智能化钢轨修整打磨设备的制作方法

本发明涉及一种铁路养路机械，具体是一种用于对线路上钢轨进行多机位自动廓形打磨，并具有实时检测钢轨廓形打磨质量功能的智能化钢轨修整打磨设备。

背景技术：

铁路线路上的钢轨承受碾压到一定程度后，其轮廓形状发生改变，轮对和钢轨的接触几何关系恶化，损害运行的平稳性和钢轨使用寿命。因此，我国铁路提速以来，铁路部门高度重视线路钢轨的廓形打磨。目前的廓形打磨，以用小型打磨机作业为主，效率低、精度差；出动大型打磨列车，成本过高，并且不适合局部作业。本发明可以有效的解决问题。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述问题，从而提供一种具有同步检测、自动仿形、多头打磨、实时评估功能的智能化钢轨修整打磨设备。

本发明解决所述问题，采用的技术方案是：

一种智能化钢轨修整打磨设备，包括行走车、廓形检测系统、里程系统、打磨摆臂机构、单片机、plc控制系统和电控柜；廓形检测系统设置在行走车的车体上，由相对钢轨顶面若干特征点布置的多个激光位移传感器组成，各激光位移传感器均与单片机连接，用于将检测至钢轨顶面对应特征点的距离值连续传送至单片机；里程系统设置在行走车的车体一端，由与车轮联动的旋转编码器和工业相机组成，旋转编码器用于记录车轮转动圈数，工业相机用于采集里程碑图像，旋转编码器和工业相机分别与单片机连接，通过单片机推送该设备的位置信息；打磨摆臂机构设置n个且对应两条钢轨分列在行走车的车体两侧，打磨摆臂机构内部分别设置有用于驱动砂轮机升降、横移、偏转、锁紧的步进电机和用于检测砂轮机升降、偏转角度的倾角传感器以及用于检测砂轮机横移量的位移传感器，每个步进电机的驱动器均与plc控制系统连接，倾角传感器和位移传感器分别与单片机连接，从三个维度向单片机提供砂轮机的位置和姿态信息，电控柜内设置有与单片机连接的电流变量传感器，用于向单片机提供砂轮机负载电流变化信息；单片机与plc控制系统连接，为plc控制系统提供指令依据，plc控制系统根据单片机提供的指令操控该设备的走行、调整、打磨的全部动作。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

①本装置不仅能够对线路上钢轨进行多机位自动廓形打磨，还能够实时检测钢轨廓形打磨质量，具有同步检测、自动仿形、多头打磨、实时评估功能。

②与小型打磨机相比，在打磨精度、效率上具有跨代优势；在廓形打磨方面，优势更加显著。

③与打磨列车相比，具有结构紧凑、作业灵活、费效比高的特点，适合铁路局工务段一级施工单位独立使用。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

车体为工字型结构，车体两侧对应两条钢轨分别安装有1/2n个打磨摆臂机构，车体与打磨摆臂机构的箱体，构成工字梁和箱梁的复合结构；车体两端分别设置具有动力的轮对组；轮对组的电动机连接同一个变频器，可联合驱动车体并实现无极调速和同步运行，车体与其中一个轮对组刚性连接，与另一个轮对组铰接，保证在四个轮对在任何情况下，都与钢轨良好接触，该设备的所有单元都由车体承载。

车体前后两端分别设置一套轮廓检测系统，前置的轮廓检测系统用于检测打磨前的钢轨廓形，后置的轮廓检测系统用于检测打磨后的钢轨廓形。

轮廓检测系统的激光位移传感器以钢轨顶面下方的钢轨中线上的点为圆心向心排列，所有激光位移传感器均安装在一个由数控机床加工的框架内，以保证位置正确框架固定安装在车体上。

车体上固定安装有基板，基板上分别安装有弧形导轨、齿条滑动步进电机、压轮和弧形齿条，齿条滑动步进电机的驱动器与plc控制系统连接，齿条滑动步进电机的驱动齿轮与弧形齿条相啮合，弧形齿条通过压轮紧贴在基板上并且能够在齿条滑动步进电机的驱动齿轮的驱动下沿弧形导轨滑动，激光位移传感器均匀布置在弧形齿条上；工作时，齿条滑动步进电机驱动弧形齿条每转动一个角单位时，激光位移传感器采集一次对应特征点的测量数据上传，通过plc控制系统控制齿条滑动步进电机驱动弧形齿条按设定角单位往返转动不断将采集的多个对应特征点的测量数据上传至单片机。

打磨摆臂机构由砂轮机、砂轮机机座、摆臂和架体组成，砂轮机固定安装在砂轮机机座上，砂轮机机座滑动安装在摆臂上，摆臂的后端通过转轴铰接在架体上，架体固定安装在车体上；步进电机包括用于带动摆臂绕转轴转动的升降步进电机、用于带动砂轮机机座在摆臂上滑移的的横移步进电机、用于带动砂轮机机座偏转的偏转步进电机和用于锁紧砂轮机机座的锁紧步进电机。

升降步进电机固定安装在架体上，升降步进电机的驱动轴通过第一滚珠丝杠副与摆臂连接，通过驱动第一滚轴丝杠副带动摆臂绕转轴转动，进而带动砂轮机机座上的砂轮机升降，摆臂上安装有第一倾角传感器，用于向单片机提供摆臂转动角度信息。

摆臂呈箱型结构，横移步进电机固定安装在摆臂的箱体内，箱体内还设置有第二滚珠丝杠副，第二滚珠丝杠副的丝杠一端固接横移步进电机的驱动轴，丝杠另一端通过轴承座安装在箱体内，砂轮机机座设置在第二滚珠丝杠副的滑动螺母上，滑动螺母上安装有拉绳位移传感器，用于向单片机提供砂轮机绕转轴转动升降时半径变化信息；横移步进电机通过驱动第二滚珠丝杠副的丝杠转动，带动滑动螺母上的砂轮机机座横向移动。

偏转步进电机固定安装在箱体上，箱体外设置有第一锁紧六方轴，偏转步进电机的驱动轴通过偏转主动齿轮、偏转从动齿轮/六方套与第一锁紧六方轴连接，用于驱动第一锁紧六方轴转动，第一锁紧六方轴固接有蜗杆，滑动螺母上通过定位螺栓安装有与蜗杆配合的涡轮，砂轮机机座固定安装在涡轮上，砂轮机机座上安装有第二倾角传感器，用于向单片机提供砂轮机偏转角度信息；偏转步进电机通过驱动第一锁紧六方轴和蜗杆转动，带动涡轮上的砂轮机机座偏转。

锁紧步进电机固定安装在箱体上，箱体外设置有第二锁紧六方轴，锁紧步进电机的驱动轴通过锁紧主动齿轮、锁紧从动齿轮/六方套与第二锁紧六方轴连接，用于驱动第二锁紧六方轴转动，第二锁紧六方轴固接有双头螺杆，双头螺杆上设置有旋向相反的螺纹并安装有两个斜面螺母，两个斜面螺母之间设置有拉力螺杆，双头螺杆通过拉力螺杆与滑动螺母连接，双头螺杆与箱体之间设置有与两个斜面螺母配合的斜面滑块；锁紧步进电机通过驱动第二锁紧六方轴和双头螺杆转动，带动两个斜面螺母沿斜面滑块相向移动，通过拉力螺杆锁紧砂轮机与摆臂箱体之间的间隙，进而实现对砂轮机机座的锁紧。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视结构示意图；

图2是本发明实施例1的左视结构示意图；

图3是本发明实施例1的右视结构示意图；

图4是图1中a-a剖面结构示意图；

图5是本发明实施例1的俯视结构示意图；

图6是本发明实施例1的仰视结构示意图；

图7是本发明实施例1车体与轮对铰接的结构示意图；

图8是图7的仰视结构示意图；

图9是本发明实施例1打磨摆臂机构的主视结构示意图；

图10是本发明实施例1打磨摆臂机构的俯视结构示意图；

图11是图10中k向局部放大结构示意图；

图12是图11中b-b剖面结构示意图；

图13是本发明实施例1砂轮机打磨钢轨的结构示意图；

图14是本发明实施例1控制系统的方框图；

图15是本发明实施例1廓形检测系统的结构示意图；

图16是本发明实施例1激光位移传感器的结构示意图；

图17是本发明实施例2廓形检测系统的结构示意图；

图18是图17的剖面侧视结构示意图；

图中：车体a；工业相机b；后置廓形检测系统c；后置轮对组d；打磨监测摄像头e；作业照明灯f；前置轮对组g；前置廓形检测系统h；行车摄像头i；行车照明灯j；静音柴油发电机组k；第一电控柜l；第二电控柜m；n；旋转编码器o；工控显示屏p；视频显示屏r；箱体s；电流变量传感器u；升降步进电机v1；横移步进电机v2；偏转步进电机v3；锁紧步进电机v4；第一倾角传感器w；第二倾角传感器x；拉绳位移传感器y；摆臂z；

第一滚轴丝杠副1；砂轮机机座2；架体3；滑动螺母4；涡轮5；蜗轮壳体6；蜗杆7；锁紧主动齿轮8；锁紧从动齿轮/六方套9；第二锁紧六方轴10；双头螺杆11；拉力螺杆12；斜面螺母13；斜面滑块14；偏转主动齿轮15；偏转从动齿轮/六方套16；第一锁紧六方轴17；砂轮机18；杯型砂轮19；丝杠20；基板21；压轮22；齿条滑动步进电机23；驱动齿轮24；弧形齿条25；弧形导轨26；激光位移传感器27；框架28。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

实施例1：

参见图1至图16，一种智能化钢轨修整打磨设备，包括行走车、廓形检测系统、里程系统、打磨摆臂机构、单片机、plc控制系统和电控柜。

行走车的车体a为工字型结构，车体a两侧对应两条钢轨分别安装有6个打磨摆臂机构，车体a与打磨摆臂机构的箱体j，构成工字梁和箱梁的复合结构；车体a前后两端分别设置具有动力的前置轮对组g和后置轮对组d；其电动机由同一个变频器控制，可联合驱动车体a并实现无极调速和同步运行，车体a与其中一个轮对组刚性连接，与另一个轮对组铰接，保证在4个轮对在任何情况下，都与钢轨良好接触，该设备的所有单元都由车体a承载。

廓形检测系统由沿钢轨中线、以钢轨顶面下60mm处为圆心、半径300mm、向心排列的12个激光位移传感器27组成，各激光位移传感器27均与单片机连接，作业时，各激光位移传感器27连续检测至钢轨顶面对应特征点的距离，测量值连续传送至单片机，生成被检测钢轨顶部的轮廓图形，用于与单片机内部储存的标准的钢轨廓形比对，得出误差值；所有激光位移传感器27均安装在一个由数控机床加工的框架28内，以保证位置正确，框架28固定安装在车体a上；车体a前后两端分别设置一套轮廓检测系统，前置轮廓检测系统h通过单片机检测打磨前的钢轨廓形误差值，后置轮廓检测系统c通过单片机检测钢轨打磨后的质量。

里程系统设置在行走车的车体a一端，由与车轮联动的旋转编码器o和工业相机b组成，旋转编码器o用于记录与车轮转动圈数对应的行程，工业相机b用于采集里程碑图像，确定该设备在线路上的行走里程，并消除旋转编码器o因车轮滑动产生的误差，旋转编码器o和工业相机b分别与单片机连接，两者联合工作，提供该设备准确的位置信息；

打磨摆臂机构设置12个且对应两条钢轨分列在行走车的车体a两侧，打磨摆臂机构内部分别设置有用于驱动砂轮机升降、横移、偏转、锁紧的步进电机和用于检测砂轮机升降、偏转角度的倾角传感器以及用于检测砂轮机横移量的位移传感器，每个步进电机的驱动器均与plc控制系统连接，倾角传感器和位移传感器分别与单片机连接，从三个维度向单片机提供砂轮机的位置和姿态信息，电控柜内设置有与单片机连接的电流变量传感器u，用于向单片机提供砂轮机负载电流变化信息；

打磨摆臂机构由砂轮机18、砂轮机机座2、摆臂z和架体3组成，砂轮机18选用y100-2电动机，砂轮机18固定安装在砂轮机机座2上，砂轮机机座2滑动安装在摆臂z上，摆臂z的后端通过转轴铰接在架体3上，架体3固定安装在车体a上；步进电机包括用于带动摆臂z绕转轴转动的升降步进电机v1、用于带动砂轮机机座2在摆臂z上滑移的的横移步进电机v2、用于带动砂轮机机座2偏转的偏转步进电机v3和用于锁紧砂轮机机座2的锁紧步进电机v4；这四台步进电机受plc层级控制。

升降步进电机v1固定安装在架体3上，升降步进电机v1的驱动轴通过第一滚珠丝杠副1与摆臂z连接，通过驱动第一滚轴丝杠副1带动摆臂z绕转轴转动，进而带动砂轮机机座2上的砂轮机18升降，摆臂z上安装有第一倾角传感器w，用于向单片机提供摆臂z转动角度信息。

摆臂z呈箱型结构，横移步进电机v2固定安装在摆臂z的箱体内，箱体内还设置有第二滚珠丝杠副，第二滚珠丝杠副的丝杠20一端固接横移步进电机v2的驱动轴，丝杠20另一端通过轴承座安装在箱体内，砂轮机机座2设置在第二滚珠丝杠副的滑动螺母4上，滑动螺母4上安装有拉绳位移传感器y，用于向单片机提供砂轮机18绕转轴转动升降时半径变化信息；横移步进电机v2通过驱动第二滚珠丝杠副的丝杠20转动，带动滑动螺母4上的砂轮机机座2横向移动。

偏转步进电机v3固定安装在箱体上，箱体外设置有第一锁紧六方轴17，偏转步进电机v3的驱动轴通过偏转主动齿轮15；偏转从动齿轮/六方套16与第一锁紧六方轴17连接，用于驱动第一锁紧六方轴17转动，第一锁紧六方轴17固接有蜗杆7，滑动螺母4上通过定位螺栓安装有与蜗杆7配合的涡轮5，砂轮机机座2固定安装在涡轮5上，砂轮机机座2上安装有罩在涡轮5外的涡轮壳体6，砂轮机机,2上安装有第二倾角传感器x，用于向单片机提供砂轮机18偏转角度信息；偏转步进电机v3通过驱动第一锁紧六方轴17和蜗杆7转动，带动涡轮5上的砂轮机机座2偏转。

锁紧步进电机v4固定安装在箱体上，箱体外设置有第二锁紧六方轴10，锁紧步进电机v4的驱动轴通过锁紧主动齿轮8；锁紧从动齿轮/六方套9与第二锁紧六方轴10连接，用于驱动第二锁紧六方轴10转动，第二锁紧六方轴10固接有双头螺杆11，双头螺杆11上设置有旋向相反的螺纹并安装有两个斜面螺母13，两个斜面螺母13之间设置有拉力螺杆12，双头螺杆11通过拉力螺杆12与滑动螺母4连接，双头螺杆11与箱体之间设置有与两个斜面螺母13配合的斜面滑块14；锁紧步进电机v4通过驱动第二锁紧六方轴10和双头螺杆11转动，带动两个斜面螺母13沿斜面滑块14相向移动，通过拉力螺杆12锁紧砂轮机18与摆臂z箱体之间的间隙，进而实现对砂轮机机座2的锁紧。

电控柜包括设置在驾驶室内外的第一电控柜l和第二电控柜m，单片机硬件部分安装在第二电控柜m中，有多种数据流汇入单片机的数据存储模块，包括：（1）廓形检测系统提供的钢轨廓形检测信息；（2）里程系统提供的定点信息；（3）嵌入在打磨机构内，第一倾角传感器w（升降）、第二倾角传感器x（偏转）和一组位拉绳移传感器y（横移）提供的，打磨机构空间位置信息；（4）电流变量传感器u提供的打磨电机e负载电流变化的信息；有多种数据储存在单片机的数据存储模块，包括：（1）各种规格钢轨的标准廓形；（2）打磨摆臂机构的空间位置参数；（3）打磨作业模式，即预防性打磨、修理性打磨、廓形（断面）打磨；综合处理以上信息，为plc控制系统提供操控依据。

plc控制系统硬件部分安装在第二电控柜m中。其架构是，plc子系统——plc核心系统——显示屏；12个plc子系统，各对应控制一个打磨摆臂机构中的4台步进电机，完成打磨摆臂机构升降、横移、偏转、锁紧等动作；显示屏由工控显示屏p和视频显示屏r组成，plc核心系统连接工控显示屏p和视频显示屏r，通过工控显示屏p和视频显示屏r，对12个plc子系统集中控制。

车体a上前置有行车摄像头i和行车照明灯j，用于对行车前方进行视频监测，车体a的下端还设置有用于观察打磨作业的打磨监测摄像头e和作业照明灯f，车体a上还设置有静音柴油发电机组k，静音柴油发电机组k为设备提供全部电力。

本设备中：廓形检测系统，由激光位移传感器27对钢轨顶部若干个特征点实时检测，通过单片机生成钢轨断面图形，与储存的钢轨标准图形比对，得出待打磨钢轨廓形误差值，提供打磨作业数据；里程系统，由车轮联动的旋转编码器o与工业相机b结合，通过单片机推送该设备的位置信息；单片机对汇入的钢轨廓形信息、打磨摆臂机构位置姿态信息、里程信息、打磨电机负载变化等信息进行运算处理，为plc控制系统提供指令依据；plc控制系统，通过屏显终端，操控该设备走行、调整、打磨的全部动作；在摆臂式的打磨机构中，集成了步进电机驱动的升降、横移、偏转、锁紧功能，并嵌入了多个位移传感器和倾角传感器，向单片机反馈砂轮机18及其上的杯型砂轮19的位置姿态信息；车体a中部为工字型结构，两端各设一组自带动力的轮对，形成四轮（组）驱动的布局，其中一个轮组与工字结构的联结方式为铰接+螺栓联结，保证所有轮对在行走时与钢轨踏面接触；全部电力由车载的静音柴油发电机组k提供。

本发明工作方式是：

第一步，吊装进入现场；

第二步，启动静音柴油发电机组，进行电力准备；

第三步，开启plc控制系统，各打磨摆臂机构自动复位；

第四步，开启打磨电机电源，打磨电机逐个启动；

第五步，开启走行系统，车体逐步加速至打磨走行速度；

第六步，操作plc工控终端选择轨型、作业模式；

第七步，完成对刀，自动打磨；

第八步，自动检测打磨质量，完成评估；

第九步，吊装撤离现场。

实施例2：

参见图17、图18，与实施例1的结构不同之处为：激光位移传感器27设置3个，车体a上固定安装有基板21，基板21上分别安装有弧形导轨26、齿条滑动步进电机23、压轮23和弧形齿条25，齿条滑动步进电机23的驱动器与plc控制系统连接，齿条滑动步进电机23的驱动齿轮24与弧形齿条25相啮合，弧形齿条25通过压轮22紧贴在基板21上并且能够在齿条滑动步进电机24的驱动齿轮24的驱动下沿弧形导轨26滑动，3个激光位移传感器27镶嵌在弧形齿条25上，之间各相距4个角单位（1个角单位=8.6°）；工作时，齿条滑动步进电机24驱动弧形齿条25每转动一个角单位时，激光位移传感器27采集一次对应特征点的测量数据上传至单片机，转动4个角单位后，既完成对12个特征点的测量，然后plc控制系统控制齿条滑动步进电机23实现换向，按上述程序进行下一轮测量，过plc控制系统控制齿条滑动步进电机23驱动弧形齿条25按设定角单位往返转动不断将采集的多个对应特征点的测量数据上传至单片机。

本装置不仅能够对线路上钢轨进行多机位自动廓形打磨，还能够实时检测钢轨廓形打磨质量，具有同步检测、自动仿形、多头打磨、实时评估功能；与小型打磨机相比，在打磨精度、效率上具有跨代优势；在廓形打磨方面，优势更加显著；与打磨列车相比，具有结构紧凑、作业灵活、费效比高的特点，适合铁路局工务段一级施工单位独立使用。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。