[發明專利]一種用于鋼軌表面在線處理的移動式激光加工裝置

有效

• 申請號: 201010114198.8
• 申請日: 2010-02-10
• 公開（公告）號: CN101798789A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 曾曉雁;胡乾午;李重洋
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: E01B31/18
• 分類號: E01B31/18
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于表面強化與修復范疇，涉及一種鋼軌表面在線強韌化處理 和修復的移動式激光加工裝置，適用于鐵路、地鐵和輕軌等軌道運輸用鋼 軌表面的強韌化處理和修復。

背景技術

軌道交通是關系到國計民生的重要交通設施，鋼軌是軌道交通的重要 組成部分。隨著列車速度、運量和軸重的提高，鋼軌的質量和使用壽命也 變得尤為重要。在列車運行中，鋼軌直接承受列車載荷并引導車輪運行， 受到車輪的撞擊和摩擦雙重作用，其磨損十分嚴重，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，已經成為降低鐵路運行 成本，提高鐵路運行效率的關鍵之一。

為了提高鐵道鋼軌的使用壽命，國內外一般采取三種方法：第一，采 用感應全長淬火工藝，獲得細片狀珠光體組織；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 一步提高鋼軌的表面硬度等。在過去幾年中，鋼軌全長淬火技術取得了顯 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，全長淬火技術的主要不足之處在于鋼軌的表面不能夠出現馬氏體甚 至貝氏體組織，否則將大幅度降低鋼軌的斷裂韌性，導致鋼軌在服役過程 中出現斷軌等事故，嚴重影響到鐵道的安全運行。因此，全長淬火后鋼軌 硬度一般控制在Hv320～390之間，其耐磨性潛力的挖掘已經接近極限。低 合金高碳鋼鋼軌與全長淬火技術相結合，可以進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階段，主要的困難 在于如何保證鋼軌的焊接接頭強度問題。

激光表面強化技術是近二十年發展十分迅速的金屬材料表面強化技術 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等工 藝，其共同特點是加熱速度快、熱影響區小、工件變形小，因此有望取代 感應全長淬火工藝，成為新一代的鋼軌表面強化工藝。我們前期的研究成 果表明，由于激光表面強化技術的高加熱速度、高冷卻速度、硬化層深度 有限和硬化層呈現壓應力狀態等特點，鋼軌表面即使出現馬氏體組織，也 不會導致鋼軌的強韌性顯著下降。特別是由于馬氏體組織的硬度顯著高于 細片狀珠光體，因此可以突破感應全長淬火工藝時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階。此外，激光表面淬火 技術具有硬化層深度方便調控、不需要淬火介質、不需要回火、工件變形 小等特點，因此除了可以在生產車間內實現定點加工，還可望研發出專用 移動設備，將設備搬運到鐵路現場，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狀，在線處理的移動式激光加工裝置 應具有高機動性，能夠在盡量不影響列車正常運行的前提下，實現鋼軌表 面強韌化和修復處理。

中國發明專利文獻“一種用于鋼軌表面強韌化處理的在線激光加工設 備”(公告號為CN101240367，公開日為2008年08月13日)報道中，提 出了一種用于鋼軌表面強韌化處理的在線激光加工設備，可以在不拆卸鋼 軌、不影響列車的正常運行前提下，完成各種鋼軌，包括正軌、彎道、護 輪軌、道岔等的激光相變淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆處理，實現鋼軌 的在線強化與修復。該發明將激光加工設備分為激光加工車和動力系統集 裝箱兩部分。其中激光加工車包括安裝在移動小車上的運動執行機構(可 以由小型數控機床、機器人或者光學振鏡組成)，激光加工頭，導光系統和 控制系統；激光加工車采用三輪結構，在兩個車輪的一側安裝了一個激光 加工頭，激光加工頭的光路入光口直接采用傳輸光纖與動力系統集裝箱上 的光纖激光器連接。在實際加工時，激光加工車在控制系統控制下，沿著 軌道方向前進，激光束在導光系統的作用下導向鋼軌表面，由運動執行機 構帶動激光加工頭左右擺動，實現對鋼軌表面的激光強化及修復處理。激 光加工車在加工完一邊軌道后，需將激光加工車調頭換向，對另一邊軌道 進行激光強化及修復處理。

上述專利文獻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單邊鋼軌進行激光強化及修復處理，完成一邊之后須 將激光加工車調頭換向，再對另一邊進行加工，耗時較長，嚴重影響了對 鋼軌實際進行激光處理時的加工效率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于鋼軌表面在線處理的移動式激光加工 裝置，該裝置體積小、重量輕，可以同時在線完成雙軌不同部位的激光表 面強韌化與修復處理，具有操作方便、加工效率高的特點。