的、结构简单、安全可靠并对加工表面进行视觉检测，为实际加工时提供工艺参数选择参考的钢轨铣削工艺实验装置。
目前在钢轨在线修复加工领域有一些较为成熟的装置，如专利号为CN201520357345.2的中国发明专利公开了一种移动式钢轨铣削车的精铣装置，弥补了在线修复加工领域的技术空白,而且能够对钢轨采用铣削的方式进行二次修复,实现减少环境污染和提高钢轨表面光洁度的目的。如专利号为CN201610742217.9的中国发明专利公开了一种用于钢轨整修的铣削装置，解决了现有的钢轨表面修复装置工作效率低,难以保证打磨精度的问题，在整修钢轨时,能够更加准确和科学的对钢轨表面各类型的损伤病害进行修复,功能完善、铣削效率高,能够及时根据实际钢轨表面状况改变铣削的进刀量,铣削精度及修复质量高,采用铣削系统的运动式铣削方式，实现对钢轨等长条零件的精密成型铣削，工作效率高且使用方便。如申请专利号为CN201720790974.3的中国发明专利公开了一种钢轨铣磨车铣削作业单元试验平台，能够真实模拟作业线路工况、开展铣削试验、铣削后效果分析、指标检测等功能,用于自产钢轨铣磨车铣削作业单元的出厂前功能检测及性能检测。如申请专利号为CN201710933764.X的中国发明专利公开了一种钢轨铣-磨试验装置，该试验装置能够真实模拟出铣磨车铣磨作业参数的同时,还能够在线监测铣磨修复过程中的力和温度数据。
但目前所有的钢轨铣削修复装置整体都较为笨重，且检测监测手段单一，无法对加工表面进行视觉检测，为实际加工时提供工艺参数选择参考。
发明内容
为了克服现有研究的不足，本发明提供了能够准确模拟铣削加工工况、结构简单、安全可靠并可对加工表面进行视觉检测，能为实际加工时提供工艺参数选择参考的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法，装置包括切深调节、加工、视觉检测、钢轨进给等模块，可以对单一或多个模块进行替换或改造。例如将加工模块中盘铣刀替换为磨削砂轮，整体装置就可以进行磨削修复相关的评价：或者将视觉检测中工业相机替换为非接触式残余应力检测仪，观察钢轨经过不同修复参数后表面硬化层的厚度。
钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，包括底座，固定安装在所述底座上且用于在钢轨铣削修复时调节盘铣刀切深的切深调节模块，用于对钢轨表面进行铣削修复的加工模块，用于检测钢轨经过不同加工工艺参数后的表面质量的视觉检测模块和用于在在铣削时使钢轨进行直线运动以此模拟实际工况的钢轨进给模块。
所述切深调节模块通过螺栓固定安装于底座中轴线位置，所述切深调节模块包括通过螺栓固定安装在底座上的电机安装座、与所述电机安装座固定连接且用于为切深调节模块提供动力的伺服驱动电机、联轴器、通过联轴器与伺服驱动电机连接且用于实现衍架升降从而实现钢轨铣削修复时盘铣刀切深调节的螺杆升降机。
所述切深调节模块与衍架通过法兰盘连接，所述加工模块悬挂安装于衍架上。
所述加工模块包括悬挂安装于衍架上的支撑框架、滚珠轴承、轴承端盖、支撑平台、固定安装在支撑平台和轴承端盖上的减速电机、主轴、盘铣刀。
所述视觉检测模块包括通过螺栓与底座固定安装的固定支撑座、安装于支撑座上方的微动电机、与微动电机安装同一高度的相机安装座、安装于相机安装座中的工业相机。
所述钢轨进给模块安装于底座凹槽内，钢轨进给模块包括安装于底座凹槽内且为钢轨直线运动提供动力的气动导轨、安装于气动导轨滑块上连接底板、夹具支撑座、螺杆摇把、仿形夹具、安装于连接底板的压力传感器，夹具支撑座、螺杆摇把、仿形夹具组成钢轨夹具。
所述视觉检测模块固定安装于钢轨进给模块两侧，用于检测钢轨。
一种钢轨表层损伤在线修复性能测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动切深调节模块、视觉检测模块以及钢轨进给模块，观察切深调节模块、切深调节模块、视觉检测模块以及钢轨进给模块是否能够正常运行；
步骤二、钢轨试样装夹，启动气动导轨将滑块退到底座边缘，摇动螺杆摇把将仿形夹具退到夹具支撑座边缘，将钢轨试样放置于压力传感器上，锁紧仿形夹具后启动气动导轨测试夹具是否完全锁紧；
步骤三、损伤目标检测，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，控制微动电机调整工业相机位置，使钢轨试样表面处于工业相机画幅正中央，调整工业相机对焦获取钢轨试样表面图像，将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样损伤区域并对损伤区域进行损伤类别分类；
步骤三、对刀，启动气动导轨将钢轨试样移动到盘铣刀正下方，启动切深调节模块调节盘铣刀高度，使盘铣刀最下方刀片与钢轨待加工表面接触，直至压力传感器恰好显示读数，停止调节盘铣刀高，将将钢轨试样退到底座边缘，再次启动切深调节模块，下降至工艺要求的切削深；
步骤四、钢轨修复，启动减速电机，使盘铣刀达到预设加工参数，启动气动导轨使钢轨进行匀速直线运动，开启压力传感器记录切削力；
步骤五、修复目标检测，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，控制微动电机调整工业相机位置，使钢轨试样表面处于工业相机画幅正中央，调整工业相机对焦获取钢轨试样表面图像，将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样经过特定参数加工后仍然存在的损伤区域及损伤类别，并将加工前与加工后的图像检测结果进行对比，评定修复结果的优劣；
步骤六、多参数实验与对比分析，根据工艺参数的选择重复步骤一至步骤五，根据视觉检测与切削力与刀片磨损情况对比个不同工艺参数加工下的修复效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明针对实际钢轨铣-磨修复现场无法有效监测钢轨修复性能与修复工艺参数之间的相关性，根据钢轨铣磨车在线铣-磨修复原理，以钢轨铣-磨实际应用工况为设计条件，设计搭建钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，该测试装置能够准确模拟铣削加工工况并实现对已加工表面视觉检测，对修复性能进行评估，为实际加工时提供工艺参数优选。同时，本装置适用于所有轨道交通类型的钢轨，能根据轨道类型和测试目的替换修复盘铣刀及磨削砂轮并进行相应的加工参数调整。同时本测试装置为模块化架构，结构简单，易于拆卸与更换，可以对单一或多个模块进行替换或改造，例如可将视觉检测中工业相机替换为非接触式残余应力检测仪，观察钢轨经过不同修复参数后表面硬化层的厚度，或增设力传感器或红外测温仪对修复过程中的切削力和温度进行实时监测。
本发明涉及的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法包括切深调节、加工、视觉检测、钢轨进给等模块，可以对单一或多个模块进行替换或改造。例如将加工模块中盘铣刀替换为磨削砂轮，整体装置就可以进行磨削修复相关的评价：或者将视觉检测中工业相机替换为非接触式残余应力检测仪，观察钢轨经过不同修复参数后表面硬化层的厚度，整个装置能够准确模拟铣削加工工况、结构简单、安全可靠并可对加工表面进行视觉检测，能为实际加工时提供工艺参数选择参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中钢轨表层损伤在线修复性能测试装置及测试方法的整体装置结构示意图。
图2为本发明切深调节模块结构示意图。
图3为本发明铣削加工模块结构示意图。
图4为本发明视觉检测模块结构示意图。
图5为本发明钢轨进给模块结构示意图。
图中：1-底座；3-衍架；200-切深调节模块；201-伺服驱动电机；202-电机安装座；203-联轴器；204-螺杆升降机；400-加工模块；401-支撑框架；402-滚珠轴承；403-轴承端盖；404-支撑平台；405-减速电机；406-主轴；407-盘铣刀；500-视觉检测模块；501-固定支撑座；502-微动电机；503-相机安装座；504-工业相机；600-钢轨进给模块；601-气动导轨；602-连接底板；603-夹具支撑座；604-螺杆摇把；605-仿形夹具；606-压力传感器。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图5，钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，用于钢轨铣削实验。包括底座1、切深调节模块200、衍架3、加工模块400、视觉检测模块500、钢轨进给模块600。所述底座1用于固定安装切深调节模块200、视觉检测模块500、钢轨进给模块600。所述切深调节模块200通过螺栓与底座1固定安装于底座中轴线位置，主要在钢轨铣削修复时调节盘铣刀切深。所述切深调节模块200由伺服驱动电机201、电机安装座202、联轴器203、螺杆升降机204组成。
伺服驱动电机201与电机安装座202固定连接，主要用于为切深调节模块提供动力。
电机安装座202通过螺栓固定安装于底座1，用于固定伺服驱动电机。螺栓升降机204固定安装于底座1上，通过联轴器203与伺服驱动电机201连接，用于实现衍架升降从而实现钢轨铣削修复时盘铣刀切深调节。
所述衍架3与两侧切深调节模块200通过法兰盘连接，用于支撑与安装铣削加工模块400。所述加工模块400悬挂安装于衍架3上，主要用于对钢轨表面进行铣削修复。
所述加工模块400包括支撑框架401、滚珠轴承402、轴承端盖403、支撑平台404、减速电机405、主轴406、盘铣刀407。所述支撑框架401悬挂安装于衍架3上，衍架3上开设有腰槽通过螺栓调节及固定支撑框架401，主要用于安装滚珠轴承与主轴，为盘铣刀提供支撑。支撑平台404悬挂安装于衍架3上，衍架3上开设有腰槽通过螺栓调节及固定支撑平台404，主要用于固定安装减速电机与主轴，为盘铣刀提供支撑。405减速电机固定安装于支撑平台404与轴承端盖403上，主要用于为盘铣刀旋转提供动力。
所述视觉检测模块500固定安装于钢轨进给模块600两侧，首尾两侧均有视觉检测模块500。用于检测钢轨吸血前后表面。所述视觉检测模块500包括固定支撑座501、微动电机502、相机安装座503、工业相机504组成，用于检测钢轨经过不同加工工艺参数后的表面质量。
固定支撑座501通过螺栓与底座1固定安装，用于安装微动电机502及工业相机503。微动电机502安装于支撑座501上方，主要为调节相机位置提供动力。相机安装座503与丝杆与微动电机502安装与同一高度，用于带动工业相机进行横向微动调节图像。工业相机504安装于相机安装座503中，主要用于对加工表面进行视觉检测。
所述钢轨进给模块600安装于底座凹槽内，钢轨进给模块600包括气动导轨601、连接底板602、夹具支撑座603、螺杆摇把604、仿形夹具605、压力传感器606组成，主要在铣削时使钢轨进行直线运动以此模拟实际工况。所述气动导轨601安装于底座凹槽内，主要为钢轨直线运动提供动力。连接底板602安装于气动导轨601滑块上，用于安装固定钢轨夹具与传感器606。夹具支撑座603、螺杆摇把604、仿形夹具605组成钢轨夹具，用于固定钢轨。压力传感器606安装于连接底板602，主要用于盘铣刀对刀及铣削过程的铣削力检测。
一种钢轨表层损伤在线修复性能测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动切深调节模块200、视觉检测模块500以及钢轨进给模块600，观察切深调节模块200、切深调节模块200、视觉检测模块500以及钢轨进给模块600是否能够正常运行。
步骤二、钢轨试样装夹，启动气动导轨601将滑块退到底座1边缘，摇动螺杆摇把604将仿形夹具605退到夹具支撑座603边缘，将钢轨试样放置于压力传感器606上，锁紧仿形夹具605后启动气动导轨601测试夹具是否完全锁紧。
步骤三、损伤目标检测，启动气动导轨601将钢轨试样移动至工业相机504正下方，控制微动电机502调整工业相机504位置，使钢轨试样表面处于工业相机504画幅正中央，调整工业相机504对焦获取钢轨试样表面图像。将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样损伤区域并对损伤区域进行损伤类别分类，具体过程与专利CN202210061032.7相似。
步骤三、对刀，启动气动导轨601将钢轨试样移动到盘铣刀正下方，启动切深调节模块200调节盘铣刀高度，使盘铣刀最下方刀片与钢轨待加工表面接触，直至压力传感器606恰好显示读数，停止调节盘铣刀高度。将601将钢轨试样退到底座1边缘，再次启动切深调节模块200，下降至工艺要求的切削深度。
步骤四、钢轨修复，启动减速电机405，使盘铣刀达到预设加工参数。启动气动导轨601使钢轨进行匀速直线运动，开启压力传感器606记录切削力。
步骤五、修复目标检测，启动气动导轨601将钢轨试样移动至工业相机504正下方，启动气动导轨601将钢轨试样移动至工业相机504正下方，控制微动电机502调整工业相机504位置，使钢轨试样表面处于工业相机504画幅正中央，调整工业相机504对焦获取钢轨试样表面图像。将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样经过特定参数（钢轨运动速度，盘铣刀转速，盘铣刀切深）加工后仍然存在的损伤区域及损伤类别，并将加工前与加工后的图像检测结果进行对比，评定修复结果的优劣。
步骤六、多参数实验与对比分析，根据工艺参数的选择重复步骤一至步骤五，根据视觉检测与切削力与刀片磨损情况对比个不同工艺参数加工下的修复效果。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：包括底座，固定安装在所述底座上且用于在钢轨铣削修复时调节盘铣刀切深的切深调节模块，用于对钢轨表面进行铣削修复的加工模块，用于检测钢轨经过不同加工工艺参数后的表面质量的视觉检测模块和用于在在铣削时使钢轨进行直线运动以此模拟实际工况的钢轨进给模块。
2.根据权利要求1所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述切深调节模块通过螺栓固定安装于底座中轴线位置，所述切深调节模块包括通过螺栓固定安装在底座上的电机安装座、与所述电机安装座固定连接且用于为切深调节模块提供动力的伺服驱动电机、联轴器、通过联轴器与伺服驱动电机连接且用于实现衍架升降从而实现钢轨铣削修复时盘铣刀切深调节的螺杆升降机。
3.根据权利要求2所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述切深调节模块与衍架通过法兰盘连接，所述加工模块悬挂安装于衍架上。
4.根据权利要求3所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述加工模块包括悬挂安装于衍架上的支撑框架、滚珠轴承、轴承端盖、支撑平台、固定安装在支撑平台和轴承端盖上的减速电机、主轴、盘铣刀。
5.根据权利要求1或4所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述视觉检测模块包括通过螺栓与底座固定安装的固定支撑座、安装于支撑座上方的微动电机、与微动电机安装同一高度的相机安装座、安装于相机安装座中的工业相机。
6.根据权利要求5所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述钢轨进给模块安装于底座凹槽内，所述钢轨进给模块包括安装于底座凹槽内且为钢轨直线运动提供动力的气动导轨、安装于气动导轨滑块上连接底板、夹具支撑座、螺杆摇把、仿形夹具、安装于连接底板的压力传感器，夹具支撑座、螺杆摇把、仿形夹具组成钢轨夹具。
7.根据权利要求5所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置，其特征在于：所述视觉检测模块固定安装于钢轨进给模块两侧。
8.一种根据权利要求1-7中任一所述的钢轨表层损伤在线修复性能测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：各模块运行测试，设备通电通过控制终端启动切深调节模块、视觉检测模块以及钢轨进给模块，观察切深调节模块、切深调节模块、视觉检测模块以及钢轨进给模块是否能够正常运行；
步骤二：钢轨试样装夹，启动气动导轨将滑块退到底座边缘，摇动螺杆摇把将仿形夹具退到夹具支撑座边缘，将钢轨试样放置于压力传感器上，锁紧仿形夹具后启动气动导轨测试夹具是否完全锁紧；
步骤三：损伤目标检测，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，控制微动电机调整工业相机位置，使钢轨试样表面处于工业相机画幅正中央，调整工业相机对焦获取钢轨试样表面图像，将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样损伤区域并对损伤区域进行损伤类别分类；
步骤三：对刀，启动气动导轨将钢轨试样移动到盘铣刀正下方，启动切深调节模块调节盘铣刀高度，使盘铣刀最下方刀片与钢轨待加工表面接触，直至压力传感器恰好显示读数，停止调节盘铣刀高，将将钢轨试样退到底座边缘，再次启动切深调节模块，下降至工艺要求的切削深；
步骤四：钢轨修复，启动减速电机，使盘铣刀达到预设加工参数，启动气动导轨使钢轨进行匀速直线运动，开启压力传感器记录切削力；
步骤五：修复目标检测，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，启动气动导轨将钢轨试样移动至工业相机正下方，控制微动电机调整工业相机位置，使钢轨试样表面处于工业相机画幅正中央，调整工业相机对焦获取钢轨试样表面图像，将获取的钢轨试样修复前图片导入至钢轨损伤检测模型中，等待系统识别钢轨试样经过特定参数加工后仍然存在的损伤区域及损伤类别，并将加工前与加工后的图像检测结果进行对比，评定修复结果的优劣；
步骤六：多参数实验与对比分析，根据工艺参数的选择重复步骤一至步骤五，根据视觉检测与切削力与刀片磨损情况对比个不同工艺参数加工下的修复效果。
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