现场超声检查铁路路轨的方法和装置的制造方法
【专利说明】现场超声检查铁路路轨的方法和装置
[0001 ]本专利申请为分案申请；其原申请的申请日为2009年5月14日，申请号为200980126916.9，发明名称为“现场超声检查铁路路轨的方法和装置”。原申请是国际申请，其国际申请号为PCT/US2009/043873，国际申请日为2009年5月14日，进入中国国家阶段日为2011年I月5日。
技术领域
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]—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。
[0007]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。
[0008]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】
[0009]—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，充满流体的轮胎在下层的路轨的轨头滚动接触。轮胎与下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下层路轨的轨头内。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。
[0010]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下层路轨滚动接触的轮组件。该轮组件包括与下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下层路轨的轨头内。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。
[0011]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(O)度的第一角度和与路轨的横向平面成大于零(O)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。
[0012]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，轮胎其中一部分和下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/接收头与在轮胎和下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。
【附图说明】
[0013]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:
[0014]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；
[0015]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
[0016]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；
[0017]图4是路轨以及路轨检查系统的轮组件的侧视示意图；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
【具体实施方式】
[0021 ]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24。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。
[0022]系统10包括含有一个或多个超声换能器28(通常为发射-接收换能器)的裂纹探测仪或传感器26，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28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24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24到达换能器26，换能器26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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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