轮副的轮轴及相应的超声检测方法与流程

本发明涉及轨道车辆领域，尤其涉及被设计成便于其超声检测的轮辐的轮轴。

背景技术：

在轨道工程中，术语“轮副”用于表示包含两个车轮以及相应的连接轴或轮轴的构件组合。

轨道轮副将轨道车辆支撑在轨道上。因此，列车会施加连续的机械应力和热应力至各个轮副的车轮和轮轴。

轨道线的车辆负载、行驶条件以及很小的裂缝，会引起货车发生颠簸以及碰撞压舱物或者其它物料，进而产生机械应力。列车在其途中以及在昼夜之间所遭受的连续变化的外部温度和湿度会产生热应力。

所述机械应力和热应力会导致裂缝在轮轴上扩展。为了防止裂缝在轮轴内产生并扩散以致发生可导致严重事故的结构性失效，很多国家的法律要求定期检查轮轴的完整性。

通过由特定设备产生的超声波来检测轮副，可使非侵入式检测得以实施，所述特定设备通常被称为“旋转探头”，其包括多个纵波超声换能器和被称为探头架的相应壳体。通常，使用压电的和/或电致伸缩的和/或磁致伸缩的晶体来产生超声波。

所述换能器在所述壳体内围绕纵轴线布置，并且可以是会聚的或发散的，也就是说，由各个换能器发出的、呈纵波形式的超声波束可与所述纵轴线形成相应的夹角而在所述轮轴的钢材中传播。

所述设备通过磁体被临时限制在所述轮轴的一个端部或者“头部”，处于其相应使用状态的所述轮轴被涂漆，所述轮轴的所有部件(车轮、闸盘、减速齿轮)被组装在一起并且与安装在轨道车厢下方的转向架形成一体。特别地，所述设备被限制在轮轴的头部，从而所述轮轴的旋转轴线与设备自身的纵轴线成一条直线。通过这种配置，由换能器发出的超声波束传播通过轮轴的钢材；如果所述换能器是会聚的，那么其产生的超声波束的轴线与所述轮轴的旋转轴线相交；相反地，如果所述换能器是发散的，那么其产生的超声波束的轴线不与所述轮轴的旋转轴线相交。

所述超声波束的传播角度与各个换能器相关：例如，如果所述旋转探头包括三个换能器，那么相应的三个超声波束根据相应的三个不同角度在所述轮轴中传播。

超声耦合介质，例如油，被插入至所述换能器和所述轮轴端部的外表面之间，以使得所述超声波束的传播最大化。

技术人员一次启动一个换能器并且旋转所述探头(也就是说，旋转所述壳体和其中的换能器)，从而每次启动的换能器转动一个整圈，由此使其超声波束覆盖所述轮轴的相应的环状部分。由每个超声波束侦听的部分的形状取决于超声波束自身的宽度以及所述超声波束在轮轴钢材内的穿透深度。

在探头的多个角度位置上，轮轴因响应每个换能器内的超声波束的传播而产生的回声被采集和分析。

其机理如下：比较所述超声波束在两种具有不同透声性的材料(在特定情况下为轨道轮轴的钢材以及存在于表面上的裂缝中的空气)中的穿透情况。特别地，如果存在不连续部分性，例如裂缝、缺口或者断裂之类的轮轴缺陷，则超声波会被反射、折射和散射。

因此，通过分析由换能器的超声波束所产生的回声，可以检测在轮轴内被换能器所侦听部分中的缺陷。针对所有换能器以及所述轮轴的两个端部重复所述分析，可以沿着轮轴的几乎整个长度检测该轮轴。

在实践中，旋转探头与读取设备相结合，这可以检测回声并且使相应的图表可视化。在所述图表中，轮轴的缺陷对应峰值。对回声的分析可以识别缺陷的位置和尺寸，从而辨别出可能存在的危险缺陷。

上述过程还包括使用被称为“相控阵”的超声探头，所述探头由一组对齐的探头构成，并且如果被适当设置，所述探头可以提供二维瞬态分析。

例如，由René SICARD、Gérard LANDRY以及Hussam SERHAN在2012年4月16至20日的南非德班“第18届无损测试世界大会”上发表的文章“用于列车轮轴检测的相控阵扫描探头”描述并展示了通过“相控阵”类型的旋转探头实现的超声识别技术的多幅图像。

在检测中发现的缺陷与轮副轮轴的几何形状相关。

在轮轴的两端设置螺纹盲孔，所述盲孔与轮轴的旋转轴线平行并且用于接纳车轮轴承的紧固销钉。所述盲孔相当于非连续部分，因此会不利地影响采用旋转探头进行检测。

实际上，轮轴头部中的螺纹孔与旋转探头的换能器所遵循的路径直接一致。不可避免地，超声波束在轮轴钢材内的传播会受到不利的影响。

因此，执行轮轴检测的技术人员不得不相对所述纵轴线以及换能器相应的会聚或发散角度来调整换能器的径向位置，以防止超声波侦听所述螺纹孔以及由此发生反射、折射和散射并引起误报的读数(非相关读数)。这很费时间，并且要求负责检测的技术人员具有一定的经验。

技术实现要素：

为此，本发明的一个目的在于提供一种轮轴，所述轮轴被设计成尽可能多地有助于使用超声波探头进行检测并且使检测质量最大化。

本发明的另一个目的在于提供一种采用超声探头对轨道轮副的轮轴实施检测的方法，该方法不会有误报或者具有最小数量的误报。

因此，本发明的第一方面涉及根据权利要求1所述的轨道轮副的轮轴。

特别地，所述轮轴沿着纵轴线在两个端部之间延伸，每个所述端部用于支撑至少一个轨道车轮以及相应的轴承，以形成轮副。

与传统方案不同的是，在每个端部内均设有被称为主孔的盲孔，所述主孔与所述轮轴同轴并且其尺寸适于容纳超声探头，以辅助有效地检测轮轴本身。

主孔不应当被误认为是有时设置在所述轮轴两端的埋头孔，所述埋头孔用于在有些操作中(例如车加工)使所述轮轴定心，和/或用于允许传统探头与轮轴的轴线对齐。当这些埋头孔还被用于超声检查时，它们将仅接纳传统探头的对齐销钉，而换能器一直位于轮轴外侧。所述主孔的功能和构造却完全不同，因为所述主孔将至少容纳探头的设有所述换能器的整个部分，以便能从所述主孔的内部进行检测。

本发明的方案的主要优点在于，允许所述探头插入所述轮轴端部内一定长度，从而超声波能够不受通常存在于轮轴端部的几何不连续部分的干扰而进行传播。换句话说，所述方案可大幅减少误报。

优选地，可以从外侧进入所述主孔以允许技术人员插入所述探头，更优选地，所述主孔为圆形以允许其内部的超声探头旋转。需要注意的是，上文所述的小埋头孔不允许插入超声探头。

在实践中，在所述轮轴的两端还设有被称为次孔的附加纵向孔，所述纵向孔接合相应车轮的轴承的紧固螺钉。在所述轮轴中通常设有三个所述次孔。在该情形下，这些次孔围绕相应的主孔布置，即，所述次孔与轮轴不共轴，但是所述次孔的轴线平行于所述轮轴的轴线。所述次孔的直径远小于所述主孔的直径。

在优选实施例中，所述主孔比所述次孔更深地延伸进入所述轮轴。由于该特征，由所述探头产生的超声波不会因为所述次孔的存在而受到影响，所述次孔实际上被超声波绕开，从而不会在所述回声中产生误报。

每个端部的外表面的被称为轴颈的至少一个部分被修整，以允许安装车轮的轴承。优选地，所述主孔延伸进入所述轮轴的长度在所述轴颈的纵向尺寸的50％至120％之间。从而，由所述探头产生的超声波不会因为所述轴承的存在而受到影响，或者仅局部受到影响。

因此，本发明的第二方面涉及根据权利要求7所述的用于检测轨道轮副的轮轴的方法。

特别地，所述方法包括如下步骤：

a)提供如上所述的根据本发明的轮副，和设置有一个或多个换能器的超声探头；

b)将所述超声探头轮流插入到所述轮轴的两个端部的主孔内；

c)一次启动一个换能器，并且旋转在所述主孔内的探头，以使所述探头旋转一个或多个整圈；

d)检测在所述轮轴内传播的回声，并且分析所述回声，以识别可能的缺陷或者裂缝。

所述回声分析技术是已知的，这里不再详述。

然而，应当注意的是，所描述的方法可以对轮轴实施有效检测，从而避免通常因为轴瓦或轴承的紧固孔而引起的误报。

优选地，在所述超声探头和所述主孔的底部之间还施加耦合介质(coupling agent)，例如油。

优选地，以低于或者等于每秒30度的速度旋转所述探头，以使所选的换能器依次覆盖轮轴内的相应的触探锥(penetration cone)。

优选地，所述探头设置有一个或多个外部密封垫片，例如O型环。所述密封垫片的功能是附着在所述主孔的侧壁上，以密封所述耦合介质。由所述主孔的底部和侧壁、超声探头和相应的垫片限定出耦合腔，其基本是一定体积空间。所述耦合介质在所述耦合腔内循环，并且所述垫片防止所述耦合介质溢出。

本发明的第三方面涉及根据权利要求10所述的用于上述轮轴的超声检测的旋转探头。

所述超声探头包括本体，所述本体被设置为容纳一个或多个超声换能器，所述超声换能器可以是会聚的或发散的(在前文对这些术语所给出的意义上)或者具有可调角度。一个或多个外部密封垫片被布置在所述本体上，以使得所述探头本体可以被插入到所述轮轴的主孔内从而密封所述耦合介质。根据这种布置方式，所述探头本体充作插入到所述轮轴的其中一个主孔内的活塞，其中所述垫片在所述主孔的内壁上滑动。

优选地，所述换能器布置在所述探头本体的正面，所述正面将朝向所述轮轴的主孔的底部。所述探头包括用于耦合介质流向所述正面的输送装置(adduction means)。例如，所述输送装置包括也位于外部的循环泵、优选在所述正面处开口的供给管以及用于将所述耦合介质从所述正面排出的排放管，从而当所述探头被插入所述主孔中时，所述耦合介质能够在所述换能器和轮轴之间在所谓的耦合腔内循环。

附图说明

通过阅读下文借助附图对优选的但非排他性的实施例的说明，本发明的其它特征和优点将变得更为明显，所述实施例仅用于例示目的，而不是限制性的，其中：

·图1为传统类型的旋转式超声探头的透视图；

·图2为由图1所示探头以传统方法进行检测的轮副的透视图；

·图3为根据本发明的轨道轮副的轮轴的透视图；

·图4为根据本发明的轮轴和探头在使用时的透视图；

·图5为根据本发明的轮轴在检测过程中的示意性剖视图；

·图6为图5所示的轮轴的示意性侧视图；

·图7为在图5所示轮轴的检测过程中所检测到的回声图。

具体实施方式

附图1示出了一种传统类型的旋转式超声探头1，所述探头1设置有本体2，所述本体2依次配备有握柄3和旋钮4，所述旋钮4由技术人员手动操作以在轮轴检测过程中旋转所述探头1。超声换能器7安装在所述探头1的头部的正面5处。在所示实例中示出了四个换能器7，但是所述换能器7通常可具有不同的数量。

对齐销钉6从所述探头的正面5伸出，以便插入形成在传统轮轴两端正面的相应埋头孔中。所述销钉6使得技术人员很容易将所述探头1对准在待检测的轮轴的纵向轴线上。

如上文所解释的，换能器7可以是会聚的或者发散的，或者可以安装在探头1的本体2上以使技术人员能够根据需要调整它们的角度。

图2示出传统轨道轮副8的一部分，所述轮副8包含车轮9和轮轴10。技术人员移动所述探头1以与轮轴10的端部11抵接，以使所述探头1可操作地与轮轴10联接。为了旋转所述探头1至少360度，借此旋转由启动的换能器7所产生的超声波束，技术人员旋转所述旋钮4。

借助检测和分析设备12，技术人员分析由在所述轮轴本身的材料中传播的超声波在轮轴10中产生的多种回声。峰值对应检测出的裂缝。技术人员还需利用其经验区分误报与所述轮轴10的可能的真实缺陷。

图3示出了根据本发明的轮轴100，所述轮轴100与现有技术不同，因为其具有两个盲孔103，所述两个盲孔103分别形成在端部101和102中。所述端部101和102的外表面至少部分地被修整，以便安装所述车轮的轴承105。所述被修整的表面107被称为轴颈。

图4说明了由盲孔103所带来的优点，所述盲孔103在此后被称为主孔。

在每个端部101和102中，所述主孔103与轮轴100同轴，并且相对于次孔104位于径向内部，所述次孔104用于固定车轮的所述轴承105的轴瓦(未示出)。

根据本发明的超声探头200可以被插入到主孔103中进行轮轴检测。如图4所示，探头200并非像现有技术一样简单地抵接所述端部101和102，而是插入轮轴100内直至所述主孔103的底部，并且可在所述主孔103内由技术人员转动。

此方案具有的优势在于，由探头200产生的超声波不会侦听所述次孔104或者轴承105(至多侦听所述轴承105，但也仅在局部上)。

申请人所实施的多项测试表明，与传统轮轴相比，本发明的方案包含数量小得多的误报，这意味着回声读数中具有更少的峰值。

优选地，如图所示，当技术人员插入所述探头，在探头200与主孔103的底部及侧壁之间形成耦合腔300。特别是，所述耦合腔300由所述主孔103的底部和侧壁、探头200的正面201(所述正面201上安装有多个换能器，出于简化考虑没有示出这些换能器)以及至少一个例如为O型环的密封垫片202限定，所述密封垫片202环绕所述探头200以将探头200设置成关于所述主孔103的活塞。

耦合介质借助供给管203和排放管204在耦合腔300内循环，如箭头所示，所述供给管203和排放管204连接至外部的循环泵(未示出)。

附图标记106表示轮盖，所述轮盖防止耦合介质溅出到探头200上。

所述轴承105安装到轴颈107上。优选地，所述主孔103的深度至少等于所述轴颈107的纵向尺寸的50％。

参见图5，其中示出了在检测过程中的轮轴100的局部剖视图，技术人员一次启动一个换能器7，该换能器7为安装于所述探头200上的多个换能器中的一个(此图中基于简化考虑没有示出全部换能器)。每个换能器被安装成与轮轴100的纵轴线X形成相应的夹角。在图中所示的实例中，换能器7相对纵轴线X形成30度的夹角。

换能器7产生超声波束UT，该超声波束UT从主孔103的底部开始传播到轮轴100内。通过旋转所述探头200，所述超声波束UT还将变化位置，以检测轮轴100相应的环状部分。被标示为“门1”和“门2”的区域对应附图7所示图表中的两个单独的区域。

图6以侧视图而非横截面图示出了与图5相同的轮轴100。示意性示出为黑色方块的缺口B在所述轮轴内与所述端部101的边缘距离230毫米处形成。

图7示出了对应于所述超声波束UT的回声读数的图表。距离标示在x轴上，反射的超声能量相对标准量的百分比标示在y轴上。在缺口B处存在峰值，该峰值向技术人员指示该缺口距离原点仅仅130毫米。所述次孔104和轮轴100的轴颈轴承不会影响所述读数。