專利名稱：一種用于鋼軌表面在線處理的移動(dòng)式激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于表面強(qiáng)化與修復(fù)范疇，涉及一種鋼軌表面在線強(qiáng)韌化處理和修復(fù) 的移動(dòng)式激光加工裝置，適用于鐵路、地鐵和輕軌等軌道運(yùn)輸用鋼軌表面的強(qiáng)韌化處理和 修復(fù)。
背景技術(shù)：
軌道交通是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要交通設(shè)施，鋼軌是軌道交通的重要組成部分。 隨著列車速度、運(yùn)量和軸重的提高，鋼軌的質(zhì)量和使用壽命也變得尤為重要。在列車運(yùn)行 中，鋼軌直接承受列車載荷并引導(dǎo)車輪運(yùn)行，受到車輪的撞擊和摩擦雙重作用，其磨損十分 嚴(yán)重，特別是小半徑曲線軌道、道岔、尖軌等處。如何提高鋼軌的使用壽命，已經(jīng)成為降低鐵 路運(yùn)行成本，提高鐵路運(yùn)行效率的關(guān)鍵之一。為了提高鐵道鋼軌的使用壽命，國(guó)內(nèi)外一般采取三種方法第一，采用感應(yīng)全長(zhǎng)淬 火工藝，獲得細(xì)片狀珠光體組織；第二，采用低合金高碳鋼取代普通碳素鋼；第三，采用貝 氏體鋼或者低碳馬氏體鋼取代高碳鋼，進(jìn)一步提高鋼軌的表面硬度等。在過去幾年中，鋼軌 全長(zhǎng)淬火技術(shù)取得了顯著的效果，它使鋼軌的耐磨性分別提高了 50% (直道)和100% (彎 道)。然而，全長(zhǎng)淬火技術(shù)的主要不足之處在于鋼軌的表面不能夠出現(xiàn)馬氏體甚至貝氏體組 織，否則將大幅度降低鋼軌的斷裂韌性，導(dǎo)致鋼軌在服役過程中出現(xiàn)斷軌等事故，嚴(yán)重影響 到鐵道的安全運(yùn)行。因此，全長(zhǎng)淬火后鋼軌硬度一般控制在Hv320 390之間，其耐磨性潛 力的挖掘已經(jīng)接近極限。低合金高碳鋼鋼軌與全長(zhǎng)淬火技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高鋼軌 耐磨性，但效果不顯著。低碳馬氏體鋼軌和貝氏體鋼軌尚處于研發(fā)階段，主要的困難在于如 何保證鋼軌的焊接接頭強(qiáng)度問題。激光表面強(qiáng)化技術(shù)是近二十年發(fā)展十分迅速的金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，它包 括激光相變淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技術(shù)等工藝，其共同特點(diǎn)是加熱速度 快、熱影響區(qū)小、工件變形小，因此有望取代感應(yīng)全長(zhǎng)淬火工藝，成為新一代的鋼軌表面強(qiáng) 化工藝。我們前期的研究成果表明，由于激光表面強(qiáng)化技術(shù)的高加熱速度、高冷卻速度、硬 化層深度有限和硬化層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)等特點(diǎn)，鋼軌表面即使出現(xiàn)馬氏體組織，也不會(huì)導(dǎo) 致鋼軌的強(qiáng)韌性顯著下降。特別是由于馬氏體組織的硬度顯著高于細(xì)片狀珠光體，因此可 以突破感應(yīng)全長(zhǎng)淬火工藝時(shí)鋼軌表面硬度不能高于Hv390的上限，使得鋼軌的表面耐磨性 躍上新臺(tái)階。此外，激光表面淬火技術(shù)具有硬化層深度方便調(diào)控、不需要淬火介質(zhì)、不需要 回火、工件變形小等特點(diǎn)，因此除了可以在生產(chǎn)車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)加工，還可望研發(fā)出專用移 動(dòng)設(shè)備，將設(shè)備搬運(yùn)到鐵路現(xiàn)場(chǎng)，在不拆卸鋼軌的前提下，完成軌道的在線淬火。顯然，考慮到鐵路干線繁忙的現(xiàn)狀，在線處理的移動(dòng)式激光加工裝置應(yīng)具有高機(jī) 動(dòng)性，能夠在盡量不影響列車正常運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)鋼軌表面強(qiáng)韌化和修復(fù)處理。中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)“一種用于鋼軌表面強(qiáng)韌化處理的在線激光加工設(shè)備”(公告號(hào) 為CN101240367，
公開日為2008年08月13日)報(bào)道中，提出了一種用于鋼軌表面強(qiáng)韌化 處理的在線激光加工設(shè)備，可以在不拆卸鋼軌、不影響列車的正常運(yùn)行前提下，完成各種鋼軌，包括正軌、彎道、護(hù)輪軌、道岔等的激光相變淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆處理，實(shí)現(xiàn)鋼 軌的在線強(qiáng)化與修復(fù)。該發(fā)明將激光加工設(shè)備分為激光加工車和動(dòng)力系統(tǒng)集裝箱兩部分。 其中激光加工車包括安裝在移動(dòng)小車上的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(可以由小型數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人或 者光學(xué)振鏡組成)，激光加工頭，導(dǎo)光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；激光加工車采用三輪結(jié)構(gòu)，在兩個(gè) 車輪的一側(cè)安裝了一個(gè)激光加工頭，激光加工頭的光路入光口直接采用傳輸光纖與動(dòng)力系 統(tǒng)集裝箱上的光纖激光器連接。在實(shí)際加工時(shí)，激光加工車在控制系統(tǒng)控制下，沿著軌道方 向前進(jìn)，激光束在導(dǎo)光系統(tǒng)的作用下導(dǎo)向鋼軌表面，由運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)激光加工頭左右 擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面的激光強(qiáng)化及修復(fù)處理。激光加工車在加工完一邊軌道后，需將激光 加工車調(diào)頭換向，對(duì)另一邊軌道進(jìn)行激光強(qiáng)化及修復(fù)處理。上述專利文獻(xiàn)所提出激光加工車的主要不足之處為加工效率較低，激光加工車一 次只能對(duì)單邊鋼軌進(jìn)行激光強(qiáng)化及修復(fù)處理，完成一邊之后須將激光加工車調(diào)頭換向，再 對(duì)另一邊進(jìn)行加工，耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了對(duì)鋼軌實(shí)際進(jìn)行激光處理時(shí)的加工效率。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于鋼軌表面在線處理的移動(dòng)式激光加工裝置， 該裝置體積小、重量輕，可以同時(shí)在線完成雙軌不同部位的激光表面強(qiáng)韌化與修復(fù)處理，具 有操作方便、加工效率高的特點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的一種用于鋼軌表面在線處理的移動(dòng)式激光加工裝置，包括小車 和導(dǎo)光系統(tǒng)，以及安裝在小車上的控制系統(tǒng)，其特征在于該移動(dòng)式激光加工裝置還包括第 一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)；第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同；第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)均包括激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，擺桿，擺動(dòng)軸，連接座，激光加工頭和鏡座；兩個(gè)激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別安裝在小車的車身的兩側(cè)，其輸出端的一端與擺桿 的上端連接、擺桿的下端與擺動(dòng)軸的一端連接，擺動(dòng)軸的另一端與激光加工頭的一端連接， 擺動(dòng)軸安裝在連接座上，連接座固定在車身上；激光加工頭的另一端與鏡座的一端連接，鏡 座的另一端入口連接導(dǎo)光系統(tǒng)與外部的激光器連接；控制系統(tǒng)分別與激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和激光加工頭電連接，控制激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)和激光加工頭按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型提供的移動(dòng)式激光加工裝置可以利用軌道檢修的“天窗口”時(shí)間作業(yè)， 同時(shí)在線完成雙軌不同部位的激光表面強(qiáng)韌化與修復(fù)處理，包括直線鋼軌、曲線鋼軌、護(hù)輪 軌、道岔等，可以實(shí)現(xiàn)鋼軌的激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆、激光合金化、激光毛 化和激光沖擊強(qiáng)化處理等。本實(shí)用新型的移動(dòng)式激光加工裝置具有如下功能特點(diǎn)(1)本實(shí)用新型移動(dòng)式激光加工裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，利用人工就可以將其搬 運(yùn)到所需要的位置；(2)采用專門的控制系統(tǒng)，操控方便；(3)可以利用軌道檢修的“天窗口 ”時(shí)間作業(yè)，在線完成線路上指定區(qū)域鋼軌的表 面強(qiáng)化和修復(fù)處理。(4)移動(dòng)式激光加工裝置可以在軌道上同時(shí)對(duì)雙軌的不同部位進(jìn)行激光表面強(qiáng)韌 化及修復(fù)處理。由于不同線路鋼軌需要強(qiáng)化的部位不同，因此，本實(shí)用新型移動(dòng)式激光加工裝置可以處理的鋼軌部位如下所述(a)直線軌道A、B的處理部位如圖Ia所示，在直線軌 道上只需處理鋼軌踏面中間的I、II兩個(gè)部位；(b)曲線軌道C、D的處理部位如圖Ib所示， 曲線軌道包括曲線段、道岔和轍叉中的基本軌、尖軌、叉芯等。在曲線軌道上需處理的部位 為上股軌C的踏面I和內(nèi)側(cè)面III、下股軌D的踏面II ；共3個(gè)部位。(c)有護(hù)輪軌E、F 的軌道G、H的處理部位如圖Ic所示，在有護(hù)輪軌的線路上，需處理雙軌的踏面、內(nèi)側(cè)面和護(hù) 輪軌的內(nèi)側(cè)面，共6個(gè)部位。當(dāng)線路為道岔型曲線軌道時(shí)，則E、F護(hù)輪軌上的V、VI兩個(gè)部 位只需處理其中之一。(5)本實(shí)用新型提供的移動(dòng)式激光加工裝置有兩個(gè)激光加工頭，其導(dǎo)光系統(tǒng)可以 采用單入口的，即采用一根傳導(dǎo)光纖，一端與外部的激光器的出光口連接，另一端與移動(dòng)式 激光加工裝置的一個(gè)激光加工頭的入光口連接。激光束通過傳導(dǎo)光纖從外部激光器出光口 傳輸至一個(gè)激光加工頭的入光口，再通過光路設(shè)計(jì)將激光束通過光學(xué)鏡片的作用傳輸至出 另一個(gè)激光加工頭的入光口，最后作用到鋼軌表面。本實(shí)用新型還可以采用雙入口的導(dǎo)光系統(tǒng)，雙入口導(dǎo)光系統(tǒng)即對(duì)應(yīng)采用兩根傳導(dǎo) 光纖，兩根傳導(dǎo)光纖的一端均與外部的激光器的出光口連接，另一端分別與兩個(gè)激光加工 頭的入光口連接。激光束分別通過兩根傳導(dǎo)光纖從外部激光器出光口傳輸至兩個(gè)激光加工 頭的入光口。(6)本實(shí)用新型中的激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分有多種結(jié)構(gòu)形式，可以是伺服電機(jī) 和凸輪機(jī)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，或是單獨(dú)的伺服電機(jī)，還可以是數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人；另外，通過設(shè) 計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)還可以人工調(diào)節(jié)激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)。(7)本實(shí)用新型激光加工頭的光束作用方式有如下兩種(a)激光光束經(jīng)過振鏡后在鋼軌工作部位上按照一定方向進(jìn)行擺動(dòng)；(b)激光光束經(jīng)過固定的積分鏡后直接作用在鋼軌的工作部位。當(dāng)采用7a的結(jié)構(gòu)方式時(shí)，激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可采用伺服電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)的組 合結(jié)構(gòu)，或單獨(dú)的伺服電機(jī)，或數(shù)控機(jī)床，或機(jī)器人。激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振鏡使激光 束在鋼軌工作部位上按照一定方向進(jìn)行擺動(dòng)，擺動(dòng)的角度范圍為-60° 60°范圍。根據(jù) 鋼軌位置的實(shí)際需要，通過控制激光加工頭的擺動(dòng)頻率與幅度、激光加工車的運(yùn)動(dòng)速度、激 光器的輸出功率及頻率，激光束可在鋼軌表面上產(chǎn)生連續(xù)的激光硬化層，也可以產(chǎn)生不連 續(xù)的、具有一定形狀的硬化層，如直線狀，曲線狀或點(diǎn)陣等。當(dāng)采用7b的結(jié)構(gòu)方式時(shí)，激光加工頭固定在車身上，激光加工頭隨車的前進(jìn)、后 退在鋼軌上作直線運(yùn)動(dòng)。激光束經(jīng)光學(xué)組合鏡作用，由一束變成5束、6束或多束激光束，通 過激光加工頭直接作用在鋼軌的工作部位上，可得到一組有規(guī)律排列的點(diǎn)陣激光作用區(qū)或 者線狀掃描硬化區(qū)，其中點(diǎn)陣或者線狀硬化區(qū)的排列方式可通過調(diào)節(jié)光學(xué)組合鏡的位置來 變換實(shí)現(xiàn)。根據(jù)鋼軌位置的實(shí)際需要，通過控制激光加工車的運(yùn)動(dòng)速度、激光器的輸出功率 及頻率，激光束可在鋼軌表面上產(chǎn)生不連續(xù)的、具有一定形狀的點(diǎn)陣排列的硬化層，也可以 是連續(xù)掃描呈搭接狀態(tài)或者分離狀態(tài)的線狀掃描硬化區(qū)。(8)本實(shí)用新型中的激光加工頭可以與車身縱梁一起隨支架上下、橫向移動(dòng)，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑尺寸的控制，以及改變激光加工頭與鋼軌的相對(duì)位置。另外，激光加工頭還 可以與縱梁一起隨支架內(nèi)外翻轉(zhuǎn)一定角度，其翻轉(zhuǎn)角度范圍為-85° +85°，當(dāng)支架垂直 直立時(shí)，激光加工頭垂直于鋼軌踏面，即可對(duì)鋼軌踏面進(jìn)行激光處理；當(dāng)支 通過旋轉(zhuǎn)軸向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，激光加工頭通過激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，也相應(yīng)地向內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)一 定角度，使激光加工頭對(duì)準(zhǔn)鋼軌的內(nèi)側(cè)面，則可以完成鋼軌內(nèi)側(cè)面的激光處理。(9)本實(shí)用新型提供的移動(dòng)式激光加工裝置位于鋼軌兩側(cè)的車輪之間是絕緣狀 態(tài)，從而避免了對(duì)鐵路信號(hào)的干擾。通過在車輪與車輪軸之間安裝絕緣橡膠墊，使兩側(cè)的車 輪隔離絕緣。另外第一、第二后軸驅(qū)動(dòng)輪之間的距離可隨兩鋼軌間的距離的變化而自適應(yīng) 調(diào)整，保證第一、第二后軸驅(qū)動(dòng)輪的輪緣始終緊貼靠鋼軌內(nèi)側(cè)。

圖1不同線路狀況的雙軌表面需激光處理部位的示意圖，其中，(Ia)直線軌道A、 B ； (Ib)曲線軌道，C-上股軌，D-下股軌；(Ic)有護(hù)輪軌E、F的直線軌道G、H ；圖2是本實(shí)用新型的激光移動(dòng)式激光加工裝置的一種形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型所使用的小車1的一種具體形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的左視圖；圖5是車身5的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是車身5的四分之一部位的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖6的左視圖；圖8是本實(shí)用新型的移動(dòng)式激光加工裝置的一種具體結(jié)構(gòu)形式的主視圖；圖9是圖8的左視圖；圖10是圖8中的激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)32的結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖11是第一運(yùn)動(dòng)組件2的各部件的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖12 (12a)是對(duì)應(yīng)圖10中軸套74的位置狀態(tài)示意圖，(12b)為(12a)中的軸套 74轉(zhuǎn)動(dòng)180°后的位置狀態(tài)示意圖；圖13是移動(dòng)式激光加工裝置的后軸驅(qū)動(dòng)輪7與車輪軸8的連接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖；圖14是5種形式激光光路的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過借助附圖和實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本實(shí)用新型，但以下實(shí)施例僅是說明 性的，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。本實(shí)用新型提供的移動(dòng)式激光加工裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括小車1、導(dǎo)光系統(tǒng) 4、以及安裝在小車1上的第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2和2’和控制系統(tǒng)3小車1可以為三輪，四輪，或六輪結(jié)構(gòu)，以四輪結(jié)構(gòu)為例，如圖3，4所示，小車1的 結(jié)構(gòu)為車身5上分別安裝有兩個(gè)前輪14，以及第一、第二后軸驅(qū)動(dòng)輪6和7，齒輪減速機(jī) 10固定在車身5的底部，齒輪減速機(jī)10的輸入軸通過齒輪與后輪驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)9 (圖3中 虛線所指處為后輪驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)9的位置)的輸出軸連接，齒輪減速機(jī)10的兩個(gè)輸出軸 (也可以采用一根通軸，該通軸的兩端)分別通過兩個(gè)萬向聯(lián)軸節(jié)11與兩個(gè)車輪軸8的一 端連接，兩個(gè)車輪軸8的另一端分別與第一、第二后軸驅(qū)動(dòng)輪6、7連接。小車1通過其上的 前輪14、后軸驅(qū)動(dòng)輪6和7和軌道12、13配合，并通過后輪驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)9和齒輪減速機(jī) 10來驅(qū)動(dòng)小車1沿鋼軌的長(zhǎng)度方向前后移動(dòng)。[0046]如圖5所示，車身5為前后對(duì)稱、左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其底部框架為矩形四根支架161、 162、163和164分別對(duì)稱安裝在底部框架上，四根旋轉(zhuǎn)軸181、182、183和184的一端分別安 裝在四根支架161、162、163和164上，另一端分別安裝在底部框架的兩根橫梁201和202 上，縱梁171分別安裝在支架161、162之間，縱梁172分別安裝在支架163、164之間。本實(shí) 用新型中，縱梁定義為平行于鋼軌方向的梁；橫梁定義為垂直于鋼軌方向的梁。由于車身5結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱、左右對(duì)稱，故下面以車身5的四分之一部位來說明車身 5上的零部件的連接結(jié)構(gòu)關(guān)系。車身5為前后對(duì)稱、左右對(duì)稱的四個(gè)部分組成的結(jié)構(gòu)，下面 以其中一個(gè)部分的結(jié)構(gòu)來說明車身5上的零部件的連接結(jié)構(gòu)關(guān)系。如圖6、7所示，支架161 通過L型連接塊241、螺母151和螺母211可拆卸式安裝在底部框架的橫梁201的端部，當(dāng) 松開橫梁201上螺母211時(shí)，支架161可以在橫梁201方向上移動(dòng)。縱梁171通過螺母221 可拆卸式安裝在圖5所示的兩根支架161、162上。當(dāng)松開螺母221時(shí)，縱梁171可沿著支 架161、162上下滑動(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸181的一端通過螺母191與底部框架上的橫梁201相連，另一 端安裝在支架161的滑套241上。旋轉(zhuǎn)軸181、支架161和橫梁201呈三角形架構(gòu)，可起到 穩(wěn)定的支撐作用。旋轉(zhuǎn)軸181上的螺母191松開時(shí)，并松開螺母151，可輕松將支架161在 三角形架構(gòu)所在的平面內(nèi)繞螺母151翻轉(zhuǎn)一定角度，其翻轉(zhuǎn)角度范圍為-85° +85°。第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2和2’的結(jié)構(gòu)相同，均分別安裝在車身5的兩根縱梁 171、172上，下面以第一運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2來說明運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。如圖8，9所示，第一運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2主要包括激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)32 (圖8、9中 矩形虛線框所指處)，擺桿35，擺動(dòng)軸36，連接座38，激光加工頭31 (圖9中橢圓虛線框所 指處)和鏡座39。激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)32可以是伺服電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，也可以是單獨(dú) 的伺服電機(jī)，還可以是數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人。圖8、9中的激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)32是由伺服電機(jī)331和凸輪機(jī)構(gòu)341組成。凸 輪機(jī)構(gòu)341的輸出端與激光加工頭31的一端通過擺桿35和擺動(dòng)軸36連接，激光加工頭31 的另一端與鏡座39的一端連接，鏡座39的另一端入口連接傳輸光纖。導(dǎo)光系統(tǒng)4通過傳輸光纖將激光束從外部激光器的出光口傳輸?shù)界R座39的入口， 再經(jīng)鏡座39內(nèi)的光學(xué)鏡片的作用將激光束傳輸?shù)郊す饧庸ゎ^31的入光口，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光 系統(tǒng)4的光路傳輸。控制系統(tǒng)3控制激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)32和激光加工頭31按照設(shè)定的 軌跡運(yùn)動(dòng)。由于第一運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2通過螺母固定安裝在縱梁171上，則激光加工頭31可以 與縱梁171 —起沿支架161上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑尺寸的控制；激光加工頭31與 縱梁171還可以隨支架161 —起在橫梁201上移動(dòng)，從而改變激光加工頭31與鋼軌12的 相對(duì)位置。另外，激光加工頭31還可以與縱梁171—起隨支架161內(nèi)外翻轉(zhuǎn)一定角度，其 翻轉(zhuǎn)角度范圍為-85° +85°，從而可以完成鋼軌12內(nèi)側(cè)的激光表面處理。下面舉例說明各部件的幾種具體實(shí)現(xiàn)方式。下面結(jié)合圖10，11，12來說明第一運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)2中各部件間的連接結(jié)構(gòu)以及運(yùn)
動(dòng)原理。如圖10所示，伺服電機(jī)331通過聯(lián)軸器72與凸輪機(jī)構(gòu)341的輸入軸73連接，輸 入軸73通過鍵槽安裝有軸套74，軸套74上分別有一道圓環(huán)凹槽和橢圓環(huán)凹槽，其中，軸套74在橢圓環(huán)凹槽處通過軸承75與推軸76的一端配合連接，在圓環(huán)形凹槽處通過軸承80與 推軸81的一端配合連接，推軸81的另一端通過其上的螺紋通孔與滾動(dòng)絲桿79的一端配合 連接，滾動(dòng)絲桿79的另一端光桿處固定安裝有手柄78。另外，推軸76和推軸81外分別設(shè) 有導(dǎo)向槽77和導(dǎo)向槽82。當(dāng)在圖10中凸輪機(jī)構(gòu)341的推軸76的空置一端安裝上擺桿35時(shí)，S卩如圖11所 示。凸輪機(jī)構(gòu)341的推軸76的一端與擺桿35的上端通過軸承配合連接，擺桿35的下端通 過其上的通孔與擺動(dòng)軸36的一端配合連接，擺動(dòng)軸36的另一端通過螺釘安裝有激光加工 頭31。其中，擺動(dòng)軸36通過軸承安裝在固定于縱梁171上的連接座38上，則連接座38對(duì) 擺動(dòng)軸36以及與擺動(dòng)軸36 —端連接的擺桿35的下端起到限位支撐的作用，擺動(dòng)軸36以 及擺桿35的下端不能做滑移運(yùn)動(dòng)，只能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作狀態(tài)時(shí)，如圖10所示，伺服電機(jī)331通過聯(lián)軸器72帶動(dòng)輸入軸73旋轉(zhuǎn)，軸套 74則隨輸入軸73轉(zhuǎn)動(dòng)。在軸套74由圖12a所示位置轉(zhuǎn)動(dòng)180°到圖12b所示位置的過程 中，由于橢圓環(huán)凹槽的作用，推軸76則在導(dǎo)向槽77內(nèi)向左滑移，直到圖12b所示位置；當(dāng)軸 套74繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，則軸套74由圖12b所示位置旋轉(zhuǎn)返回到圖12a所示的位置，則推 軸76在導(dǎo)向槽77內(nèi)向右滑移，回到圖12a的起始位置。如圖11所示，當(dāng)軸套74連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連接在推軸76 一端的擺桿35上端隨推軸 76 一起左右來回滑動(dòng)，由于擺桿35下端和擺動(dòng)軸36 —起受到連接座38的束縛，不能做滑 移運(yùn)動(dòng)，只能在擺桿35上端左右滑移的帶動(dòng)下作左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則固定連接在擺動(dòng)軸36另 一端的激光加工頭31隨擺動(dòng)軸36 —起作左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其左右旋轉(zhuǎn)角度范圍為-60° 60°，從而實(shí)現(xiàn)激光加工頭31沿鋼軌橫向方向左右擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。另外，如圖10所示，還可以通過手柄78手動(dòng)調(diào)節(jié)激光加工頭31運(yùn)動(dòng)的起始位置。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)手柄78時(shí)，由于滾動(dòng)絲桿79的作用，推軸81可在導(dǎo)向槽82內(nèi)左右滑動(dòng)，從而帶動(dòng) 與推軸81 —端連接的軸套74在輸入軸73上作軸向滑動(dòng)，而軸套74又進(jìn)一步帶動(dòng)與之連 接的推軸76以及安裝在推軸76上的激光加工頭31左右滑移，從而實(shí)現(xiàn)了通過手柄78的 旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)激光加工頭31的運(yùn)動(dòng)起始位置的功能。圖13為車輪軸8與后軸驅(qū)動(dòng)輪7連接的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖。如圖13所示，車輪軸8通 過其上的鍵槽安裝有軸套48，軸套48與后軸驅(qū)動(dòng)輪7之間安裝有絕緣橡膠墊46，其中絕緣 橡膠墊46通過螺釘47固定在后輪驅(qū)動(dòng)輪7上，通過鍵45與軸套48聯(lián)接，其中，由于鍵45 的作用，絕緣橡膠墊46以及與絕緣橡膠墊46采用螺釘固定連接的后軸驅(qū)動(dòng)輪7 —起相對(duì) 于軸套48徑向固定，軸向可滑動(dòng)。軸套48的兩端分別安裝有第一、二軸承組件42、42，，第一、二軸承組件42、42，均 固定在與車身5固定連接的連接架41上，其中靠近第一軸承主件42的一端的軸套48上安 裝有擋套43，且擋套43隨第一軸承組件42以及連接架41 一起相對(duì)車身5固定不動(dòng)。另 外，在軸套48上套有壓縮狀態(tài)的彈簧44，彈簧44的一端緊靠絕緣橡膠墊46，另一端緊靠擋 套43。為了使移動(dòng)式激光加工裝置對(duì)鋼軌進(jìn)行激光處理時(shí)，不對(duì)鐵路正常運(yùn)行的信號(hào)有 所影響，要求激光加工裝置對(duì)兩鋼軌之間保持絕緣，因此，本方案中采用絕緣橡膠墊46分 別將后軸驅(qū)動(dòng)輪6、后軸驅(qū)動(dòng)輪7、兩前輪14與所連接的車輪軸8隔離，使后軸驅(qū)動(dòng)輪6、后 軸驅(qū)動(dòng)輪7、兩前輪14四者之間均為絕緣狀態(tài)。上述結(jié)構(gòu)保證了與后軸驅(qū)動(dòng)輪6、后軸驅(qū)動(dòng)輪7、兩前輪14相接觸的兩鋼軌12、13之間為絕緣狀態(tài)。由于實(shí)際的鋼軌之間的平行度存在一定的誤差，容易導(dǎo)致移動(dòng)式激光加工裝置對(duì) 鋼軌激光加工的位置發(fā)生偏離，所以必須對(duì)實(shí)際的鋼軌間距進(jìn)行間隙補(bǔ)償。當(dāng)兩鋼軌12與 13間的距離有所增大時(shí)，后軸驅(qū)動(dòng)輪7的輪緣與鋼軌13內(nèi)側(cè)之間則會(huì)產(chǎn)生間隙，由于彈簧 44靠近擋套43的一端固定不動(dòng)，則彈簧44會(huì)向另一端伸長(zhǎng)，從而對(duì)絕緣橡膠墊46和后軸 驅(qū)動(dòng)輪7產(chǎn)生一個(gè)向鋼軌外側(cè)的推力，后軸驅(qū)動(dòng)輪7和絕緣橡膠墊46 —起則在這個(gè)推力之 下在軸套48上滑動(dòng)，向鋼軌13的內(nèi)側(cè)緊靠過來，消除后軸驅(qū)動(dòng)輪7輪緣與鋼軌13的內(nèi)側(cè) 之間的間隙，從而確保鋼軌激光加工的部位是所要求強(qiáng)化的區(qū)段。當(dāng)兩鋼軌12與13間的 距離有所減小時(shí)，鋼軌13則對(duì)后軸驅(qū)動(dòng)輪7的輪緣產(chǎn)生一個(gè)向鋼軌內(nèi)側(cè)方向的推力，由于 彈簧44靠近擋套43的一端固定不動(dòng)，另一端則在這個(gè)推力作用之下，進(jìn)一步向靠近擋套43 的一端壓縮，通過彈簧44的壓縮，從而消除了鋼軌13對(duì)后軸驅(qū)動(dòng)輪7的向鋼軌內(nèi)側(cè)方向的 擠壓推力，減輕了鋼軌13和后軸驅(qū)動(dòng)輪7間的摩擦和接觸疲勞損傷。因此，通過彈簧44的 伸縮，后軸驅(qū)動(dòng)輪7能隨鋼軌12、13間的距離的變化而自適應(yīng)調(diào)整位置，使其輪緣始終貼靠 在鋼軌13的內(nèi)側(cè)，從而保證移動(dòng)式激光加工裝置對(duì)鋼軌激光加工部位的準(zhǔn)確性。本實(shí)用新型裝置的激光光路有以下幾種方式，圖8，圖9中激光加工頭31、31’和導(dǎo) 光系統(tǒng)4的激光光路的不同實(shí)施方式見圖14。如圖14a所示，導(dǎo)光系統(tǒng)4采用一根傳導(dǎo)光纖的單入口方式的光路傳輸，它包括傳 導(dǎo)光纖、分光鏡52和反光鏡57。第一非球面反射聚焦鏡54與其外套的鏡筒371 (圖9中的鏡筒371)構(gòu)成一個(gè)激 光加工頭31，第二非球面反射聚焦鏡54’與其外套的鏡筒371構(gòu)成另一個(gè)激光加工頭31’。由傳導(dǎo)光纖輸入的激光束51，經(jīng)分光鏡52后得到第一、第二分束激光53、53’，第 一分束激光53經(jīng)反光鏡57反射，再經(jīng)其中第一非球面反射聚焦鏡54后得到聚焦光束，最 后作用到其中一根鋼軌56的表面。第二分束激光53’直接經(jīng)第二非球面反射聚焦鏡54’ 后得到聚焦光束，作用到的另一根鋼軌56’表面。如圖14b所示，導(dǎo)光系統(tǒng)4如圖14a所示，激光加工頭31依次由透射聚焦鏡58和 反射鏡60構(gòu)成，其外套有鏡筒371 ；激光加工頭31’依次由透射聚焦鏡58’和反射鏡60’構(gòu) 成，其外套有鏡筒371。由導(dǎo)光系統(tǒng)4輸入到激光加工頭31入口的激光束“先經(jīng)透射聚焦 鏡58再經(jīng)反射鏡60”作用于鋼軌上。如圖14c所示，導(dǎo)光系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)如圖14a所示，激光加工頭31依次由反射鏡60 和透射聚焦鏡58構(gòu)成，其外套有鏡筒371 ；激光加工頭31’依次由反射鏡60’和透射聚焦 鏡58 ‘構(gòu)成，其外套有鏡筒371。由導(dǎo)光系統(tǒng)4輸入到激光加工頭31入口的激光束“先經(jīng) 反射鏡60再經(jīng)透射聚焦鏡58”作用于鋼軌上。如圖14d所示，導(dǎo)光系統(tǒng)4包括傳導(dǎo)光纖、分光鏡52以及兩個(gè)反射鏡57、57’構(gòu)成， 激光加工頭31、31，的結(jié)構(gòu)如圖14a所示。由傳導(dǎo)光纖輸入的激光束51通過分光鏡52中間分光，經(jīng)過第一、第二反射鏡57、 57’后得到反射光束，再經(jīng)過第一、第二非球面反射聚焦鏡54、54’后得到聚焦光束，最后作 用到第一、第二鋼軌56、56’表面。所圖14e所示，導(dǎo)光系統(tǒng)4僅由兩根傳導(dǎo)光纖構(gòu)成，激光加工頭31、31’的結(jié)構(gòu)如 圖14a所示。[0074]由兩根傳導(dǎo)光纖輸入的第一、第二激光束51、51’分別經(jīng)第一、第二非球面聚焦鏡 54,54'得到聚焦光束，最后作用到第一、第二鋼軌56、56’表面。本實(shí)施例的光路也可采用 圖13b和圖13c中的反射鏡60和透射聚焦鏡58，來實(shí)現(xiàn)激光光路的傳輸。圖14a、14b、14c、14d對(duì)應(yīng)的單入口導(dǎo)光系統(tǒng)和圖14e的雙入口導(dǎo)光系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的移 動(dòng)式激光加工裝置的結(jié)構(gòu)完全相同(如圖8和圖9所示)，只是采用的傳導(dǎo)光纖數(shù)和光學(xué)鏡 片有所不同。本實(shí)用新型不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附 圖公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本實(shí)用新型，因此，凡是采用本實(shí)用新 型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求一種用于鋼軌表面在線處理的移動(dòng)式激光加工裝置，包括小車和導(dǎo)光系統(tǒng)，以及安裝在小車上的控制系統(tǒng)，其特征在于該移動(dòng)式激光加工裝置還包括第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)(2、2’)；第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)(2、2’)的結(jié)構(gòu)相同；第一、第二運(yùn)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)(2、2’)均包括激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(32)，擺桿(35)，擺動(dòng)軸(36)，連接座(38)，激光加工頭(31)和鏡座(39)；兩個(gè)激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(32)分別安裝在小車(1)的車身(5)的兩側(cè)，其輸出端的一端與擺桿(35)的上端連接、擺桿(35)的下端與擺動(dòng)軸(36)的一端連接，擺動(dòng)軸(36)的另一端與激光加工頭(31)的一端連接，擺動(dòng)軸(36)安裝在連接座(38)上，連接座(38)固定在車身(5)上；激光加工頭(31)的另一端與鏡座(39)的一端連接，鏡座(39)的另一端入口連接導(dǎo)光系統(tǒng)(4)與外部的激光器連接。控制系統(tǒng)(3)分別與激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(32)和激光加工頭(31)電連接，控制激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(32)和激光加工頭(31)按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (32)為伺服電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)(331)通過聯(lián)軸器(72)與凸輪機(jī)構(gòu) (341)的輸入軸(73)連接，輸入軸(73)通過鍵槽安裝有軸套(74)，軸套(74)上分別有一 道圓環(huán)凹槽和橢圓環(huán)凹槽，其中，軸套(74)在橢圓環(huán)凹槽處通過軸承(75)與推軸(76)的 一端配合連接，在圓環(huán)形凹槽處通過軸承(80)與推軸(81)的一端配合連接，推軸(81)的 另一端通過其上的螺紋通孔與滾動(dòng)絲桿(79)的一端配合連接，滾動(dòng)絲桿(79)的另一端光 桿處固定安裝有手柄(78)；另外，推軸(76)和推軸(81)外分別設(shè)有導(dǎo)向槽(77)和導(dǎo)向槽 (82)；凸輪機(jī)構(gòu)(341)的推軸(76)的一端與擺桿(35)的上端通過軸承配合連接，擺桿(35) 的下端通過其上的通孔與擺動(dòng)軸(36)的一端配合連接，激光加工頭(31)安裝在擺動(dòng)軸 (36)的另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于小車⑴為四輪機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為車身(5)上分別安裝有兩個(gè)前輪(14)，以及第一、第 二后軸驅(qū)動(dòng)輪(6) (7)，齒輪減速機(jī)(10)固定在車身(5)的底部，齒輪減速機(jī)(10)的輸入軸 通過齒輪與后輪驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(9)的輸出軸連接，齒輪減速機(jī)(10)的輸出軸通過萬向聯(lián)軸 節(jié)(11)與兩個(gè)車輪軸(8)的一端連接，兩個(gè)車輪軸(8)的另一端分別與第一、第二后軸驅(qū) 動(dòng)輪(6、7)連接；車身(5)的底部框架為矩形，第一至第四支架(161、162、163、164)分別對(duì)稱安裝在 底部框架上，第一至第四旋轉(zhuǎn)軸(181、182、183、184)的一端分別安裝在第一至第四支架 (161、162、163、164)上，另一端分別安裝在底部框架的第一、第二橫梁(201、202)上，第一 縱梁(171)分別安裝在第一、第二支架(161、162)之間，第二縱梁(172)分別安裝在第三、 第四支架(163,164)之間；車身(5)為前后對(duì)稱、左右對(duì)稱的四個(gè)部分組成的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)部分的結(jié)構(gòu)為第一 支架(161)通過L型連接塊(241)和第一、第二螺母(151、211)可拆卸式安裝在底部框架 的橫梁(201)的端部，縱梁(171)通過第三螺母(221)可拆卸式安裝第一、第二支架(161、 162)上；第一旋轉(zhuǎn)軸(181)的一端通過第四螺母(191)與底部框架上的橫梁(201)相連，另一端安裝在第一支架(161)的滑套(241)上；第一旋轉(zhuǎn)軸(181)、第一支架(161)和第一 橫梁(201)呈三角形架構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于車輪軸(8)通過其上的 鍵槽安裝有軸套(48)，軸套(48)與后軸驅(qū)動(dòng)輪(7)之間安裝有絕緣橡膠墊(46)，其中絕緣 橡膠墊(46)固定在后輪驅(qū)動(dòng)輪(7)上，通過鍵(45)與軸套(48)聯(lián)接；軸套(48)的兩端分別安裝有第一、二軸承組件(42、42’)，第一、二軸承組件(42、42’) 均固定在與車身(5)固定連接的連接架(41)上，其中靠近第一軸承主件(42)的一端的軸 套(48)上安裝有擋套(43)，另外，在軸套(48)上套有壓縮狀態(tài)的彈簧(44)，彈簧(44)的 一端緊靠絕緣橡膠墊(46)，另一端緊靠擋套(43)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于第一、第二激 光加工頭均由非球面反射聚焦鏡與其外套的鏡筒構(gòu)成；導(dǎo)光系統(tǒng)(4)采用一根傳導(dǎo)光纖的 單入口方式的光路傳輸，它包括傳導(dǎo)光纖、分光鏡(52)和反光鏡(57)；由傳導(dǎo)光纖輸入的激光束(51)，經(jīng)分光鏡(52)后得到第一、第二分束激光(53、53’)， 第一分束激光(53)經(jīng)反光鏡(57)反射，再經(jīng)過第一激光加工頭中的非球面反射聚焦鏡后 得到聚焦光束，第二分束激光(53’ )直接經(jīng)過第二激光加工頭中的非球面反射聚焦鏡到聚 焦光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于第一、第二激光加工 頭均由非球面反射聚焦鏡與其外套的鏡筒構(gòu)成；導(dǎo)光系統(tǒng)(4)包括傳導(dǎo)光纖、分光鏡(52) 以及兩個(gè)反射鏡(57、57’ )構(gòu)成；由傳導(dǎo)光纖輸入的激光束(51)通過分光鏡(52)中間分 光，經(jīng)過第一、第二反射鏡(57、57’ )后得到反射光束，再分別經(jīng)過第一、第二激光加工頭中 的非球面反射聚焦鏡后得到聚焦光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的移動(dòng)式激光加工裝置，其特征在于第一、第二激 光加工頭均由非球面反射聚焦鏡與其外套的鏡筒構(gòu)成；導(dǎo)光系統(tǒng)(4)僅由兩根傳導(dǎo)光纖構(gòu) 成，由兩根傳導(dǎo)光纖輸入的第一、第二激光束(51、51’ )再分別經(jīng)過第一、第二激光加工頭 中的非球面反射聚焦鏡得到聚焦光束。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于鋼軌表面激光強(qiáng)韌化處理及修復(fù)用的在線雙工位激光移動(dòng)式激光加工裝置，具體包括雙工位激光移動(dòng)式激光加工裝置、兩套激光加工頭、兩套激光束運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和導(dǎo)光系統(tǒng)。本實(shí)用新型的激光移動(dòng)式激光加工裝置體積小、重量輕，適宜于人工搬運(yùn)；采用專門的控制系統(tǒng)，操控方便；可以利用軌道檢修的“天窗口”時(shí)間作業(yè)，同時(shí)在線完成雙軌多個(gè)不同部位的激光表面強(qiáng)韌化處理與修復(fù)，包括直線鋼軌、曲線鋼軌、護(hù)輪軌、道岔等的激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆、激光合金化、激光毛化和激光沖擊強(qiáng)化處理等，使強(qiáng)化后的鋼軌耐磨性大幅度延長(zhǎng)。本實(shí)用新型的在線雙工位激光移動(dòng)式激光加工裝置具有加工效率高、移動(dòng)方便、加工精度高、操控簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E01B31/18GK201648895SQ20102011943
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者曾曉雁, 李重洋, 胡乾午 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)