[发明专利]基于共振信号分析的轨道部件检查

说明书

先前技术参考

当前申请要求2012年5月23日提交的题目为“Ultrasonic analysis-based inspeciton system and method for rail components”(基于超声分析的检查系统以及用于轨道部件的方法)的共同申请美国临时申请No.61/688,842的优先权，并且所述美国临时申请结合本文加以参考。

技术领域

本发明通常涉及车辆部件的非破坏性检查，并且特别地涉及用于评估铁路车轮和/或轨道运输系统的其他部件的状态的新型创新性解决办法。

背景技术

几个世纪以来评估物体对各种声学输入频率的共振已经已知作为用于确定金属或者其他高刚性物体或部件的状态的方法。实际上，这个原理的一些用法可以追溯到工业革命时期。关于轨道，早期的英国铁路工程师敲击火车车轮并且使用声音确定是否存在裂缝。当然，铃铛工匠完全依赖共振以使得其产品发挥作用。在一个方法中，使用简易的物理撞锤(类似于处于自动控制下的圆头锤)并且比较产生于轮轴的两个侧面上的车轮的声学频谱而确定一个车轮是否是坏的，其依据以下假设：(A)两个好的车轮的频谱应当非常类似，以及(B)对于在一个轮轴上的两个车轮来说具有如此类似的缺陷以致于产生几乎完全相同的频谱是几乎不可能的。强调的是，第二个假设可能不完全有效。例如，踏面擦伤(slid-flats)由制动器的锁定以及之后车轮和轨道之间的摩擦导致，从而导致在车轮上的一个位置处的平直磨损(flat wear)。在这种情况下，可以预想到的是在相同轮轴上的车轮的平直区域为相当接近完全相同的。在另一个方案中，设计并测试使用类似的基于锤的方法的预先声波标记检查系统，但是仅识别出已知有缺陷车轮的45％，且错误报警率接近三分之一。

已知使用声音确定在这种物体中存在缺陷的其他方法。例如，发明人之前提出将声学信号电磁地引致至车轮内(电磁声学变换)并且追踪返回信号的特征和记时。但是，这个方法以及相关的超声检查方法特定地侧重于定位并识别非常特定的缺陷。

共振频率依赖于物体的材料特性。一般说来，这个关系可以如下所述：

其中f_r为物体的共振频率，k为物体的“刚度”的测量值(杨氏模量)，m为可能考虑到物体的尺寸和密度的物质的通用符号。由于复杂的物体由可以具有多种分界线并且其中甚至具有不同的成分和应力的材料构成，所以其实际上由许多不同的子物体组成，并且如小提琴主体和弦的组合物以特定的方式共振那样，子物体自身连同这些子物体的各种组合物可以具有共振。因此，在任何给定的物体中可能存在数千种共振。理论上，由于异质固体的所有部件具有其自身的共振，并且这些部件的相互作用将引入共振，并且共振与这些部件的尺寸、形状、和成分直接相关地迁移，因此可以根据其共振完整地描述整个物体-晶体结构、杂质、形状、尺寸、材料成分。

虽然该共振的最终应用场合可能由于物理的和数学的约束而永远受制于理论，但是重要点在于：在部件上的任何显著的磨损将改变其尺寸(并且因此m和共振频率)并且在部件中的缺陷(诸如裂缝)将改变部件在那个位置中的刚度，从而导致k和因此还有相关的共振频率中的一个或多个的总体改变。相反地，对于制造为满足公差的处于良好状态中的物体来说，则预期所有共振为相当彼此接近的。这意味着用于任何“良好的”部件的“共振频谱”(对振动物体的所有释放频率的扫描，所述扫描示出全部显著的共振波峰)应当为非常类似的，并且任何有缺陷的部件将明显地偏离该频谱，无论缺陷可能的准确特征是什么。这与之前描述的比较在轮轴的相对侧上的车轮的方法显著不同，原因在于已知用于“良好”部件的特定频谱，并且不依赖于对良好性的假设。此外，之前描述的比较轮轴的相对侧上的车轮的方法并非侧重于作为频谱的特定特性的共振，而是侧重于频谱总体的通用对应性。

找到用于这个基本方法的多种专利和商业应用，所述这个基本方法被称为共振超声频谱学(RUS)。一系列相关的方法教示了使用本方法以确定何时被制造的部件落入某组规格之外。这些教示了原理的附加部分和延伸部分，诸如使用方法以确定给定部件的球形度、用于共振频谱的温度补偿、推算特定部件的共振频率以容许在诊断测试中限制扫描的频带宽度，并且使用在“湿的”和“干的”频谱之间的迁移以确定在部件中存在或缺失裂缝或裂缝类缺陷。总之，这些方法已经产生了用于测试制造出的部件以及用于确定材料特性的若干商业应用，诸如由Magnaflux’Quasar systems和Mechtronic’s Vibrant NDT提供的商业应用。