呈现可变的内和外半径剖面的管形车轴的手动无损控制方法和设备的制作方法

专利名称：呈现可变的内和外半径剖面的管形车轴的手动无损控制方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及车轴，例如在铁路领域使用的车轴，更确切地说，涉及对这类轴的无损
控制(检测)。
背景技术：
专业人士知道，某些车轴，尤其是重载车轴，需要在制造和维护的各阶段进行无损 控制，以保证符合国际标准。现有的无损控制方法很适合实心(体)车轴。这些方法主要 依赖声学分析，借助于超声探头；必要时也依赖一种补充分析，例如表面分析或射线照相分 析。实心车轴需要符合的标准包括欧洲NF EN 13261-2004 ;全球IS05948-1994和ISO 6933-1986 ;美国(美国铁路协会(AAR)) :M 101/90-A ;巴西NBR 7947-1989 ;日本JIS E 4502-1-2002。 根据采集到的分析数据，可以估计轴的实心材料中横向或纵向瑕疵和缺陷的位
置，从而可以确定该轴是否符合国际标准(制造标准或定期维护标准)。 最近提出了用管形车轴替代实心(体)车轴，这种管形车轴的壁的剖面具有变化
的内外径。这些新式管形轴的突出优点在于可以显著降低重量(一般降低30%左右)，因
而可以增加载荷，同时减少能耗和污染。但是，这类管形轴的控制存在一定的问题。 事实上，由于半径变化的剖面，区分产生于转角区域的回波与产生于瑕疵或结构
缺陷的回波就很困难了。 此外，大量瑕疵和/或缺陷的尺寸小于实心轴中出现的瑕疵和/或缺陷的尺寸，考 虑到超声波经过的距离短，检测管形轴中的这些小尺寸瑕疵和/或缺陷就更加困难了。
最后，构成车轴的某些管形轴的部分，例如车轮(紧配合)和制动盘，也可能促使 形成额外的瑕疵和/或结构缺陷，甚至扩大某些在以前热锻和加工作业中形成的结构缺陷 和/或瑕疵的尺寸。因此，更加有必要控制这些部分和邻近区域，无论是在初次组装还是在 维护(拆卸或不拆卸车轴配件)过程中。不过，当车轴上装满配件时，采用现有控制方法对 轴的某些部分进行这样的分析很困难，甚至是不可能实现的。

发明内容
因此，本发明的目的是提出一种无损控制方法和一种无损控制设备，所述无损控 制方法和设备可以精确地、手动地控制管形车轴(或更一般性地说，空心旋转(管形)产 品)的大部分(如果可能的话，控制全部)，并且，如果车轴带配件的话，可以带着配件控制。
为此，本发明提出的管形车轴控制方法包括如下步骤 a)手动在管形车轴的壁的外表面或内表面上选定的第一位置放置至少一个超声 探头，该壁呈现已知且可变的内和外半径剖面，每个第一位置是根据剖面、必要时还根据所 述车轴的尺寸和环境选定的；然后用每个探头在沿第一纵向或横向的第一选定角扇区取 向内分析所述壁的第一选定段，以便采集所述轴相对于探头的不同相对角度位置的分析数据； b)手动将至少一个探头重新放置到第二位置，该第二位置是根据所述壁的剖面、 必要时还根据所述车轴的尺寸和环境选定的，然后用每个重新手动放置的探头在沿与所述 第一方向相反的第二方向取向的第二选定角扇区内分析所述壁的第二选定段，以便采集所 述轴相对于探头的不同相对角度位置的另外的分析数据； c)根据采集到的所述分析数据制图，所述图表示在所述壁内回波指示的位置和横 向或纵向取向。 在本文中，"回波指示"指由于界面(材料/空气)上、或者瑕疵或(结构)缺陷 上的反射而获得的壁中的信息。另外，在本文中，"瑕疵(imperfaction)"指壁的一部分，该 部分引起幅度小于选定阈值的回波，因而不会使轴报废。最后，在本文中，"缺陷(d6faut)" 指壁的一部分，该部分引起幅度大于选定阈值的回波，因而会使轴报废。
根据本发明的方法可以以多种变型变化，这些变型的至少某些特征可以相互组 合。这些变型尤其包括-例如第一次实施步骤a)至c)，手动将每个超声探头放置在所述壁的外表面，以 便制成表示在所述壁内回波指示的位置和取向的图；然后，可以第二次实施至少步骤a)和 c)，手动将至少一个超声探头放置在所述壁的内表面上根据所述壁的剖面选定的第三选定 位置，再用每个探头在沿至少一个选定的纵向或横向取向的第三选定角扇区内分析所述壁 的第三选定段，以便采集所述轴相对于探头的不同相对角度位置的分析数据，并制成表示 在所述壁内回波指示的位置和取向的图；-例如可以实施步骤a)至c)至少一次，手动将每个超声探头放置在所述壁的外表 面或内表面上，以便在沿纵向取向的角扇区内进行超声分析，从而制成表示壁内回波指示 的位置和横向取向的图；然后，可以重新实施步骤a)至c)至少一次，手动将至少一个超声 探头放置在所述壁的外表面或内表面，以便在沿横向取向的角扇区内进行超声分析，从而 制成表示壁内回波指示的位置和纵向取向的图；-在实施完步骤c)后，例如提供步骤d):在步骤d)中，利用不同于基于超声的技 术的另外的分析技术，分析所述壁(PA)的至少外表面，以便采集到至少一个探头相对于所 述轴不同相对角度位置的分析数据；在必要时，还可以考虑步骤e):在步骤e)中，根据这些 采集到的分析数据制图，所述图表示壁的表面信息的位置和取向； >例如，所述另外的分析技术可以从漏磁技术和傅科(Foucault)电流技术中选 择；-在实施完步骤c)之后，可以考虑步骤d):在步骤d)中，用磁粒子检测(MPI，表 示"Magnetic Particle Inspection")技术分析壁的至少外表面，以便采集所述轴相对于 探头不同相对角度位置的表面分析数据；-例如可以通过使至少一个探头相对于轴纵向移动和/或通过用至少一个探头电 子扫描来分析所述壁的第一、第二、以及必要时第三段中的每一段。-在步骤a) 、b) 、d)至少之一中，可以例如通过驱动每个探头相对于所述轴旋转来 实现所述轴相对于每个探头的不同相对角度位置；-根据本发明的方法可以包括一个步骤f):在步骤f)中，将步骤c)中获得的图中 的数据与预先用第一标准轴(与被控制轴同型，但无缺陷)获得的第一标准图数据比较，以便只保留表示在第一标准图中不存在的回波指示的数据，从而制成"校正"图；-根据本发明的方法可以包括一个步骤g):在步骤g)中，将步骤C)或f)中获得
的图的数据与用第二标准轴(与被控制轴同型，但带有已知缺陷)获得的第二标准图的数
据比较，以便只保留表示第二标准图中存在的已知缺陷的回波指示的数据，从而制成缺陷
图；-根据本发明的方法可以包括一个步骤h):在步骤h)中，将步骤C)或f)中获得
的图的数据的幅度与选定的幅度阈值比较，以便只保留表示如下回波指示的数据幅度大
于所述幅度阈值因而表明有缺陷。并且，制成缺陷图； >如果检测到大于幅度阈值的幅度，可以在必要时产生警报；-根据本发明的方法可以包括一个步骤i):在屏幕上显示至少一个图；-例如可以使用能沿可变角度单向发射超声波的探头； >例如所述角度可以在相对于纵向或横向大约0°至大约70°之间变化；-例如，作为变型，可以使用相控阵(phased array)类型的探头，该类型的探头能
沿一个选定角扇区内的方向发射超声波； 例如所述角扇区可以介于相对于纵向或横向大约O。至大约70°之间。 可以注意到，步骤a)至c)应该按此顺序实施，但所列其它步骤d)至i)则不必按
此顺序实施。特别指出的是，步骤i)完全可以在步骤c)后实施。 本发明还提出一种用于实施上述方法的车轴控制设备。确切地说，所述设备包 括-至少一个超声探头，用于在选定角扇区内分析管形车轴的(呈现已知且可变的 内和外半径剖面)的壁的选定段，从而采集分析； _—些控制装置，用于根据所述剖面、必要时还根据所述轴的尺寸和环境，确定所 述壁的外表面或内表面上需要手动放置每个探头的至少一个第一和至少一个第二选定位 置，以便所述探头分别在沿相反的第一和第二纵向或横向取向的至少一个第一和至少一个 第二选定角扇区内分析所述壁的至少一个第一和至少一个第二选定段，从而采集到所述轴 相对于所述探头的不同相对角度位置的分析数据；禾口 _ —些处理装置，用于基于采集到的所述分析数据制图，所述图表示在所述壁内回 波指示的位置和横向或纵向取向。 根据本发明的所述设备可以以多种变型变化，这些变型的至少某些特征可以相互 组合。这些变型尤其包括-其控制装置可以确定需要手动对每个探头相对于所述壁的外表面的第一次移 动，以便采集所述轴相对于每个探头不同相对角度位置的分析数据；然后确定需要手动对 至少一个探头相对于所述壁的内表面的第二次移动，以便所述探头在至少一个第三选定角 扇区(沿选定的纵向或横向取向)内分析所述壁的至少一个第三选定段，从而采集到所述 轴相对于每个探头不同相对角度位置的其它分析数据。在这种情况下，处理装置根据采集 到的分析数据制图，所述图表示壁内回波指示的位置和取向；-其控制装置可以i)确定需要手动对每个探头相对于所述壁的外表面或内表面 的第一次移动，以便所述探头在沿纵向取向的角扇区内进行超声分析，并采集到分析数据， 而所述设备的处理装置则根据采集到的所述分析数据制图，所述图表示回波指示的位置和横向取向；ii)然后确定需要手动对每个探头相对于所述壁的外表面或内表面的至少一次 第二次移动，以便所述探头在沿横向取向的角度扇区内进行超声分析，并采集分析数据，而 所述处理装置则根据采集到的所述分析数据制图，所述图表示回波指示的位置和纵向取 向；-根据本发明的所述设备可以包括表面分析装置，所述表面分析装置利用另外的、 不同于基于超声波的分析技术分析所述壁的至少外表面，以便采集轴相对于探头不同相对 位置的分析数据。在这种情况下，必要时处理装置负责根据这些数据(通过所述表面分析 装置采集到的)制图，所述图表示壁的表面信息的位置和取向； >例如，所述表面分析装置可以从漏磁分析装置和傅科电流分析装置中选择；
-所述设备可以包括表面分析装置，所述表面分析装置用磁粒子检测(MPI)技术 分析所述壁的至少外表面，以便采集所述轴相对于每个探头不同相对位置的表面分析数 据；-所述设备的控制装置可以用至少一个探头进行电子扫描，以便所述探头分析所 述壁的第一、第二、必要时第三段的至少一部分；-根据本发明的所述设备的处理装置可以将从被控制轴获得的图的数据与从第一 标准轴(与被控制轴同型，但无缺陷)获得的第一标准图的数据比较，以便只保留表示在第 一标准图中不存在的回波指示的数据，从而制成校正图；-根据本发明的所述设备的处理装置可以将从被控制轴获得的图的数据与从第二 标准轴(与被控制轴同型，但带有已知缺陷)获得的第二标准图数据比较，以便只保留表示 第二标准图中存在的已知缺陷的回波指示数据，从而制成缺陷图；-根据本发明的所述设备的处理装置可以将从被控制轴获得的图的数据的幅度与 选定的幅度阈值比较，以便只保留表示如下回波指示的数据幅度大于所述幅度阈值、表明 有缺陷。并且，制成缺陷图； >根据本发明的所述设备的处理装置可以在检测到大于幅度阈值的幅度的情况 下发出警报；-根据本发明的所述设备可以包括一个屏幕，用于显示其处理装置制成的至少某 些图；-例如，每个探头可以沿可变角度单向发射超声波，例如在相对于纵向或横向大约 0°至大约70°之间的范围内；-例如，作为变型，每个探头可以是相控阵类型的，可以沿一个选定角扇区内的方 向发射超声波，例如在相对于纵向或横向大约O。至大约70°之间的范围内；


在审阅下文的详细描述及附图以后，可以了解到本发明的其它特征和优点。附图 说明如下 _图1以纵剖面图示意性地描绘了不带配件的管形车轴的一个实例；
-图2以纵剖面图示意性地描绘了带配件的管形车轴的一个实例的一部分；
-图3示意性地、功能性地描绘了根据本发明的一个控制设备的实施例；
-图4A和4B示意性地描绘了为了纵向分析而在轴壁部分的外表面两个不同选定
9位置放置探头的两个实例(采用透视图)；-图5示意性地描绘了为了横向分析而在轴壁部分的外表面一个选定位置放置探 头的实例(采用透视图)；-图6示意性地描绘了为了纵向分析而在轴壁部分的内表面一个选定位置放置探 头的实例(采用透视图)； _图7八至7(:描绘了一部分壁的多个第一段，这些第一段由三个单向探头覆盖，这 三个单向探头沿纵向从右向左移动，图中所示为沿第一纵向取向的发射角，分别为30。、 45° 、60° ;-图8A至8C描绘了图7A至7C的部分壁的多个第二段，这些第二段仍由原来的三 个单向探头覆盖，这三个探头沿纵向从左向右移动，图中所示为沿第二纵向取向的发射角， 分别为30° 、45° 、60° ;-图9A和9B描绘了图7A至7C的部分壁的第一和第二段，这些段由三个相控阵探
头覆盖，图中所示为介于30。与70°之间的角扇区，分别沿第一和第二纵向取向；-图10描绘了一部分壁的一个第三段，该第三段由一个位于内表面的相控阵探头
覆盖，图中所示为一个沿纵向取向的、介于30。与70°之间的角扇区；-图IIA和图IIB描绘了从同一车轴壁获得的两个图实例。 附图不仅能用于完善本发明，而且必要时有助于其定义。
具体实施例方式
本发明的目的是促进手动地、无损地控制管形车轴的大部分(如果可能的话，控 制全部)，并且，如果所述车轴带配件的话，可以带着配件控制。 下文中认为待控制管形轴是货运或客运车箱车轴的一部分。但本发明并不局限于 这一应用。事实上，本发明涉及在服役时承受应力(例如疲劳应力)的任何类型的空心旋 转(管形)产品，并且所述空心旋转(管形)产品的壁具有内外径半径变化且已知的剖面。
如图1所示，管形(车)轴AE的壁PA通过热锻和加工成形，最终呈现具有变化的 外半径R1和内半径R2的剖面。可以注意到，径向厚度(即沿与纵向轴XX垂直的方向)不 一定一致。换句话说，外半径R1和内半径R2的剖面并不一定能重合，而是有位似出入。
对这类轴，无论如图1的实例中轴不带配件，还是如图2的实例中的带配件EQ(具 体地说，例如车轮和制动盘)，甚至是安装在车箱上，手动控制是借助于图3中示意性地、功 能性地描绘的一类控制设备来实现的。 这类设备包括至少一个超声探头SU(此处画了五个)， 一个控制模块MC和一个 处理模块MT，最好还包括一个屏幕EC。可以注意到，控制模块MC、处理模块MT、屏幕EC可 以是与所述探头SU连接的微型计算机(或工作站)MO的一部分，如图3中作为非限制性实 例所示。在下文中，认为所述设备包括至少两个探头SU。 例如，当待控制车轴AE没有安装在车箱上时(如图3所示)，可以被放置在垫块 CA(或适作此用的任何支撑物)上，车轴AE带或不带配件均可。 超声探头SU被配置为能单向放射超声波(方向的角度可以选定，根据需要改变)， 或者是相控阵("phased array")类型的，S卩能沿一个根据需要选定的角扇区内的多个方 向发射超声波(借助电子角度扫描)。还可以借助电子扫描获得与传感器纵向移动等同的
10效果。 在第一种情况下(单向)，每个探头SU包括唯一一个检测元件，该检测元件接收来 自于分析对象壁PA的回波。在第二种情况下(相控阵)，每个探头SU包括多个检测元件， 这些检测元件接收来自于分析对象壁PA的、不同角度折射和/或反射(有时是多次)后的 回波。需要提醒的是，检测元件通常是用复合材料制成，安装在换能器上。探头的检测元件 被激发时，产生散射分析束。通过往探头的选定检测元件激发时刻引入时间延迟，可以以电 子方式改变分析束的形状及其总体入射方向。通常把探头的检测元件、用来产生给定总体 方向的分析声束的可能相关时间延迟之间的组合称为"虚拟探头"。因此，一个相控阵探头 可以根据其形成的组合构成多个(例如几十个)虚拟探头。换能器的激发频率通常为几兆 赫(2至5MHz)。当这些同样检测元件不处于受激发射状态时，便接收来自于材料/空气或 材料/液体界面、来自于瑕疵和缺陷的回波。因此，检测元件构成发射器/接收器类型的传 感器。 壁PA具有的带内半径R2和外半径Rl的剖面，以及必要时轴AE的尺寸和环境例 如是借助CIVA8. 0(由原子能委员会(CEA)开发并商业化)类型的仿真软件来分析的，以便 确定分析轴AE的全部或仅仅一部分的所需探头SU的数量，同时要考虑到探头类型(单向 的或相控阵的(并且，对于相控阵的，要考虑到检测元件的数量))，以及要考虑到探头能确 定取向，以便根据相反的第一和第二方向进行纵向或横向分析。 在本文中，"纵向分析"指为了发现主要为纵向或沿与纵向XX构成小锐角(通常为 小于±25° 、最好为小于士5。的锐角)的方向的缺陷和/或瑕疵而进行的分析。有时用 术语斜度来表示缺陷的取向。这种分析是借助沿与纵向XX垂直的方向发射的束来实现的， 也就是说，束的总体方向基本上包含在与纵向XX垂直的平面内，或与该垂直方向成小锐角 (通常小于±10° )的平面内。 另外，"横向分析"指为了发现主要为横向或与纵向XX的垂直面构成小锐角(通常 为小于±25° 、最好为小于士5。的锐角)的缺陷和/或瑕疵而进行的分析。有时用术语 斜度来表示缺陷的取向。这种分析是借助沿平行于纵向XX方向发射的束来实现的，也就是 说，束的总体方向基本上与纵向XX共面，或处于与该纵向成小锐角(通常小于±10° )的 平面内。 此外，在本文中，"轴的环境"指轴需要控制时所处的空间。事实上，可以理解，当需 要控制安装在车箱(车箱位于轨道上)上的轴AE时，可以控制到的段明显受限。
考虑到轴AE的壁PA通常具有的内径R2和外径R1的剖面，以及必要时考虑到 轴AE的尺寸和环境，单向探头SU的发射角通常应该能在相对于纵向XX的大约0°与大约 70°之间变化，而相控阵探头SU的发射角扇区通常应该在相对于纵向XX的大约O。与大约 70°之间变化。 —旦控制模块MC确定了每个探头SU应该首先手动相对于所述轴AE放置的(第 一)选定位置、以便在第一选定角扇区(沿第一纵向或第一横向取向)内分析所述壁PA的 第一选定段，以及必要时确定了每个探头SU后来应该手动相对于所述轴AE放置的(第二) 选定位置、以便在第二选定角扇区(沿与第一方向相反的第二纵向或第二横向)内分析所 述壁PA的第二选定段以后，就可以手动将所述探头SU分别放置于其第一选定位置。
对手动将探头SU相对于轴AE放置而言，第一选定位置可以是在壁PA的外表面SE或在壁PA的内表面SI上，根据需要(以及轴AE的配置)而定。例如可以首先将探头SU放置在壁PA的外表面SE进行超声分析，然后在必要时将探头SU放置在壁PA的内表面SI(即管形轴AE的内部)以便补充外表面的分析。反过来也可以。 探头和壁PA的内表面SI或外表面SE之间的耦合可以采用专业人士知道的任何方式，尤其可以采用甘油，或浸入最好混有防腐蚀剂的水中。 图4A和4B描绘了探头SU位置的两个实例为了纵向分析，探头SU放置在轴AE一部分壁PA的外表面SE的两个选定位置。图5还描绘了探头SU相对位置的一个实例为了横向分析，探头SU放置在轴AE —部分壁PA的外表面SE的一个选定位置。图6还描绘了探头SU位置的一个实例为了纵向分析，探头SU放置在轴AE —部分壁PA的内表面SI的一个选定位置。 重要的是要注意到，探头SU可以用如下两种方式分析所分配的段在一个选定的位置保持不动；或由技术员手动在起始位置(对应于初始选定位置)与结束位置(对应于另一个选定位置)之间进行纵向和/或横向移动所述探头，可能会经过一个或几个中间位置(每个中间位置对应于另一个选定位置)。 作为手动移动某些探头SU的替代方案，或者作为对这种移动的补充，可以在控制模块MC的控制下以电子扫描方式使用所述探头，以便分析壁PA各段的至少一部分。需要提醒的是，探头SU实现电子扫描的方式是使用位于相控阵中选定位置的检测元件，并给这些选定的检测元件赋予选定的延迟，以便这些选定的检测元件顺序发射。该"电子"移动方式的优点在于避免了手动地移动探头SU。 控制模块MC负责根据待控制轴AE的内外剖面，必要时还根据所述轴AE的尺寸和环境，确定所述壁PA的外表面SE和内表面SI上需要手动放置探头SU的至少第一和第二选定位置，以便所述探头SU分别在第一和第二选定角扇区(沿第一和第二纵向(XX方向)或横向(垂直于XX方向)取向)内分析壁PA的第一和第二选定段，从而采集到所述轴AE相对于所述探头SU不同角度位置的分析数据。 可以注意到，为了分析壁PA的一个整个选定段，所采用的方案取决于可用的探头SU的类型，并且，对相控阵而言，还取决于构成相控阵的检测元件的数量。事实上，可以理解如果探头SU的检测元件数量足以覆盖壁PA上分配给它的那段，则不必考虑纵向手动移动，因为可以用电子扫描代替纵向手动移动。例如，如果探头SU需要覆盖壁PA的长100mm的一段，那么探头SU应该包含至少200个边长0. 5mm的检测元件，两两分开，间距大约O. lmm。需要提醒的是，检测元件的尺寸越小，分析角扇区就越宽。可以在探头SU的检测元件数量与可能的电子扫描覆盖范围之间找到一个折衷，以便避免纵向手动移动。
还可以注意到，使用相控阵探头比使用单向探头有利，因为使用相控阵探头可以在同样的分析角扇区上获得更好的连续性，同时避免了超声源的任何角位移。
根据本发明，一旦探头SU被手动地放置于壁PA的外表面SE或内表面SI上的第一位置(根据壁PA的剖面，必要时还根据轴AE的尺寸和环境选定)，每个探头SU就开始分析壁PA的第一段(该第一段是由控制模块MC为该探头SU确定的)，该分析是对第一选定角扇区进行的，所述第一选定角扇区沿第一纵向或横向取向。于是，每个探头SU可以采集到轴AE相对于所述探头SU的当前角度位置的分析数据。通过使探头SU在选定的相继角扇区内相对于轴AE产生角位移，每个探头SU可以在每次角位移后重新采集分析数据。以这种方式，可以得到关于壁PA的每个被检查第一段的整个圆周的分析数据。
这些分析数据例如包括发射角、超声发射和接收时刻(或等价的发射时刻与接
收时刻之间的时间间隔)、接收角。这些分析数据例如由探头SU传送给控制模块MC，控制
模块MC将这些分析数据与被检查第一段的相对于选定的参照系的纵向位置和角位置相对
应地保存在存储器MY中，必要时，被保存的分析数据还与用于获取这些数据的探头SU的标
识相对应。 然后，至少某些探头SU重新手动放置在壁PA的外表面SE或内表面SI的第二位置(根据壁PA的剖面，必要时还根据轴AE的尺寸和环境选定)，以便这些探头SU开始分析壁PA的分别分配给它们的第二段，分析是对第二选定角扇区进行的，所述第二选定角扇区沿第二纵向或横向(与第一方向相反)取向。 例如，如果第一方向为沿纵轴XX从左向右，那么第二方向为沿所述纵轴XX从右向左。同样，如果第一方向为沿垂直于纵轴XX的第二轴从左向右，那么第二方向为沿所述第二轴从右向左。 于是，每个重新手动放置的探头SU可以采集到其相对于轴AE的当前角度位置的分析数据。通过使探头SU相对于轴AE在选定的角扇区内产生角位移，每个探头SU可以在每次角位移后重新采集分析数据。于是，可以得到关于壁PA的每个被检查第二段整个圆周的分析数据。这些分析数据例如由探头SU传送到控制模块MC，控制模块MC把这些分析数据与被检查第二段相对于选定的参照系的纵向位置和角度位置相对应地保存于存储器中，必要时，被保存的分析数据还与用于获取这些数据的探头SU的标识相对应。
借助于这种沿相反方向的双重分析，可以检查车轴AE的整体或部分(根据需要)，如图7至图10所示。更确切地说 _图7八至7(:描绘的是一部分壁的多个第一段，这些第一段可以由三个单向探头覆盖，这三个探头放置在外表面SE上，并沿纵向从右向左移动，发射角为沿第一纵向(从右向左)，分别为30° 、45° 、60° ;-图8A至8C描绘的同一部分壁的多个第二段，这些第二段可以由图7中的三个单向探头覆盖，这三个探头放置在外表面SE上，并沿纵向从左向右移动，发射角为沿第二纵向(从左向右)，分别为30° 、45° 、60° ;-图9A描绘的是同一部分壁的多个第一段，这些第一段可以由三个相控阵探头覆盖，这三个相控阵探头放置在外表面SE上，角扇区介于30。与70°之间，沿第一纵向取向(从右向左)；-图9B描绘的是同一部分壁的多个第二段，这些第二段可以由图9A的三个相控阵探头覆盖，这三个相控阵探头放置在外表面SE上，角扇区介于30。与70°之间，沿第二纵向取向(从左向右)； 图IO描绘的是同一部分壁的多个第三段，这些第三段可以由一个相控阵探头覆盖，该相控阵探头放置在内表面SI上，图中所示的角扇区介于30。与70°之间，沿纵向取向(从左向右)。 考虑到轴AE的壁PA通常的内半径R2和外半径Rl的剖面，以及必要时考虑到轴AE的尺寸和环境，单向探头SU的发射角通常应该能在相对于纵向XX或横向的大约0°至大约70°之间变化，相控阵探头SU的发射角扇区通常应该介于相对于纵向XX或横向的大约0°至大约70°之间。 在图7至10的实例上，每个双向箭头标出了一个置于上方的探头SU分析的(第 一)段的纵向范围。可以理解，轴AE的尺寸和/或环境在轴AE的某些部分縮短了同一个 探头SU能技术分析(覆盖)的段的纵向范围。对位于车轮下方的部分尤其如此，在车轮下 方的部分更有可能包含由紧配合和/或负载引起的结构缺陷，因而更需要尽可能精确、尽 可能全面的检查(分析)。 存储的数据由处理模块MT提取，处理模块MT负责根据数据涉及的轴区域将数据
分组，以便制图，所述图表示壁PA中回波指示的位置以及横向或纵向取向。 需要提醒的是，回波指示产生于材料/空气或材料/液体界面上，或瑕疵上，或缺
陷上的反射。 还需要提醒的是，纵向分析尤其适合于检测横向瑕疵和缺陷(通常，横向瑕疵和 缺陷更常见)，而横向分析尤其适合于检测纵向瑕疵和缺陷。 沿两个相反的方向，也就是沿极不相同的分析方向检查材料，可以检测到尺寸更 小的瑕疵和缺陷，因而比现有技术中的实心轴控制方法和控制设备检测到更多的瑕疵和缺 陷。还可以更好地检测壁PA内部的歪斜瑕疵和缺陷。 可以注意到，必要时，处理模块MT可以对构成壁的第一段和/或第二段覆盖区的 相同区域的相关分析数据进行"关联"处理。由此制成这些覆盖区的"原始"图，必要时是 三维的(3D)。 用来制作"原始"图的数据文件最好保存在存储器MY中。这些图可以在显示屏EC 上单独地(逐个地)或成组地(同时多个)显示，以便技术员分析；也可以先自动化分析， 然后转换为"校正"图或"缺陷"图，再将"校正"图或"缺陷"图单独地或成组地显示在显示 屏EC上。 可以对"原始"图进行多种比较分析。 例如，处理模块MT可以将从被控制轴AE获得的至少某些图的数据与从第一标准 轴(与被控制轴同类型，但无缺陷)获得的第一标准图的数据进行比较。在这种情况下，处 理模块MT只保留表示第一标准图中不存在的回波指示的数据，以便制成"校正"图并保存 于存储器MY中。 作为变型或作为补充，处理模块MT可以将从轴AE获得的至少某些图(原始图或 校正图)的数据与从第二标准轴(与被控制轴同类型，但带有已知缺陷)获得的第二标准 图数据进行比较。在这种情况下，处理模块MT只保留表示第二标准图中存在的已知缺陷的 回波指示数据，以便制成缺陷图并保存于存储器MY中。 作为变型或作为补充，处理模块MT能将至少某些图上表示的回波指示的幅度与 选定的幅度阈值比较。在这种情况下，处理模块MT只保留表示如下回波指示的数据以便制 成缺陷图回波幅度大于选定的幅度阈值，因而回波被认为由缺陷形成。
此外，还可以考虑每当检测到一个大于选定幅度阈值的幅度时，处理模块MT产生 报警(声音的和/或视觉的(显示在显示屏EC上))。 图11A和11B描绘了从车轴AE的同一壁PA获得的原始图的两个实例。检测到的 结构缺陷标注为DS。 如前所述，为了分析壁PA可以手动将探头SU放置在壁PA的外表面SE或内表面SI。还可以考虑进行双重分析，例如首先手动将探头SU放置在外表面SE上，然后手动将某 些探头SU放置在内表面SI上。更确切地说，对这种情况，手动将SU放置在壁PA的外表面 SE上第一选定位置，用这些探头SU在第一选定角扇区(沿第一纵向(或横向)取向)分析 壁PA的第一选定段，以便采集探头SU相对于轴AE不同角度位置的分析数据。然后，手动 将至少某些探头SU放置在壁PA的外表面SE上第二选定位置，用这些探头SU在第二选定 角扇区(沿第二纵向(或横向)取向，与第一纵向(或横向)相反)分析壁PA的第二选定 段，以便采集探头SU相对于轴AE不同角度位置的分析数据。最后，手动将至少某些探头SU 放置在壁PA的内表面SI上第三选定位置，用这些探头SU在第三选定角扇区(沿至少一个 纵向(或横向)、甚至两个相反方向取向)分析壁PA的第三选定段，以便采集探头SU相对 于轴AE不同角度位置的分析数据。 处理模块MT根据全部分析数据制图，所述图表示壁PA中回波指示的位置和取向。
这种从外部和内部的双重分析可以覆盖待检查壁PA的各段的全部，而由于壁PA 的剖面和/或由于轴AE的尺寸和/或环境所限而只控制外部就不可能覆盖待控制壁PA的 各段的全部。 还可以从外部(或内部)沿两个方向(如上文所述)进行第一次纵向分析，然后
从外部(或内部)沿至少一个方向进行第二次横向分析，以便制成表示壁PA内回波指示的
位置和横向取向的图，和表示该壁PA内回波指示的位置和纵向取向的图。 还可以从外部沿两个方向进行第一次纵向分析，然后从内部沿至少一个方向进行
第二次横向分析。 还可以从内部沿两个方向进行第一次横向分析，然后从外部沿至少一个方向进行 第二次分析。 通常，可以考虑从内部和从外部的纵向分析与横向分析的所有组合。 可以注意到，在某些情况下，从内部分析至少需要对管形车轴AE的两端重新镗
孔，以便可以将至少一个探头SU贴着轴AE的壁PA的内表面SI放入轴AE内部，以及在必
要时进行手动移动。 还可以注意到，在必要时，探头SU的放置位置、每个探头SU的不同超声分析角度 或角扇区、分配给各探头的壁段可以由控制模块MC根据应力确定。因此，可以考虑一部分 控制由总体方向基本与纵向XX同平面的束在根据选定的重叠率(例如50% )两两重叠的 壁段上进行，和/或一部分控制由总体方向基本包含在与纵向XX成锐角(在0°至20°之 间及0°至-20°之间增加)的平面内的连续束进行。此外，探头SU的检测元件的倾角可 以根据需要选择。作为非限制性的实例，可以选择相对于纵向XX的45。角。
如专业人士所知，还可以注意到，需要在校准阶段调整每个换能器的增益，例如要 使得从第一回波(来自于壁PA的界面)得到的信号的幅度例如相当于图所用的全幅度动 态范围的50%左右。 另外，校准阶段最好还包括旨在获得前述标准图的第一部分，所述标准图表示从 标准管形车轴(与待控制车轴同类型，但完好(即无瑕疵，无结构缺陷))获得的超声分析 结果。事实上，校准阶段的该第一部分允许事先了解由壁PA的几何形状(尤其是转角处， 以及更普遍地，内半径R2或外半径R1大幅变化的区域)引起的回波，从而可以将这些回波 与待控制管形车轴AE中的瑕疵和结构缺陷引起的回波区分开来。
同样，校准阶段还可以包括旨在获得前述标准图的第二部分，所述标准图表示从 标准管形车轴(与待控制车轴同类型，但包括在选定位置定义的结构缺陷或人为特征(例 如特征性的刻痕或空腔))获得的超声分析结果。这些结构缺陷或人为特征根据载荷手册 和/或标准手册定义，所述载荷手册和/或标准手册确定了瑕疵和缺陷之间的筛选阈值。当 关于自然缺陷的回波的信号的幅度小于所述筛选阈值时，发现的就是瑕疵。反之(大于阈 值)，发现的就是缺陷。事实上，校准阶段的该第二部分允许事先了解由结构缺陷或人为特 征引起的回波，从而更容易在图中通过与筛选阈值相比较而检测出在被控制管形轴AE中 引起类似回波(或指示)的"对象(objet)"。 —旦结束用超声对管形车轴AE的纵向和/或横向分析，接下来就可以手动进行至 少一次另一类型的补充分析。例如，可以分析壁PA的外表面SE，以便采集到轴AE相对于表 面分析装置来说不同相对位置的表面分析数据。 在可以使用的表面分析技术中，尤其要提到漏磁控制技术和傅科电流技术。这些 技术中的某些技术的优点在于提供了可以用来制图的分析数据，所述图表示壁PA的表面 缺陷的位置和取向。用来制作这些表面缺陷图的数据文件最好保存在存储器MY中，以便所 述表面缺陷图可以在显示器EC上单独(逐个)显示或成组(同时多个)显示，必要时与 (用超声控制获得的)结构缺陷图一起显示，以便技术员分析和/或与用探头SU控制获得 的图比较。这样做还容许由设备将表面缺陷图与用超声获得的图比较。
可以注意至U，还可以进行MPI ("Magnetic Particle Inspection",即磁粒子检查) 类型的表面分析。需要提醒的是，该技术是用磁粒子和显像剂覆盖壁PA的外表面SE，然后 (用眼睛)观察在UV(ultra-violette，即紫外)光线下这些磁粒子的不规则取向，所述不 规则取向与瑕疵或缺陷的存在有关。该表面分析技术的弊病在于当前还不能提供表面缺陷 图，因而只依靠控制轴AE的技术员的视觉观察，然后需要与用超声获得的图进行视觉的、 非自动化的比较。因此，操作者的解释和随意性起决定作用。 还可以注意到，上文所述的图可以是专业人士所知道的任何类型，尤其是A-扫 描、B-扫描、C-扫描、D-扫描、S-扫描(或扇区扫描)。单纯作为说明性的实例，可以制成 s-扫描类型的图(提供了在空间的位置指示，探头的每个位置一个图)。
借助于本发明，可以检测到约2mm厚(即壁PA的径向标称厚度的5%左右)、约 5mm长、约lmm宽的瑕疵和缺陷。此外，还可以检测到沿通常小于士25。、最好小于±5°的 锐角倾斜的纵向及横向瑕疵和缺陷。此外，还可以检测到呈现大至约60。的不定向角(或 "斜角")的纵向或横向空腔(或缺陷)。 本发明不局限于上文所述的、仅作为例子的管形车轴控制方法和设备的实例，而 是包括专业人士在下文的权利要求范围内所想到的所有变型。
权利要求
一种利用超声探头来控制车轴的方法，其特征在于包括如下步骤a)手动在管形车轴(AE)的壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)上选定的第一位置放置至少一个超声探头(SU)，所述壁(PA)呈现已知且可变的内和外半径剖面，每个第一位置是根据所述剖面、必要时还根据所述车轴(AE)的尺寸和环境选定的；然后用每个探头(SU)在沿第一纵向或横向的第一选定角扇区取向内分析所述壁(PA)的第一选定段，以便采集所述轴(AE)相对于探头(SU)的不同相对角度位置的分析数据；b)手动将至少一个探头(SU)重新放置到第二位置，该第二位置是根据所述壁(PA)的剖面、必要时还根据所述车轴(AE)的尺寸和环境选定的，然后用每个重新手动放置的探头(SU)在沿与所述第一方向相反的第二方向取向的第二选定角扇区内分析所述壁(PA)的第二选定段，以便采集所述轴(AE)相对于探头(SU)的不同相对角度位置的另外的分析数据；c)根据采集到的所述分析数据制图，所述图表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和横向或纵向取向。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于第一次实施步骤a)至c)，手动将每个超声探头(SU)放置在所述壁(PA)的外表面(SE)，以便制成表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和取向的图；然后，可以第二次实施至少步骤a)和c)，手动将至少一个超声探头(SU)放置在所述壁(PA)的内表面(SI)上的第三选定位置，该第三选定位置是根据所述壁(PA)的剖面选定的，再用每个探头(SU)在沿至少一个选定的纵向或横向取向的第三选定角扇区内分析所述壁(PA)的第三选定段，以便采集所述轴(AE)相对于探头(SU)的不同相对角度位置的分析数据，并制成表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和取向的图。
3. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于实施步骤a)至c)至少一次，手动将每个超声探头(SU)放置在所述壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)上，以便在沿纵向取向的角扇区内进行超声分析，从而制成表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和横向取向的图；然后，重新实施步骤a)至c)至少一次，手动将至少一个超声探头(SU)放置在所述壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)，以便在沿横向取向的角扇区内进行超声分析，从而制成表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和纵向取向的图。
4. 根据权利要求1和3中任一项的方法，其特征在于在实施完步骤c)后，提供步骤d):在步骤d)中，利用不同于基于超声的技术的另外的分析技术，分析所述壁(PA)的至少外表面(SE)，以便采集到至少一个探头(SU)相对于所述轴(AE)不同相对角度位置的分析数据。
5. 根据权利要求4的方法，其特征在于在实施完步骤d)后，提供步骤e):在步骤e)中，根据采集到的分析数据制图，所述图表示所述壁(PA)的表面的指示的位置和取向。
6. 根据权利要求4或5的方法，其特征在于所述另外的分析技术从包括漏磁技术和傅科电流技术的一组技术中选择。
7. 根据权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于在实施完步骤c)后，提供步骤d):在步骤d)中，用磁粒子(MPI)技术分析所述壁(PA)的至少外表面(SE)，以便采集所述轴(AE)相对于探头(SU)不同相对角度位置的表面分析数据。
8. 根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于通过使至少一个探头(SU)相对于所述轴(AE)纵向移动和/或通过用至少一个探头(SU)电子扫描来分析所述壁的第一、第二、以及必要时第三段中的每一段。
9. 根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于在步骤a)、b)和d)至少之一中， 可以通过手动使每个探头(SU)相对于所述轴(AE)旋转来获得所述轴(AE)相对于每个探 头(SU)的不同相对角度位置。
10. 根据权利要求l至9中任一项的方法，其特征在于包括步骤f):在步骤f)中，将步 骤c)中获得的图中的数据和从与被控制轴同类型但无缺陷的第一标准轴获得的第一标准 图的数据进行比较，以便只保留表示在所述第一标准图中不存在的回波指示的数据，从而 制成校正图。
11. 根据权利要求l至10中任一项的方法，其特征在于包括步骤g):在步骤g)中，将 步骤c)或f)中获得的图的数据和从与被控制轴同类型但带有已知缺陷的第二标准轴获得 的第二标准图的数据进行比较，以便只保留表示所述第二标准图中呈现的已知缺陷的回波 指示的数据，从而制成缺陷图。
12. 根据权利要求l至ll中任一项的方法，其特征在于包括步骤h):在步骤h)中，将 步骤c)或f)中获得的图的数据的幅度和选定的幅度阈值进行比较，以便只保留表示其幅度大于所述幅度阈值因而表明有缺陷的回波指示的数据，并因而制成缺陷图。
13. 根据权利要求12的方法，其特征在于在检测到大于所述幅度阈值的幅度的情况下，产生警报。
14. 根据权利要求l至13中任一项的方法，其特征在于包括一个步骤i):在步骤i)中，在屏幕(EC)上显示至少一个图。
15. 根据权利要求1至14中任一项的方法，其特征在于使用适于沿可变角度的单一方向发射超声波的探头(su)。
16. 根据权利要求15的方法，其特征在于所述角度在相对于纵向或横向大约0。至大 约70°之间变化。
17. 根据权利要求1至14中任一项的方法，其特征在于使用相控阵类型的探头(SU)， 该探头适于沿选定角扇区中的方向发射超声波。
18. 根据权利要求17的方法，其特征在于所述角扇区包括在相对于纵向或横向大约0°至大约70°之间。
19. 一种车轴控制设备，其特征在于包括i)至少一个超声探头(SU)，用于在选定角扇区内分析管形车轴(AE)的壁(PA)的选定段，从而采集分析数据，其中该壁呈现已知且可变 的内和外半径剖面；ii) 一些控制装置(MC)，被配置为用于根据所述剖面、必要时还根据所 述轴的尺寸和环境，确定所述壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)上需要手动放置每个探 头(SU)的至少一个第一和至少一个第二选定位置，以便所述探头(SU)分别在沿相反的第 一和第二纵向或横向取向的至少一个第一和至少一个第二选定角扇区内分析所述壁(PA) 的至少一个第一和至少一个第二选定段，从而采集到所述轴(AE)相对于所述探头(SU)的 不同相对角度位置的分析数据；和iii) 一些处理装置(MT)，被配置为用于基于采集到的所 述分析数据制图，所述图表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和横向或纵向取向。
20. 根据权利要求19的设备，其特征在于所述控制装置(MC)被配置为用于确定需要 手动对每个探头(SU)相对于所述壁(PA)的外表面(SE)的第一次移动，以便采集所述轴 (AE)相对于探头(SU)的不同相对角度位置的分析数据；然后用于确定需要手动对至少一个探头(SU)相对于所述壁(PA)的内表面(SI)的第二次移动，以便所述探头(SU)分析在 沿选定的纵向或横向取向的至少一个第三选定角扇区内所述壁(PA)的至少一个第三选定 段，从而采集所述轴(AE)相对于所述探头(SU)的不同相对角度位置的其它分析数据；并且 其特征还在于所述处理装置(MT)被配置为用于基于采集到的所述分析数据制图，所述图 表示在所述壁(PA)内回波指示的位置和取向。
21. 根据权利要求19或20的设备，其特征在于所述控制装置(MC)被配置为i)用于 确定需要手动对每个探头(SU)相对于所述壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)的第一次 移动，以便所述探头(SU)在沿纵向取向的角扇区内进行超声分析，并采集分析数据，而所 述处理装置(MT)则基于采集到的所述分析数据制图，所述图表示回波指示的位置和横向 取向；ii)然后用于确定需要手动对至少一个探头(SU)相对于所述壁(PA)的外表面(SE) 或内表面(SI)的至少一次第二次移动，以便所述探头(SU)在沿横向取向的角度扇区内进 行超声分析，并采集分析数据，而所述处理装置(MT)则基于采集到的所述分析数据制图， 所述图表示回波指示的位置和纵向取向。
22. 根据权利要求19至21中任一项的设备，其特征在于包括表面分析装置，所述表面 分析装置被配置为用于利用不同于基于超声波的分析技术的另外的分析技术分析所述壁 (PA)的至少外表面(SE)，以便采集所述轴(AE)相对于每个探头(SU)不同相对位置的分析 数据。
23. 根据权利要求22的设备，其特征在于所述处理装置(MT)被配置为基于所述表面 分析装置(MAS)采集到的所述分析数据制图，所述图表示所述壁(PA)的表面指示的位置和 取向。
24. 根据权利要求22或23的设备，其特征在于所述表面分析装置是从包括漏磁分析 装置和傅科电流分析装置的一组装置中选择的。
25. 根据权利要求19至24中任一项的设备，其特征在于包括表面分析装置，所述表面 分析装置被配置为利用磁粒子检查(MPI)分析所述壁(PA)的至少外表面(SE)，以便采集所 述轴(AE)相对于所述探头(SU)的不同相对位置的表面分析数据。
26. 根据权利要求19至25中任一项的设备，其特征在于所述控制装置(MC)被配置为 利用至少一个探头(SU)进行电子扫描，以便所述探头(SU)分析所述壁(PA)的所述第一、 第二、以及必要时第三段的至少一部分。
27. 根据权利要求19至26中任一项的设备，其特征在于所述处理装置(MT)被配置 为用于将从所述被控制轴(AE)获得的图的数据和从与被控制轴同类型但无缺陷的第一标 准轴获得的第一标准图的数据进行比较，并只保留表示所述第一标准图中不存在的回波指 示的数据，从而制成校正图。
28. 根据权利要求19至27中任一项的设备，其特征在于所述处理装置(MT)被配置 为用于将从所述被控制轴(AE)获得的图的数据和从与被控制轴同类型但带有已知缺陷的 第二标准轴获得的第二标准图的数据进行比较，并用于只保留表示所述第二标准图中存在 的已知缺陷的回波指示的数据，从而制成缺陷图。
29. 根据权利要求19至28中任一项的设备，其特征在于所述处理装置(MT)被配置为 用于将从所述被控制轴(AE)获得的图的数据的幅度与选定的幅度阈值进行比较，并用于 只保留表示其幅度大于所述幅度阈值并表明有缺陷的回波指示的数据，并且制成缺陷图。
30. 根据权利要求29的设备，其特征在于所述处理装置(MT)被配置为用于在检测到 大于所述幅度阈值的幅度的情况下产生警报。
31. 根据权利要求19至30中任一项的设备，其特征在于包括一个屏幕(EC)，用于显示 至少一些所述处理装置(MT)制成的所述图。
32. 根据权利要求19至31中任一项的设备，其特征在于每个探头(SU)适于沿可变 角度的单一方向发射超声波。
33. 根据权利要求32的设备，其特征在于所述角度在相对于纵向或横向大约0。至大 约70°的范围内变化。
34. 根据权利要求19至31中任一项的设备，其特征在于每个探头(SU)是相控阵类 型的，并适于沿包括在一个选定角扇区内的方向发射超声波。
35. 根据权利要求34的设备，其特征在于所述角扇区包括在相对于纵向或横向大约 0°至大约7Q。之间。
全文摘要
一种车轴控制设备，包括i)至少一个超声探头(SU)，用于在选定角扇区内分析管形车轴(AE)的壁(PA)(该壁(PA)呈现已知且可变的内和外半径剖面)的选定段，从而采集分析数据；ii)一些控制装置(MC)，用于根据所述轴的剖面、必要时还根据所述轴的尺寸和环境，确定所述壁(PA)的外表面(SE)或内表面(SI)上需要手动放置每个探头(SU)的至少一个第一和至少一个第二选定位置，以便所述探头(SU)分别在沿相反的第一和第二纵向或横向取向的至少一个第一和至少一个第二选定角扇区内分析所述壁(PA)的至少一个第一和至少一个第二选定段，从而采集到所述轴相对于所述探头(SU)不同相对角度位置的分析数据；iii)一些处理装置(MT)，用于基于所述分析数据制图，所述图表示所述壁(PA)内回波指示的位置及横向或纵向取向。
文档编号G01N29/06GK101765769SQ200880100814
公开日2010年6月30日 申请日期2008年6月16日 优先权日2007年6月21日
发明者A·诺埃尔, F·勒萨热, R·诺盖依拉·德波拉 申请人:V&M法国公司