专利名称：现场超声检查铁路路轨的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及对铁路轨道的路轨上可能存在的某些预定类型的不良的裂纹 或缺陷进行非破坏性检验的方法和装置。本发明尤其涉及以超声探测路轨上的裂纹、在 探测到裂纹时识别该裂纹的位置，以及记录所探测到的裂纹的位置以备将来可能需进行维 修，或更可能需更换路轨的活动式耐用型装置。更具体的是，本发明涉及用于现场探测、识 别及记录该装置在路轨上行走时所探测到的裂纹的位置的相对地快速和灵敏的方法和装 置。
背景技术：
由于制造过程，或由于自然环境过程和正常使用，铁路轨道的路轨的某些有害的 裂纹会逐渐产生，这在铁路行业是公认的。这些裂纹可包括非严重缺陷和严重缺陷，严重缺 陷有例如横向缺陷、轨头垂直的完全或裂口缺陷，以及轨头水平的完全或裂口缺陷。只要裂纹仍是不严重，就可继续安全地在路轨上操作。然而，经过一段时间以后， 即使不严重的裂纹也可能恶化或退化为严重缺陷，并且新的裂纹将会产生。如果对裂纹不 加处理，所产生的缺陷就可能会引起一系列问题，包括灾难性的故障及火车脱轨。灾难性的 或甚至较小的故障给铁路行业、被运送的货和人以及周围的住宅和企业带来财政、健康和 安全上的风险。这种故障是可避免的，或至少能通过例行检查和保养而降低故障频率。而 且，选择性的修复使例行保养能更具成本效益，而探测裂纹又使选择性修复更加容易。超声测试被用作探测路轨的裂纹或缺陷。安装在车辆和轨道车上的检查装置被建 成为沿轨道行走，持续不断地对铁路轨道的路轨进行现场超声测试。一般而言，检查装置是采取安装在车上的滑板和轮的形式。如美国专利第 4，700, 574号所示的滑板，设计采用了在滑板上的超声换能器，该滑板沿涂覆有水的路轨被 拖动以形成声桥。如美国专利第6，055，862号所示，轮的设计采用了被容纳在沿路轨滚动 的小而薄壁的轮胎内的超声换能器。轮胎装满着流体，如防冻剂，以在换能器与路轨之间形 成超声桥。现有技术的设计带有很多缺点。例如，滑板的设计需要用大量的水，以使滑板和路 轨充分连接并减少长途行程所造成的磨损。此外，滑板对于路轨行走面上的缺陷和裂纹更 加敏感。轮的设计遭受轮胎表面壁上的声波反射所引起的声音反响(噪音)。噪音在每次 声发射后都降低该装置的敏感度。此外，两个设计都受到已知的换能器技术和结构的限制。一些声换能器的设计以 大体上向垂直方向发射超声束来识别出一些路轨轨腰上的裂纹，但对路轨轨头里面部分的 裂纹缺乏敏感度。在其他设计中，如美国专利第4，700, 574号和第6，055，862号，换能器被 放置成以与路轨的横向和纵向平面成某些角度发射超声束。声束的轴线在路轨的中央垂直 纵向平面的一侧与路轨相交并横跨路轨的纵向平面伸延至另一侧。这些设计识别路轨上的 另外一些裂纹，特别是路轨轨头一侧上的裂纹。还有其他一些声换能器的设计是包括带有 另外的声束路径的更加复杂的换能器组件，但在识别路轨轨头的里面部分上的裂纹方面的能力仍是有限。
发明内容
一方面，本发明提供了检查和探测铁路路轨上某类缺陷的位置的系统。该系统包 括能够在铁路路轨上行走的车。轮组件从车上悬吊下来，并带有充满流体的轮胎，该车在铁 路路轨上行走，充满流体的轮胎在基础的底层路轨的轨头滚动接触。轮胎与基础的底层路 轨的轨头形成接触区。超声换能器被支承在轮胎内，通过流体和轮胎把超声束沿声束轴线 发射进基础的底层路轨的轨头内。声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于0(零) 度的第一角度和与路轨的垂直横向平面成大于0(零)度的第二角度传进路轨内。换能器 被支承为可使声束轴线与路轨轨头在接触区内相交，相交位置从路轨的垂直纵向中线平面 向被所述超声束穿入和检查的轨头的同一侧偏离。另一方面，本发明提供了用于检查和探测铁路路轨上某类缺陷的位置的装置。该 装置包括与铁路路轨的基础的底层路轨滚动接触的轮组件。该轮组件包括与基础的底层路 轨的轨头接触的具弹性的轮胎，轮胎装满着流体。至少一个超声换能器被支承在轮组件内， 通过流体和轮胎把超声束沿声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于0(零)度的第 一角度和与路轨的垂直横向平面成大于0 (零)度的第二角度发射进基础的底层路轨的轨 头内。换能器被支承在轮组件内，使得声束轴线与路轨轨头相交，相交位置从纵向中线平面 向被超声束穿入和检查的轨头的同一侧偏离。第三方面，本发明提供了超声检查铁路路轨的轨头的方法。该方法包括以下步骤 把超声束沿声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于零(0)度的第一角度和与路轨 的横向平面成大于零(0)度的第二角度引导进轨头的上表面中。引导声束轴线与路轨轨头 的上表面相交，相交位置从垂直纵向平面向被超声束穿入和检查的轨头的同一侧偏离。第四方面，本发明提供了用于检查和探测铁路路轨上某类缺陷的位置的装置。该 装置包括与铁路路轨滚动接触的轮组件，轮组件包括轮轴、可转动地安装在轮轴上的轮毂 以及安装在轮毂上以在轮轴上转动的具弹性的轮胎。在检查过程中，轮胎其中一部分和基 础的底层路轨轨头的上表面一部分之间形成接触区。至少一个超声换能器带有声束发射/ 接收头。换能器被安装在轮组件内并从轮轴悬吊下来，发射/接收头被置于预定距离内，在 轮胎未被挤压状态时距离轮胎不多于3英寸。流体，其被置于轮组件内，在换能器的发射 /接收头与在轮胎和基础的底层路轨之间形成接触区的那部分轮胎之间提供唯一的超声传 送介质。
在下文中，基于附图中所示的优选实施例对本发明进行详细说明，以下附图中图1是铁路路轨超声检查系统的示意图，其说明了铁路路轨上的横向缺陷或裂纹 以及用于探测所述裂纹的路轨超声检查系统；图2是为铁路路轨现场超声检查的用于图1中所示的路轨检查系统的车的立体 图；以及图3是图4中所示的截面线3-3处所见的路轨以及裂纹检查轮组件的横截面的主 视示意图4是路轨以及路轨检查系统的轮组件的侧视示意图；图5是图3和4中所示的路轨以及轮组件的超声换能器的仰视示意图；图6是说明超声束在路轨轨头内反射之后探测到裂纹的路轨和超声换能器的侧 视示意图；图7是图6中所示的路轨、反射声束和换能器的主视示意图。
具体实施例方式图1显示了检查铁路路轨12内部结构的裂纹或缺陷的铁路路轨超声检查系统10。 所述路轨具有典型的和已知的路轨设计，其带有轨底14、轨腰16和轨头18。轨头的形状为 带有轨距侧20、轨外侧22和上行走面M。为定向的目的，铁路路轨12的方向轴被限定为 在路轨的中部或中线沿路轨上的行走路径垂直延伸的垂直纵向平面、沿路轨上的行走路径 水平延伸的水平纵向平面，以及垂直延伸并与路轨上的行走路径成直角的横向平面。系统10包括含有一个或多个超声换能器观(通常为发射-接收换能器)的裂纹 探测仪或传感器沈，其受到通过缆32与换能器连接的中央处理器30控制而发射和接收超 声束。按照本发明，当中央处理器30向换能器观发出信号时，换能器产生超声束34并把 其沿声束轴线36向路轨轨头18发射，以致声束轴线与路轨的上表面M在路轨垂直纵向 平面的一侧相交。经轻微折射之后，该声束通过轨头传送，直至声束被藏在轨头内的裂纹F 反射，在所示例子中，椭圆的横向裂纹位于被声束穿入的垂直纵向平面的同一侧。一些超声 束从裂纹沿声束轴线反射回来，并通过路轨12的轨头18传送，透过路轨的上表面M到达 换能器26，换能器沈探测到反射回来的声束。换能器把反射回来的声束转化为反射信号， 通过缆32把该反射信号发送给中央处理器30。中央处理器把反射信号与发射信号对比进 行分析，并通过时间扫描识别裂纹F的存在、类型及位置。该结果可被存储以用于日后的分 析，或被实时显示在中央处理器的屏幕35上。现参照图2，本发明的优选实施例利用了车40，在检查操作中，该车被连杆43悬吊 在沿路轨行走的轨道车或检查车(未显示)下，进行路轨裂纹的现场探测和识别。车40包 括一组四个凸缘车轮42，其分别与矩形底盘44的四个角连接，以在检查操作中把车放在路 轨上时，在大体上正中的位置沿路轨引导该车。该车40可配有很多已知的铁路路轨检查装置以及独立操作或与本发明一起操作 的检查附件。例如，该车可配有感应传感器组件46以及相关的电流感应刷48。该车还可配 有一个或多个已知的路轨超声检查轮50，52，其利用以各种不同的角度设定的换能器，在轮 的前后相对于行走方向探测裂纹，以及在车下面探测路轨轨腰上的缺陷。此外，该车也可配 有多个清轨器54，以于传感器和裂纹探测仪的前面预先从路轨除去垃圾。按照本发明，车40包括可自由转动的轮组件60，该轮组件的直径比普通检查轮 50，52的直径稍大，但也用于路轨的现场检查。轮组件60被放置在轮50和52之间，但可被 放置在车上的任何位置，以在检查操作中与其他探测仪一起被放下并与路轨12接触。两个 轮组件60的结构是相同的，并以相同的方式(但在不同的路轨上)操作。因此，下文仅描 述其中一个轮组件60。图3和4以不同的详细程度显示了轮组件60。如图3的截面图所示，由车支承的， 带有跨骑轮组件的可拆支腿64，66的分叉架62的组件。一对短轮轴68，70被挡圈71，72可松开地固定在支腿上，以便能把轮组件安装在架62上。轮轴一旦被安装在支腿64，66上， 就以不能转动的方式被固定连接至该架上。如图3、4和5所示，轮组件60包括两个轮毂76，78，其分别能通过轮轴承80，82在 轮轴68，70上自由地转动；将具弹性的轮胎84安装在轮毂上让其转动；以及把一组超声换 能器86，88从附接在短轮轴68，70上的固定的换能器支座90悬吊下来。轮胎84由具弹性的材料例如是聚亚胺酯制成，并在微弱压力例如是10-15磅/平 方英寸(Psi)下被装满流体100。轮毂上的密封件102，104跨骑在轮轴68，70上，防止流体 100从轮胎漏出。流体100优选为水和例如是乙二醇的防冻剂的混合物以防止流体结冰。流体100用作超声传送介质，在所示实施例中是超声换能器和轮胎84之间唯一的 传送介质。只要换能器被支承为紧靠轮胎以提高换能器信号中的信噪比，就不需要现有技 术中的辅助垫块。在优选实施例中，轮胎84的外径不少于八(8)英寸，且换能器被放置成 发射/接收头在轮胎未被挤压状态时距离轮胎的外围周边不多于3英寸。轮胎的优选外径 为约9英寸，并且换能器优选地被放置成在轮胎未被挤压状态时距离轮胎的外围周边不多 于2英寸。在车40被放下并且沿路轨12行走时，带有轮毂76，78的轮胎84在轮轴68，70上 自由转动，以致轮胎的外围周边表面与路轨轨头18的行走面M滚动接触。如图3和4所 示，轮胎在微小压力或车的重量下依靠在路轨轨头上，这使得轮胎鼓起，与行走面形成接触 区。在外部轮胎直径为9英寸的优选实施例中，路轨轨头18沿路轨的垂直纵向平面的接触 区应为约4英寸，以保证换能器86，88和路轨轨头18之间的超声束的高传送连接。超声换能器86，88通过支座90被放置在轮胎84内，以最利于探测路轨轨头上的 裂纹的特定角度把超声束沿轴线投射到路轨轨头18内。因为各换能器被放置并定向为最 佳地检查一半的路轨轨头，例如轨头的轨距侧或者轨外侧，所以使用了两个换能器。如果用 四个换能器(两个朝向前，两个朝向后)来检查，把声束对准任何一个方向就更有可能发现 裂纹，可能就会进一步提高检查结果。为简单起见，仅显示一个朝向前的换能器88和一个 朝向后的换能器86。此外，由于与换能器86面朝相反方向的换能器88的定位和操作跟换 能器86是相似的，所以下文仅讨论换能器86的定位和操作。如图3、4和5所示，超声换能器86向下投射声束B，透过流体100和轮胎84与基 础的底层路轨12的轨头18的上行走面M相交。按照本发明，换能器被放置成令声束的轴 线36与在轮胎和路轨之间的接触区内的行走面相交，并且相交位置从路轨的垂直纵向平 面向折射后声束传送的轨头的同一侧偏离不少于0.2英寸。换言之，折射声束的轴线并非 如例如现有技术美国专利第6，055，862号中的声束51，52所示般与垂直纵向平面相交。折 射声束与行走面相交之后，沿声束轴线向下传进路轨轨头内，以致折射声束以与垂直纵向 平面成约18士 10度的角度传进路轨轨头(图3中可见)，并以与横向平面成约60士 10度的 角度传进路轨轨头(图4中可见)。所述角度是优选的，并且由轮组件60中的换能器的定 位所决定。然而，已发现在偏离折射声束所检查的轨头的同一侧的位置上将声束穿入路轨 比现有技术的设备探测到更多的缺陷或裂纹，从而所产生的结果得到显著的改善。当声束B经基础的底层路轨的轨头18传送时，声束被缺陷或裂纹F例如是横向裂 纹反射，这使得一部分声束被反射，这种反射有时被称为回波。如果换能器是发射/接收换 能器或是另一超声探测仪，回波就沿多个路径传送，通过轮胎84和流体100回到路轨轨头18的行走面24，以致一部分回波到达换能器86。所接收到的回波由换能器转化为信号，将 其发射回处理器30 (图1)，在此经过分析以确定裂纹的类型和量值。通过使从换能器86投 射的超声束以已知的速度例如是2. 25百万赫(MHz)的速度脉动，以及利用与车速同步的时 间扫描，处理器还能够给出路轨上裂纹的位置。而且还能在处理器中查看和储存全部数据。如图6和7中所示，由于裂纹相对于声束的方向或位置的关系，带有轴线36的折 射声束在进入路轨轨头18内时或不会碰到或“看到”裂纹F，直到声束从轨头的底侧110、 轨距侧20、或轨外侧22反射之后才碰到或“看到”裂纹F。声束一进入路轨轨头，所示裂纹 F就以与折射声束的轴线36大致平行的角度倾斜。因此，裂纹不以声束该进入角度有效地 拦截声束。然而，在声束从底侧110反射之后，声束的轴线36大体上与裂纹成直角，裂纹在 金属结构内呈现一个目标和间断，强的声束回波会从所述目标和间断沿声束轴线36反射 回超声换能器86，以进一步处理和探测。因为声束是脉冲束，所以时间扫描中反射回波的处 理会显示出是在反射后探测到的裂纹。因此，仍然能够准确界定裂纹位置。尽管本发明已在多个实施例中被描述过，但是在不偏离本发明的精神的情况下本 发明能有很多不同的替代，这是会被理解的。例如，轮组件能与其他裂纹检查传感器和设备 联合使用或单独使用。只要能把换能器相对于路轨的位置固定，轮组件内换能器的悬吊就 能采用以各种不同的悬吊形式。只要超声束能在轮胎和路轨轨头之间通过，轮胎就能由聚 乙烯之外的其他具弹性的材料制成。因而，本发明已通过说明而非限制公开在优选实施例 中。
权利要求
1.一种用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，包括车，其能够在铁路路轨上行走；轮组件，其从车上悬吊下来并具有充满流体的轮胎，该车在铁路路轨上行走，充满流 体的轮胎与基础的底层路轨的轨头滚动接触，所述轮胎与基础的底层路轨的轨头形成接触 区；以及超声换能器，其被支承在轮胎内，通过流体和轮胎把超声束沿声束轴线传送进基础的 底层路轨的轨头内，声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于0 (零)度的第一角度和 与路轨的垂直横向平面成大于0 (零)度的第二角度传进路轨内，换能器被支承为可使声束 轴线与路轨轨头在接触区内相交，相交位置从路轨的垂直纵向中线平面向被所述超声束穿 入和检查的轨头的同一侧偏离。
2.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述轮组 件能从车自由旋转地悬吊下来。
3.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述超声 换能器是发射-接收换能器。
4.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述超声 换能器被激发而产生脉冲超声束。
5.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，还包括另一超声换能器，其被支承在所述充满流体的轮胎内，通过流体把另一超声束沿声束 轴线传送进基础的底层路轨内，声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于0 (零)度的 第三角度和与横向平面成大于0 (零)度的第四角度传进路轨的轨头内，声束轴线在基础的 底层路轨的一侧与轨头相交，相交位置从纵向中线平面向被另一超声束穿入和检查的轨头 的同一侧，但在横向平面的对侧偏离。
6.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述装满 流体的轮胎的直径不少于八(8)英寸。
7.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中从纵向中 线平面偏离的所述位置不少于0. 2英寸。
8.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述第一 角度在18士 10度范围内。
9.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述第二 角度在60士 10度范围内。
10.如权利要求1所述的用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统，其中所述换 能器以第一角度被支承，以使得路轨轨头内的超声束从被超声束穿入的轨头的侧面或底面 被反射。
11.一种用于路轨的现场检查的装置，该装置包括轮组件，其与铁路路轨的基础的底层路轨滚动接触，所述轮组件包括与基础的底层路 轨的轨头接触的具弹性的轮胎，轮胎装满着流体；以及至少一个超声换能器，其被支承在轮组件内，通过流体和轮胎把超声束沿声束轴线以 与路轨的垂直纵向中线平面成大于0(零)度的第一角度和以与路轨的垂直横向平面成大 于0(零)度的第二角度传送进基础的底层路轨的轨头内，换能器被支承在轮组件内，使得声束轴线与路轨轨头相交，相交位置从纵向中线平面向被超声束穿入的轨头的同一侧偏1 O
12.如权利要求11所述的路轨的现场超声检查装置，其中所述偏离不少于0.2英寸。
13.—种超声检查铁路路轨的轨头的方法，包括以下步骤把超声束沿声束轴线以与路轨的垂直纵向中线平面成大于零(0)度的第一角度和与 路轨的横向平面成大于零(0)度的第二角度引导进轨头的上表面中，引导声束轴线与路轨 轨头的上表面相交，相交位置从垂直纵向平面向被超声束穿入的路轨轨头的同一侧偏离。
14.如权利要求13中所述的铁路路轨的轨头的超声检查方法，其中所述偏离不少于 0. 2英寸。
15.如权利要求13中所述的铁路路轨的轨头的超声检查方法，其中所述超声束是脉冲束ο
16.如权利要求13中所述的铁路路轨的轨头的超声检查方法，还包括以下步骤 探测来自路轨轨头上缺陷的超声束的回波。
17.一种用于探测铁路路轨的轨头上所存在缺陷的超声检查装置，该装置包括 轮组件，其与铁路路轨滚动接触，所述轮组件包括轮轴、可转动地安装在轮轴上的轮毂，以及安装在轮毂上以绕轮轴转动的具弹性的轮胎，在检查过程中，所述轮胎在一部分轮 胎和基础的底层路轨轨头的一部分表面之间形成接触区；至少一个超声换能器，其带有声束发射/接收头，所述换能器被安装在轮组件内并从 轮轴悬吊下来，发射/接收头被置于预定距离内，其在轮胎未被挤压状态时距离轮胎不多 于3英寸；以及流体，其被置于轮组件内，在换能器的发射/接收头与在轮胎和基础的底层路轨之间 形成接触区的那部分轮胎之间提供唯一的超声传送介质。
18.如权利要求17所限定的用于探测缺陷的超声检查装置，其中所述轮胎的直径不少 于八⑶英寸。
19.如权利要求17所限定的用于探测缺陷的超声检查装置，其中提供超声传送介质的流体包含乙二醇。
20.如权利要求17所限定的用于探测缺陷的超声检查装置，其中在轮胎未被挤压状态 时所述发射/接收头与轮胎之间的预定距离不多于二(2)英寸。
全文摘要
用于路轨的现场检查的铁路路轨超声检查系统、装置和方法，其包括轮组件，该轮组件包括装满流体的轮胎和安装在轮组件内的超声换能器。换能器被支承在轮胎内，以便换能器所产生的超声束带有与铁路路轨的轨头相交的声束轴线，相交位置从路轨的纵向中线平面向被超声束穿入的轨头一侧偏离。超声束被路轨上的裂纹以回波的形式反射。回波返回换能器，识别裂纹的位置。
文档编号G01M17/03GK102084245SQ200980126916
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月15日
发明者R·马克·哈维拉 申请人:斯百力铁路公司