本发明专利技术公开了一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，包括激光加工车和动力系统集装箱。激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构、激光加工头、和／或控制系统及送粉器；动力系统集装箱包括安装在集装箱体内的发电机、制冷机、空压机、冷干机和激光器高压电源。激光加工头安装在运动执行机构上；激光加工头直接或者通过导光系统与激光器相连。本发明专利技术可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆处理，使加工后的钢轨耐磨性大幅度延长，并具有装卸简便、加工精度高、操控简单的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面强化与修复技术，涉及一种实现钢轨表面强韧化和修复处理的在 线激光加工设备，尤其适用于铁路、地铁和轻轨的钢轨表面强韧化处理。
技术介绍
随着列车速度、运量和轴重的提高，钢轨因为磨损失效的速率越来越快，因钢轨损 伤而导致的列车脱轨事故时而发生。我国每年用于更换和维修损伤钢轨的直接费用达数 十亿元人民币。高速、重载列车对列车的运行平稳性和安全性有更高的要求，钢轨的耐磨性更好、 使用寿命更长是其中的关键因素之一。对普通铁路运行线路来说，钢轨的损伤主要表现 为孔裂、轨头垂直和水平裂纹、擦伤、淬火裂纹、轨腰圆弧纵裂、核伤、剥离掉块及鱼 鳞纹等。对无缝线路来说，钢轨的损伤主要表现为焊接接头损伤、轨头垂直和水平裂纹、 孔裂、擦伤、剥离掉块及鱼鳞纹、轨腰圆弧纵裂和核伤等，主要是由于列车运输过程中 轨、轮的摩擦磨损、疲劳磨损等原因所致。迄今为止，如何有效缓解和消除这些轨道伤 损还没有行之有效的解决办法，只有采用直接更换钢轨的方式，使得铁路运营成本居高 不下。随着我国铁路第六次大提速的实现和四纵四横铁路主干线建设项目的启动，铁路运 营高速化、重载化已成为加快我国铁路运输业发展的必然趋势。然而，在现有轨道条件 下，机车轴重、运行速度和强度的提高将进一步縮短铁路基础部件的使用寿命和维修周 期，钢轨检修和列车运行安全也将面临严峻挑战，并成为制约我国进一步提高轨道运输 能力的瓶颈。仅仅是铁路工务部门每年用于更换道岔部分主要部件(如尖轨、护轮轨、 基本轨、岔心)所涉及到的钢轨材料费、人工费就数量惊人，加上更换正线、弯道及其 它部分所造成的直接经济损失，和因为铁道维修影响列车运输导致运能不足所带来的间 接经济损失，其值更是难以估量。因此，进一步提高铁路轨道的使用寿命成为我国发展 高速、重载列车的必要保障。为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法第一，采用感应全长淬 火工艺，获得细片状珠光体组织；第二，采用低合金高碳钢取代普通碳素钢；第三，采 用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进一步提高钢轨的表面硬度等。在过去几年 中，钢轨全长淬火技术取得了显著的效果，它使钢轨的耐磨性分别提高了 50% (直道) 和100% (弯道)。然而，全长淬火技术的主要不足之处在于钢轨的表面不能够出现马氏 体甚至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程中出现断 轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火后钢轨硬度一般控制在Hv320 390之间，其耐磨性潜力的挖掘己经接近极限。低合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结 合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但效果不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于 研发阶段，主要的困难在于如何保证钢轨的焊接接头强度问题。激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化技术之一，它包括 激光相变淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺，其共同特点是加热速度 快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表 面强化工艺。我们前期的研究成果表明，由于激光表面强化技术的高加热速度、高冷却 速度、硬化层深度有限和硬化层呈现压应力状态等特点，钢轨表面即使出现马氏体组织， 也不会导致钢轨的强韧性显著下降。特别是由于马氏体组织的硬度显著高于细片状珠光 体，因此可以突破感应全长淬火工艺时钢轨表面硬度不能高于Hv390的上限，使得钢轨 的表面耐磨性跃上新台阶。此外，激光表面淬火技术具有硬化层深度方便调控、不需要 淬火介质、不需要回火、工件变形小等特点，因此除了可以在生产车间内实现定点加工， 还可望研发出专用装备，完成轨道的在线淬火。显然，考虑到铁路干线繁忙的现状，在线激光加工设备应具有高机动性，能够在尽 量不影响列车正常运行的前提下，实现轨道表面强韧化和修复加工处理。中国技术专利文献"一种铁路轨道激光维修车"(公告号为CN2622241，公开日为2004年06月30日)报道中，提出了一种铁路轨道激光维修车，它可以在不拆卸钢 轨的前提下，实现钢轨的在线强化与修复。该文献提出的铁路轨道激光维修车包括牵引 及控制车和轨道作业车两部分。牵引控制车是在铁路轨道车的基础上改制的，主要区别 在于在铁路轨道车的司机位置处设有激光作业总控制台；轨道作业车是在铁路客车的基 础上改制完成的，其上设置有一台或两台大功率C02激光器。当设置一台激光器时，激 光器位于作业车中央，用一面分光镜将激光束平分为两束水平光束，并分别通过两面垂直镜将激光束导向钢轨面。当设置两台激光器时，两台激光器相对，并与车辆几何中心 对称或斜对称，激光光路设计上分别用两面水平镜将激光束就近垂直于激光器光轴线传 出，再分别用两面垂直镜将激光束导向钢轨面。激光光路和数控系统的设置可精确地将 激光束传输到钢轨加工点上，具体由光路转镜、支架、滑轨、移动装置、光路保护装置、 电缆、数控软件、光头组成。为了保证轨道激光加工作业的顺利完成，轨道激光修复车 除了激光器系统、激光光路及移动数控系统之外，还有车辆减震系统、激光器减震系统、 钢轨面清洗系统、钢轨面吸光材料喷涂系统、涂料烘干系统、激光器供气系统、激光器 供粉系统、激光器冷却系统、激光器供风系统、激光车车体、监视及照明系统、车厢密 封除尘系统等。根据上述描述，可以看出，该文献所提出的激光修复专用车具有如下几 个不足第一，激光器、制冷机、加工装置等设备的运载工具是用轨道车和车厢改制而成的， 重量大，体积大，只能够沿着铁路线运动，占用了轨道。因此，该设备在钢轨表面激光 强韧化处理时，难以有效避让过往车辆，不能满足在铁路干线正常运营条件下实现钢轨 表面激光强韧化的处理要求。第二，该设备采用高功率C02激光器作为光源，无论是横流C02激光器还是快轴流 激光器，其光电转换效率相对较低，体积庞大，重量大，耗能也大。加上C02激光器对 光腔的稳定性要求高，因此牵引车和修复车必须具有良好的抗震性，必须添加防震装置， 这也进一步增加了设备的重量。第三，C02激光器的波长为10.6微米，金属基体对其吸收率很低，必须喷涂吸光涂料才能获得较好的效果。不仅增加了激光加工的工序，所需要的涂料喷涂、烘干和清洗 设备也使得整个激光维修设备的重量和体积更加庞大。第四，所采用的C02激光器导光系统复杂，只能采用飞行光路并通过机械紧固，激光修复车运行过程中产生的震动会不可避免地对光路的精密性造成影响，降低激光加工过程的长期稳定性；第五，整个激光加工设备需要采用大马力柴油机牵引，耗能大，体积大，设备的造 价也相当昂贵。即使采用电气化线路沿线的电力线，也存在着连线、断线操作工序复杂 等种种弊端，适用性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，该设备 操控方便，装卸运输简便，可以在不影响列车正常运行的前提下，在线实现轨道不同部 位的激光表面强化及修复处理。本专利技术提供的用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，其特征在于它包括激光加工车和动力系统集装箱；激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构；运动执行机构为数控机床和机器人时，激光加工头活动安装在运动执行机构上，运动执行机构为伺服电机时，激光加工头活动安装在移动小车上；动力系统集装箱包括安装在集本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，其特征在于：它包括激光加工车（１）和动力系统集装箱（２）； 激光加工车（１）包括安装在移动小车（３）上的运动执行机构（５）；运动执行机构（５）为数控机床和机器人时，激光加工头（４）活动安装在运动执行机构（５）上，运动执行机构（５）为伺服电机时，激光加工头（４）活动安装在移动小车（３）上； 动力系统集装箱（２）包括安装在集装箱体内的制冷机（１１）、空压机（１２）、冷干机（１３）和激光器高压电源（１４）； 激光器（７）为光纤激光器、二极管泵浦固体激光器或灯泵浦固体激光器时，激光器（７）安装在所述集装箱体内；激光器（７）为半导体激光器时，激光器（７）安装在移动小车（３）上或所述集装箱体内；激光器（７）的出光口通过导光系统（６）与激光加工头（４）的入光口光路连接；激光器高压电源（１４）与激光器（７）电连接，为其提供产生激光所需要的直流高压电能； 制冷机（１１）为激光器（７）及导光系统（６）和激光加工头（４）上的光学镜片提供冷却； 空压机（１２）的一个出风口通过管道与冷干机（１３）的入风口相连通，冷干机（１３）的一个出风口通过管道与激光加工头（４）相连； 控制系统（９）安装在移动小车（３）上或集装箱体内；控制系统（９）分别与制冷机（１１）、空压机（１２）、冷干机（１３）、激光器高压电源（１４）、激光器（７）和运动执行机构（５）电连接；控制系统（９）控制制冷机（１１）、空压机（１２）、冷干机（１３）、激光器高压电源（１４）和激光器（７）的开、关，控制系统（９）控制运动执行机构（５）和激光加工车（１）按照设定的轨迹运动。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，胡乾午，王泽敏，高明，李祥友，王具平，杨学瑾，罗建国，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉铁路局科学技术研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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