CN1434170A - 铁路轨道激光维修车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于铁路轨道就地维修的激光维修车，包括牵引及控制车和激光加工车，多辆激光维修车可组成激光维修列车，使用本发明可以有效、机动、周期性地对轨道就地进行激光维修，缓解和克服目前钢轨、道岔、钢轨接头诸多病害，以适应铁路提速后对轨道维修提出的更高地要求。

Description

铁路轨道激光维修车

本发明涉及一种铁路轨道车，特别是涉及一种铁路轨道激光维修车。

铁路轨道由钢轨、道岔、接头、连接件和轨下基础组成。轨道有三大病害：一是钢轨病害，尤其是小曲线病害；二是道岔病害；三是接头病害。这三大病害在铁路全面提速后，仍然存在而且表现的更为突出。

钢轨是铁路轨道的重要组成部分，目前我国钢轨铺设总长度达16万公里。为适应国民经济的需要，铁路的速度、载重不断提高。我国铁路年均通过总重已超过3000万吨公里，特别区段已达1.5-2亿吨公里；主要干线客车速度将逐步提高到140-160Km/h，货车速度将达到80-85Km/h。铁道钢轨直接承受列车荷载的反复作用，是适应高速重载、强化轨道结构的关键部件，研究具有优异使用性能的铁道钢轨、新的维修技术和维修车辆，是目前铁路系统急待解决的重大问题。

我国铁路主要干线目前使用的钢轨是50型、60型，已超过6万公里，约占全部干线的90％。国产这两种钢轨钢种主要是U₇₁Mn和U₇₄，均为普通碳钢钢轨。在目前的运输条件下，这两种钢轨伤损日益严重，已暴露出承载力不足、使用寿命不长的问题，使重轨的优越性得不到充分发挥。钢轨在使用中出现的伤损主要是轨头侧磨，波磨，剥离和压溃，尤以侧磨伤损最为严重。繁忙线路上小曲线上目前钢轨一年左右就需更换。

钢轨伤损的主要原因是在接触应力作用下形成的接触疲劳伤损，主要的伤损形式是金属的塑性变形引起的塑性剥离。为解决钢轨伤损问题，提高钢轨使用寿命，国内外对钢轨的研究向着两个方向；一个途径是热处理强化，日、美、独联体主要走热处理强化的途径，对钢轨进行全长淬火处理；另一个途径是合金化，西欧一些国家主要是采取对钢轨合金强化的方法。共同的目的是提高钢轨材质的强度与耐磨性。我国钢轨在这二个途径上已做了大量的试验。近年来铁道部、冶金部联合试制了PD₂钢轨、PD₃钢轨和稀土钢轨，并进口日本等12个国家的钢轨80万吨铺设试验。铁道部经过对国内外钢轨大量试验后，大力提倡推广全长淬火钢轨。

道岔是铁路轨道的重要组成部分，目前我国铁道线路上铺设有13万组。随着铁路高速的发展，高的运输强度与低的轨道结构强度的矛盾日益突出。道岔作为轨道三大薄弱环节之一，其技术性能，质量成为强化轨道结构，提高列车行车速度及运输安全的关键限制因素。我国解放后生产的道岔50年代主要是“55”型，“57”型。六十年代有“62”型。70年代80年代有“75”型。90年代初，我国使用的“75”型(含“62”型)道岔超过10万组，占全部道岔的80％以上。90年代初又研制了“92”型快速道岔。今后在相当长的时期内，低速铁路(速度小于100km/h)仍将大量使用“75”型，“92”型道岔。90年代中期，为适应铁路提速要求，研制生产了适应速度在160km/h的道岔，称为提速道岔(准高速)。今后还将研制适应200km/h以上速度的道岔(高速)。目前，提速道岔正在各重要铁路干线大量铺设，

尖轨是道岔的重要部件，尖轨病害和使用寿命是道岔使用寿命与运营成本的重要限制因素。尖轨的主要伤损部位及使用寿命取决于尖轨轨尖部分的磨损剥离，其伤损部位大部分在横截面10mm以前的尖端部位。轨尖部分在剥离掉块之前，一般先出现比较明显的金属塑性变形，压辗而出现飞边现象。尖轨使用1-3个月就会出现飞边，提速道岔尖轨磨损严重区段使用二个多月就必须更换。目前道岔尖轨是用普通轨或50AT轨和60AT轨加工而成，主要采用U₇₁Mn轨钢。尖轨在生产制造工艺上存在一些问题。由于加工后的尖轨在长度上呈现变截面，这样一般淬火处理的质量就不容易掌握，尖轨横截面10mm之前的部分实际上淬不上火，但按设计要求淬火的尺寸应达到尖轨截面5mm处，而在现场使用中正是这一部分的尖轨最容易发生磨耗剥离。道岔尖轨加工需大型专用机床，尖轨价格尤其提速道岔尖轨价格很贵。为节约成本，一些单位采用传统手工焊的办法，对尖轨磨耗部位进行焊补。因尖轨尖端处宽度仅几毫米，用电焊修补是不成功的。

护轨是道岔的重要部件。护轨是固定性辙叉的重要组成部分，设置在辙叉两侧，作用是控制车轮运行方向，防止其在辙叉有害空间冲击或爬上辙叉心轨尖端，是保证行车安全的重要设备。护轨由平直段、两侧缓冲段和两端开口段组成。目前我国道岔护轨类型主要有钢轨间隔铁型、H型和槽型，提速道岔护轨类型为H型。护轨病害和使用寿命是道岔使用寿命与运营成本的重要因素。护轨的主要伤损部位及使用寿命取决于护轨直线段部分的磨损。提速道岔护轨磨损严重区段月磨耗约1mm，使用一年左右就必须更换。目前道岔护轨一般是用普通钢轨加工而成。为延长护轨使用寿命，要求其轨头工作边侧面应进行淬火处理。

工业上为提高钢轨表面硬度、耐磨性和抗拉强度，采取钢轨顶端淬火。将轧后的钢轨端部用感应电流加热至大约900℃，并维持几分钟，然后快速冷却至大约550℃-650℃，一般用强制空冷，并在此温度范围保温到奥氏体完全转变成贝氏体为止。提高钢轨端部的冷却速度则减小珠光体片层间距，抗拉强度提高，硬度增强。钢轨感应淬火轨头和轨侧表面处硬度达280-400HV。实际上钢轨、尖轨、护轨并不需要整个轨头进行淬火，仅仅要求其工作边表面进行淬火，这个要求一般的工业淬火是难以做到的。因尖轨、护轨要进行轨头机加工，淬火钢轨加工有困难，用普通钢轨加工后对尖轨尖端、护轨平直段进行淬火亦有困难，事实上目前使用中的部分尖轨尖端、护轨平直段是未经淬火处理的。现场使用中提出的问题要求对尖轨尖端、护轨平直段能进行简便实用的淬火处理并且要有比一般工业淬火有更高的强度和硬度。

辙叉是道岔的核心部件，其作用是使车轮在平面上交叉通过钢轨。目前我国辙叉有固定和心轨可动两种，材料分别为高锰钢与中碳钢，其中高锰钢固定式辙叉目前在正线上已普遍使用。高锰钢辙叉在使用中主要问题是裂纹和表面剥落，最短的上线到运行时间3个月，通过总重3000多万吨，一般一年左右就要更换。目前正在普遍推广KD286焊条就地修复技术，一般就地焊修后使用几个月就得更换下道。锰叉问题在铁道工务系统是个很头痛的问题，目前仍无法解决。

铁道线路接头也是轨道的薄弱环节。为了消除接头病害，铁道部正在主要干线大力推广轨道无缝线路技术，目前国内最长的无缝线路已达230多公里。无缝线路是用国标25米钢轨在焊轨厂焊接成500米长钢轨，长钢轨拉到施工现场就地焊接成无缝线路。无缝线路目前仍存在严重的接头病害，甚至可以说，有多少个焊接接头，就可能有多少接头病害。因为焊接接头时，高温溶解区与热影响区的退火作用使得这些区域较钢轨的其他部位硬度要低，如果不对焊接接头重新进行热处理，上线运行后，焊接接头区域就会出现磨耗，久之出现低接头，线路状态迅速恶化。这种接头病害比有缝线路接头病害还难以治理。钢轨在焊轨厂焊接接头还有办法处理，在现场焊接的接头热处理目前还有很多问题。

激光技术是一项迅速发展的高新技术，激光表面改性技术是激光应用的一个分支，目前已成为材料表面强化的最有效的手段之一。适用于轨道的激光表面改性技术有激光相变硬化，激光熔凝硬化，激光表面合金化，激光表面熔覆等。这些技术可以成为解决上述轨道病害的非常有效的手段，现场需要迫切，经济效益巨大。但要实施上述技术方案，前提是必须研究开发一种适用于铁路轨道就地维修的激光加工车。

本发明的目的是提供一种适用于铁路轨道就地维修的激光加工车，可以有效、机动、周期性地对轨道就地进行激光维修，缓解和克服目前钢轨、道岔、钢轨接头诸多病害，以适应铁路提速后对轨道维修提出的更高地要求。

本发明是这样实现的：

一种铁路轨道激光维修车，包括：牵引及控制车(1)，轨道激光维修车(2)；牵引控制车(1)在铁路轨道车的基础上，新增：牵引及控制系统(3)，发电及控制系统(4)，激光作业总控制台(5)；轨道激光维修车(2)在铁路平板车和铁路客车底盘的基础上，新增：车辆减震系统(6)，激光器减震系统(7)，激光器系统(8)，激光光路及移动数控系统(9)，钢轨面清洗系统(10)，钢轨面吸光材料喷涂系统(11)，涂料烘干系统(12)，监视及照明系统(13)；激光器供气系统(14)，激光器供粉系统(15)，激光器冷却系统(16)，激光器供风系统(17)，激光车车体车厢密封除尘系统(18)；多辆铁路轨道激光维修车可组合成轨道激光维修列车，多辆轨道激光维修车(2)组合配置一辆牵引及控制车(1)亦可组成轨道激光维修列车，轨道激光维修列车可将发电及控制系统(4)、激光器供气系统(14)、激光器冷却系统(16)、激光器供风系统(17)设专车集中配送。牵引及控制车(1)将轨道激光维修车(2)拖拉到线路作业地点，启动发电及控制系统(4)，打开激光作业总控制台(5)；启动激光器系统(8)，使激光器处于待机状态；打开监视系统(13)，光线弱同时启动照明系统(13)，通过激光光路及光路移动数控系统(9)调整对位，并设置好各种参数；准备工作做完，牵引及控制系统(3)按规定速度前进或推进；开动钢轨面清洗系统(10)，依次启动钢轨面吸光材料喷涂系统(11)和涂料烘干系统(12)；通过监视及照明系统(13)对激光车下作业情况进行监视，待光头走到规定位置时及时打开激光束开始技术作业并在轨面上形成设计的硬化层。

本发明的优点是：把激光器从工厂固定式变成沿铁路轨道的移动式，使激光加工技术作业从车间走到了铁路沿线现场，具有很强的机动性、灵活性、重复性和实用性；本发明可使激光加工技术在铁路轨道上的种种设想变成现实，可以对线路上某点进行激光维修，也可以对某一段线路进行激光维修，还可以对某一组道岔、某一小曲线进行专门激光维修，甚至可以对某一根尖轨、护轨或无缝线路接头进行特别激光维修；更感兴趣的是，利用本发明，可以对钢轨、道岔轮轨接触面进行周期性的激光强化计划维修，如道岔通过总重4000万吨可以进行一次激光强化维修，钢轨通过30000万吨可以进行一次激光强化维修；这意味着钢轨、道岔轮轨接触面可以近乎永久地保留一个激光硬化层，从而其使用寿命将大大提高；使用本发明对钢轨、道岔进行周期性的激光计划维修，钢轨、道岔的使用寿命至少可以翻一翻，即钢轨通过总重12亿---15亿吨，道岔的通过总重1.5----2亿吨；推广使用本发明，具有巨大的经济效益和社会效益。

下面结合附图对本发明进行详细描述：

图1是本发明构造示意图。

参照图1，牵引及控制车(1)在铁路轨道车基础上新增牵引及控制系统(3)、发电及控制系统(4)、激光作业总控制台(5)三大部分。

牵引及控制系统(3)可以利用铁路目前现有的轨道车生产线生产；发动机采用大马力柴油机，传动、走行部分充分利用现有设计，设计最高时速120KMm/h，尤其低速段速度要精心设计，低速可分3.6m/h，36m/h，360m/h，3.6Km/h，36Km/h档段，每时速段内务求均匀，以使激光束作用点时间一致，钢材显微组织、强度均衡。

发电及控制系统(4)的发电机功率要根据激光器额定输出功率除以光电转换效率并乘以大于1的系数来定，其控制系统可与激光作业总控制台(5)一同设计。

激光作业总控制台(5)是本发明的核心，下分6块分控盘；其一是牵引时速控制盘，主要精确控制低速档段；其二是激光加工作业先前工序作业控制盘，包括钢轨面清洗系统(10)，钢轨面吸光材料喷涂系统(11)，涂料烘干系统(12)；其三是激光器及其附属系统控制盘，包括激光器供气系统(14)，激光器供粉系统(15)，激光器冷却系统(16)；其四是发电及控制系统(4)的控制盘；其五是监视及照明系统(13)控制盘；其六是激光光路及光路移动数控系统(9)控制盘；6块分控盘统一设计，由计算机集中控制。牵引及控制车(1)与激光加工车(2)底盘、车厢都连在一齐，两车箱软连接，留有车门，可供机务人员进出；车箱外形与轨道车可以不同。

轨道激光维修车(2)在铁路平板拖车的基础上，新增车体与激光器减震系统、激光加工作业先前工序作业系统、激光器及其附属系统、激光光路调整及控制系统、激光车车体车厢密封除尘系统(18)五大部分。

车体及激光器减震系统包括车辆减震系统(6)，激光器减震系统(7)；减震设计主要考虑120Km/h在轨道上拖拉时的振动问题，在低速激光加工时的振动问题可以不予考虑；车辆减震设计可以参照铁路客车、机车的减震技术；激光器减震在系统设计时应予充分考虑，包括谐振腔的固定，光路及镜片的震动，电极、电路板的连接，各种接头连接，激光器底座的减震等。

激光加工作业先前工序作业系统包括钢轨面清洗系统(10)，钢轨面吸光材料喷涂系统(11)，涂料烘干系统(12)；钢轨面清洗系统(10)包括置于转向架前或后的4个清洗盘或清洗板，作用是清洗掉钢轨面上的灰尘和油腻，清洗盘或板与钢轨接触面用有机纤维，可定期更换；钢轨面吸光材料喷涂系统(11)包括1个储料罐，4个喷嘴分置在光头与车轮间靠近车轮处，风管与激光器供风系统连接；涂料烘干系统(12)包括4个红外烘烤或电热风烘烤器，分置在涂料喷嘴与激光光头间靠近涂料喷嘴侧；上述系统如果激光加工车单向前进，清洗盘、涂料喷嘴、烘烤器设置均减半。

激光器及其附属系统包括激光器(8)，激光器供电及控制系统(4)，激光器供气系统(14)，激光器供粉系统(15)，激光器冷却系统(16)，激光器供风系统(17)；激光器(8)为大功率CO2气体激光器，目前国内外商品化的大功率CO2气体激光器功率可达5000瓦、8000瓦、10000瓦、20000瓦，对轨道激光加工来说，功率愈大愈好，因为可以提高加工速度；激光器光轴与轨道中心线平行，两台激光器相对并与车辆几何中心斜对称放置；激光器供电及控制系统(4)发电机可以利用轨道车上携带的发电机，因为激光器电光转换效率目前只有10％左右，发电机功率确定可将激光器总功率乘以10加予留量，轨道车发电机功率应与激光器功率配套；供电控制系统可随激光器成套配置；激光器供气系统(14)是为了防止激光加工中钢轨表面激光溶池中的元素氧化而设置的，一般向激光溶池中吹入惰性气体，如氦气、氩气等，系统由气瓶、管道、喷嘴、开关组成；激光器供粉系统(15)是为激光合金化、激光溶覆工艺而设置的，在需要的时候，合金粉末随上述的供气系统吹入的惰性气体一道进入激光溶池；激光器冷却系统(16)作用是随时排除激光发生器产生的热量，以维持激光器稳定的输出功率，、有风冷、水冷两种形式，一般随激光器成套配置，水冷设备占地方大，激光车场地狭小，可用风冷；激光器供风系统(17)由小型空压机、风管、控制器组成。上述系统，与激光器在车间均同，区别在于要考虑激光车行驶时的振动，还要考虑系统在激光车上的空间限制。

激光光路调整及控制系统包括监视及照明系统(13)和激光光路及数控系统(9)；监视及照明系统(13)的设置是为了方便和了解激光车下作业情况，照明系统(13)由激光车下的8个照明灯、电缆、控制器组成，监视系统(13)由2组微型摄像头、电缆、控制器、显示器组成；激光光路及数控系统(9)的设置是为了精确的将激光束转到钢轨加工点上，由光路转镜、支架、滑轨、移动装置、光路保护装置、电缆、数控软件、光头组成；光路设计：一面水平镜将光就近垂直于激光器光轴线转出，光路上置一面垂直镜将光导向钢轨面；要求激光车停止时，光头顺钢轨移动的最大距离1000mm，这样可以就地加工一个无缝线路接头；最大工作高度200mm，是指光头自钢轨面需垂直下降的高度，60钢轨高度176mm，这样可以加工钢轨、辙叉侧面的任一点；最大工作宽度200--600mm，是指光头水平移动的距离；直线段60轨钢轨面宽73mm，考虑光头加宽，最大工作宽度200mm；曲线段加上300m小曲线与车辆长度的矢度和光头自身位置小于300mm；道岔加工辙叉时水平宽度需要600mm。

激光车车底车厢密封除尘系统(18)是考虑激光器工作环境恶劣，为延长激光器寿命、减少维修工作量而设置的，包括车内空气除尘净化设备，车箱密封设计，车底板从结构上、平面上要做特殊的密封、开启设计；如果考虑光头的活动平面为1000*600mm，车底板上要留出两个同样尺寸的门洞供光头运动；光头作业结束，光头要收进车箱，车底板门洞要随时密闭，重新作业时，门洞重新开启；根据总控台的指令和作业程序，门洞可由计算机自动控制开启的速度和幅度。

多辆铁路轨道激光维修车可组合成轨道激光维修列车，多辆轨道激光维修车(2)组合配置一辆牵引及控制车(1)亦可组成轨道激光维修列车；轨道激光维修列车可将发电及控制系统(4)、激光器供气系统(14)、激光器冷却系统(16)、激光器供风系统(17)设专车集中配送，如大型的轨道激光维修列车可配专属的发电车。

Claims (9)

1.一种铁路轨道激光维修车，包括牵引及控制车(1)和轨道激光维修车(2)，其特征在于：牵引控制车(1)在铁路轨道车的基础上，增设：牵引及控制系统(3)，发电及控制系统(4)，激光作业总控制台(5)；轨道激光维修车(2)在铁路平板车和铁路客车底盘的基础上，增设：车辆减震系统(6)，激光器减震系统(7)，激光器系统(8)，激光光路及移动数控系统(9)，钢轨面清洗系统(10)，钢轨面吸光材料喷涂系统(11)，涂料烘干系统(12)，监视及照明系统(13)；激光器供气系统(14)，激光器供粉系统(15)，激光器冷却系统(16)，激光器供风系统(17)，激光车车底车厢密封除尘系统(18)；多辆铁路轨道激光维修车可组合成轨道激光维修列车。

2.根据权利要求1所述的轨道激光维修车，其特征在于：设计时速3.6m/h--120Km/h，其中低速段3.6m/h--36Km/h，可均匀设置时速，能使激光束作用点时间一致；牵引及控制车(1)与轨道激光维修车(2)底盘用车钩连在一齐，两车箱间软连接并留有供机务人员进出的车门。

3.根据权利要求1所述的激光作业总控制台，其特征在于，激光作业总控制台(5)由6块分控盘组成：(1)牵引时速控制盘；(2)激光加工作业先前工序作业控制盘；(3)激光器及其附属系统控制盘；(4)发电及控制系统控制盘；(5)监视及照明系统控制盘；(6)激光光路及光路移动数控系统控制盘；6块分控盘统一设计，由计算机集中控制。

4.根据权利要求1所述的钢轨面清洗系统，其特征在于，钢轨面清洗系统(10)包括置于转向架前或后的2个或4个清洗盘或清洗板，清洗盘或板与钢轨接触面设置可更换的有机纤维。

5.根据权利要求1所述的钢轨面吸光材料喷涂及烘干系统，其特征在于：钢轨面吸光材料喷涂系统(11)包括1个储料罐，2个或4个喷嘴分置在光头与车轮间靠近车轮处，风管与激光器供风系统连接；钢轨面涂料烘干系统(12)包括2个或4个红外烘烤或电热风烘烤器，分置在涂料喷嘴与激光光头间靠近涂料喷嘴侧。

6.根据权利要求1所述的激光器系统，其特征在于，激光器系统(8)中的激光器在车平面上的设置位置为：激光器光轴与轨道中心线平行，两台激光器相对并与车辆几何中心斜对称。

7.根据权利要求1所述的监视及照明系统，其特征在于，照明系统(13)由激光车下的照明灯、电缆、控制器组成；监视系统(13)由车下设置的微型摄像头、电缆、控制器、显示器组成。

8.根据权利要求1所述的激光光路及移动数控系统，其特征在于：激光光路及移动数控系统(9)的光路设计，为一面镜将激光在水平面上就近钢轨侧垂直于激光器光轴线转出，在转出的光路上另置一面镜将激光垂直导向钢轨面；激光光路及移动数控系统(9)的光头移动范围，在激光车静止时，光头顺钢轨移动的最大距离1000mm，光头自钢轨面垂直下降的最大工作高度200mm，光头水平移动的最大工作宽度：直线200mm，曲线300mm，辙叉600mm；激光光路及移动数控系统(9)由光路转镜、支架、滑轨、移动装置、光路保护装置、电缆、数控软件、光头组成，能精确地将激光束转到钢轨加工点上；激光车底板上有略大于激光光头活动的平面、由计算机控制开启和密闭的门洞。

9.根据权利要求1所述的铁路轨道激光维修列车，其特征在于：铁路轨道激光维修列车是由多辆激光加工车(2)组合配置一辆牵引及控制车(1)组成轨道激光维修列车；轨道激光维修列车可将发电及控制系统(4)、激光器供气系统(14)、激光器冷却系统(16)、激光器供风系统(17)设专车集中配送。

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