本發(fā)明涉及軌道車輛領(lǐng)域，尤其涉及被設(shè)計成便于其超聲檢測的輪輻的輪軸。

背景技術(shù)：

在軌道工程中，術(shù)語“輪副”用于表示包含兩個車輪以及相應(yīng)的連接軸或輪軸的構(gòu)件組合。

軌道輪副將軌道車輛支撐在軌道上。因此，列車會施加連續(xù)的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力至各個輪副的車輪和輪軸。

軌道線的車輛負(fù)載、行駛條件以及很小的裂縫，會引起貨車發(fā)生顛簸以及碰撞壓艙物或者其它物料，進而產(chǎn)生機械應(yīng)力。列車在其途中以及在晝夜之間所遭受的連續(xù)變化的外部溫度和濕度會產(chǎn)生熱應(yīng)力。

所述機械應(yīng)力和熱應(yīng)力會導(dǎo)致裂縫在輪軸上擴展。為了防止裂縫在輪軸內(nèi)產(chǎn)生并擴散以致發(fā)生可導(dǎo)致嚴(yán)重事故的結(jié)構(gòu)性失效，很多國家的法律要求定期檢查輪軸的完整性。

通過由特定設(shè)備產(chǎn)生的超聲波來檢測輪副，可使非侵入式檢測得以實施，所述特定設(shè)備通常被稱為“旋轉(zhuǎn)探頭”，其包括多個縱波超聲換能器和被稱為探頭架的相應(yīng)殼體。通常，使用壓電的和/或電致伸縮的和/或磁致伸縮的晶體來產(chǎn)生超聲波。

所述換能器在所述殼體內(nèi)圍繞縱軸線布置，并且可以是會聚的或發(fā)散的，也就是說，由各個換能器發(fā)出的、呈縱波形式的超聲波束可與所述縱軸線形成相應(yīng)的夾角而在所述輪軸的鋼材中傳播。

所述設(shè)備通過磁體被臨時限制在所述輪軸的一個端部或者“頭部”，處于其相應(yīng)使用狀態(tài)的所述輪軸被涂漆，所述輪軸的所有部件(車輪、閘盤、減速齒輪)被組裝在一起并且與安裝在軌道車廂下方的轉(zhuǎn)向架形成一體。特別地，所述設(shè)備被限制在輪軸的頭部，從而所述輪軸的旋轉(zhuǎn)軸線與設(shè)備自身的縱軸線成一條直線。通過這種配置，由換能器發(fā)出的超聲波束傳播通過輪軸的鋼材；如果所述換能器是會聚的，那么其產(chǎn)生的超聲波束的軸線與所述輪軸的旋轉(zhuǎn)軸線相交；相反地，如果所述換能器是發(fā)散的，那么其產(chǎn)生的超聲波束的軸線不與所述輪軸的旋轉(zhuǎn)軸線相交。

所述超聲波束的傳播角度與各個換能器相關(guān)：例如，如果所述旋轉(zhuǎn)探頭包括三個換能器，那么相應(yīng)的三個超聲波束根據(jù)相應(yīng)的三個不同角度在所述輪軸中傳播。

超聲耦合介質(zhì)，例如油，被插入至所述換能器和所述輪軸端部的外表面之間，以使得所述超聲波束的傳播最大化。

技術(shù)人員一次啟動一個換能器并且旋轉(zhuǎn)所述探頭(也就是說，旋轉(zhuǎn)所述殼體和其中的換能器)，從而每次啟動的換能器轉(zhuǎn)動一個整圈，由此使其超聲波束覆蓋所述輪軸的相應(yīng)的環(huán)狀部分。由每個超聲波束偵聽的部分的形狀取決于超聲波束自身的寬度以及所述超聲波束在輪軸鋼材內(nèi)的穿透深度。

在探頭的多個角度位置上，輪軸因響應(yīng)每個換能器內(nèi)的超聲波束的傳播而產(chǎn)生的回聲被采集和分析。

其機理如下：比較所述超聲波束在兩種具有不同透聲性的材料(在特定情況下為軌道輪軸的鋼材以及存在于表面上的裂縫中的空氣)中的穿透情況。特別地，如果存在不連續(xù)部分性，例如裂縫、缺口或者斷裂之類的輪軸缺陷，則超聲波會被反射、折射和散射。

因此，通過分析由換能器的超聲波束所產(chǎn)生的回聲，可以檢測在輪軸內(nèi)被換能器所偵聽部分中的缺陷。針對所有換能器以及所述輪軸的兩個端部重復(fù)所述分析，可以沿著輪軸的幾乎整個長度檢測該輪軸。

在實踐中，旋轉(zhuǎn)探頭與讀取設(shè)備相結(jié)合，這可以檢測回聲并且使相應(yīng)的圖表可視化。在所述圖表中，輪軸的缺陷對應(yīng)峰值。對回聲的分析可以識別缺陷的位置和尺寸，從而辨別出可能存在的危險缺陷。

上述過程還包括使用被稱為“相控陣”的超聲探頭，所述探頭由一組對齊的探頭構(gòu)成，并且如果被適當(dāng)設(shè)置，所述探頭可以提供二維瞬態(tài)分析。

例如，由René SICARD、Gérard LANDRY以及Hussam SERHAN在2012年4月16至20日的南非德班“第18屆無損測試世界大會”上發(fā)表的文章“用于列車輪軸檢測的相控陣掃描探頭”描述并展示了通過“相控陣”類型的旋轉(zhuǎn)探頭實現(xiàn)的超聲識別技術(shù)的多幅圖像。

在檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷與輪副輪軸的幾何形狀相關(guān)。

在輪軸的兩端設(shè)置螺紋盲孔，所述盲孔與輪軸的旋轉(zhuǎn)軸線平行并且用于接納車輪軸承的緊固銷釘。所述盲孔相當(dāng)于非連續(xù)部分，因此會不利地影響采用旋轉(zhuǎn)探頭進行檢測。

實際上，輪軸頭部中的螺紋孔與旋轉(zhuǎn)探頭的換能器所遵循的路徑直接一致。不可避免地，超聲波束在輪軸鋼材內(nèi)的傳播會受到不利的影響。

因此，執(zhí)行輪軸檢測的技術(shù)人員不得不相對所述縱軸線以及換能器相應(yīng)的會聚或發(fā)散角度來調(diào)整換能器的徑向位置，以防止超聲波偵聽所述螺紋孔以及由此發(fā)生反射、折射和散射并引起誤報的讀數(shù)(非相關(guān)讀數(shù))。這很費時間，并且要求負(fù)責(zé)檢測的技術(shù)人員具有一定的經(jīng)驗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種輪軸，所述輪軸被設(shè)計成盡可能多地有助于使用超聲波探頭進行檢測并且使檢測質(zhì)量最大化。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種采用超聲探頭對軌道輪副的輪軸實施檢測的方法，該方法不會有誤報或者具有最小數(shù)量的誤報。

因此，本發(fā)明的第一方面涉及根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道輪副的輪軸。

特別地，所述輪軸沿著縱軸線在兩個端部之間延伸，每個所述端部用于支撐至少一個軌道車輪以及相應(yīng)的軸承，以形成輪副。

與傳統(tǒng)方案不同的是，在每個端部內(nèi)均設(shè)有被稱為主孔的盲孔，所述主孔與所述輪軸同軸并且其尺寸適于容納超聲探頭，以輔助有效地檢測輪軸本身。

主孔不應(yīng)當(dāng)被誤認(rèn)為是有時設(shè)置在所述輪軸兩端的埋頭孔，所述埋頭孔用于在有些操作中(例如車加工)使所述輪軸定心，和/或用于允許傳統(tǒng)探頭與輪軸的軸線對齊。當(dāng)這些埋頭孔還被用于超聲檢查時，它們將僅接納傳統(tǒng)探頭的對齊銷釘，而換能器一直位于輪軸外側(cè)。所述主孔的功能和構(gòu)造卻完全不同，因為所述主孔將至少容納探頭的設(shè)有所述換能器的整個部分，以便能從所述主孔的內(nèi)部進行檢測。

本發(fā)明的方案的主要優(yōu)點在于，允許所述探頭插入所述輪軸端部內(nèi)一定長度，從而超聲波能夠不受通常存在于輪軸端部的幾何不連續(xù)部分的干擾而進行傳播。換句話說，所述方案可大幅減少誤報。

優(yōu)選地，可以從外側(cè)進入所述主孔以允許技術(shù)人員插入所述探頭，更優(yōu)選地，所述主孔為圓形以允許其內(nèi)部的超聲探頭旋轉(zhuǎn)。需要注意的是，上文所述的小埋頭孔不允許插入超聲探頭。

在實踐中，在所述輪軸的兩端還設(shè)有被稱為次孔的附加縱向孔，所述縱向孔接合相應(yīng)車輪的軸承的緊固螺釘。在所述輪軸中通常設(shè)有三個所述次孔。在該情形下，這些次孔圍繞相應(yīng)的主孔布置，即，所述次孔與輪軸不共軸，但是所述次孔的軸線平行于所述輪軸的軸線。所述次孔的直徑遠(yuǎn)小于所述主孔的直徑。

在優(yōu)選實施例中，所述主孔比所述次孔更深地延伸進入所述輪軸。由于該特征，由所述探頭產(chǎn)生的超聲波不會因為所述次孔的存在而受到影響，所述次孔實際上被超聲波繞開，從而不會在所述回聲中產(chǎn)生誤報。

每個端部的外表面的被稱為軸頸的至少一個部分被修整，以允許安裝車輪的軸承。優(yōu)選地，所述主孔延伸進入所述輪軸的長度在所述軸頸的縱向尺寸的50％至120％之間。從而，由所述探頭產(chǎn)生的超聲波不會因為所述軸承的存在而受到影響，或者僅局部受到影響。

因此，本發(fā)明的第二方面涉及根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于檢測軌道輪副的輪軸的方法。

特別地，所述方法包括如下步驟：

a)提供如上所述的根據(jù)本發(fā)明的輪副，和設(shè)置有一個或多個換能器的超聲探頭；

b)將所述超聲探頭輪流插入到所述輪軸的兩個端部的主孔內(nèi)；

c)一次啟動一個換能器，并且旋轉(zhuǎn)在所述主孔內(nèi)的探頭，以使所述探頭旋轉(zhuǎn)一個或多個整圈；

d)檢測在所述輪軸內(nèi)傳播的回聲，并且分析所述回聲，以識別可能的缺陷或者裂縫。

所述回聲分析技術(shù)是已知的，這里不再詳述。

然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，所描述的方法可以對輪軸實施有效檢測，從而避免通常因為軸瓦或軸承的緊固孔而引起的誤報。

優(yōu)選地，在所述超聲探頭和所述主孔的底部之間還施加耦合介質(zhì)(coupling agent)，例如油。

優(yōu)選地，以低于或者等于每秒30度的速度旋轉(zhuǎn)所述探頭，以使所選的換能器依次覆蓋輪軸內(nèi)的相應(yīng)的觸探錐(penetration cone)。

優(yōu)選地，所述探頭設(shè)置有一個或多個外部密封墊片，例如O型環(huán)。所述密封墊片的功能是附著在所述主孔的側(cè)壁上，以密封所述耦合介質(zhì)。由所述主孔的底部和側(cè)壁、超聲探頭和相應(yīng)的墊片限定出耦合腔，其基本是一定體積空間。所述耦合介質(zhì)在所述耦合腔內(nèi)循環(huán)，并且所述墊片防止所述耦合介質(zhì)溢出。

本發(fā)明的第三方面涉及根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于上述輪軸的超聲檢測的旋轉(zhuǎn)探頭。

所述超聲探頭包括本體，所述本體被設(shè)置為容納一個或多個超聲換能器，所述超聲換能器可以是會聚的或發(fā)散的(在前文對這些術(shù)語所給出的意義上)或者具有可調(diào)角度。一個或多個外部密封墊片被布置在所述本體上，以使得所述探頭本體可以被插入到所述輪軸的主孔內(nèi)從而密封所述耦合介質(zhì)。根據(jù)這種布置方式，所述探頭本體充作插入到所述輪軸的其中一個主孔內(nèi)的活塞，其中所述墊片在所述主孔的內(nèi)壁上滑動。

優(yōu)選地，所述換能器布置在所述探頭本體的正面，所述正面將朝向所述輪軸的主孔的底部。所述探頭包括用于耦合介質(zhì)流向所述正面的輸送裝置(adduction means)。例如，所述輸送裝置包括也位于外部的循環(huán)泵、優(yōu)選在所述正面處開口的供給管以及用于將所述耦合介質(zhì)從所述正面排出的排放管，從而當(dāng)所述探頭被插入所述主孔中時，所述耦合介質(zhì)能夠在所述換能器和輪軸之間在所謂的耦合腔內(nèi)循環(huán)。

附圖說明

通過閱讀下文借助附圖對優(yōu)選的但非排他性的實施例的說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得更為明顯，所述實施例僅用于例示目的，而不是限制性的，其中：

·圖1為傳統(tǒng)類型的旋轉(zhuǎn)式超聲探頭的透視圖；

·圖2為由圖1所示探頭以傳統(tǒng)方法進行檢測的輪副的透視圖；

·圖3為根據(jù)本發(fā)明的軌道輪副的輪軸的透視圖；

·圖4為根據(jù)本發(fā)明的輪軸和探頭在使用時的透視圖；

·圖5為根據(jù)本發(fā)明的輪軸在檢測過程中的示意性剖視圖；

·圖6為圖5所示的輪軸的示意性側(cè)視圖；

·圖7為在圖5所示輪軸的檢測過程中所檢測到的回聲圖。

具體實施方式

附圖1示出了一種傳統(tǒng)類型的旋轉(zhuǎn)式超聲探頭1，所述探頭1設(shè)置有本體2，所述本體2依次配備有握柄3和旋鈕4，所述旋鈕4由技術(shù)人員手動操作以在輪軸檢測過程中旋轉(zhuǎn)所述探頭1。超聲換能器7安裝在所述探頭1的頭部的正面5處。在所示實例中示出了四個換能器7，但是所述換能器7通?？删哂胁煌臄?shù)量。

對齊銷釘6從所述探頭的正面5伸出，以便插入形成在傳統(tǒng)輪軸兩端正面的相應(yīng)埋頭孔中。所述銷釘6使得技術(shù)人員很容易將所述探頭1對準(zhǔn)在待檢測的輪軸的縱向軸線上。

如上文所解釋的，換能器7可以是會聚的或者發(fā)散的，或者可以安裝在探頭1的本體2上以使技術(shù)人員能夠根據(jù)需要調(diào)整它們的角度。

圖2示出傳統(tǒng)軌道輪副8的一部分，所述輪副8包含車輪9和輪軸10。技術(shù)人員移動所述探頭1以與輪軸10的端部11抵接，以使所述探頭1可操作地與輪軸10聯(lián)接。為了旋轉(zhuǎn)所述探頭1至少360度，借此旋轉(zhuǎn)由啟動的換能器7所產(chǎn)生的超聲波束，技術(shù)人員旋轉(zhuǎn)所述旋鈕4。

借助檢測和分析設(shè)備12，技術(shù)人員分析由在所述輪軸本身的材料中傳播的超聲波在輪軸10中產(chǎn)生的多種回聲。峰值對應(yīng)檢測出的裂縫。技術(shù)人員還需利用其經(jīng)驗區(qū)分誤報與所述輪軸10的可能的真實缺陷。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的輪軸100，所述輪軸100與現(xiàn)有技術(shù)不同，因為其具有兩個盲孔103，所述兩個盲孔103分別形成在端部101和102中。所述端部101和102的外表面至少部分地被修整，以便安裝所述車輪的軸承105。所述被修整的表面107被稱為軸頸。

圖4說明了由盲孔103所帶來的優(yōu)點，所述盲孔103在此后被稱為主孔。

在每個端部101和102中，所述主孔103與輪軸100同軸，并且相對于次孔104位于徑向內(nèi)部，所述次孔104用于固定車輪的所述軸承105的軸瓦(未示出)。

根據(jù)本發(fā)明的超聲探頭200可以被插入到主孔103中進行輪軸檢測。如圖4所示，探頭200并非像現(xiàn)有技術(shù)一樣簡單地抵接所述端部101和102，而是插入輪軸100內(nèi)直至所述主孔103的底部，并且可在所述主孔103內(nèi)由技術(shù)人員轉(zhuǎn)動。

此方案具有的優(yōu)勢在于，由探頭200產(chǎn)生的超聲波不會偵聽所述次孔104或者軸承105(至多偵聽所述軸承105，但也僅在局部上)。

申請人所實施的多項測試表明，與傳統(tǒng)輪軸相比，本發(fā)明的方案包含數(shù)量小得多的誤報，這意味著回聲讀數(shù)中具有更少的峰值。

優(yōu)選地，如圖所示，當(dāng)技術(shù)人員插入所述探頭，在探頭200與主孔103的底部及側(cè)壁之間形成耦合腔300。特別是，所述耦合腔300由所述主孔103的底部和側(cè)壁、探頭200的正面201(所述正面201上安裝有多個換能器，出于簡化考慮沒有示出這些換能器)以及至少一個例如為O型環(huán)的密封墊片202限定，所述密封墊片202環(huán)繞所述探頭200以將探頭200設(shè)置成關(guān)于所述主孔103的活塞。

耦合介質(zhì)借助供給管203和排放管204在耦合腔300內(nèi)循環(huán)，如箭頭所示，所述供給管203和排放管204連接至外部的循環(huán)泵(未示出)。

附圖標(biāo)記106表示輪蓋，所述輪蓋防止耦合介質(zhì)濺出到探頭200上。

所述軸承105安裝到軸頸107上。優(yōu)選地，所述主孔103的深度至少等于所述軸頸107的縱向尺寸的50％。

參見圖5，其中示出了在檢測過程中的輪軸100的局部剖視圖，技術(shù)人員一次啟動一個換能器7，該換能器7為安裝于所述探頭200上的多個換能器中的一個(此圖中基于簡化考慮沒有示出全部換能器)。每個換能器被安裝成與輪軸100的縱軸線X形成相應(yīng)的夾角。在圖中所示的實例中，換能器7相對縱軸線X形成30度的夾角。

換能器7產(chǎn)生超聲波束UT，該超聲波束UT從主孔103的底部開始傳播到輪軸100內(nèi)。通過旋轉(zhuǎn)所述探頭200，所述超聲波束UT還將變化位置，以檢測輪軸100相應(yīng)的環(huán)狀部分。被標(biāo)示為“門1”和“門2”的區(qū)域?qū)?yīng)附圖7所示圖表中的兩個單獨的區(qū)域。

圖6以側(cè)視圖而非橫截面圖示出了與圖5相同的輪軸100。示意性示出為黑色方塊的缺口B在所述輪軸內(nèi)與所述端部101的邊緣距離230毫米處形成。

圖7示出了對應(yīng)于所述超聲波束UT的回聲讀數(shù)的圖表。距離標(biāo)示在x軸上，反射的超聲能量相對標(biāo)準(zhǔn)量的百分比標(biāo)示在y軸上。在缺口B處存在峰值，該峰值向技術(shù)人員指示該缺口距離原點僅僅130毫米。所述次孔104和輪軸100的軸頸軸承不會影響所述讀數(shù)。