CN117022374A - 用于超声波铁路轨道检查的滚动探查单元 - Google Patents

Abstract

一种用于铁路轨道超声波检查的滚动探查单元，其使用了车轮总成，该车轮总成包括沿轨道滚动的充满流体的轮胎，在检查操作期间，超声换能器将超声波束通过流体和轮胎传播进入下伏轨道。从轨道缺陷处反射的波束返回换能器，并进行检测和分析以供后续维护。车轮总成还包括用于减少流体随轮胎旋转的防旋转挡板和用于以各种速度控制轮胎内流体压力的压力调节器。

Description

用于超声波铁路轨道检查的滚动探查单元

本专利申请为分案申请；其原申请的申请日为2020年12月04日，申请号为202080084405.1，发明名称为“用于超声波铁路轨道检查的滚动探查单元”。原申请是国际申请，其国际申请号为PCT/US2020/063223，国际申请日为2020年12月04日，进入中国国家阶段日为2022年06月06日。

相关申请的交叉引用

本申请是非临时申请，其要求申请日为2020年3月17日，申请号为62/990,805的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本申请中。

技术领域

本发明涉及用于执行铁路轨道的无损测试和检查的改进装置和方法。更具体地，本发明涉及一种滚动探查单元(简称为RSU)以及方法，用于使用安装在具有充满流体的轮胎的车轮总成内的超声换能器，检测并识别下伏铁路轨道的缺陷。轮胎内的流体是超声耦合流体，在换能器和轮胎之间传播超声波束。波束穿透轮胎和下伏轨道，并从轨道中的缺陷反射回换能器以进行分析。为了最大化在换能器和轮胎之间来回传播的超声波束的信号强度，在所有操作条件下，耦合流体必须完全填满轮胎内部。

背景技术

由于各种原因，铁路轨道的轨道可能不时出现一个或多个有害瑕疵或缺陷。此类瑕疵可包括横向缺陷、垂直剪切或裂头缺陷、水平剪切或裂头缺陷等，该瑕疵可能源于制造和施工过程、环境因素或正常使用的磨损。这些缺陷通常出现在轨头，但也可能出现在轨道腹板和底部、螺栓孔周围或轨道横截面的任何其他部分。由于铁路运输的性质，重达数万磅的机车在不同速度下定期在轨道上运输数百吨货物，轨道内的裂纹可能会随着时间的推移在整个轨道上延长或传散。这些无人看管或未解决的瑕疵或缺陷可能会导致各种问题，其中最严重的可能包括灾难性的轨道故障或列车脱轨，并可能对货物和人员以及整个铁路行业造成严重的财务、健康和安全风险。

可以通过常规的无损检查来预测并避免轨道故障，在轨道内隐藏的或极小的缺陷发展成更大的问题之前，使铁路运营商能够识别并修复它们。为了检测此类缺陷，已经建造了安装在交通工具或轨道车上的轨道检查托架，其包括超声波轨道检查设备，以便沿着铁路轨道行驶，并在现场连续对下伏轨道进行超声波检查，所述检查通过将超声波束传播到轨道中，并分析波束可能被轨道缺陷反射的部分。Kocur等人在美国公布的专利申请2019/0023286中公开了这样的轨道检查托架。

Havira在美国专利7,849,748B2中公开了一种用于现场轨道检查的超声波轨道检查设备的示例，该设备包括具有充满流体的轮胎的车轮总成，用于保持与下伏轨道的轨头的滚动接触。根据Havira的教导，轮胎与下伏轨道的轨头形成接触面，并且轮胎包括支撑在轮胎内的超声换能器，沿着波束轴线投射超声波束，穿过液体、轮胎、以及喷在轮胎和轨道之间的液体耦合介质，并进入下伏轨道的轨头中。其中，耦合介质通常是一种薄层液体，如水，或水与其他试剂的混合物，用于改善轮胎和轨头之间的接触。超声波束通过下伏轨道传播，并被其中可能存在的缺陷或瑕疵反射，这会导致部分或全部波束信号返回到换能器或被超声波检测器接收。然后由一个或多个计算机处理器分析反射的波束信号，以确定反射波束对应的瑕疵或缺陷的类型、大小和位置。

当超声换能器悬挂在充满流体的轮胎内时，如Havira所公开的，轮胎和流体在超声换能器和下伏轨道之间提供传播介质。由于声音传播的性质，换能器发送和接收的超声波的强度和质量取决于连续的传播介质。超声波束传播的介质中的气穴和其它不连续性破坏了波束和由波束承载的信号信息。

在检查操作期间行驶速度较慢，即小于30kph时，轮胎内的超声耦合流体通常会保持介质与轮胎之间必要的连续性，以便进行波传输。然而，为了缩短检查时间并减少对轨道交通的干扰而寻求更高的行驶速度，将会出现各种问题。

图1示出了现有技术的滚动探查单元10，其具有车轮总成，该车轮总成具有轮胎12和安装在轮胎内的部件，包括以虚线示出的超声换能器和热交换器16。如图2所示，轮胎中由耦合流体18填充，例如水和乙二醇的混合物，其用作在换能器14和轮胎12之间传播超声波束的介质。热交换器16的功能和目的是将耦合流体18保持在均匀的温度，在Havira等人的美国专利8，739，631中有更详细的描述。

当单元以轻负载放置在下伏轨道的轨头H上执行检查操作时，轮胎12被轻微压平，并与轨头H形成接触面P，轮胎12由柔性薄膜材料制成，例如聚氨酯，并由耦合流体填充。流体内部以及流体和轮胎之间的剪切力使流体随轮胎旋转。当行驶速度增加时，旋转的耦合流体产生离心力，其施加在轮胎的内表面上并拉伸轮胎。拉伸同时使轮胎的内部体积增加有限的量，并且在耦合流体的体积固定的情况下，使轮胎膨胀的流体静压减小。在图2中，箭头A示出了当单元如箭头R所示的方向旋转时，耦合流体18向外压靠轮胎12的离心力。

还应注意的是，随着行驶速度的增加，静压的降低会出现“杯吸现象”C，即在轮胎与轨头的接触面P的中心处，胎膜从轨头处起皱或抬起。杯吸现象C也在图2中示出。杯吸现象形成了由比预期更厚的液体耦合介质层填充的腔，并且成为超声波束B在换能器14和轨头H之间必经路径中的介质的不连续处。该不连续处导致波束失真和信号强度降低，并导致检查操作所得信息丢失。

此类滚动检查装置产生的另一个问题是，由于来自轮胎内各种表面的反射而导致的超声波束在轮胎12内的反弹。反弹波束可由与波束发射源相同或不同的换能器接收，如果不存在，则可能被误解为缺陷。

通过改进的滚动探查单元和超声波检测铁路轨道的方法特点，可以解决上述问题，如下所述。

发明内容

通过用于铁路轨道超声波检查的改进滚动探查单元(下文称作RSU)来解决上述问题。改进的RSU包括车轮总成，该车轮总成具有由超声耦合流体填充的轮胎。车轮总成通过轮毂安装在轴上旋转，以便在检查操作期间，车轮总成沿轨道平移时，轮胎与铁路的下伏轨道的轨头滚动接触。轮胎由柔性薄膜材料制成，在该检查操作期间，当轮胎放置在下伏轨道的轨头时会形成接触面。

超声换能器支撑在轮胎内的轴上，用于将超声波束通过耦合流体和轮胎传播到下伏轨道的轨头中，并用于接收从下伏轨道中遇到缺陷反射回来的超声波束。然后，可以进一步分析显示缺陷的反射波束，以确定缺陷的严重程度，并决定是否需要采取补救措施。

挡板与轴以固定关系安装在轮胎内耦合流体中的轴上，用于在轮胎绕轴旋转时抑制耦合流体随轮胎旋转。通过抑制流体的旋转，旋转流体产生的离心力以及向外施加在轮胎上的离心力大大降低。因此，形成轮胎的柔性薄膜材料不会在更高的速度下显著拉伸，并且被流体占据的轮胎内部体积不会显著膨胀。因此，轮胎内的静压损失将减少或可以消除。

挡板安装在轴上，并从轴拨入耦合流体中，挡板还拦截车轮总成内的杂散超声波束反射。通过消除杂散反射，超声换能器接收反射并产生错误缺陷信号的概率也被最小化。

用于超声波铁路轨道检查的进一步改进的滚动探查单元(RSU)包括车轮总成，该车轮总成具有由超声耦合流体填充的轮胎。车轮总成安装在轴上旋转，以便轮胎与铁路下伏轨道的轨头滚动接触。轮胎由柔性薄膜材料制成，在检查操作期间，当轮胎放置在下伏轨道的轨头时会形成接触面。

超声换能器支撑在轮胎内的轴上，并产生超声波束，该超声波束通过耦合流体和轮胎传播到下伏轨道的轨头中。换能器还接收从下伏轨道缺陷反射回来的超声波进行分析。

进一步改进的RSU包括压力调节器，用于在检查操作期间调节车轮总成内耦合流体的压力。压力调节器包括安装在车轮总成内耦合流体中的增压部件，用于对轮胎内的耦合流体加压。在一实施例中，增压部件是增压气囊。

通过增压气囊，在更高速度下拉伸薄膜材料引起的轮胎膨胀体积，由耦合流体补充，以保持轮胎充满，保持或增加轮胎内的压力，并通过将轮胎压在轨头上并挤出轮胎和轨头之间较厚的液体耦合介质层来消除“杯吸现象”，以及在更高的检查速度下产生的其他衰减效应。

提高检查速度会增加离心力和轮胎拉伸，从而进一步放大超声波通过接触面、轮胎和耦合流体处耦合介质的信号强度的衰减效应。因此，压力调节器可以包括速度传感器，其检测检查速度并根据检查速度增加轮胎内的耦合流体的调节压力。

本发明还提供了一种改进的铁路轨道超声波检查方法。该方法包括提供车轮总成的步骤，该车轮总成具有由超声耦合流体填充的轮胎并且安装在轴上旋转，以便与铁路下伏轨道的轨头滚动接触。轮胎由柔性薄膜材料制成，在检查操作期间，当轮胎放置在下伏轨道的轨头时会形成接触面。

超声换能器支撑在轮胎内的轴上，用于将超声波束通过耦合流体和轮胎传播到下伏轨道的轨头中，并用于接收从下伏轨道中遇到缺陷反射回来的超声波。在轮胎与轨头接触的情况下沿铁路轨道滚动车轮总成时，换能器在检查操作中被激活。

根据本发明，轮胎内的超声耦合流体在该检查操作期间以调节压力增压，以克服上述在以更高速度进行检查时的问题。调节压力可以检查速度作为函数来增加。

改进的滚动探查单元和对铁路轨道进行超声波检查方法的进一步特征和优点可从以下描述中得出。

附图说明

图1是根据现有技术中滚动探查单元在对铁路轨道中的缺陷执行超声波检查操作时在轨头的现场侧透视图。

图2是横切于图1中滚动探查单元旋转轴的横截面图。

图3是根据本发明的一滚动探查单元的透视图，其现场侧部分被切除以显示防旋转挡板和增压气囊。

图4是横向于滚动探查单元旋转轴的横截面图，该单元的现场侧部分如图3所示已切除。

图5是沿着图3中滚动探查单元旋转轴的横截面图。

图6是从图3中的滚动探查单元的仪表侧看的透视图，其中轮胎从轮毂上移除。

具体实施方式

图1和2示出了现有技术中的滚动探查单元10，以说明由上述改进的滚动探查单元所解决的问题。图3-6示出了改进的滚动探查单元20(RSU)，其结合了本发明的特征。RSU 20具有现有技术中的滚动探查单元10的所有特征。RSU 20包括车轮总成22，车轮总成22具有由耦合流体18填充的轮胎12和浸入耦合流体中的多个超声换能器。在检查操作中，换能器产生指向各种朝下方向的超声波束B，以通过流体和轮胎12传播到下伏轨道的轨头H中。

当超声波束B在轨头或轨道更深处遇到缺陷时，它们通过轨道、轮胎12和耦合流体18被反射回换能器，在换能器中捕获和分析由反射波束携带的信号信息。分析的信息可以提供有关缺陷类型、缺陷大小及其相对于RSU位置的详细信息。

图3-6中被最清楚地展示的车轮总成22支撑在支架24中，仪表侧有支腿26，现场侧有支腿28，因此支腿跨在车轮总成上。如图6所示，短轴30连接到支架24的仪表侧支腿26。另一个短轴34类似地连接到支架的现场侧支腿28。如图5所示，短轴30、34在它们的内端通过螺栓38相互连接。短轴30以与支架24的固定关系支撑轮胎12内的多个下文所述的部件。图5所示的浮轴42安装在短轴34内，并通过短轴的剖面与安装换能器14的轭状件40连接。浮轴从短轴34的现场侧突出，并具有带夹紧螺钉37的开槽法兰36，用于通过在短轴34内旋转浮轴42，然后拧紧夹紧螺钉37，将浮轴固定在短轴内，以调整换能器的安装角度。当浮轴与短轴34夹紧时，短轴30、34和浮轴42都以固定关系巩固在支架24上。这些轴和轭状件是非旋转的，并且用作车轮总成22的所有内部部件的固定安装件，包括换能器14和热交换器16。

电插头44连接到短轴34的现场侧端，并为车轮总成22内的换能器14提供电连接。

可以理解的是，在检查操作期间，具有车轮总成22的支架24以及通常多个其他类似的车轮总成被悬挂在轨道检查托架上，诸如美国公开专利申请2019/0023286中所公开的。这些托架又悬挂在轨道车或轨道交通工具的下方，用于沿着铁路轨道行驶并对轨道进行现场检查。车轮总成以有限的向下力下降到与轨头H接触，使得车轮总成的轮胎略微变平，如图5中最清楚地展示，并形成图1和2中的接触面P。接触面足够大，以便所有从轮胎穿过轨头的超声波束B都能顺利传输。

如图5所示，车轮总成22包括轮毂50和轮毂52，其中，轮胎12安装在轮毂50的仪表侧，轮胎12安装在轮毂52的现场侧。轮胎12是柔性薄膜材料，例如聚氨酯，柔性薄膜材料被模制成环形构造，在每个圆形边缘处分别具有胎圈54、56。轮毂上设有胎圈相应的凹槽。环形夹板58带有与胎圈54相匹配的凹槽，通过带帽螺钉60以流体密封的关系将胎圈夹紧在轮毂50上。相似的夹板62带有与胎圈56相匹配的凹槽，通过带帽螺钉61以流体密封的关系将胎圈夹紧在轮毂52上。轮毂50、52，胎圈54、56和夹板58、62一起在轮胎12和轮毂之间形成密封连接，防止加压下的耦合流体18从轮胎逸出。

为了用耦合流体填充轮胎，在现场侧轮毂52中设置有填充阀64。填充阀是自关闭阀门，例如施拉德阀。为了在填充耦合流体时排出轮胎12中的空气，现场侧轮毂52设有排气阀66和从该阀通向轮胎内部的排气口68。排气阀是手动操作的阀门，用于打开和关闭排气口来从轮胎排出空气。

如图5所示，在检查操作期间，为了使轮胎12抵着轨头H旋转支架24中的车轮总成22，轮毂50通过滚柱轴承70安装在短轴30上，轮毂52通过滚柱轴承72安装在短轴34上。轴密封件74安装在轮毂50中，以防止耦合流体通过轴承70逸出。相似的轴密封件76安装在轮毂52中以防止耦合流体通过轴承72逸出。在螺栓、阀门和轴之间的各种接头处提供其他密封件，以确保耦合流体18不会从轮胎12中逸出。

如上文结合图2所指出的，当轮胎12旋转时，轮胎和耦合流体18之间的剪切力导致流体与轮胎一起旋转。这些力对轮胎产生离心力，并以有限的量拉伸轮胎。在流体体积固定的情况下，轮胎内流体的静压，通常为5-8psi，将下降，并有可能出现杯吸现象C、气穴和起泡，所有这些都会干扰超声波束B的传输。

为了抑制耦合流体与轮胎的旋转以及相应的离心力，如图3-5所示的防旋转挡板80在轮胎内与轭状件40以固定关系支撑在轭状件40上，如图3和4中最清楚地看到的那样。挡板从轴向轮胎径向向外突出，并具有通常会阻碍耦合流体跟随轮胎旋转的形状。然而，挡板与轮胎的内表面保持间隔关系，使挡板不会干扰轮胎的旋转。通过挡板以及其对耦合流体的阻塞，轮胎上流体的离心力随着轮胎内相关的静压损失显著降低。因此，杯吸现象得到抑制，换能器和轨头之间的超声波束传输保持连续介质。

所示的防旋转挡板80是平坦的，但也可以采用弯曲的以及其他形状来获得对流体旋转的预期阻力，并保持与轮胎12内表面的间隔关系。挡板的形状也可以容纳轮胎内的其他部件。此外，可以在轮胎内的不同位置采用不止一个挡板来抑制流体旋转。

除了防止耦合流体的旋转，防旋转挡板80还用于拦截和消散轮胎内多余的超声波束反射。一个或多个挡板可以有策略地成形、定位并设置表面纹理以实现波束拦截和消散的功能。

为了进一步改善超声波束B在换能器14和轮胎12之间通过的流体介质的连续性，RSU 20具有压力调节器，用于在检查操作期间控制车轮总成中耦合流体18的压力。压力调节器包括位于轮胎12内的部件，以及位于支架24或其他位置的车轮总成外的调压源100。如图3-6所示，部件是安装在轮胎内短轴30上的增压气囊。如图5中最清楚地示出，增压气囊90具有外壳92，限定了由柔性隔膜96封闭的压力室94。增压气囊优选地是从轮胎外部的调压源100供应增压空气的气囊。当增压空气被输送到气囊时，隔膜膨胀到被耦合流体占据的轮胎内部空间，并对流体加压。

在一实施例中，调压源100是提供调节空气压力的空气压缩机。如图5中最清楚地示出，增压空气源100连接至仪表侧支架支腿26上的配件102，并通过支架支腿26中的钻孔通道104和短轴30中形成的歧管106，将来自车轮总成22外部的调节气压供应至车轮总成内的增压气囊90。

配件112、114用于通过短轴30中的类似但独立的通道和歧管，将加热/冷却流体供给热交换器16。为了标准化结果，需要加热或冷却以将超声波束B穿过的耦合流体的温度保持在固定水平，因为轨道检查在现场进行并且可以在所有季节进行。

当车轮总成22不移动时，轮胎12中的耦合流体的静压为标称值，例如5-8psi。从调压源100供应的调节压力将是相同的。然而，当车轮总成移动，且旋转流体的离心压力导致轮胎拉伸时，调压源100向增压气囊90提供增加的气压，并使柔性隔膜96相对于轮胎内的流体膨胀。

为此目的，调压源100接收来自图5中所示的速度传感器110的速度信号，该信号根据速度作为函数来调节调压源提供的气压。速度传感器110可以响应于车轮总成22的旋转速度，或车轮总成沿被检查轨道的平移速度。通常，速度信号会随着速度的增加而增加调压源输送的调节空气压力。

通过这种方式，由增压气囊90和调压源100形成的压力调节器维持或增加轮胎中的压力，以补偿拉伸对轮胎体积的有限增加和轮胎中的压力降低。相应地，在更高速度下，增加的压力将轮胎12压在轨头H上，消除了杯吸现象和较厚的液体耦合介质层，否则会降低超声波束B的强度及其通过接触面P的反射。

虽然本发明已在多个实施例中描述，但应理解，在不脱离本发明宗旨的情况下可以进行多处修改。例如，尽管防旋转挡板80旨在防止耦合流体与轮胎12一起旋转，但鉴于挡板与轮胎之间的间隔关系，一些流体将通过挡板，并可能产生使轮胎膨胀的离心力。因此，在车轮总成中一起使用挡板和增压气囊90是有利的。

本发明公开的压力调节器的内部部件，如增压气囊90和调压源100，可以采用各种形式。由增压气囊90形成的增压部件可以采用其他可膨胀装置的形式，例如波纹管，或在气缸内或从气缸中伸出的活塞，用于置换或更换轮胎内的流体。压力源还可以提供调节压力下的加压液体，以启动压力调节器的增压部件。

因此，本发明已经在几个实施例中以说明而非限制的方式进行了描述。

Claims (4)

1.一种用于超声波铁路轨道检查的滚动探查单元，包括：

车轮总成，具有

轮胎，由超声耦合流体填充，并且以可旋转的方式安装在轴上以与所述铁路的下伏轨道的轨头滚动接触，所述轮胎由柔性薄膜材料制成，在检查操作期间，当所述轮胎放置在所述下伏轨道的轨头上时形成接触面；

超声换能器，支撑在所述轮胎内的轴上，用于通过所述耦合流体和所述轮胎，将超声波束传播到所述下伏轨道的轨头中，并用于接收从所述下伏轨道中检测到的缺陷处反射回来的超声波束；以及

挡板，在所述轮胎内耦合流体中，与所述轴以固定关系安装在所述轴上，用于在所述轮胎绕轴旋转时，抑制所述耦合流体随轮胎旋转。

2.根据权利要求1所述的用于铁路轨道超声检查的滚动探查单元，其特征在于，所述挡板安装在所述轴上，以拨入所述耦合流体并拦截所述车轮总成内的超声波反射。

3.根据权利要求1所述的用于铁路轨道超声检查的滚动探查单元，其特征在于，所述挡板以与所述轮胎的内部分隔的关系，拨入至所述耦合流体中。

4.根据权利要求1所述的用于铁路轨道超声检查的滚动探查单元，其特征在于，所述挡板拨入至所述耦合流体中，且所述挡板具有与所述轮胎的内部保持分隔关系的形状。