专利名称：用于铁路路轨的超声检查的系统以及铁路路轨检查系统的制作方法
技术领域：
本实用新型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。本实用新型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换路轨的活动式耐用型装置。更具体的是，本实用新型涉及用于现场探测、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。再者，本实用新型包括用于确保在不同环境下通过超声测试获得结果一致可靠的零件。
背景技术：
由于制造过程，或由于自然环境过程和正常使用，铁路轨道的路轨会形成某些有害的裂纹，这在铁路行业是公认的。这些裂纹可包括非关键缺陷和关键缺陷，例如横向缺陷、竖直的剪切或轨头裂口缺陷，以及水平的剪切或轨头裂口缺陷。只要路轨内的裂纹仍是不严重，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成严重缺陷，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会对铁路行业、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维修而降低故障频率。而且，选择性的修复使例行维修能更符合成本效益，而探测裂纹有助选择性修复。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检查。一般而言，检查装置是采取安装在车厢上的滑板和轮的形式。如第4，700，574号美国专利所公开的滑板设计，采用了在滑板(sled)上的超声换能器，该滑板沿带有水涂层的路轨被拖动以形成声桥。如第6，055，862号美国专利所公开般，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，以在换能器与路轨的表面之间形成超声桥(ultrasonic bridge),其可带有水涂层。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，滑板对于路轨行驶表面上的瑕疵和裂纹更加敏感。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会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向大体上竖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，如第4，700, 574号和第6，055，862号美国专利所公开，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竖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一些额外的裂纹，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的裂纹方面的能力仍是有限。
发明内容本实用新型提供了一种用于铁路路轨的超声检查的系统，包含:车厢；从车厢可自由地旋转地悬吊下来的第一轮组件，该第一轮组件带有大体上装满流体的第一轮胎，并被设置成沿铁路路轨的轨头滚动，该第一轮胎与该铁路路轨形成第一接触区；以及被支承在第一轮胎内的第一超声发射-接收换能器，其中该第一超声发射-接收换能器被设置成发射出第一脉冲超声束，其沿第一声束轴线通过该流体和该第一接触区并进入该铁路路轨的轨头内。所述的用于铁路路轨的超声检查的系统优选地进一步包含被支承在第一轮胎内的第二超声换能器。所述的用于铁路路轨的超声检查的系统优选地进一步包含:被支承在第一轮胎内的第三超声换能器；以及被支承在第一轮胎内的第四超声换能器。所述的用于铁路路轨的超声检查的系统进一步包含:从车厢可自由地旋转地悬吊下来的第二轮组件，该第二轮组件带有大体上装满流体的第二轮胎，并被设置成沿该铁路路轨的轨头滚动，该第二轮胎与该铁路路轨形成第二接触区；以及被支承在该第二轮胎内的第二超声发射-接收换能器，其中该第二超声发射-接收换能器被设置成发射出第二脉冲超声束，其沿第二声束轴线通过流体和第二接触区并进入该铁路路轨的轨头内。所述的用于铁路路轨的超声检查的系统优选地进一步包含:温度传感器，其用于感测该流体的温度；以及悬吊在第一轮胎内的热交换器，其包含入口、出口以及该入口和该出口之间的内部流径，其中该热交换器适于在入口接收来自外部来源的传热介质流，以调节该流体的温度。在本实用新型的某实施例中，第一轮胎由聚氨酯制成。该第一轮胎的直径为至少六英寸。本实用新型还提供了一种铁路路轨检查系统，包含:车厢；从该车厢悬吊下来的第一滚动探寻器，其中该第一滚动探寻器包括大体上装满第一流体的第一膜，悬吊在该第一膜内的第一超声换能器，以及悬吊在该第一膜内的第一热交换器；以及热交换装置，其被设置成提供处于预定流速和预定温度的传热介质，其中该第一热交换器被设置成从该热交换装置接收该传热介质的第一供应。所述的铁路路轨检查系统优选地进一步包含:从该车厢悬吊下来的第二滚动探寻器，其中该第二滚动探寻器包括大体上装满第二流体的第二膜，悬吊在该第二膜内的第二超声换能器，以及悬吊在第二膜内的第二热交换器，其中该第二热交换器被设置成接收来自该热交换装置的该传热介质的第二供应。所述的铁路路轨检查系统优选地进一步包含温度传感器，其用于感测该传热介质的温度。在本实用新型的某实施例中，该第一膜由聚氨酯制成。或者，该第一膜由硅胶制成。一方面，本实用新型提供了用于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厢。滚动探寻器或轮组件可被安装至转向架组件上的探头载体，从车厢悬吊下来或装设在任何其他车辆上，并可带有充满流体的轮胎或膜，致使当该系统在铁路路轨上行走时，其与该铁路路轨的下伏路轨的轨头滚动接触。轮胎或膜与下伏路轨的轨头形成接触区。超声换能器被支承在轮胎或膜内，把超声束通过流体和轮胎或膜沿声束轴线发射进下伏路轨的轨头内。声束轴线以与路轨的竖直纵向中央面成大于0(零)度的第一角度和与路轨的竖直横向平面成大于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，相交位置从路轨的竖直纵向中央面向被所述超声束穿入和检查的轨头的同一侧偏移。此外，换能器在轮胎或膜内被支承为可相对于行走方向向前或向后、与铁路路轨的排列垂直或平行、或者以任何其他方向和沿任何轴线发射声束。另一方面，本实用新型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。该装置包括用于与铁路路轨的下伏路轨滚动接触的滚动探寻器或轮组件。该滚动探寻器或轮组件包括用于与下伏路轨的轨头接触的具弹性的轮胎或膜，轮胎或膜装满着流体。至少一个超声换能器被支承在滚动探寻器或轮组件内，把超声束通过流体和轮胎或膜沿声束轴线以与路轨的竖直纵向中央面成大于0(零)度的第一角度或与路轨的竖直横向平面成大于0(零)度的第二角度发射进下伏路轨的轨头内。换能器被支承在滚动探寻器或轮组件内，使得声束轴线与路轨轨头相交，相交位置从纵向中央面向被超声束穿入和检查的轨头的同一侧偏移。此外，换能器在轮胎或膜内被支承为可相对于行走方向向前或向后、与铁路路轨的排列垂直或平行、或者以任何其他方向和沿任何轴线发射声束。或者，至少一个超声换能器可被支承在滚动探寻器或轮组件内，以发射出超声束，其沿声束轴线通过流体和轮胎或膜，以与路轨的上表面垂直的角度进入下伏路轨的轨头内。第三方面，本实用新型提供了超声检查铁路路轨的轨头的方法。该方法可包含以下步骤:把超声束沿声束轴线以与路轨的竖直纵向中央面成大于零(O)度的第一角度或与路轨的竖直横向平面成大于零(O)度的第二角度引导进轨头的上表面中。可引导声束轴线与路轨轨头的上表面相交，相交点从竖直纵向平面向被超声束穿入和检查的路轨轨头的同一侧偏移。第四方面，本实用新型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滚动探寻器或轮组件，滚动探寻器或轮组件包括轮轴、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或膜。在检查过程中，轮胎或膜其中一部分和下伏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。换能器被安装在滚动探寻器或轮组件内并从轮轴悬吊下来，发射/接收头被以预定角度置于离路轨表面的不同距离。流体，其被置于滚动探寻器或轮组件内，以在换能器的发射/接收头与在轮胎或膜和下伏路轨之间形成接触区的那部分轮胎或膜之间提供唯一的超声传送介质。其他构形可带有多个表面。而且，本实用新型的车厢、探头载体、装置和轮组件可包括任何数量的充满流体的轮胎或膜，以与一个或多个铁路路轨滚动接触。例如，车厢、探头载体、装置和轮组件可包括一个充满流体的轮胎或膜，以与一个铁路路轨滚动接触。又如，车厢、探头载体、装置和轮组件可包括两个充满流体的轮胎或膜，以与一个或多个铁路路轨滚动接触。另如，车厢、探头载体、装置和轮组件可包括三、四、五、六、七、八、九或十个充满流体的轮胎或膜，以与一个或多个铁路路轨滚动接触。再如，车厢、探头载体、装置和轮组件可包括十个或更多个充满流体的轮胎或膜，以与一个或多个铁路路轨滚动接触。本实用新型的轮胎或膜的直径可为任意的。例如，轮胎或膜的外径可为约八(8)英寸，或二十(20)厘米，换能器可被置于轮胎或膜内，以致发射器的发射/接收头被放置成距离路轨表面约三(3)英寸，或大约七又二分之一(7.5)厘米。又如，轮胎或膜的外径可为约九(9)英寸，或约二十三(23)厘米，换能器可被置于轮胎或膜内，以致发射器的发射/接收头被置于距离路轨表面约两(2)英寸，或大约五(5)厘米。另如，轮胎或膜的外径可为约六(6)英寸，或约十五(15)厘米，或者还可为八(8)英寸，或二十(20)厘米，换能器可被置于轮胎或膜内，以致发射器的发射/接收头被置于距离路轨表面约两(2)英寸，或大约五
(5)厘米。本实用新型的车厢、探头载体、装置和轮组件可包括一个或多个被安装在其中的热交换器，以使轮胎或膜内的流体保持在预定或理想的温度。在优选实施例中，所安装的热交换器可为独立的闭环流体系统的一部分，透过在滚动轮胎或膜内传热介质的循环，从该流体吸热或向其导热。该热交换器可进一步包括传感器和/或控制系统以监测滚动轮胎或膜内流体的温度或传热介质的温度，以及在必要时向热交换器加热或使其冷却，从而使轮胎或膜内流体的温度保持在预定的设定点或接近该点。在替代性实施例中，本实用新型的滚动探寻器的热交换器包含入口、出口以及该入口和该出口之间的内部流径,其中从外部来源接收的传热介质流从该入口通过该内部流径流至该出口。在又一实施例中，本实用新型的铁路路轨检查系统的第一热交换器包含第一入口、第一出口以及该第一入口和该第一出口之间的第一内部流径，其中从热交换装置接收的传热介质的第一供应从该第一入口通过该第一内部流径流至该第一出口。此外，该超声铁路路轨检查系统的传热介质是在该入口从外部来源接收的。在本实用新型的铁路路轨检查系统中的第一流体是在第一膜内。通过使充满流体的轮胎或膜内的流体温度保持在预定或理想的温度，尽管在整个检查过程中有任何温度上的变化或因摩擦而可能产生的任何热力，本实用新型的系统和方法仍可通过提供一个恒定的流体温度来确保检查结果在各个单项检查中是统一规格的。第二，基于相同的原因，本系统和方法亦可将全年中(即在每个季度和在任何温度下)进行的定期检查的结果的规格统一。第三，因为流体介质的温度可被控制或保持在理想水平，所以本系统和方法使检验能在对特定流体介质最有利的温度下，即在使流体的声学特性最大化的温度下进行。最后，本系统和方法允许相同的滚动探寻器用在任何位置进行检查和分析，不管各个相应位置的温度如何。参阅发明内容、附图、优选实施例的具体实施方式
和权利要求书可确定本文中公开的用于进行非破坏性检验的系统和方法的其他方面和优点。
图1是根据本实用新型的一个实施例的超声铁路路轨检查系统的示意图，说明铁路路轨上的横向缺陷或裂纹和用于探测该裂纹的超声路轨检查系统。图2是根据本实用新型的一个实施例、用于铁路路轨的现场超声路轨检查的图1中所示的路轨检查系统中所使用的车厢的立体图。图3是根据本实用新型的一个实施例、图4中所示的截面线3-3处所见的路轨以及裂纹检查滚动探寻器或轮组件的横截面的主视示意图。图4是根据本实用新型的一个实施例的路轨以及路轨检查系统的滚动探寻器或轮组件的侧视示意图。图5是根据本实用新型的一个实施例的路轨以及图3和4中所示的滚动探寻器或轮组件的超声换能器的仰视示意图。图6是根据本实用新型的一个实施例的路轨和超声换能器的侧视示意图，说明超声束在路轨轨头内反射之后探测到裂纹。图7是根据本实用新型的一个实施例的图6中所示的路轨、反射声束和换能器的王视不意图。图8是根据本实用新型的一个实施例的滚动探寻器或轮组件的侧视图。图9是根据本实用新型的一个实施例的图8中所示的滚动探寻器或轮组件的等角视图。图10是根据本实用新型的一个实施例的图8中所示的滚动探寻器的横截面视图，其是沿截面线10-10绘制的。
具体实施方式
本实用新型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，包括滚动探寻器或轮组件，其包括充满流体的轮胎或膜，以沿下伏路轨滚动，并且一个或多个超声换能器被安装在充满流体的轮胎或膜内。在本实用新型的一些实施例中，本方法和装置可使用安装在轮胎或膜内的热交换器使轮胎或膜内的流体保持在大体上恒定的温度。参照图1，显示了用于检查铁路路轨12内部结构的裂纹或缺陷的铁路路轨超声检查系统10。路轨12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18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，图1中所示的铁路路轨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竖直地延伸的竖直纵向平面、沿路轨上的行走路径水平地延伸的水平纵向平面，以及与路轨上的行走路径竖直地延伸并成直角的横向平面。图1中所示的系统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。按照本实用新型，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在路轨竖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。在图1中所示的例子中，裂纹F是椭圆的横向裂纹，位于被声束穿入的竖直纵向平面的同一侧。超声束一部分从裂纹沿声束轴线36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28，换能器28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并通过缆32把该信号发送给中央处理器30。中央处理器30对反射信号进行分析，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30的屏幕35上。参照图2，本实用新型的优选实施例利用了车厢40，在检查操作中，该车厢被连杆43悬吊在适于沿路轨行走的轨道车或检查车辆(未显示)下，进行路轨裂纹的现场探测和识别。车厢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厢放在路轨上时，以引导该车厢沿着路轨在大体上正中的位置。车厢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实用新型一起操作的检查附件。例如，该车厢可配有感应传感器组件46以及相关的电流感应刷48。该车厢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，在相对于行走方向超声轮的前后探测裂纹，以及探测在轮下、路轨轨腰中的缺陷。此夕卜，该车厢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。按照本实用新型，车厢40包括可自由转动的滚动探寻器或轮组件60，该滚动探寻器或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。如图2中所示，滚动探寻器或轮组件60可被置于轮50和52之间，但是，按照本实用新型，滚动探寻器或轮组件60可被置于车厢40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。该两个滚动探寻器或轮组件60的结构是相同的，并可以相同的方式(但在不同的路轨上)操作。因此，下文仅描述滚动探寻器或轮组件60的其中一个。图3和4以不同的详细程度显示了滚动探寻器或轮组件60。如图3的截面图所示，滚动探寻器或轮组件60由带有跨骑轮组件的可拆支腿64，66的分叉架62从车厢支承。一对短轮轴68，70被夹子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中，就可以不能转动的方式被固定至该架。如图3、4和5所示，滚动探寻器或轮组件60包括两个轮毂76，78，其可通过轮轴承80，82分别在轮轴68，70上自由地转动；将具弹性的轮胎或膜84安装在轮毂上让其转动；以及把一组超声换能器86，88从固定的换能器支座90悬吊下来并附接在短轮轴68，70上。轮胎或膜84由具弹性的材料例如是聚氨酯或硅胶制成，并以流体G充满至测量仪器测量为在微弱压力下，如大约5至10磅每平方英寸(psi)，或大约34.475至68.950千帕(kPa)的压力。或者，轮胎或膜84可以流体G充满至测量仪器测量为带有微弱压力，如10至15磅每平方英寸(psi)，或大约68.950至103.425千帕(kPa)的压力。轮毂中的密封件92，94骑在轮轴68，70上，防止流体G从轮胎或膜84逸出。流体G可为任何合适的流体，如水和防冻剂、聚丙烯、乙二醇、油或其他类似流体的混合物，以防止流体结冰。流体G用作超声传送介质，并且如图3的所述实施例中所示是超声换能器和轮胎或膜84之间唯一的传送介质。只要换能器被支承为靠近轮胎或膜，就不需要辅助块来提高换能器信号中的信噪比。在优选实施例中，轮胎或膜84的外径为约八(8)英寸，或约二十
(20)厘米，并且换能器可被定位成发射/接收头距离路轨表面约三(3)英寸，或约七又二分之一(7.5)厘米。轮胎或膜84的另一优选外径为约九(9)英寸，或约二十三(23)厘米，并且换能器优选地被放置成距离路轨表面约两(2)英寸，或约五(5)厘米。其他的优选外径包括大约六(6)、六又二分之一(6.5)、七(7)、八(8)和九(9)英寸，或分别为大约十五
(15)、十六又二分之一(16.5)、十八(18)、二十(20)和二十二又二分之一(22.5)厘米。如图3所示，在车厢40被放下以沿路轨12行走时，带有轮毂76，78的轮胎或膜84在轮轴68，70上自由转动，以致轮胎或膜84的外围周边表面与路轨轨头18的行走面24滚动接触。如图3和4所示，轮胎或膜84在微小压力或车厢40的重量下靠在路轨轨头18上，这使得轮胎或膜84鼓起，与行走面形成接触区。在外部轮胎或膜直径为九(9)英寸的优选实施例中，路轨轨头18沿路轨的竖直纵向平面的接触区应为约四(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被定位于轮胎或膜84内，以最利于探测路轨轨头的裂纹的特定角度把超声束沿轴线投射到路轨轨头18内。在优选实施例中，可使用两个换能器，以便各换能器被放置并定向为最佳地检查路轨轨头的一半，例如路轨轨头的轨距侧或者轨外侧。在另一优选实施例中，可使用四个换能器(相对于行走方向两个指向前，两个指向后)，以把声束对准任何其中一个方向就更有可能发现裂纹。为简单起见，图4仅显示了一个朝向前的换能器88和一个朝向后的换能器86。此外，由于换能器86跟面朝相反方向的换能器88的定位和操作是相似的，所以下文仅对图3、4和5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G和轮胎或膜84与下伏路轨12的轨头18的上行走面24相交。按照本实用新型的一个实施例，换能器86被放置成令声束的轴线36与在轮胎或膜84和路轨18之间的接触区内的行走面相交，并且相交位置从路轨的竖直纵向平面向折射后声束传送并穿过的轨头的同一侧偏移约0.2英寸，或约0.5厘米。换言之，在图3-5中所示的本实用新型的实施例中，折射声束的轴线并非如例如现有技术第6，055，862号美国专利中的声束所示般与竖直纵向平面交叉。但是，按照本实用新型可使用任何维度的偏位。例如，可按照本实用新型使用0.5英寸，或1.3厘米，或更大的偏位。而且，虽然超声换能器86，88被定向为以致换能器86的声束轴线36指向一个方向而换能器88的声束轴线36指向另一方向，即向前和向后，但是换能器86，88的排列可被对齐，以致声束轴线36指向同一方向或为任何其他的排列。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，以致折射声束在轨头中以与竖直纵向平面成约18± 10度的角度传送经过轨头(图3中可见)，并以与横向平面成约60± 10度的角度传送经过轨头(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，已发现将声束芽入路轨的位直向被折射声束所检查的轨头的同一侧偏移会比现有技术的设备探测到更多的瑕疵或裂纹，从而所产生的结果得到显著的改善。当声束B经下伏路轨的轨头18传送时，声束B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。回波就沿多个路径传送回到路轨轨头18的行走面24，通过轮胎或膜84和流体G，以致一部分回波到达换能器86。如果换能器86是发射/接收换能器或是另一超声探测仪，所接收到的回波由换能器转化为信号，将其发射回图1中所示的处理器30，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率例如是2.25兆赫(MHz)脉动，以及利用与车厢40的速度同步的时间扫描，处理器还能够给出路轨上裂纹F的位置。而且还能在处理器30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内时或不会遇到或“看到”裂纹F，直到声束从轨头的底侧96、轨距侧20、或轨外侧22反射之后才遇到或“看到”裂纹F。声束一进入路轨轨头24后，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F不在进入角度有效地拦截声束。然而，在声束从底侧96反射之后，声束的轴线36大体上与裂纹F成直角，裂纹F呈现一个目标和在金属结构内的间断，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，以作进一步处理和探测。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裂纹是在反射后探测到的。因此，仍然能够准确界定裂纹位置。参照图8和9，其显示了根据本实用新型的滚动探寻器或轮组件100的另一实施例。滚动探寻器或轮组件100包括支架组件110、轴112、接头114、出料阀116以及维持在夹环122和轮凸缘136之间的轮胎或膜120。滚动探寻器或轮组件100可通过一些接头130和软管132与传热系统(未显示)联接,其会通过供回集管(supply and return headers)向滚动探寻器100提供传热介质。支架组件110适于被安装至能够在铁路路轨上以任何速度行走的车厢或其他车辆的下侧，并为轴112和轮胎或膜120提供支承。接头114被安装至轴112的延伸部分并适于与计算机或其他处理器(如图1中所示的中央处理器30)连接。接头114可为任何形式，并可包括在滚动探寻器或轮组件100与计算机(如中央处理器30)之间的一个或多个连接点。参照图10，其显示了图8和9的滚动探寻器或轮组件100的横截面图。图中显示滚动探寻器或轮组件100带有超声换能器160和热交换器170，其被支承在充满流体G的轮胎或膜120内。轴112被显示为安装至支架组件110，并向轮凸缘136提供支承。轴112可由任何强度足够的材料制成，如不锈钢。通过使用紧固件124把轮胎或膜120夹在夹环122内，其固定并密封轮胎或膜120的内圆周。夹环122、轮胎或膜120和轮凸缘136形成可注满流体G的空腔。按照本实用新型可使用任何形式的紧固件124，如螺钉、螺栓、螺母、夹子或任何其他类似的器件。轮胎或膜120相对夹环122和轮凸缘136自由旋转，并与下伏路轨接触。在目前优选的实施例中，轮凸缘136包括轴承组件，其被置于护环内并以弹簧或类似的装置固定，为轴112提供径向支承并且减小旋转摩擦力。可在检查操作前通过填料阀152将轮胎或膜120注满流体G，图中显示填料阀152被杠缓冲件154盖�。蛲ü隽戏�116排干以进行维修，图中显示出料阀116被阀盖盖住。滚动探寻器或轮组件100还包括密封件150，其防止受压流体G从内腔逸出。按照本实用新型可使用任何类型的密封件150，如唇形密封或O形密封圈，或者任何其他类似的器件。轭组件156被置于轮胎或膜120内。轭组件156在轮胎或膜120内为超声换能器160和热交换器170提供结构上的支承。超声换能器160可被装备成把超声束发射穿过流体G和轮胎或膜120并进入下伏路轨内，并亦可进一步被装备成接收被下伏路轨内的裂纹、缺陷或其他特征反射的声束。热交换器170被设计成把轮胎或膜120内的热交换器170外面的流体G和在热交换器170内部经过的传热介质之间的热传递至外部传热系统。热交换器170通过接头130、软管132和肘管134连接外部供回集管，其通过轴112内的通道向热交换器170提供传热介质。根据本实用新型的热交换器可为任何形状，但图10中显示的热交换器170为扇形弧状，其大小被设定为使轮胎或膜120内用于传热的外表面面积最大化，还适合放于轮胎或膜120装载后的剩余高度(loaded free height)内。此外,虽然图10中显示热交换器170带有光滑的外表面，但根据本实用新型的热交换器可带有槽形或波纹形的外表面，以进一步加强热力传递，其或可具有任何其他的期望的表面特征。在操作过程中，可将滚动探寻器或轮组件100放下而与铁路路轨接触，从而进行检查，并且计算机或其他处理器，如图1中所示的中央处理器30和计算机35，可向超声换能器160发出信号，以当探寻器100于铁路路轨上行走下去时发射一个或多个超声束，其通过流体G和轮胎或膜120，并进入下伏路轨的轨头内。同时，可监测离开热交换器的流体G和/或传热介质的温度。如果流体G的温度太高或太低，则可启动、确保或控制传热介质流过热交换器170的流量，直至达到理想温度。热力可由于摩擦而在轮胎或膜120内产生，如轴承摩擦、轮胎或膜120与下伏路轨的滚动接触所产生的摩擦,还有流体G在轮胎或膜120内晃动或流动所造成的摩擦。可基于所感测到流体G或该传热介质的温度，在外部控制传热介质流过热交换器170的流量。该流量可受到计算机或其他处理器控制，如图1中所示的中央处理器30和计算机35。此外，该流量可受到还控制将信号发送至超声换能器160的同一计算机或其他处理器、或者受到另一独立系统控制。而且，可基于所感测到或预期的因素启动或确保、或者增加或减少传热介质流过热交换器的流量。例如，可按预期轨道车的速度加快或减慢，增加或减低传热介质流量，从而解释到摩擦的增加或减小。类似地，可因环境中周围温度的变化，或基于对周围环境的温度变化的预测，增加或减少传热介质的流量。图10中显示的热交换器170可与本领域普通技术人员已知的任何类型的传热系统联接。这种传热系统可包括安装在检查车辆，如轨道车车厢，并可包括一个或多个滚动探寻器或轮组件100，如图8-10中所示的滚动探寻器或轮组件，其包括轮胎或膜120，可被安装并对齐以与下伏路轨滚动接触。传热系统还可包括向滚动探寻器或轮组件100提供传热介质的供给歧管和线路以及从滚动探寻器或轮组件100伸出的返回歧管和线路。传热系统还可包括用于热电偶(或其他装置)的感测连接，以监测经过那些歧管和线路的流体的温度。传热系统还可包括传热装置，如冷冻器、加热器、或其他被设计成充当冷冻器或加热器的装置，以及过滤器。传热系统和装置可被设计成向供给歧管和线路提供处于预定或理想温度以及流速的传热介质流，并且接收来自排放歧管和线路的传热介质流。此外，传热系统和装置可功能性地与自动化零件连接，以接收关于供给歧管和线路以及返回歧管和线路内的传热介质的温度的控制信号的，并且可相应地自动增加或减少传热介质的流量，或者可相应地提高或降低该传热介质的温度。例如，如果返回歧管内的传热介质被感测到的温度上升到设定点之上或下降到其下，或者在可接受的范围之外，则传热系统可通过热交换器向传热介质加热或把热从其去除，或者可加快或减慢传热介质的流速。本实用新型的轮胎或膜，如图2-4中所示的轮胎或膜84或者图8-10中所示的轮胎或膜120，可由任何合适的具弹性的物料如聚氨酯制成。轮胎或膜可以流体充满至测量仪器测量为带有任何理想的压力，如大约5至10磅每平方英寸(psi)，或大约34.475至68.950千帕(kPa)的压力。或者，轮胎或膜120可以流体G充满至测量仪器测量为带有大约10至15磅每平方英寸(psi)，或大约68.950至103.425千帕(kPa)的压力，以使轮胎或膜与下伏的铁路路轨保持适当的滚动接触。而且，本实用新型的轮胎或膜可为任何合适的厚度，如0.060至0.075英寸(in)，或1.524至1.905毫米(mm)厚，或任何其他厚度。再者，本实用新型的轮胎或膜可如本实用新型的系统和方法的操作者所期望的那样以任何合适的速度行走。本实用新型的滚动探寻器或轮组件可使用任何数量的换能器。例如，滚动探寻器或轮组件可包括两个换能器，如图3和4的实施例中所示。滚动探寻器也可包括一、三、四、五、六、七、八、九、十个或任何其他数量的按照本实用新型的换能器。而且，换能器可被定向为相对于行走方向向前或向后，以及与铁路路轨的排列垂直或平行，或者以任何其他方向和沿任何轴线。再者，本实用新型的换能器可为发射器、接收器或者发射器和接收器的组合。本实用新型的方法和系统可进一步使用任何类型的热交换器和传热系统，如闭环传热系统，其可包括一个或多个与热交换器流体相通的加热器或冷冻器。优选地，本实用新型的热交换器被设计成能承受测量仪器测量到为大约60磅每平方英寸(psi)，或413.685千帕(kPa)的内部操作压力，并使传热系统内的传热介质保持与轮胎或膜内的流体分开。虽然本实用新型的滚动探寻器或轮组件被设计成使流体和传热介质保持互相分开，并防止流体和传热介质互相直接接触，但流体和传热介质优选为同一流体，即重量大约百分之五十为水和百分之五十为乙二醇的混合物。乙二醇是流体G的优选组分，因为其凝固点低，尤其是在与水混合时。纯乙二醇在大约_12°C (+10 T )凝固，而按体积计大约百分之五十为水和百分之五十为乙二醇的混合物则在大约-38°C (-36 T )凝固。然而根据本实用新型，可把任何合适的传热介质用于安装在轮胎里的热交换器内。在使用安装在充满流体的轮胎内的热交换器的本实用新型的滚动探寻器或轮组件中，这种交换器可与任何类型的传热系统联接，该系统可被保持在轨道车、车厢或其他检查车辆上，并可包括一个或多个加热器或冷冻器以及控温设备。虽然可利用任何形式的接头将热交换器与按照本实用新型的传热系统的供回集管连接，但热交换器和传热系统带有的接头优选为带有快速连接配件，使得滚动探寻器或轮组件能以�？榈男问接氪认低撑涠�。此外，软管可由任何物料制成，如绝缘或设有护套的橡胶，以尽量减少周围环境与传热介质之间的热传递，并尽管滚动探寻器或轮组件沿铁路路轨行走时有各种的震动和冲击，软管亦会使热交换器保持与传热系统流体相通。尽管本实用新型已在多个实施例中被描述过，但是在不偏离本实用新型的精神的情况下本实用新型能有很多变体和替代方案，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好，轮组件内换能器就能采用各种不同的悬吊形式。轮胎或膜能由聚氨酯之外的其他具弹性的材料制成，只要超声束能在轮胎或膜和路轨轨头之间通过即可。因而，本实用新型是通过说明而非限制地在优选实施例中公开。利用本实用新型的滚动探寻器来进行路轨检查的系统和方法提供多个胜过现有技术的优点。第一，通过让操作人员能将轮胎内流体的温度保持在恒定水平，不管检查时的环境温度如何，也可得到合乎规格的检验结果。第二，本实用新型的滚动探寻器功能多得可在任何地方使用，从干热的沙漠到多雪的山区均可，因为该些滚动探寻器会适应温差，并相应地提供合乎规格的检验结果。第三，本实用新型的滚动探寻器还能够适应在操作过程中因摩擦而产生或产生自任何其他外来的热力。第四，因为温度上升会导致轮胎内流体的压力增加，所以控制轮胎内流体的温度使到操作人员能将传热系统内轮胎或其他部件的维修和磨损减至最小。而且，如上文所述，本文所公开的系统和方法可被用于多种应用方案并不受限于用来检查铁路路轨。例如，该些系统和方法可被用来对任何表面，如路面、地基或其他结构，或者为任何所想的原因进行超声检查。应该理解的是，除本文明显地或隐含地指明外，本文中就某一特定实施例而描述的任何特征、特性、替代或修改也可被应用或使用，或者与本文所述的任何其他实施例结合。并且，同样应该理解的是附图并不是按比例绘制的。条件用语,其中包括如“能(can、could) ”或“可(might、may) ”,除非另外特别指出，或者在所使用的语境内另有理解外，通常旨在揭示某些实施例可包括但非要求某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件用语通常不是旨在意指特征、元件和/或步骤在一个或多个实施例中无论如何都是需要的，或者该一个或多个实施例必然包括用于决定(不管使用者有否加以输入或提示)是否在任何特定实施例中包括或实施这些特征、元件和/或步骤的逻辑。相关领域的普通技术人员基于本文中的教义可知，可在不偏离权利要求中所限定的本领域的精神而对本实用新型以上所述的实施例和其他实施例做出很多改变和修改。相应地，这种对目前优选的实施例的详细描述应被理解为是说明性而非限制性的。虽然本实用新型是按照其示例性实施例来进行描述和说明，但是可在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下，对其做出前述和各种其他增加和省略。
权利要求1.一种用于铁路路轨的超声检查的系统，包含: 车厢； 从车厢可自由地旋转地悬吊下来的第一轮组件，该第一轮组件带有大体上装满流体的第一轮胎，并被设置成沿铁路路轨的轨头滚动，该第一轮胎与该铁路路轨形成第一接触区；以及 被支承在第一轮胎内的第一超声发射-接收换能器， 其中该第一超声发射-接收换能器被设置成发射出第一脉冲超声束，其沿第一声束轴线通过该流体和该第一接触区并进入该铁路路轨的轨头内。
2.如权利要求1所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中所述的用于铁路路轨的超声检查的系统进一步包含被支承在第一轮胎内的第二超声换能器。
3.如权利要求2所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中所述的用于铁路路轨的超声检查的系统进一步包含: 被支承在第一轮胎内的第三超声换能器；以及 被支承在第一轮胎内的第四超声换能器。
4.如权利要求1所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中所述的用于铁路路轨的超声检查的系统进一步包含: 从车厢可自由地旋转地悬吊下来的第二轮组件，该第二轮组件带有大体上装满流体的第二轮胎，并被设置成沿该铁路路轨的轨头滚动，该第二轮胎与该铁路路轨形成第二接触区；以及 被支承在该第二轮胎内的第二超声发射-接收换能器， 其中该第二超声发射-接收换能器被设置成发射出第二脉冲超声束，其沿第二声束轴线通过流体和第二接触区并进入该铁路路轨的轨头内。
5.如权利要求1所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中所述的用于铁路路轨的超声检查的系统进一步包含: 温度传感器，其用于感测该流体的温度；以及 悬吊在第一轮胎内的热交换器，其包含入口、出口以及该入口和该出口之间的内部流径， 其中该热交换器适于在入口接收来自外部来源的传热介质流，以调节该流体的温度。
6.如权利要求1所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中第一轮胎由聚氨酯制成。
7.如权利要求1所述的用于铁路路轨的超声检查的系统，其中该第一轮胎的直径为至少六英寸。
8.一种铁路路轨检查系统，包含: 车厢； 从该车厢悬吊下来的第一滚动探寻器，其中该第一滚动探寻器包括大体上装满第一流体的第一膜，悬吊在该第一膜内的第一超声换能器，以及悬吊在该第一膜内的第一热交换器；以及 热交换装置，其被设置成提供处于预定流速和预定温度的传热介质， 其中该第一热交换器被设置成从该热交换装置接收该传热介质的第一供应。
9.如权利要求8所述的铁路路轨检查系统，其中所述的铁路路轨检查系统进一步包含: 从该车厢悬吊下来的第二滚动探寻器，其中该第二滚动探寻器包括大体上装满第二流体的第二膜，悬吊在该第二膜内的第二超声换能器，以及悬吊在第二膜内的第二热交换器，其中该第二热交换器被设置成接收来自该热交换装置的该传热介质的第二供应。
10.如权利要求8所述的铁路路轨检查系统，其中所述的铁路路轨检查系统进一步包含温度传感器，其用于感测该传热介质的温度。
11.如权利要求8所述的铁路路轨检查系统，其中该第一膜由聚氨酯制成。
12.如权利要求8所述的铁路路轨检查系统，其中该第一膜由硅胶制成。
13.如权利要求8所述的铁路路轨检查系统，其中该第一热交换器包含第一入口、第一出口以及该第一入口和该第一出口之间的第一内部流径， 其中从该热交换装置接收的该传热介质的该第一供应从该第一入口通过该第一内部流径流至该 第一出口。
专利摘要用于现场检查路轨的铁路路轨的超声检查的系统以及铁路路轨检查系统，包括滚动探寻器或轮组件，该滚动探寻器或轮组件含有装满流体的轮胎或膜以及安装在轮胎或膜内的一个或多个超声换能器。换能器可被支承在轮胎或膜内，以致换能器所产生的超声束带有声束轴线，其以任何角度或方向通过轮胎或膜的接触区与铁路路轨的轨头相交。超声束被路轨内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。再者，通过在轮胎内使用一个或多个热交换器来使轮胎内流体的温度保持大体上恒定，可提高检查的可靠性。
文档编号G01N29/04GK202994731SQ20122035179
公开日2013年6月12日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者哈维拉·罗伯特·M, 安东尼·阿尔菲诺 申请人:斯百力铁路公司
专业数控铣床产品供应商
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