基于共振信號分析的軌道部件檢查制造技術

用于依據跨越一組振動帶的共振反饋分布曲線而評估軌道部件的狀態的解決辦法。振動能夠在目標部件正常運行過程中被引致至目標部件內。軌道部件的共振反饋分布曲線能夠根據磨損或損壞不同而變化，并且因此能夠被用于確定軌道部件是否能夠被安全地繼續使用。實施例包括長度選定為容許一次有單個軌道車輪在其上的被隔離的軌道段，所述軌道段帶有當車輪經過時能夠將特定振動引致至車輪內的裝置組、以及能夠從車輪獲取共振信號的另一個裝置組。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】先前技術參考當前申請要求2012年5月23日提交的題目為“Ultrasonic?analysis-based?inspeciton?system?and?method?for?rail?components”(基于超聲分析的檢查系統以及用于軌道部件的方法)的共同申請美國臨時申請No.61/688,842的優先權，并且所述美國臨時申請結合本文加以參考。
本專利技術通常涉及車輛部件的非破壞性檢查，并且特別地涉及用于評估鐵路車輪和/或軌道運輸系統的其他部件的狀態的新型創新性解決辦法。
技術介紹
幾個世紀以來評估物體對各種聲學輸入頻率的共振已經已知作為用于確定金屬或者其他高剛性物體或部件的狀態的方法。實際上，這個原理的一些用法可以追溯到工業革命時期。關于軌道，早期的英國鐵路工程師敲擊火車車輪并且使用聲音確定是否存在裂縫。當然，鈴鐺工匠完全依賴共振以使得其產品發揮作用。在一個方法中，使用簡易的物理撞錘(類似于處于自動控制下的圓頭錘)并且比較產生于輪軸的兩個側面上的車輪的聲學頻譜而確定一個車輪是否是壞的，其依據以下假設：(A)兩個好的車輪的頻譜應當非常類似，以及(B)對于在一個輪軸上的兩個車輪來說具有如此類似的缺陷以致于產生幾乎完全相同的頻譜是幾乎不可能的。強調的是，第二個假設可能不完全有效。例如，踏面擦傷(slid-flats)由制動器的鎖定以及之后車輪和軌道之間的摩擦導致，從而導致在車輪上的一個位置處的平直磨損(flat?wear)。在這種情況下，可以預想到的是在相同輪軸上的車輪的平直區域為相當接近完全相同的。在另一個方案中，設計并測試使用類似的基于錘的方法的預先聲波標記檢查系統，但是僅識別出已知有缺陷車輪的45％，且錯誤報警率接近三分之一。已知使用聲音確定在這種物體中存在缺陷的其他方法。例如，發明人之前提出將聲學信號電磁地引致至車輪內(電磁聲學變換)并且追蹤返回信號的特征和記時。但是，這個方法以及相關的超聲檢查方法特定地側重于定位并識別非常特定的缺陷。共振頻率依賴于物體的材料特性。一般說來，這個關系可以如下所述：fr~km′]]>其中fr為物體的共振頻率，k為物體的“剛度”的測量值(楊氏模量)，m為可能考慮到物體的尺寸和密度的物質的通用符號。由于復雜的物體由可以具有多種分界線并且其中甚至具有不同的成分和應力的材料構成，所以其實際上由許多不同的子物體組成，并且如小提琴主體和弦的組合物以特定的方式共振那樣，子物體自身連同這些子物體的各種組合物可以具有共振。因此，在任何給定的物體中可能存在數千種共振。理論上，由于異質固體的所有部件具有其自身的共振，并且這些部件的相互作用將引入共振，并且共振與這些部件的尺寸、形狀、和成分直接相關地遷移，因此可以根據其共振完整地描述整個物體-晶體結構、雜質、形狀、尺寸、材料成分。雖然該共振的最終應用場合可能由于物理的和數學的約束而永遠受制于理論，但是重要點在于：在部件上的任何顯著的磨損將改變其尺寸(并且因此m和共振頻率)并且在部件中的缺陷(諸如裂縫)將改變部件在那個位置中的剛度，從而導致k和因此還有相關的共振頻率中的一個或多個的總體改變。相反地，對于制造為滿足公差的處于良好狀態中的物體來說，則預期所有共振為相當彼此接近的。這意味著用于任何“良好的”部件的“共振頻譜”(對振動物體的所有釋放頻率的掃描，所述掃描示出全部顯著的共振波峰)應當為非常類似的，并且任何有缺陷的部件將明顯地偏離該頻譜，無論缺陷可能的準確特征是什么。這與之前描述的比較在輪軸的相對側上的車輪的方法顯著不同，原因在于已知用于“良好”部件的特定頻譜，并且不依賴于對良好性的假設。此外，之前描述的比較輪軸的相對側上的車輪的方法并非側重于作為頻譜的特定特性的共振，而是側重于頻譜總體的通用對應性。找到用于這個基本方法的多種專利和商業應用，所述這個基本方法被稱為共振超聲頻譜學(RUS)。一系列相關的方法教示了使用本方法以確定何時被制造的部件落入某組規格之外。這些教示了原理的附加部分和延伸部分，諸如使用方法以確定給定部件的球形度、用于共振頻譜的溫度補償、推算特定部件的共振頻率以容許在診斷測試中限制掃描的頻帶寬度，并且使用在“濕的”和“干的”頻譜之間的遷移以確定在部件中存在或缺失裂縫或裂縫類缺陷。總之，這些方法已經產生了用于測試制造出的部件以及用于確定材料特性的若干商業應用，諸如由Magnaflux’Quasar?systems和Mechtronic’s?Vibrant?NDT提供的商業應用。以上所有方法均應用于安放于測試位置中以及與所有其他部件隔離的已知形狀(根據體積規格等有一些變化)的部件。至今為止，這些方法中沒有一個已經在實地作業點中使用，一般說來原因在于大部分已安裝的部件具有與其他部件的連接部/附接部，所述連接部/附接部能夠抑制、減振、或不可預知地改變所預期的共振。其他一般相關的方法面臨一些額外的困難：其具有頻帶寬度受限的程序、未隔離軌道段、不能夠使用當前的信號處理技術等。RUS的當前用途用于被隔離的并且相對小的部件，所述被隔離的并且相對小的部件一般經歷制造后檢查或者被檢驗尋找可疑缺陷，或者用于材料特征化。在兩種情況下，樣本或部件被放置在非常特別的保持器中并且被隔離。大的部件已經長期呈現出適當地引發共振所需能量數量的問題。
技術實現思路
本文描述的專利技術意在克服用于探測在用于鐵路應用場合的機車車輛部件中的各種損傷或缺陷的當前技術的方法中的一個或多個限制。更特別地，本專利技術的實施例容許確定軌道部件(諸如車輪)是否在未來存在失效風險。基本概念涉及使用車輪對于各種聲學輸入頻率的共振。本專利技術的方面能夠包括以下創新點中的一個或多個：在復雜機器(例如安裝于有軌車輛或火車頭上或在其上滾動的車輪)中的現場(運行中)部件上使用RUS以及相關的方法，以及在大的部件上使用RUS。使用多個“聲脈沖發送器”或可調整的壓電/電磁聲脈沖發送器以覆蓋多個頻率。使用拋物面而非標準的傳聲筒以允許以更遠距離獲取更長的樣本以及更好的信噪比。使用基于聲音的參數模型，所述基于聲音的參數模型使用代表具體的車輪或車輪類型并且能夠因車輪磨損、尺寸等而修改的恒定的特征組。結合上述參數模型方法使用對受控車輪隊(例如在運輸作業中的)的趨勢分析，以在其整個使用壽命過程中直接地追蹤特定車輪的狀態。...

【技術保護點】
一種基于共振超聲分析進行軌道部件檢查的方法，所述方法包括：將頻率頻譜引致至現場的軌道部件內；探測由引致出的頻率所產生的共振并且記錄為共振數據；確定在共振數據的所關注的頻率頻帶內的共振波峰的一組特性；將所述一組特性與所預期的共振分布曲線作比較；以及基于所述比較來確定軌道部件的狀態。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.05.23 US 61/688,8421.一種基于共振超聲分析進行軌道部件檢查的方法，所述方法包
括：
將頻率頻譜引致至現場的軌道部件內；
探測由引致出的頻率所產生的共振并且記錄為共振數據；
確定在共振數據的所關注的頻率頻帶內的共振波峰的一組特性；
將所述一組特性與所預期的共振分布曲線作比較；以及
基于所述比較來確定軌道部件的狀態。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，軌道部件為鐵路車輪。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括基于鐵路車輪的一組特性
的建模來選定頻率頻譜。
4.根據權利要求2所述的方法，還包括基于對一組樣本鐵路車輪
的測試來選定頻率頻譜。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所預期的共振分布曲線為
基于聲音的參數模型，所述基于聲音的參數模型使用代表具體軌道部
件或具體類型軌道部件的不變的特征組。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所預期的共振分布曲線基
于一組已知的軌道部件。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所預期的共振分布曲線基
于在軌道部件上執行的一組先前檢查。
8.根據權利要求8所述的方法，還包括在使用之前基于根據所述
一組先前檢查的預測而改進所預期的共振分布曲線。
9.根據權利要求1所述的方法，還包括基于已建立的與軌道部件
有關的車輛數據庫來改進所預期的共振分布曲線。
10.一種基于共振超聲分析進行軌道部件檢查的系統，所述系統包
括：
用于將頻率頻譜的振動引致至現場的軌道部件內的引致裝置；
用于探測由引致出的振動在軌道部件中產生的共振振動的探測

\t裝置；以及
用于通過執行一種方法評估軌道部件的計算機系統，所述方法包
括：
將探測到的共振振動記錄為用于軌道部件的共振數據；
確定在共振數據的所關注的頻率頻帶內的共振波峰的一組
特性；
將所述一組特性與所預期的共振分布...

【專利技術屬性】
技術研發人員：Z·F·米安，W·B·約翰遜，
申請(專利權)人：國際電子機械公司，
類型：發明
國別省市：美國;US