CN102841147A - 用于火车车轮超声测试设备的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过超声测试设备从火车车轮收集超声测试数据的方法和设备。火车车轮被两个驱动辊支撑，每个驱动辊具有与车轮接合且使车轮旋转的凹部。分度传感器横移穿过旋转的车轮，收集超声测试数据，同时固定传感器使车轮上的参考位置与收集的测试数据相关。为了维持参考位置相对于收集的测试数据的精度，理想的是维持车轮的旋转稳定性，最小化由车轮尺寸公差引起的任何动态不稳定性。为了减轻由尺寸公差导致的不稳定性，利用弹性构件使得与车轮接合且驱动轮缘的驱动辊的凹部的间隔可变，以维持车轮和驱动辊之间的摩擦接触。这允许凹部适应轮缘的变化的尺寸公差，减轻由轮缘从凹部脱离而导致的动态不稳定的可能性。

Description

用于火车车轮超声测试设备的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请涉及1999年1月26日授权给Prorok的名称为“用于火车车轮的测试设备”的美国专利No.5864065，该专利的全部内容在此通过参考并入。

技术领域

本发明涉及超声测试，尤其是在一个实施例中涉及火车车轮的超声测试。

背景技术

火车车轮通常是煅钢或铸钢的，尽管有严格的质量管理措施，其仍可能包含由制造工艺造成的缺陷。这些缺陷能够潜在地包括能够使车轮变弱且潜在地导致车轮故障的空隙、裂缝以及杂质。超声测试已普遍地应用于检测这种缺陷。

通过固定位置传感器超声分析火车车轮典型地仅在绕车轮踏面或轮缘的周边的离散的、单个位置检查车轮和其下面的结构。为了在固定位置传感器不需要进行密集分析的情况下获得整个车轮结构的更全面诊断分析，已经开发了自动超声测试方法。

在某种程度上，自动超声测试已受到能够使得精确超声测试数据的自动收集变得困难的火车车轮的尺寸和重量(典型地重量从700到1000磅)的挑战。特别成问题的是火车车轮具有尺寸公差，尽管为了生产目的这些尺寸公差在可接受范围内，但尺寸公差妨碍精确测试数据的自动收集。

在现有技术的测试用固定装置中，典型的火车车轮可具有在车轮被旋转驱动以用于超声检查时能够产生动态不稳定的尺寸公差。这些不稳定导致车轮从绕测试用固定装置中车轮几何中心的轴向中心线旋转偏移。这已被证实会有问题，因为精确超声测试数据的收集通常要求在车轮旋转时保持稳定的几何定向。

发明内容

提供对火车车轮应用自动超声测试的一种方法和设备。为了实现更快的数据收集速度，以及更精确和可重复的超声测试数据，提出新方法和设备以减轻在超声测试用固定装置中由火车车轮旋转造成的振动和其它动态不稳定。更具体地，在超声测试用固定装置中的新驱动组件适应地兼容旋转火车车轮中的尺寸公差、抑制可能会潜在地影响超声测试数据的精确性和重复性的偏转和其它振动。

附图说明

在附图中描述和示出了超声测试设备的各种实施例。附图仅以示例方式提供，且不意图作为本发明的限制。因此，超声测试设备和超声测试用固定装置在附图中被通过示例而非限制性的方式示出，在附图中：

图1是超声测试设备的示例性实施例的剖面视图；

图2是通过图1的截面2-2的剖面视图；

图3是图1所示的超声测试设备的安装台和编码器组件的前视图；

图4是图3的编码器组件的侧面视图；

图5是示出用于图1的示例性超声测试设备的控制电路示意图的一个实施例；

图6是图1示出的超声测试设备的平面图；

图7是通过图6的截面7-7的视图；

图8是编码器组件的一个实施例的平面图；

图9是示例性火车车轮的等轴测图；

图10是示例性现有技术的整体式驱动辊的一个实施例的正投影视图；

图11是通过图10所示的现有技术的整体式驱动辊的截面10-10的剖视图。

图12是与图11所示的示例性驱动辊接合的示例性车轮的剖分剖面图；

图13是示例性分体式驱动辊的一个实施例的剖面图；

图14是图13所示的分体式驱动辊的正投影视图；

图15是分体式驱动辊的第二示例性实施例的部分剖面图；

图16是图15所示的第二示例性实施例的圆柱形构件的正投影侧视图；

图17是图16所示的圆柱形构件的正投影前视图；

图18是图15所示的第二示例性实施例的环形部分的正投影侧视图；和

图19是图18所示的环形部分的正投影前视图。

具体实施方式

尽管本说明书涉及火车车轮的测试，但是应该理解本说明书公开的测试设备和方法同样可应用于其它在与铁路产业不相关产业中所使用的铸造和煅造车轮。因此，该新的方法和设备涉及火车车轮的描述仅是为了方便。

火车车轮超声测试设备

在图1的前视图中和图2的侧视图中示出超声测试设备的一个实施例。超声测试设备被设计成用于由图9示出的示例性类型的火车车轮100的结构的非损伤评估和内部形貌测量。

在一个实施例中，超声测试设备包括用于捕获和旋转车轮的超声测试用固定装置11和超声感测组件90。另外，在一些实施例中，可以使用CPU(例如可编程逻辑电路(PLC))(未示出)，以协调超声感测组件90的数据获取行为与超声测试用固定装置11执行的车轮搬运、转移和驱动功能。

超声测试设备10可以具有多个不同实施例，包括不同组合的附加组件。例如，火车车轮测试样本的处理的自动程度将影响测试设备所需的组件的数量和类型。在一个实施例中，测试设备10可包括多个可选组件以将测试样本在测试用固定装置10中定位和旋转。在一个实施例中，除了用于旋转测试样本的驱动组件80之外，这些组件包括转移组件50、加载组件60、保持组件120和限制组件70。在该实施例中，每个组件被安装在框架组件12和耦合流体箱(coupling fluid tank)22上，或每个组件可与框架组件12和耦合流体箱22一起操作。

如上面提到的，不是所有列出的组件都是收集超声测试数据所必需的。例如，在另一实施例中，车轮100通过诸如起重机和钩(未示出)的手动装置被放置在驱动组件80上的适当位置。结果，在该实施例中不需要车轮转移和搬运组件，替代地，在测试用固定装置11中仅需要框架组件12、箱22和驱动组件80。因此，在一个实施例中，测试设备10可仅包括框架组件12、用于旋转车轮的驱动组件80、用于将车轮沉浸到耦合流体中的箱22和用于收集超声测试数据的感测组件90。

超声测试设备10的其它实施例可包括组件的其它组合。例如，在使用其它方式将超声传感器耦合到车轮的实施例(例如，代替沉浸耦合的直接传感器接触)中不需要箱20。

参考图1，在一个实施例中，超声测试设备10示出了用于超声测试数据收集的自动系统。图1中示出的超声测试设备10具有框架组件12，该框架组件带有锚固到地板17上的直立腿14、16、18和20。用于容纳耦合流体155的箱22被安装在腿14、16、18和20上且处于上腿端15。在一个实施例中，在图1和2中箱22被示出具有矩形形状。箱22由下壁23、前侧壁25(图2中示出)、后侧壁27、第一端壁29和第二端壁31限定。前侧壁25、后侧壁27、第一端壁29和第二端壁31形成上壁边缘33且封闭了容积35。箱22的每个侧壁25、27和端壁29、31具有下凸缘37和上凸缘39。

在角部41处，超声测试设备10具有从箱22和上凸缘39向上竖直延伸的直立臂24、26、28和30。直立臂24、26、28和30通过处于框架组件12的上端40的水平横拉条36和38连接。

尽管火车车轮通常相同，但是其可以根据具有不同尺寸和公差的不同标准进行建造。例如，参考图9，示出用于与超声测试设备结合使用的典型火车车轮100。火车车轮100包括轮缘102、轮缘面104、踏面106、轮辋面108和带有轴孔112的毂110。

再参考图1，以两种不同尺寸的虚线轮廓形式示出火车车轮100，以示出车轮在超声测试设备10内的通常位置。在一个实施例中，当车轮100进入、在其踏面106上滚动、沿带有导轨(未示出)的轨道以大致直立的方式从左到右进入框架组件12时，开始火车车轮的超声测试。车轮100在上面提到的轨道上移动且引导到框架组件12中的、位于箱22上方且在直立臂24、26、28和30之间的大致中央位置，以定位车轮与车轮转移组件50连接。

当车轮100滚动到适当位置时，传感器(未示出)传送表示车轮100的位置的信号。当车轮到达测试设备10中的预定位置时，横向保持组件120被启动，将车轮停在车轮加载组件60的第一和第二车轮通道(runway)组件140、142上。

车轮保持组件

参考图6和7，示出车轮保持组件120。保持组件120在测试期间保持车轮100在轨道上的横向位置。例如，在一个实施例中，在构成所述车轮保持组件120的两个分离的子组件的每一个中的保持辊251通过气压缸平移到车轮在轨道上行进的向前和倒退路径中，以横向捕获车轮。

保持组件120包括两个分离、但是大致相同的机械子组件以阻挡车轮的每一侧：第一和第二保持辊子组件220、230。与第一保持辊子组件220呈并列关系的第二保持辊子组件230具有与第一保持辊子组件220镜像的关系和操作。在该实施例中，第一保持辊子组件220的所有部件也与第二保持辊子组件230以相同的方式存在和操作。因此，保持辊子组件220的描述和操作通常可应用于第二保持辊子组件230的操作。车轮保持组件120中的两个保持辊子组件之一的操作在下面进行描述。

第一保持辊子组件220包括第一保持用气压缸222，第一保持用气压缸222通过处于上缸端228的U形夹224和第一销226以及第一眼板229可枢转地连接到直立臂26。往复杆232可在气缸下端234处从保持用气压缸222延伸。第二孔246处的轴衬250具有通过第二内凹U形夹240和第二销242与往复杆232的远端233连接的枢转臂236。该连接允许枢转臂236通过往复杆232在第一枢转轴244(延伸穿过第二孔246)上的枢转旋转。止动器臂248在第一止动器臂端249与轴衬250连接，保持辊251被固定到第二止动臂端253处的销252。杆232的往复运动产生袖衬250和止动器臂248的旋转以将保持辊251定位在车轮100附近，在沿轨道行进的一个方向上捕获车轮100。

在操作中，第一和第二保持辊子组件220、230一起作用，以通过在车轮两侧的保持辊251阻挡车轮100在超声测试设备10内的轨道上的横向行进。保持辊子组件220、230被设计成将测试用固定装置11中的车轮100与桥子组件自动对准，以为将车轮转移到加载组件的操作做好准备。

车轮转移组件

车轮100初始移动到车轮转移组件50上，更具体地，进入桥子组件130的向下延伸臂125、127和第二销126。在车轮100被车轮保持组件120保持就位的状态下，车轮转移组件50的桥子组件130将车轮100转移到车轮加载组件60中。在下面更详细地描述车轮转移组件50和其部件的一个实施例的操作。

图1和2中示出的车轮转移组件50具有从水平支承部件38向下延伸的第一直立支撑件131和第二直立支撑件132。向上延伸的角支架(angle bracket)133、134被安装在后侧壁27上且被分别连接到直立支撑件131、132。锚固支承部件135和136被(分别)定位在角支架133、134的外表面上，固定螺栓137延伸穿过所述支承部件、支架和支撑件131-136。横穿销138分别延伸穿过支承部件135、136和带有向下延伸的臂125和127的角支架133、134。第二销126在向下延伸的臂125和127之间延伸。

图1和2中的车轮转移组件50具有在其上端346通过U形夹344的眼板342固定的转移用气压缸340。眼板342被安装在第一和第二直立支撑件131和132上。连接臂348在其第一端349被枢转地连接到在转移用气压缸340的下端352处的驱动杆350，且在连接臂348的下端354被驱动地连接到横穿销138。

当车轮在桥子组件130中接合就位之后，转移用气压缸340被致动以使桥组件130旋转。当通过转移用气压缸340使驱动杆350延伸、旋转连接臂348和销138时，发生桥组件130旋转，这进而使向下延伸臂125和127绕销轴139旋转，从而将车轮100堆放在车轮加载组件60上，或从车轮加载组件60上捕获车轮。这使车轮100定位在车轮加载组件60的第一和第二车轮通道子组件140、142上。

车轮加载组件

在车轮转移组件50已定位车轮100以与第一和第二车轮通道子组件140、142接合之后，车轮加载组件60使车轮100降低以与驱动组件80的驱动辊150、152接合。车轮加载组件60中的车轮通道子组件是构成车轮加载组件60的两个分离且独立的子组件的一部分。这两个子组件在结构和操作上大致相同，在测试用固定装置11中并排布置于车轮的两侧。因为两个车轮通道子组件140、142的操作相同，只不过呈镜像关系，因此将仅描述车轮通道子组件140的结构和操作。

图1中示出车轮加载组件60的一个实施例。在该实施例中，车轮由两个车轮通道子组件140和142中的加载辊145、146支撑。车轮通道子组件140、142直接邻接且等同地支撑居中地位置通道子组件上方的车轮100。车轮通道子组件140、142向下沿弧线旋转地枢转，以将通道子组件之间的车轮100降低到驱动组件80的驱动辊上。

通过加载用气压缸300产生车轮通道子组件140的操作动力。加载用气压缸300通过处于上缸端306的U形夹302和销304以及第三眼板308枢转地连接到直立臂24。具有远端314的往复杆310可从加载用气压缸300的下端312延伸，且在枢转臂端322通过轴衬320和销324被连接到枢转臂316。枢转臂316在其第二端319被固定到第一枢转轴244上的其第二端处的轴衬318。

图1中的第一车轮通道子组件140具有通道臂144，通道臂144具有第一加载辊145和在其远端147处的第二加载辊146。通道臂144也被固定到第一枢转轴244且通过枢转臂316的移动可旋转以将加载辊145、146与轨道(未示出)对准以接收车轮100。

同样地，第二车轮通道子组件142具有第二组加载辊145、146以将车轮100接收和转移至超声测试设备10或从超声测试设备10中出来。如上所述，第二车轮通道子组件142与第一车轮通道子组件140并置，因此，往复轴的旋转的方向和几个组件枢转的方向是车轮通道子组件140的组件的运动方向的镜像。

利用车轮加载组件60，车轮通道子组件140和142的第一和第二加载辊145、146使车轮100降低到驱动组件80的驱动辊150、152(见图6)上。之后，车轮通道子组件140、142移动离开不再与车轮100接触。通过由加载用气压缸300延伸杆310，使第一枢转轴244上的枢转臂316移动离开车轮，车轮通道子组件140、142被旋转离开车轮100。

车轮竖直限制组件

除了限制车轮100在测试设备10中的横向运动，在某些实施例中，支撑车轮100的上部以防止翻转运动也是理想的。车轮竖直限制组件70执行该功能。

参考图2，在车轮100被转移到加载组件60之后，车轮竖直限制组件70就位，以将车轮100的顶部捕获在限制辊360的凹部362中。限制辊360被安装在杆366的远端364上，且通过从限制用气压缸370延伸杆366而被移动到框架组件12中的车轮100的上端处的位置。限制用气压缸370被大致安装在框架组件12的上端40处、横拉条32、34、36至38之间。限制辊360的凹部362捕获框架组件12内的车轮100的顶端，在测试周期期间将车轮保持在直立位置。

在本实施例中，现在车轮100同时在竖直方向和横向上被捕获(在轨道上)。在车轮100与第一和第二驱动辊150、152接合的状态下，驱动组件80可旋转，以驱动辊150、152，进而旋转车轮100。

车轮驱动组件

参考图2和6，驱动组件80包括第一和第二驱动辊150、152，在一个实施例中，第一和第二驱动辊150、152位于箱22中且位于耦合流体155的流体表面154下方。第一驱动辊150和第二驱动辊152每一个在每个驱动辊周边上分别具有弓形凹部190、192。第一驱动辊150和第二驱动辊152的凹部190、192对准，以在测试期间接合车轮100的轮缘的一部分。凹部190、192与轮缘102接合以旋转车轮100。

第一驱动辊150被安装在第一驱动轴158的第一端156上。第一驱动轴158延伸穿过箱22的后侧壁27中的第一孔160和第一密封件162，且分别穿过第一和第二轴台(pillow block)和轴承164、166。第一和第二轴台和轴承164、166被安装在固定到框架组件12的支承板168上。固定到第一驱动轴158的是安装在第一驱动轴158的第二端172上的第一从动链齿轮(driven sprocket)170。

与第一驱动辊150并置的是在第二驱动轴174的第一端180上的第二驱动辊152。图6中的第二驱动轴174大致平行于第一驱动轴158且延伸穿过箱22中的第二孔176和密封件178。第二驱动轴174继续延伸分别穿过第三和第四轴台和轴承182和184。第三和第四轴台和轴承182和184被安装在支承板168上。固定到第二驱动轴174的是安装在第二驱动轴的第二端188上的第二从动链轮186(图1中示出)。

再参考图1，车轮驱动组件80还包括在第一从动链轮170和驱动链轮200之间延伸的驱动链198。驱动链轮200被固定到从驱动马达204延伸的马达轴202。同样，第二驱动链206在驱动链轮200和第二从动链轮186之间延伸。通过驱动马达204旋转驱动链轮200和连接驱动链198、206、驱动旋转第一从动链轮170或第二从动链轮186的任一个或两者，车轮100可旋转。

在替代实施例中，带有分离的驱动链轮(未示出)的第二驱动马达(未示出)可被利用以独立连接到第二从动链轮186。也可以提供其它类型的驱动器，包括例如皮带和皮带轮、齿轮驱动器。可替代地，在另一实施例中，第二从动链轮186和第二驱动轴174可作为不与驱动马达直接连接的惰轮或辊，第二辊152仅作为用于车轮支撑的惰轮。

参考图10——现有技术的示例性实施例的正投影视图，驱动辊150被示出具有多个轴紧固件孔151。在本实施例中，轴紧固件孔与驱动轴中的孔(未示出)对准，以允许驱动辊150通过螺纹紧固件(未示出)固定到驱动轴。

参考图11，示出图10中示出的驱动辊150的剖面图。绕着驱动辊150的周边形成用于捕获车轮的轮缘的凹部190。在图10和11示出的实施例中，驱动辊150是一体式部件。

参考图12，示出车轮100与驱动辊150的凹部190的接合。通过驱动辊150的凹部190和捕获在凹部中的轮缘102之间的摩擦作用，驱动辊150赋予车轮100的旋转运动。超声测试设备10的该摩擦配合和有效性通常高度依赖于车轮100的尺寸公差。

在实践中，车轮100的尺寸公差的大的变化，特别在高旋转速度时，可产生导致车轮100从驱动辊中的凹部脱离的动态不稳定性。由于车轮的错误运动产生的旋转运动中的不稳定性，结果导致数据收集精确度降低。为了减轻由车轮中的尺寸公差导致的振动和动态不稳定性，下面描述驱动辊的替代和新的实施例。

参考图13，示出示例性的且新的驱动辊(下文中称为分体式驱动辊500)实施例的剖面图。在一个实施例中，分体式驱动辊500包括两个环形部分：固定到轴上的第一环形部分510和相对于第一环形部分可轴向位移的第二环形部分520。

当第一和第二环形部分510、520组合在一起时形成一个分体式驱动辊500。在该实施例中，绕分体式驱动辊500的周边在第一和第二环形部分510、520之间形成凹部291。在该实施例中，环形凸部522从第二环形部分520朝第一环形部分510伸出，保持凹部190中的最小间隙尺寸。可替代地，在另一实施例中，凸部可被设置在第一环形部分510上，朝第二环形部分520伸出。在所有实施例中，环形凸部522不是必需的。

第一环形部分510具有与驱动轴邻接的内环形周边。在该实施例中，第一环形部分510轴向向外延伸以形成大致圆柱形部分515。圆柱形部分的远端(外侧端)径向向内延伸形成端帽516，大致在一端关闭该圆柱。端帽516具有多个延伸通过第一环形部分510以接收轴紧固件533的轴紧固件孔532，用于将第一环形部分510固定到驱动轴158。

在该实施例中，第二环形部分520具有与第一环形部分510的圆柱部分515的外周边接合的内环形周边。这允许在弹性构件(例如螺旋或盘形弹簧或橡胶轴衬)540将第二环形部分520朝第一环形部分510推压时第二环形部分520在第一环形部分510上滑动。

在另一实施例中，第二环形部分520和凸部522的内圆柱表面可以沿着与圆柱部分515的外圆柱表面的接触表面用花键配合到圆柱部分515的外圆柱表面(花键未示出)。花键允许第二环形部分520相对于圆柱部分515轴向滑动。另外，花键提供通过驱动轴的旋转从第一环形部分510向第二环形部分520传递动力的直接路径。

除了轴紧固件孔532，在一个实施例中，分体式驱动辊500包括完全延伸穿过第一和第二环形部分510、520二者的组合的紧固件孔512。参考图13，第一和第二环形部分510、520通过延伸穿过轴向平行的紧固件孔512(包括第一孔511和第二孔512)的连接紧固件530(例如帽螺钉、螺柱或其它适当紧固件)保持在一起。在一个实施例中，第一环形部分510具有多个第一孔511，在一个实施例中，第一孔带有螺纹且连接紧固件530与之接合。在一个实施例中，第二环形部分520具有多个延伸穿过第二环形部分520的第二孔521，当第二孔521与第一环形部分510中的第一孔511同心对准时，获得轴向延伸通过分体式驱动辊500的组合的紧固件孔512。连接紧固件530延伸穿过紧固件孔512，并且在一个实施例中在紧固件的一端通过紧固件头部531定位，且在紧固件的远端通过螺母550(例如锁定螺母)定位。

在另一个实施例中，作为第一环形部分中的第一孔的替代，螺柱(未示出)可被固定到第一环形部分，螺柱的螺纹端延伸穿过第二孔。锁定螺母可被固定到螺柱的螺纹端以连接第一和第二环形部分。

在另一实施例中，第一环形部分510不需要用于将第一环形部分510固定到驱动轴158上的圆柱部分515或端帽516。在本实施例中，作为代替，第一环形部分510可通过例如压配合或键直接固定到驱动轴。因此，第二环形部分520可在驱动轴上直接滑动，而不是如在前一实施例中那样在第一环形部分510上滑动。

在又另一实施例中，与图13示出的处于内侧的情形相反，第一环形部分510在驱动轴上可以位于第二环形部分520的外侧。在该实施例中，第二环形部分520处于第一环形部分510的内侧，相对于第一环形部分510轴向向内偏移，以产生更大的凹部190。在该实施例中，弹性构件位于第二环形部分520的内侧，提供朝第一环形部分510的轴向向外的回复力。

在一个实施例中，在第二环形部分520的外侧，弹性构件540(例如如图14所示的螺旋卷簧或盘形弹簧)设置在紧固件头部531和第二环形部分520的外侧端之间。在另一实施例中，紧固件的定向可以反过来，以允许弹性构件设置在螺母550和第二环形部分520之间。螺母550能够被调整，以使第一和第二环形部分510、520之间具有希望的弹簧压缩力。

在一个实施例中，在第二环形部分和固定的第一环形部分510之间的通过第二环形部分520施加的夹紧作用以及滑动配合产生间隔可变的凹部。在分体式驱动辊500的第二环形部分520相对于第一环形部分510轴向滑动时，凹部的尺寸可变性允许分体式驱动辊500适应轮缘厚度的变化。结果，在该实施例中，分体式驱动辊500具有能够适应车轮的尺寸变化的间隔可变的凹部291，防止或减轻由于轮缘从凹部离开导致的车轮的不稳定性和振动。

例如，在一个实施例中，如果车轮的厚度在轮缘的部分增加，分体式驱动辊500的第二环形部分520可朝驱动轴(分体式驱动辊安装于此)的外侧端轴向地朝外位移以适应附加厚度。分体式驱动辊500的对车轮尺寸变化的这种适应性增加了车轮的旋转稳定性，允许车轮一致性地以相同的径向深度安放于凹部中；减少车轮从现有技术驱动辊凹部脱离所导致的振动和不稳定性。

可替代地，如果轮缘的厚度减少，分体式驱动辊500的第二环形部分520可朝驱动轴(分体式驱动辊被安装于此)的内侧端向内轴向位移。这允许第二环形部分的凹部保持与轮缘接合且对车轮持续提供驱动力。

在一个实施例中，分体式驱动辊500中的弹性构件是盘形弹簧。盘形弹簧可以多个不同构造设置在连接紧固件530上或上方。例如，盘形弹簧的尺寸和数量可进行调整，以适应：1)火车车轮的尺寸，2)车轮的尺寸公差，和3)将分体式驱动辊保持在一起的紧固件的数量。另外，盘形弹簧可摞在一起或套装在一起(或任何其它几何组合)以实现希望的弹簧常数。

在另一个实施例中，代替盘形弹簧，螺旋弹簧(未示出)可被用于在分体式驱动辊500的第一和第二环形部分510、520上施加压缩力。在一个实施例中，螺旋弹簧在紧固件头部和第二环形部分520的外端之间居中地定位在连接紧固件530上。

在另一实施例中，弹性构件可位于第一和第二环形部分510、520之间。由于两个环形部分被向外挤压，在弹性构件中出现张力，将两个环形部分推压到一起。

螺旋弹簧也可以以任何数量的不同构造来使用，包括例如串联或并联的取向以实现希望的弹簧常数。除了盘形弹簧和螺旋弹簧，很多其它类型的弹性构件可用于将第一和第二环形部分510、520推压到一起。

例如，在各个实施例中，可以使用由各种不同弹性体构造成的橡胶袖衬和橡胶弹簧来代替上面讨论的传统金属盘形弹簧和卷簧。尽管弹性材料通常具有比传统金属弹簧小的弹簧常数，但是它们提供优秀的振动缓冲。在一个实施例中，橡胶弹簧和轴衬围绕连接紧固件设置，以维持火车轮缘上的压缩力。

参考图15，示出分体式驱动辊500的另一实施例的部分剖面图。在该实施例中，圆柱形构件560被固定到驱动轴158的自由端。驱动辊500还包括就在圆柱形构件560内侧的环形部分570，该圆柱形构件560与驱动轴158滑动接合。

圆柱形构件560和环形部分570当组合到一起时，形成一个分体式驱动辊500。在该实施例中，凹部190被形成在圆柱形构件560的轴向向内端和环形部分570的径向向外端之间。凹部至少部分捕获火车车轮的轮缘(未示出)。在一个实施例中，该凹部大致限定了与其接合的火车轮缘的外形轮廓。

参考图16，示出圆柱形构件560的示例性正投影侧视图。在该实施例中，圆柱形构件560具有延伸穿过圆柱形构件的多个定位螺钉孔564。定位螺钉(未示出)延伸穿过这些孔564进入驱动轴的轴向向外端(未示出)，以将圆柱形构件固定到驱动辊。在另一实施例中，代替定位螺钉，圆柱形构件560可被焊接或键连接到驱动轴。

在一个实施例中，圆柱形构件560包括从圆柱形构件延伸的环形延伸部562。该环形延伸部562与驱动轴接合且形成与火车轮缘接合的凹部的至少一部分。在该实施例中，第一孔566延伸穿过圆柱形构件560和环形延伸部562。

参考图17，示出圆柱形构件560的正投影前视图。定位螺钉孔564被示出，且其居中地定位于圆柱形构件560中。另外，第一孔566被示出为位于定位螺钉孔564的径向外侧。第一孔566与驱动轴主轴线大致平行地延伸以将圆柱形构件560与环形部分(未示出)连接。

参考图18，示出环形部分570的正投影侧视图。在该实施例中，内环形周边574与驱动轴的外周边(未示出)滑动地接合。环形部分570还包括多个延伸穿过环形部分的第二孔572，所述第二孔用于容纳用来将环形部分连接到圆柱形构件的紧固件。

参考图19，示出环形部分570的示例性正投影前视图。在该视图中，示出第二孔572。也示出内环形周边574，该内环形周边与驱动轴接合以产生滑动配合。在一个实施例中，内环形周边574可被花键连接到驱动轴(花键未示出)。这允许在本实施例中驱动轴将动力直接传递到环形部分570，同时仍允许环形部分沿驱动轴轴向位移。

再参考图15，当在圆柱形构件560和环形部分570中的第一和第二孔分别对准时，产生穿过驱动辊500的组合紧固件孔512。紧固件530(例如帽螺钉、螺柱、螺栓等)延伸穿过紧固件孔512以将圆柱形构件560连接到环形部分570。在一个实施例中，紧固件在其一端通过固件头部531定位，且在紧固件的另一端通过螺母550(例如锁定螺母)定位。在一个实施例中，紧固件与圆柱形构件的第一孔滑动接合且被固定到环形部分上。

在一个实施例中，弹性构件540被固定在帽螺钉头部531和圆柱形构件560之间，或可替代的，固定在紧固件螺母550和环形部分570之间，以施加压缩力至与分体式驱动辊500的凹部190接合的火车轮缘。因此，当由于火车轮缘的高部位(即厚度增加)使得环形部分570轴向位移时，弹性构件540能够在轮缘厚度尺寸减少时使轴向位移的环形部分570返回，结果连续地接合轮缘。

在一个实施例中，保护盖575被固定到圆柱形构件560以覆盖紧固件和盘形弹簧。该保护盖575防止灰尘和耦合流体进入盘形弹簧之间，保持盘形弹簧组件的弹簧力相对恒定。

超声感测组件

参考图5，示出超声测试设备控制系统的控制示意图400，在一个实施例中，其包括超声感测组件90。在一个实施例中，超声感测组件90包括超声测试单元、传感器和用于传递、接收以及处理超声信号的编码器组件。

超声传感器

超声传感器将超声信号传递到测试样本(即车轮100)且接收反射的超声信号。反射的超声信号提供对车轮中的结构缺陷进行分析和探测所需的数据。在超声感测组件90的一个实施例中，两个传感器可一起工作以测定测试样本中缺陷的位置。

如图4中所示，固定的传感器414被设置在紧密接近轮辋面108的固定位置，以提供参考位置。另一传感器是与踏面106紧密接近的、相对于车轮100移动的分度传感器416。为了使分度传感器416相对于车轮100移动，使用编码器组件402来以固定的增量移动分度传感器416以横越车轮100。

编码器组件

在该实施例中，编码器组件402(如图3、4和8所示)被固定到安装台404，且其作用是移动分度传感器416且在分度传感器416以离散的步幅逐渐移动越过车轮时记录分度传感器416的位置。编码器组件使数据获取与分度传感器的位置同步，从而允许超声测试设备精确识别在扫描中发现的缺陷的位置和尺寸。编码器组件402包括传感器驱动马达406、408、控制台410和传感器臂412。以下详细描述编码器组件402的这些组件的每一个。

传感器驱动马达

如图2和3中指示，编码器组件402附接于其上的安装台404锚固到地板17。通过固定到处于安装台404顶部的控制台410的第一或X-方向传感器驱动马达406和第二或y-方向传感器驱动马达408，编码器组件402被固定到安装台404(在轴台和轴承164、166、182和184上方)。在该构造中，控制台410和传感器臂412通过第一传感器驱动马达406可在X方向(沿图4所示平面水平地)移动。同样，第二传感器驱动马达408可操作，以在如图3指示的y-方向上移动控制台410。在一个实施例中，传感器驱动马达406、408可以是微步进马达。

参考图4，传感器臂412被控制台410控制。传感器臂412在其远端具有分度传感器416。在该实施例中，传感器臂412具有向下延伸进入箱22的耦合流体155中的大致L形形状。分度传感器416通过控制台410和传感器臂412被传感器驱动马达406、408以增量步幅驱动。通过由编码器组件402控制分度传感器416且使固定传感器414的位置邻近车轮，传感器准备好在超声测试单元的控制下传递和接收超声信号。

超声测试单元

再参考图5，在一个实施例中，超声测试单元451控制传感器414、416，包括频率、电压(或更通常地说，传感器发出的超声信号的功率)、脉冲重复率、滤波器选择等。超声测试单元451还从传感器414、416接收超声测试数据。

在一个实施例中，超声测试单元451还提供输入和输出端口(例如USB端口)以提供与连接至打印机480的个人计算机470的直接通讯能力。个人计算机470起用于操作者的工作站的作用，允许数据收集的监视以及提供对收集的数据执行进一步分析的能力。个人计算机470可包括用于处理收集的数据的软件，提供警报监视功能，以及用于显示超声数据的先进的成像功能。

例如，在一个实施例中，固定的传感器414通过线路452传送信号至超声测试单元451，信号通过线路471被进一步传送和存储在个人计算机470中。同样，分度传感器416通过线路454传送信号至超声测试单元451，该信号通过线路471传送和存储在个人计算机470中，用于比较和评估。

超声测试设备控制

图5中示出的电控制示意图示出超声测试设备10的操作和控制的一个实施例。超声测试设备10具有与CPU450配合操作的超声感测组件90，该CPU450使超声感测组件90与超声测试用固定装置11的车轮处理能力(通过气压缸的控制)相协调。

例如，在某些实施例中，CPU450可作为可编程逻辑控制器(PLC)进行操作，以通过线路456对超声测试用固定装置11的气压缸提供控制信号，用于将车轮100输送和传递到框架组件12和从框架组件12移走车轮100。这些气压缸存在于横向保持组件、竖直保持组件、转移组件和加载组件中。CPU450控制在上述组件中的气压缸的每一个，以将车轮定位在测试设备10中。在车轮100被初始定位在测试用固定装置11中时，与CPU450通信的多个位置传感器(未示出)触发CPU450中的适当处理序列。超声测试设备10通过由CPU450执行的软件程序控制。

然而，在另一实施例中，驱动组件可以只是存在于超声测试设备中的车轮处理机构(即气压缸控制不是必需的)。在一些实施例中，CPU450仍需要控制编码器组件402、分度传感器46以及传感器驱动马达406、408。因此，在一些实施例中，CPU450也是超声感测组件90的一部分。

除了控制气压缸，CPU450还控制驱动组件80中的驱动马达204的操作以使测试样本旋转。一旦测试样本与驱动组件80接合，在一个实施例中，CPU450也可通过线路458传送控制信号，以启动驱动马达204，用于车轮100在框架组件12中的定时旋转。

在一个实施例中，CPU450还协调超声感测组件90的包括用于分度传感器416的编码器组件的部分的控制。在该实施例中，CPU450可通过线路460对传感器驱动马达406和408提供驱动控制信号以驱动分度传感器416。在其它实施例中，在非自动化的超声数据收集行为中，编码器组件402和CPU450不是必须的。

来自固定传感器414的信号提供用于指示车轮100中的缺陷(由分度传感器416记录)的相对位置的参考点。在一个实施例中，来自分度传感器416和固定传感器414的信号可分别通过线路454和452、线路455和453传送到CPU450，以辅助测试用固定装置11的控制和车轮的适当处理和转移。

相控阵(phase array)超声测试

如果需要，可以使用包括相控阵超声测试的更先进的超声测试仪器。在一个实施例中，超声测试单元451可以是能够更精确地控制传送和接收的来自相控阵传感器的超声信号的相控阵超声单元。在一个实施例中，相控阵超声单元包括用于传送和接收超声信号的脉冲发生器/接收板(未示出)和用于寻址多个元件的多路器、相位传感器(未示出)。

这些相控阵传感器具有多元件构造，以允许超声测试单元451分别寻址且致动传感器中的特定元件以产生具有分别致动的元件的计算分布的动态受控孔隙。这些可编程孔隙针对测试样本中的每个感兴趣区域进行定制，提供以最大化在该区域中的测试样本的视觉表示清晰度的角度和深度集中超声能量的能力。传送相控阵传感器(即传送孔隙)和接收相控阵传感器(即接收孔隙)可以预定焦距以独立选择的接收和传送角度一起工作，以显示在感兴趣区域的测试样本中的期望的图像。

底线数据(baseline data)收集

CPU450和超声测试单元451的初始设定包括具有与待测试车轮相同尺寸的参考车轮的底线超声测试结果的研究。从参考火车车轮收集的数据提供经验参考参数的底线设定，以用于比较和评估通过传感器414、416从测试样本收集的测试数据。

测试样本数据收集

支撑在驱动辊150、152上的车轮100处于用于车轮踏面106的表面下方部位的测试和评估的适当位置。在该位置，通过驱动马达204的致动，车轮100可以被如上所述地旋转。

最开始，在一个实施例中，通过图4中轮辋面108上的第一或固定传感器414检测的信号设定第二或分度传感器416的相对位置。该相对位置信号通过线路452从超声测试单元451传送到CPU450，且被用于将轮辋面108与参考车轮数据进行比较以定位第二传感器416。第二或分度传感器416的位置以来自参考车轮的底线经验数据为基础。该评估然后定位踏面106的中心线118，这确定分度传感器416从轮辋面108朝轮缘102的移动距离。

然而，在该实施例中，第二或分度传感器416相对于水平面偏移图4中的锐角“a”。锐角“a”是踏面106相对于水平面的角位移的倾斜度。从而，测试用固定装置对该倾斜度或锥度进行补偿，以使分度传感器416保持与踏面106成垂直或面对的关系。

在一个实施例中，传感器416的该初始位置从轮辋面108朝车轮100的中心线118(见图2)偏移。之后，车轮100和驱动辊150、152一起旋转。在一个实施例中，在车轮100旋转时，传感器驱动马达406朝轮缘102增量地分度所述分度传感器416。传感器驱动马达406移动臂412和与之一起的分度传感器416。

在一个实施例中，传感器416沿踏面106以车轮每转一圈横向移动约0.075英寸的速度从轮辋面108向轮缘102分度地移动，沿踏面106的表面提供约0.675英寸的移动范围。在一个实施例中，车轮100被以预定速度旋转9圈。然而车轮转数可通过操作者改变，以适应车轮尺寸变化或其它变量。

在分度传感器在车轮上分度移动时，超声信号经由箱22中的耦合流体155传送到踏面106以分析表面的诸如裂缝、空洞和杂质的各种不连续或缺陷。任一上述异常可导致由分度传感器416检测到的反射信号的不连续。

可被模拟成反射雷达信号的反射信号提供与底线经验数据的比较信号。提供探测的车轮结构指示的信号故障可导致车轮的进一步的测试和评估、修复。或作为废料被拒绝。在信号超过预定值的情况下，计算机能够提供警报或其它信号以指示不可接受的产品或指示再运行测试的需求。

在一个实施例中，通过记录车轮上的参考位置，上述测试设备跟踪任何不连续部分的精确位置。用这些数据，该新的测试设备不仅提供用于提供踏面的全面测试的实用装置，而且还提供用于开发利用超声信号的历史数据库检测初始故障的预报维护程序的方法学。此外，该新的测试设备提供了评价新制造的火车车轮以检验结构完整性的机会，并且提供对制造过程中实施的质量控制过程的有效性的检查。

虽然已经结合几个具体实施例说明了本发明，这些实施例是说明性的而不是限制性的。对本领域技术人员而言显而易见的是，能够对这些实施例的每一个进行各种变型和附加。因此，本发明应该不被作为示例提供的具体实施例的上述描述限制。而是，本发明应该仅由所附的权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于车轮的超声测试用固定装置，包括：

用于支撑所述车轮的多个驱动辊，其中所述多个驱动辊中的至少一个驱动辊包括：第一环形部分，所述第一环形部分围绕驱动轴固定；第二环形部分，所述第二环形部分围绕所述驱动轴滑动接合，所述第二环形部分与所述第一环形部分邻近以在所述第一环形部分和所述第二环形部分之间形成用于接合所述车轮的凹部；紧固件，所述紧固件将所述第一环形部分连接到所述第二环形部分，其中所述第二环形部分相对于所述第一环形部分可轴向位移；和弹性构件，所述弹性构件将所述第二环形部分朝所述第一环形部分推压；和

驱动马达，所述驱动马达被连接到所述驱动轴以使所述多个驱动辊中的所述至少一个驱动辊旋转。

2.权利要求1所述的超声测试用固定装置，还包括穿过所述第二环形部分的孔，其中所述紧固件与所述孔滑动地接合。

3.权利要求1所述的超声测试用固定装置，其中所述紧固件被固定到所述第一环形部分。

4.权利要求1所述的超声测试用固定装置，还包括：

第一孔，所述第一孔穿过所述第一环形部分；和

第二孔，所述第二孔穿过所述第二环形部分；

其中所述紧固件延伸穿过所述第一和第二孔。

5.权利要求4所述的超声测试用固定装置，其中所述紧固件与所述第二孔滑动地接合。

6.权利要求4所述的超声测试用固定装置，其中所述第一孔是带螺纹的以与所述紧固件接合。

7.权利要求1所述的超声测试用固定装置，还包括箱。

8.权利要求7所述的超声测试用固定装置，还包括框架组件，其中所述箱被安装到所述框架组件，并且所述多个驱动辊被安装在所述箱内部。

9.权利要求7所述的超声测试用固定装置，其中所述多个驱动辊被安装在所述箱内部，并且所述箱包含耦合流体。

10.权利要求8所述的超声测试用固定装置，还包括安装到所述框架组件的限制辊，所述限制辊用于与所述车轮选择性接合，以维持所述车轮在所述多个驱动辊上的竖直定向。

11.一种用于车轮的超声测试用固定装置，包括：

用于支撑所述车轮的多个驱动辊，所述多个驱动辊中的至少一个驱动辊用于使所述车轮旋转，其中所述多个驱动辊中的所述至少一个驱动辊包括：圆柱形构件，所述圆柱形构件固定到驱动轴；环形部分，所述环形部分围绕所述驱动轴滑动接合，所述环形部分与所述圆柱形构件邻近以在所述圆柱形构件和所述环形部分之间形成用于与所述车轮接合的凹部；紧固件，所述紧固件将所述圆柱形构件与所述环形部分连接，其中所述环形部分相对于所述圆柱形构件可轴向位移；和弹性构件，所述弹性构件将所述环形部分朝所述圆柱形构件推压；和

驱动马达，所述驱动马达被连接到所述驱动轴以使所述多个驱动辊中的所述至少一个驱动辊旋转。

12.权利要求11所述的超声测试用固定装置，还包括孔，所述孔穿过所述圆柱形构件，其中所述紧固件滑动接合所述孔。

13.权利要求11所述的超声测试用固定装置，还包括：

第一孔，所述第一孔穿过所述圆柱形构件；和

第二孔，所述第二孔穿过所述环形部分；

其中所述紧固件延伸穿过所述第一和第二孔。

14.权利要求13所述的超声测试用固定装置，其中所述紧固件与所述圆柱形构件的所述第一孔滑动地接合。

15.权利要求13所述的超声测试用固定装置，其中所述紧固件相对于所述环形部分是静止不动的。

16.权利要求11所述的超声测试用固定装置，还包括用于容纳耦合流体的箱。

17.权利要求11所述的超声测试用固定装置，还包括用于容纳耦合流体的箱，其中所述多个驱动辊被安装在所述箱内部。

18.权利要求16所述的超声测试用固定装置，还包括框架组件，其中所述箱被安装到所述框架组件，并且所述多个驱动辊被安装在所述箱内部。

19.权利要求18所述的超声测试用固定装置，还包括限制辊，所述限制辊被安装到所述框架组件，所述限制辊用于与所述车轮选择性接合，以维持所述车轮在所述多个驱动辊上的竖直定向。

20.一种超声测试车轮的方法，包括：

将所述车轮支撑在多个驱动辊上，所述多个驱动辊中的至少一个驱动辊用于使所述车轮旋转，其中所述多个驱动辊中的所述至少一个驱动辊包括：圆柱形构件，所述圆柱形构件固定到驱动轴；和环形部分，所述环形部分与所述圆柱形构件邻近以在所述环形部分和所述圆柱形构件之间形成用于接合所述车轮的凹部，其中所述环形部分相对于所述圆柱形构件可轴向位移以适应所述车轮的厚度的变化；

在所述环形部分轴向位移的同时，通过所述圆柱形构件和所述环形部分维持在所述车轮上的压缩力；和

通过所述驱动辊旋转所述驱动轴，以使所述多个驱动辊中的所述至少一个驱动辊旋转。

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