用于以相控阵超声波检查轨道的系统技术方案

用于使用相控阵超声波技术检查铁路轨道(10)的系统，所述系统在跨轨道头部的位置上测量超声波信号(80‑85)的渡越时间以确定轨道(10)的磨损剖面。轨道磨损剖面进而被用于调节相控阵超声波探针(30‑36)的聚焦法则以随着检查车辆(12)沿轨道(10)移动而动态地补偿轨道剖面中的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍

本专利技术一般涉及铁路轨道的检查，并且更具体地涉及从轨道上的移动车辆进行现场铁路轨道检查。更具体地，本专利技术属于相控阵超声波非破坏性评估的领域。问题陈述。超声波非破坏性测试是用于检测固体材料中的瑕疵的常见检查技术。当今用于轨道检查的超声波系统包括检查车辆、每条轨道至少一个滚动搜索单元(RSU)、多个单角度换能器、超声波控制器及获取单元，以及一些处理、显示和存储所获取的数据的装置。RSU被填充液体并且加压，因此它可以在轨道头部的上方滚动(图1和图2)。其被机械地安装在检查车辆上，使得随着检查车辆沿轨道移动，RSU随其一起滚动。单角度换能器被安装在RSU内关于轨道所选择的位置和定向上。因为轨道中的缺陷在轨道头部、腰部和基底内的不同位置和定向上显现，传统的RSU配置包括对准这些位置的大量单角度超声波换能器。通过将每个换能器放置在RSU内唯一的位置和定向上并且仅以该唯一的角度进行检查，每个换能器能够瞄准轨道内的不同的易有缺陷的位置。典型的检查配置可以包括多个RSU，每个RSU都具有四到七个换能器。尽管传统的配置在轨道缺陷检测方面显示了一些成功，它们在对于变化的轨道条件的适应性方面是受限制的。该缺点最明显地表露在磨损的铁轨条件下。RSU安放在提供用于超声波能量向轨道中的传输的界面的轨道的顶部。超声波能量在RSU内的传感器界面处生成，并且在朝轨道界面向下的方向上被发射。超声波通过RSU中的液体、RSU膜(通常是聚氨酯)、通过在RSU之前施加的薄的液体耦合剂传输，并且传输到轨道中。超声波进而可以由轨道几何结构边界反射并且返回接收传感器。随着超声波信号返回到传感器接收器(例如使信号由任何非预期的界面、裂缝、孔隙等反射)，检查技术基于对超声波信号的探测。在典型的操作中，每个换能器以给定的位移间隔发射。每个间隔的超声波数据被获取并且被缓存到实时B扫描显示中，所述B扫描显示将数据描绘为行进距离和声程的函数。操作员凭视力检验这些B扫描中的每一个并且识别任何异常指示。尽管这些固定角度配置在轨道缺陷检测方面显示了成功，它们在适应性和分辨率方面是受限制的。从适应性的角度，所述配置是关于轨道固定的。这意味着固定角度探针对于不存在于典型缺陷区域中的或者朝向非典型角度的异常缺陷将是不敏感的。如果缺陷不在波束角的检查区域中，它就将不被检测。如果缺陷显现出异常的定向，波束就可能不会由缺陷恰当地反射出去，并且同样地，将不被检测。另外，如果轨道剖面情况不理想(即磨损的轨道)，则标称角度就可能不被实现。当固定的配置角度由于表面磨损而偏移时，存在于典型区域中的缺陷就可能被错过。典型的固定角度配置还表明关于缺陷检测的分辨率和冗余度的缺点。根据缺陷的尺寸和定向，只有一个角度可能能够检测它，并且该检测可能在少到只有一帧的数据中显现(例如A扫描)。操作员可能很容易错过指示。另外，典型的固定角度检查配置包括非相干的角度，每个都检查单独的区域。因此，每个角度之间的涉及指示的关联是脆弱的。跨缺陷的角度的扫描是不可能的，并且对缺陷的冗余检测是不可能的。问题的解决方案。本专利技术中采用的相控阵技术提供了解决传统的RSU配置的缺点的装置。本专利技术采用若干相控阵超声波探针，每一个由构建成阵列(例如矩阵、线性、环形、圆形等)的多个换能器元件组成。这些元件可以聚焦、扫描或操纵超声波束这样的方式被脉冲激励。每个相控阵探针可以用编程方式被配置成产生可变波束角以用于对轨道更详细的检查或补偿轨道剖面中由于磨损引起的变化。具体来说，本专利技术采用横向于轨道安装的超声波换能器来确定轨道头部磨损。控制器进而调节相控阵超声波探针的聚焦法则以补偿轨道剖面磨损。
技术实现思路
本专利技术提供了用于超声波轨道检查的系统，所述系统通过启动相控阵超声波探针和聚焦法则的最优配置来检查铁路轨道而解决了传统RSU配置的缺点。该方法在不引入任何外部剖面测量硬件的情况下补偿了轨道剖面磨损的影响。具体来说，本专利技术包括横向于轨道延伸的超声波换能器以确定轨道的磨损剖面。控制器进而使用轨道磨损剖面来调节用于轨道检查的相控阵超声波探针的聚焦法则，以随着车辆沿轨道移动而动态地补偿轨道剖面中的变化。如前面所指出的那样，传统的RSU配置包括瞄准这些位置的多个单角度超声波换能器，因为轨道缺陷可以在轨道头部、腰部和基底内的不同位置和定向上显现。通过将每个换能器放置在RSU内唯一的位置和定向上并且仅以该唯一的角度进行检查，每个换能器瞄准轨道内的不同的易有缺陷的体积。与现有技术相比，即使在实际的折射波束角因为轨道磨损而改变时，本专利技术中的每个相控阵探针也探测轨道的指定部分。在磨损存在的地方，标称值可以被调节为再一次覆盖目标轨道体积。因为每组波束角都可以被独立地调节，超声波探针的分离在这种情况下提供了优势。例如，如果只在仪表侧检测到磨损，调节可以仅限于仪表侧的超声波探针。基于标称轨道条件确定每个换能器的位置和定向的配置。将安装固定器设计和制造成以使换能器的波束角探测关键的易有缺陷的位置这样的方式保持每个换能器。然而，当RSU过渡到磨损的轨道表面时，该初始理想的角度将偏移。图4和图5分别是示出在标称的和磨损的轨道剖面上的单角度换能器50、51的示意的图。超声波换能器50、51的视场55、56中的这种偏移主要是由于入射在轨道表面上的超声波折射角的变化引起的。随着入射波束角发生变化，轨道内的折射角将发生变化，导致声波束从其预期路径上被折射离开。这导致了由于错过预期目标而引起的被错过的缺陷。本专利技术通过利用相控阵探针的唯一配置克服了该缺点。探针元件可以聚焦、扫描或操纵超声波束这样的方式被脉冲激励。相控阵探针可以用编程方式被配置成产生可变波束角。这意味着当检测到轨道磨损时，本专利技术的系统可以电子地调节其波束角以补偿磨损诱发的错误。探针的动态配置提供了感测RSU内的流体路径距离的方法，这提供了对轨道剖面的直接测量。开环控制系统被描述为一致地维持在预期区域上的波束检测路径覆盖范围。鉴于以下具体实施方式和附图，本专利技术的这些及其他优点、特征和目标将更容易理解。附图说明结合附图可以更容易理解本专利技术，其中：图1是由铁路车辆12承载以检查轨道10的本专利技术的检查系统的简化的系统框图。图2是轨道10和滚筒搜索单元(RSU)20的横截面侧视图。图3是示出相控阵探针的优选配置的绘图，其示出了三个矩阵相控阵(MPA)探针32-36和一个横向的线性相控阵(LPA)探针30。图4和图5分别是示出在标称的和磨损的轨道剖面上的单角度换能器的示意的绘画图示。图6是示出了轨道剖面波束80和其从膜-轨道界面的反射81-85的示意的绘画图示。图7是示出了在沿副轴的不同位置上的轨道剖面波束的A-扫描表示的绘画图示。图8是示出了二维轨道磨损角(副轴对比高度)的绘画图示。图9是用于针对MPA调节聚焦法则以补偿轨道磨损的过程的流程图。具体实施方式图1是由铁路车辆12承载以检查轨道10的本专利技术的轨道检查系统的简化的系统框图。本专利技术的超声波轨道检查系统安装在适合的铁路车辆12上以沿着待检查的轨道10移动。例如，具有后置式车架的公铁两用车辆可以被采用以承载包含液体22的滚筒搜索单元(RSU)20。测试车辆12和RSU30用来沿着轨道10引导若干相控阵超声波探针30-36(如图3所示)。图2是轨道1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于铁路轨道的超声波检查系统，其包括：用于沿所述轨道移动的铁路车辆；位于所述车辆上的至少一个超声波换能器相控阵，其具有横向于待检查的轨道的头部延伸的超声波换能器，所述相控阵被配置成朝着由其聚焦法则确定的所述轨道的部分以可变波束角可控地扫描超声波束并且从所述轨道接收超声波返回信号；控制器，其从由所述相控阵接收的返回信号确定所述轨道的磨损剖面并且随着所述车辆沿所述轨道移动而基于所述轨道磨损剖面调节用于所述相控阵的聚焦法则；以及轨道缺陷识别站，其用于基于由所述相控阵接收的来自所述轨道的超声波返回信号识别所述轨道中的缺陷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.16 US 62/148289;2016.04.14 US 15/099262;201.一种用于铁路轨道的超声波检查系统，其包括：用于沿所述轨道移动的铁路车辆；位于所述车辆上的至少一个超声波换能器相控阵，其具有横向于待检查的轨道的头部延伸的超声波换能器，所述相控阵被配置成朝着由其聚焦法则确定的所述轨道的部分以可变波束角可控地扫描超声波束并且从所述轨道接收超声波返回信号；控制器，其从由所述相控阵接收的返回信号确定所述轨道的磨损剖面并且随着所述车辆沿所述轨道移动而基于所述轨道磨损剖面调节用于所述相控阵的聚焦法则；以及轨道缺陷识别站，其用于基于由所述相控阵接收的来自所述轨道的超声波返回信号识别所述轨道中的缺陷。2.根据权利要求1所述的超声波检查系统，其中通过在跨所述轨道的头部的位置上测量所述超声波束和返回信号的渡越时间来确定所述磨损剖面。3.根据权利要求1所述的超声波检查系统，其中所述轨道的针对每个相控阵的部分的磨损剖面被近似为磨损角。4.根据权利要求1所述的超声波检查系统，其还包括可被所述控制器访问的查找表，其包含作为所述磨损剖面的函数对所述相控阵的聚焦法则的调节。5.根据权利要求1所述的超声波检查系统，其还包括用于沿所述轨道滚动的滚动搜索单元，其中所述相控阵安装在所述滚动搜索单元内。6.一种用于铁路轨道的超声波检查系统，其包括：用于沿所述轨道移动的铁路车辆；安装在所述车辆上的滚动搜索单元，其用于沿待检查的轨道滚动；安装在所述滚动搜索单元内并且横向于待检查的所述轨道的头部延伸的线性相控阵超声波探针，所述相控阵被配置成由其聚焦法则确定地跨所述轨道的头部可控地扫描超声波束并且从所述轨道接收超声波返回信号；安装在所述滚动搜索单元内的至少一个矩阵相控阵超声波探针，每个矩阵相控阵被配置成朝...

【专利技术属性】
技术研发人员：MW维特，S卡莱，LR韦兰德，PC博尔韦尔，RL斯潘塞，
申请(专利权)人：运输技术中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US