水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置及姿态调节计算方法与流程

1.本发明涉及喷头高度自适应装置，具体涉及一种水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置及姿态控制调节方法。


背景技术：

2.随着高铁、地铁等轨道交通的不断发展，高速度、高密度行车下钢轨养护维修成为世界性难题，伤损周期短、使用寿命低、运维费用高成为轨道维护行业的痛点。现有的轨道修复技术主要采用砂轮打磨，但是砂轮打磨会导致钢轨表面受热改性，且打磨的效率低、作业环境差。采用加工效率高、绿色无污染、且加工无热影响的高压水射流钢轨打磨技术进行钢轨修复则不存在以上问题。
3.高压水射流加工过程为非接触式，喷头与钢轨间距离的远近对打磨效果会产生十分明显的影响，现有技术中一些高压水射流喷头设计为悬空形式，独立于钢轨之外，当钢轨表面存在高低不平时，难以精确和及时调整喷头与钢轨间距离及姿态，影响打磨质量。
4.为了保持打磨后钢轨表面的一致性和均匀性，设计一种能够针对钢轨变化自适应定位的喷头高度实时调整系统对高压水射流钢轨打磨技术的实现和应用具有十分重要的意义。
5.发明的内容
6.本发明要解决的是当钢轨表面存在高低不平时，现有技术中高压水射流喷头难以精确和及时调整喷头与钢轨间距离及姿态，影响打磨质量的问题。
7.为了解决上述问题，本发明提供一种水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置，包括支撑缓冲组件、喷头安装组件、可调喷头组件及控制装置；
8.所述支撑缓冲组件的数量不少于4个，固定均匀布置于喷头安装组件的下端两侧且每侧支撑缓冲组件的数量相同，每个支撑缓冲组件包括滚轮组件、支撑腿架、侧向定位轮组件,所述支撑腿架包括缓冲装置及设置于缓冲装置下端的滚轮架，滚轮组件设置于支撑腿架内且可在钢轨上端面滚动；缓冲装置可以在遇到钢轨局部凸起或凹陷时，保持系统位置稳定，不产生较大波动；
9.所述可调喷头组件布置于喷头安装组件的两侧，每侧的可调喷头组件数量不少于1个，每个可调喷头组件包括喷头升降板、用于驱动喷头升降板升降的升降驱动装置、喷头升降板下端固定设置有安装板调节电机，所述安装板调节电机的旋转输出端固定设置有喷头安装板，所述喷头安装板的下端设置有喷头调节电机，喷头调节电机的旋转输出端固定设置有喷头；
10.所述控制装置通过有线或无线的方式与喷头调节电机、安装板调节电机及升降驱动装置连接并控制它们的动作。
11.进一步的，所述支撑腿架的外侧边还设置有侧向定位轮组件，侧向定位轮组件包括侧向定位轮杆及侧向定位轮，侧向定位轮套置于侧向定位轮杆下端，并可沿钢轨侧边滚动。
12.进一步的，所述缓冲装置为缓冲气缸或缓冲弹簧。
13.进一步的，所述喷头安装组件为架设于缓冲装置上的镂空板架，所述升降驱动装置设置于板架的每个镂空处的两侧，喷头升降板穿过镂空板架后与喷头安装板连接。
14.进一步的，所述滚轮组件包括两个轮子，转轴，两个轴承，轴中间存在定位轴肩。
15.进一步的，所述升降驱动装置为可内嵌轴杆的直线电机。
16.进一步的，所述喷头调节电机通过喷头夹持架与喷头固定连接。
17.进一步的，所述喷头夹持架为带缺口的空心柱状体，其缺口处设置自锁螺钉，通过自锁螺钉可控制缺口的开度大小，从而实现对喷头的夹持和锁紧。
18.总体而言，通过本发明的所构思的以上设计方案与现有系统相比，能够取得下列有益效果：
19.(1)本发明的水射流修复钢轨的水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置，通过机械形式的钢轨自适应组件中轮组与侧向定位轮在钢轨上的自定位，在面对钢轨形状、高度发生变化时，刚性连接的机械结构使得喷头可以跟随变化，保证喷头与钢轨间距离保持不变或变化很小，可形成稳定、均匀的打磨表面，以提高高压水射流钢轨打磨技术的稳定性及实用性。
20.(2)本发明的水射流修复钢轨的水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置，通过喷头调节电机与直线电机的配合，可输出满足打磨需求的喷头位置和角度，利用多个喷头组合，实现轨道的仿形打磨；
21.(3)本发明的水射流修复钢轨的水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置，在轮组安装架上设置缓冲伸缩架，当面临钢轨的局部凸起或凹陷时，钢轨自适应组件不发生大的位置波动，提高系统的稳定性。
附图说明
22.图1是本发明较佳实施例的整体结构示意图；
23.图2是图1的侧视结构示意图；
24.图3是本发明较佳实施例的轮组结构拆解图；
25.图4是本发明较佳实施例支撑腿架结构示意图；
26.图5是本发明较佳实施例喷头夹持架结构示意图；
27.图6是本发明较佳实施例喷头初始位置及姿态调节控制示意图；
28.图中附图标记分别表示：1-钢轨、2-滚轮组件、21-轮子、22-转轴、23
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轴承、3-喷头调节电机、4-支撑腿架、41-镂空板架、5-喷头安装组件、6
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定位轮组件、61-侧向定位轮杆、62-侧向定位轮、7-喷头、8-喷头安装板、 9-安装板调节电机、10-升降驱动装置、11-喷头升降板、12-喷头夹持架、121
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自锁螺钉、13-控制装置。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的，并不用于限定本发明的。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.请参考图1-图3，一种水射流修复钢轨的高度自适应喷头装置，包括支撑缓冲组件、喷头安装组件、可调喷头组件及控制装置；
31.所述支撑缓冲组件的数量不少于4个，固定均匀布置于喷头安装组件的下端两侧且每侧支撑缓冲组件的数量相同，每个支撑缓冲组件包括滚轮组件2、支撑腿架4、侧向定位轮组件6,所述支撑腿架4包括缓冲装置41 及设置于缓冲装置下端的滚轮架42；滚轮架42呈倒u型结构，下端开有轴孔，所述滚轮组件2包括两个轮子21，转轴22，两个轴承23，轴中间存在定位轴肩；滚轮组件2设置于支撑腿架4内且可在钢轨上端面滚动；缓冲装置41优选采用缓冲气缸或缓冲弹簧，可以在遇到钢轨局部凸起或凹陷时，保持系统位置稳定，不产生较大波动；
32.所述可调喷头组件布置于喷头安装组件的两侧，每侧的可调喷头组件数量不少于1个，每个可调喷头组件包括喷头升降板11、用于驱动喷头升降板升降的升降驱动装置10(例如采用可内嵌轴杆的直线电机)，喷头升降板11下端固定设置有安装板调节电机9，所述安装板调节电机9的旋转输出端固定设置有喷头安装板8，所述喷头安装板8的下端设置有喷头调节电机3，喷头调节电机3的旋转输出端固定设置有喷头7；
33.请参考图4，所述支撑腿架4的外侧边还设置有侧向定位轮组件6，侧向定位轮组件6包括侧向定位轮杆61及侧向定位轮62，侧向定位轮62套置于侧向定位轮杆61下端，并可沿钢轨侧边滚动。
34.所述喷头安装组件为架设于缓冲装置41上的镂空板架，所述升降驱动装置10设置于板架的每个镂空处，喷头升降板11穿过镂空板架后与喷头安装板8连接。所述控制装置安装于喷头安装组件上，通过有线(镂空板架可设计为空心结构，内部可走线)或无线的方式与喷头调节电机3、安装板调节电机9及升降驱动装置10连接并控制它们的动作。
35.请参考图5，作为优选的方案，所述喷头调节电机3通过喷头夹持架 12与喷头固定连接(以夹持方式)。具体的喷头夹持架12为带缺口的空心柱状体，其缺口处设置自锁螺钉121，通过自锁螺钉121可控制缺口的开度大小，从而实现对喷头的夹持和锁紧。
36.请参考图6，基于上述高度自适应喷头装置，本发明还提供了一种姿态控制调节计算方法，将喷头调节组件相对关系简化，以钢轨上顶中间为坐标原点，b点为安装板调节电机9旋转输出轴处坐标为(0,yb)，a点为当前打磨点，坐标为(a,b)，已知靶距s、喷头长度l及喷头角度θ，通过已知数据求解喷头调节电机i、ii的旋转量以及直线电机控制喷头升降板的移动量，以致喷头调节至需求位置及姿态，方便钢轨打磨工作的开展；
37.设喷头的旋转中心q的坐标为(xq,yq)，喷头升降板的末端p坐标为(0, y
p
)，由：
[0038][0039]
求出q点坐标后，由以下公式求解p点坐标及喷头调节电机ii的转动角度；
[0040][0041]
其中，l为安装板调节电机(9)旋转输出轴和喷头调节电机(3)旋转输出轴之间的
直线距离，α为喷头安装板(8)与喷头升降板之间的夹角，由喷头角度θ减去喷头调节电机ii的旋转角度α得到喷头调节电机i的旋转角度；通过以上方法调节所有喷头至所需初始位置。
[0042]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明的，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。