一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置及方法

本发明涉及钢轨打磨，具体为一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置及方法。

背景技术：

1、我国高铁运营里程已处于全球领先地位，随之而来的是艰巨的高铁轨道养护问题。铁路运行过程中，钢轨的主要病害包括波磨、接触疲劳、钢轨片状剥落等，它们也是降低铁路运营效率和行车舒适性的重要影响因素。根据全球高铁轨道养护经验，通过对轨道进行打磨，可以有效控制钢轨病害的发展。

2、目前，轨道打磨的传统方法是使用砂轮磨削轨道外轮廓表面对轨道进行矫形，但这种打磨方法存在以下不足：一是砂轮对钢轨施加压力较大，修复重度病害钢轨时对整体廓型不利；二是砂轮打磨钢轨时，产生热量极大，易烧伤钢轨，造成连续发蓝带；三是砂轮打磨过程中产生大量粉尘烟雾，污染环境；四是砂轮打磨过程中产生大量高温碎屑及火星，火宅隐患大。为了解决上述轨道打磨方法中存在的问题，本技术人提出一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置及方法，以解决现有使用砂轮对轨道进行打磨存在的对轨道整体廓型不利、易烧伤钢轨，造成连续发蓝带、会产生大量粉尘烟雾，污染环境以及火宅隐患大的问题。

2、为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置，包括底座和设置在底座上的行走机构，所述行走机构为电动行走结构，所述行走机构能够带着底座沿所述钢轨的长度方向在钢轨上行走，还包括：

3、磨料水射流单元，包括设置在底座上的水平磨料水射流单元、垂直磨料水射流单元、一号三自由角度磨料水射流单元以及二号三自由角度磨料水射流单元，所述水平磨料水射流单元包括垂直移动装置和水平喷嘴，所述垂直移动装置可带动水平喷嘴在竖直方向上移动；所述垂直磨料水射流单元包括水平移动装置和垂直喷嘴，所述水平移动装置可带动垂直喷嘴在水平方向上移动；所述一号三自由角度磨料水射流单元和二号三自由角度磨料水射流单元的结构相同，所述一号三自由角度磨料水射流单元包括一号三自由度移动装置和一号自由喷嘴，所述一号三自由度移动装置可带动一号自由喷嘴在水平和竖直方向上移动，同时可驱动一号自由喷嘴在轨头截面平面内旋转；

4、磨料供给单元，所述磨料供给单元用于给磨料水射流单元的各喷嘴提供磨料；

5、高压水供给单元，所述高压水供给单元用于给磨料水射流单元的各喷嘴提供高压水；

6、控制单元，所述控制单元与磨料水射流单元、磨料供给单元、高压水供给单元以及行走机构电性相连。

7、可选的，所述垂直移动装置包括伺服电机和竖直设置的滚珠丝杠滑台，所述滚珠丝杠滑台包括安装框、滚珠丝杠、导向光杆和滑台，所述安装框与底座相连，所述滚珠丝杠转动安装在安装框中，所述导向光杆固定安装在安装框中，竖直设置的滚珠丝杠滑台的滚珠丝杠和导向光杆相互平行，且均竖直设置，所述滑台与滚珠丝杠相连，且通过光孔与导向光杆配合相连，所述伺服电机安装在滚珠丝杠滑台的安装框上，且与滚珠丝杠相连，所述水平喷嘴水平安装在垂直移动装置的滑台上。

8、可选的，所述水平移动装置包括伺服电机和水平设置的滚珠丝杠滑台，所述滚珠丝杠滑台包括安装框、滚珠丝杠、导向光杆和滑台，所述安装框与底座相连，所述滚珠丝杠转动安装在安装框中，所述导向光杆固定安装在安装框中，水平设置的滚珠丝杠滑台的滚珠丝杠和导向光杆相互平行，且均水平设置，所述滑台与滚珠丝杠相连，且通过光孔与导向光杆配合相连，所述伺服电机安装在滚珠丝杠滑台的安装框上，且与滚珠丝杠相连，所述垂直喷嘴竖直安装在水平移动装置的滑台上。

9、可选的，所述一号三自由度移动装置包括一个水平移动机构、一个垂直移动机构和一个旋转驱动机构，所述水平移动机构的结构和水平移动装置的结构相同，所述垂直移动机构的结构与垂直移动装置的结构相同，所述垂直移动机构安装在水平移动机构上，所述水平移动机构可带动垂直移动机构在水平方向上移动，所述旋转驱动机构安装在垂直移动机构上，所述垂直移动机构可带动旋转驱动机构在竖直方向上移动；所述一号自由喷嘴安装在旋转驱动机构上，所述旋转驱动机构可驱动一号自由喷嘴在轨头截面平面内旋转。

10、可选的，所述一号三自由度移动装置的旋转驱动机构包括伺服电机和谐波减速器，所述谐波减速器安装在垂直移动机构上，所述伺服电机安装在谐波减速器上，且伺服电机的输出轴与谐波减速器的输入端相连，所述谐波减速器的输出端安装有转轴，所述转轴上安装有角度传感器和安装板，所述一号自由喷嘴安装在一号三自由度移动装置的旋转驱动机构的转轴上设置的安装板上。

11、可选的，所述磨料供给单元包括设置在底座上的空压机和储料罐，所述储料罐中存放有磨料，所述空压机、储料罐以及各喷嘴通过管路连接，所述空压机向储料罐输送压缩空气，将储料罐中的磨料输送至磨料水射流单元的各喷嘴中。

12、可选的，所述高压水供给单元包括设置在底座上的储水罐和直驱泵，所述储水罐、直驱泵以及各喷嘴通过管路连接，所述直驱泵将储水罐中的水加压后输送至磨料水射流单元的各喷嘴中。

13、可选的，所述控制单元包括控制器和存储器，控制器和存储器电性相连，所述控制器也与磨料水射流单元、磨料供给单元、高压水供给单元以及行走机构电性相连，所述控制器选用plc控制器、单片机控制器、计算机中的任意一种，所述存储器中存储有控制程序。

14、可选的，所述磨料水射流单元的四个喷嘴的结构相同，均包括混合管部、喷头部和管接头部，所述管接头部设置有两个，且均设置于混合管部的外壁上，所述喷头部与混合管部相连。

15、按照本发明的第二方面，提供一种磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨方法，应用上面所述的磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置来实现，具体包括以下步骤：

16、s100：根据轨道打磨修复参数计算出磨料水射流单元各喷嘴的运动参数、行走机构的行走速度参数、磨料供给单元的磨料供给速度参数以及高压水供给单元的供水压力参数，并根据各参数设计出控制程序，存入控制单元中；

17、s200：将磨料水射流多喷嘴协同的钢轨打磨装置放置在钢轨上，使得行走机构与钢轨接触，且可沿着钢轨行走；

18、s300：启动控制单元中的控制程序，行走机构、磨料供给单元、高压水供给单元以及磨料水射流单元的各喷嘴根据控制程序自动协同运行，自动完成对钢轨的打磨。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明通过磨料水射流对钢轨进行磨削打磨，因磨料水射流是磨料和水的混合物，属于非接触打磨，同时水可带走打磨过程中产生的大部分热量和粉尘，因此可大幅降低传统砂轮打磨存在的对轨道整体廓型不利、易烧伤钢轨，造成连续发蓝带、会产生大量粉尘烟雾，污染环境以及火宅隐患大等问题。

21、2、在磨料水射流单元的连接管路上合理设置阀门，可使得本发明的四路磨料水射流单元即可协同工作，也可独立工作，有效提高了本发明的使用灵活性。

22、3、本发明可根据轨道打磨的具体要求，调整相应喷头到修复面的距离、角度、水射流参数以及四个喷嘴不同的启停组合方式等，实现多种组合的协同打磨，有效提高了本发明的适用性和使用的多样性。

23、4、本发明设置好控制程序后，可自动按照程序指令完成打磨，本发明具有智能化水平高的优点。

24、5、本发明设置有水平喷嘴、垂直喷嘴和自由喷嘴这三种喷嘴，可通过四路磨料水射流单元同时对钢轨外轮廓进行磨削，可实现钢轨外轮廓一次性矫形，大幅提高了钢轨的修复效率。