应力测试金属零件用的设备和方法 【技术领域】
本发明涉及对金属零件测试装置和设备的改进以及与之相关的方法和系统。更具体地说，但不是单纯地，本发明涉及铁路铁轨的完好性的测试方法。
背景技术
各种金属零件都具有由诸如机械载荷或热载荷之类的作用引起的一定程度的残余应力。残余应力的存在影响金属零件的物理性质并且可能导致零件地应力疲劳甚至损坏。
可用于测量金属零件中的残余应力的方法尚未得到广泛应用。现行的作法一般是简单地对金属零件进行加热处理以消除应力，而不考虑实际需要。所以，对不需要消除应力的金属零件进行热处理会造成很大的资源浪费。
那些很长的零件，诸如铁路铁轨和管线，更是存在这样的问题。铁路铁轨一般是在一个预定的温度下以中性载荷状态铺设到位。在铁轨的温度达到中性载荷温度以上时，作为一个整体的铁路铁轨就由于各段铁轨的膨胀而处于受压状态。在达到极端的程度时，可能导致铁轨纵向弯曲。而在铁轨的温度低于中性载荷温度时，各段铁轨就受拉伸。在拉伸力足够高也就是温度足够低的某些点，铁轨可能拉断。
由于铁路铁轨被拉断对安全的威胁不像铁轨的弯曲对安全的威胁那样大，所以一般都把中性温度设定在夏季平均温度以上。在新西兰，中性温度设定为摄氏30度左右。
铁路铁轨经受变化相当大的热循环，在火车在其上行驶时铁轨还承受机械载荷。这可能导致铁轨的塑性变形，也就是铁轨伸长。若把铁轨的中性温度降低，在热天铁轨弯曲的危险将增大。对铁路铁轨进行重新调整或进行重新拉长，一般是可以接受的。更具体地说，需要每10年左右在铁轨受拉的状态下重新铺轨，以重新设定中性温度，从而降低铁轨纵向弯曲的危险。目前，把铁路上的铁轨卸下来进行重新拉长而后再重新铺设是一种费钱费时的作法。对不需要拉长的铁轨进行重新拉长是明显的资源浪费。
本发明的目的是提供一种用于测试金属零件和铁路的铁轨的完好性的装置和/或设备，其能够克服上述问题中的至少某些问题，或至少能为有关行业提供一种有用的选择。
发明概要
按照本发明的一个广义的方面，提供了一种用于测试铁路铁轨的完好性以获得改善的测试信号的谐振装置，这种谐振装置包括一个细长的元件，该元件被构造成可在测试现场以其一端固定于被测试的铁路铁轨，或者固定于一个连接于被测的那一段铁路铁轨的中间固定件(attachment member)，此外，一个振动信号测量装置被构造成可固定于所述细长元件的另一端。
较佳的是，所述振动信号测量装置是一传感器装置，而所述传感器装置是一加速度计。
较佳的是，所述细长元件用一种适当的金属制造，所述谐振装置用非脆性、伸长性好、有足够弹性和延展性的材料制造。
有利的是，所述细长元件紧固于一个中间固定件，而所述中间固定件是可拆装地夹紧于铁路铁轨的头部。所述中间固定件是一个L形的用软钢制造的金属块。
较佳的是，一个阻尼装置固定于所述细长元件并且邻近所述振动信号测量装置，以便能设定所述谐振装置的谐振频率。所述阻尼装置是管状的并有一个空心断面，所述管子的空心部分里加有阻尼材料。
较佳的是，在这种测试装置的一种应用中，所述细长元件在其固定于铁轨或所述中间固定件的那个固定点与振动信号测量装置之间的长度约为13.5mm，以及所述细长元件有约为16mm的宽度和约为3mm的厚度，把所述谐振装置调谐为其测试频率为80Hz左右。
按照本发明的第二方面，提供了一种用于测试铁路铁轨的任一段铁轨的完好性的设备，这种设备包括一个控制装置、一个振动装置、一个如本发明的第一方面所述的可固定于被测铁轨的谐振装置以及一个振动测量装置，在使用中，把所述振动装置安装到被测段铁轨上，直接使被测铁轨发生振动，用所述控制装置控制振动的频率并接收和处理来自所述谐振装置的振幅测量值和来自所述振动测量装置的振动频率。
较佳的是，这种设备还包括一个可固定于被测铁轨的温度测量装置，用以向所述控制装置提供铁轨的温度信号。
较佳的是，所述振动装置是一个其轴上安装有偏心重块的电动机，所述振动测量装置是一个安装在所述电动机的轴上的测速仪。
有利的是，所述谐振装置与所述振动装置之间的距离可以是能够给出精确的试验测量值的任何适当距离，并且最好是在约60到70cm之间，但是应该理解，在本发明的范围内测量值是可能变化的。
按照本发明的第三方面，提供了一种用于测试铁路铁轨的任一段铁轨的完好性的系统，这种系统包括如本发明的第二方面所述的装置，使用中把这个装置安装于铁路铁轨的下面连续地铺设有五个横向轨枕的一段铁轨，并把所述振动装置安装在那段被测铁轨上并邻近所述第二个轨枕，再把一个加速度计和如权利要求1至10中的任一权利要求所述的谐振装置固定于那段被测铁轨并邻近第四个轨枕，其中，所述振动装置与所述加速度计或谐振装置之间的距离是在约60到70cm之间。
较佳的是，把这个系统布置成，其中第三个和第四个轨枕松开于那段被测铁轨，在第二个和第四个轨枕的顶面与那段被测铁轨的底面之间分别加装垫片，同时使第三个轨枕的顶面与那段被测铁轨的底面之间形成一个空隙。
附图简要说明
图1是本发明的设备的总的组成部分的框图；
图2是把图1的设备固定于铁路铁轨的一段铁轨而形成的系统；
图3表示一个中间固定件和固定在其上的谐振装置；以及
图4表示谐振装置固定于铁路铁轨的一段铁轨的一种形式。
附图的详细说明
参照图1，其表示出总的以标号“1”标示的本发明的设备的总的组成部分的框图。
设备1可以用于测试金属零件的完好性。对于通过振动进行测试的目的，金属零件可以是任何适当类型的。应该理解：这里所说的铁路铁轨也可以是其它的金属零件，包括管线。但是，为了便于说明本发明，其各实施例都将是指铁路铁轨而言。
另外，本发明与WO 97/04291所述的发明和美国专利6,026,687有关，那两个文件中所述的本专利权人的发明的全部内容这里被引用作为本发明的一部分。熟悉本技术领域的人在评价和理解本发明的各个方面时可以查阅那两个文件及其中的说明。
设备1较佳地包括一个计算机装置形式的控制装置2，计算机装置的微处理机被编程为能够控制设备1的工作，并且包括获得来自各测量仪器的测量值和数据的步骤以及把输进来的信号处理成适于存储和/或显示的形式的步骤。用于存储的目的，可把数据处理成能表示被测铁路铁轨或其一段铁轨的特性的统计数据。
控制装置2具有控制本发明的方法的每个步骤的功能。对于远程测试，比如说测试现场远离公共电源，可以用任何适当并耐久的电池装置(未示出)作为控制装置2的电源，这样使设备1可作为一个移动式设备来使用而不只是在试验台上使用。
可以用任何已知并且适当的紧固装置，例如夹紧装置把振动装置3安装于铁路铁轨的一个适当区段。振动装置3最好是电动机形式的，其被构造成有一个激振装置，这个激振装置最好是一个安装在电动机轴上的、能够对被测铁轨施加振动力的偏心重块。振动力和振动频率都可以根据需要进行调整。振动装置3可以包括一个激振器或振子，这种东西是本技术领域共知的，其应能由操作者通过控制和调整电动机3的速度来控制。而电动机3是用控制装置2控制。
可以用任何已知形式的电动机转速测量装置感受振动装置3的电动机的转速，在一个实施例中，是用测速仪4，其可以安装在电动机3的轴上。测速仪4测量轴的转速并把测得的信号发送给控制装置2。
用一个传感器形式的信号测量装置，最好是一个加速度计5感受和测量被测铁轨的被激发的振动的振幅。应该理解可以用任何适当的已知仪器。
加速度计5响应被测铁轨的、由振动装置3激发的振动加速度而产生电信号，并把这个电信号发送给控制装置2。控制装置2被构造成能够把这个信号转换成振动频率的测量值。
在测量过程中，可以用具有适当敏感元件的温度测量装置6测量铁轨的温度。温度测量装置6最好是高温计形式的，并把测量值提供给控制装置2，控制装置2允许把铁轨的温度与在测试时记录的其它数据相对照。
可以设置一个显示装置7来显示速度振幅的测量值相对于振动频率的关系以及在测试阶段需要得到的数据的任何其它特性。
现在参照图2，其表示出在对铁路铁轨的一段铁轨进行测试之前把设备1固定于那段铁轨的固定系统。
熟悉本技术领域的人将能理解，铁路铁轨总是经受着由其所在之处的温度变化和其它因素引起的压缩或拉伸。温度的迅速变化或异常高或异常低的温度都会引起不希望出现的高应力，以至引起铁路铁轨的弯曲。
某些铁路铁轨是用一段一段的铁轨接起来的。必须以相同的拉伸或压缩程度铺设互相连接的各段铁轨，并且最好是在某一温度下以中性状态铺设各段铁轨。如果互相连接的各段铁轨处于大不相同的状态并且温度变化很快，那么铁路铁轨就会发生弯曲或其它不希望产生的运动。本发明有助于测试铁路铁轨的完好性，以确定是否需要重新铺设或更换各段铁轨。并且能对铁路铁轨的正确铺设或重新铺设提供帮助。
在一个非限制性的方法和系统中，铁路铁轨的一段被测铁轨是放在几个轨枕上，如图2所示，其中第一个轨枕是A，第二、三、四和五个轨枕分别是B，C，D和E。在试验过程中，根据需要可以把这五个轨枕上的压板松开，而放松被测试的铁轨，也可以保持把铁轨压紧在位。最好将第一个轨枕A和第五个轨枕E刚性地紧固并且有夯实的路基与它们的侧面接触而确保它们的底面与路基接触。熟悉本技术领域的人能够理解：为确保测试过程中的正确接触，其它的轨枕下面也可以有顶着的路基。
可将第二、三、四个轨枕B、C、D松开于铁轨10。可以把垫片形式的垫实件11垫在第二个轨枕B的顶面与铁轨10的底面之间。第四个轨枕D的顶面与铁轨10的底面之间也可以垫一个垫片11。第三个轨枕C的顶面与铁轨10的底面之间最好留一个空隙，如标号“12”所指。
对于按照用设备1的测试系统进行测试的一种形式，可以认为第二、三、四个轨枕对铁轨10的这种安排是很重要的。
最好是把加速度计5在第四个轨枕D的上方安装在铁轨10上。有利的是要以一种能产生谐振的布置安装加速度计5，这将在下面参照图3和4说明。振动装置3可以耦合或安装在第二个轨枕B上。温度测量装置6可以安装在铁轨10上的任一适当位置。可以用硬导线13或诸如红外线或激光把全部必要的数据线连接于控制装置2。根据需要，可以采用任何已知的数据通讯方法。
下面说明铁轨10的一种完好性的测试方法的操作。启动振动装置3，于是加速度计5把振动信号发送给控制装置2。可把这一信号处理成数字形式，并且由显示装置7显示出振动的速度、振幅对振动频率(赫兹)的关系曲线。可以提高振动频率，一般在大多数应用场合中，在某些情况下以0到100Hz范围内的工作频率就能完成测试，但是可以根据需要把振动频率提高到任何适当的数值，例如可达500Hz左右。用加速度计5可以测得线性相当好的振幅测量值，也可以把这些测量值显示出来。可以增大振动直至检测到明显的尖峰测试信号。
对于某些铁路铁轨，可以在50到125Hz之间检测到尖峰信号或载荷结点(loading node)。如果铁轨处于受拉状态，可能在50和75Hz之间检测到尖峰信号。如果铁轨处于受压状态，可能在85和100Hz之间检测到明显的尖峰信号。这样的信息对于确定铁路铁轨的被测试段铁轨是否需要重新拉长或更换是很有用的，并且能给出铁路铁轨10的状态的一种表示。
应该理解：在一个替代的实施例中，可以把加速度计5放在轨枕C与轨枕D之间，并且振动装置3可安装在第二个轨枕B上，以使按照本发明获得所期望的精确的测量值。加速度计5和振动装置3最好是安装成互相间隔至少60cm。
现在来看图3和4，它们以标号“20”表示出一个能够谐振的布置，用这一布置可得到代表铁路铁轨的振动频率的电信号。
谐振装置20被设计成能改善信号质量，因为它能降低由用于把加速度计直接固定或耦合于铁路铁轨的标准的夹紧系统引起的误差。
谐振装置最好是包括一个支座(base member)形式的中间固定件21，其功用是把信号测量装置或传感器装置固定或耦合于铁轨30。中间固定件21最好是有一个L形断面并且足够大，以使用任何适当且耐久的夹紧装置22把这种谐振装置夹紧于铁轨30。从图4可看出，中间固定件21是夹紧于铁轨30的外侧表面，就标准的双轨铁路而言这个外侧表面与铁轨的顶面和内侧表面相比，不受同样程度的磨损。
谐振装置23可用任何适当且耐久的材料制造，其功用是把加速度计24形式的传感器装置通过细长元件23连接于中间固定件21并使得可测得精确的测量值。用非脆性弹性材料是适当的，最好是用伸长性好的低碳钢，因为其韧性和延展性好。用高弹性的轻金属则更好。
细长元件23的近端用任何适当的紧固件安装在中间固定件21的窄的顶面上的槽(未示)内，用以耦合并固定于中间固定件21。在这一例子中，紧固件是螺钉25。加速度计24可以固定于细长元件23的远端。阻尼装置26也固定在细长元件23的远端并邻近于加速度计24。
阻尼装置26最好是有空心断面的管状阻尼器26，其允许向空心里添加材料以设定所希望的谐振装置谐振频率。
在阻尼器里最好是用砂子。在一个较佳实施例中，阻尼器26可以是高约15mm，直径约为3mm。其它的尺寸和形状可以在本发明的范围内设想。
在一个非限制性的例子中，细长元件23的、在螺钉25与加速度计24之间的长度约为13.5cm，其宽度约为16mm，厚度约为3mm。在这种谐振装置用于测量约为78Hz或80Hz的频率时，可用这样的一些尺寸。
减小细长元件23的厚度可以构成更敏感的谐振元件23。
应该理解：在把中间固定件21夹紧于铁轨时，谐振元件23平行于铁轨。把谐振元件23安装成平行于铁轨可以提高测量精度。
在再一个实施例中，或者说是，在把测试装置设置为参照图2说明的那种方法的一种替代中，不加任何垫片而是保持铁轨30被压紧于各轨枕上。
在这一压紧铁轨的方法中，振动装置3是安装在轨枕B的上方，把中间固定件21夹紧，更佳的是，把它T形夹紧(T-clamped)于轨枕C与轨枕D之间的铁轨，而且最好是在轨枕C和轨枕D的正中间。连接起来的谐振元件23和加速度计24可以安装成距离振动装置3为至少60cm，并且更佳的是，振动装置3到谐振元件23的距离约为70cm，这样可以得到更精确的测试结果，并避免或降低来自振动装置3的干扰。
有利的是，可以用红外线或激光装置把加速度计5的信号输送到控制装置2。用于接收红外线和激光信号的接收器可以安装在一个能在轨道上移动的轨道车上，而且本发明的测试和测量设备都是装在这个轨道车上。
可以考虑到，一个想得到的谐振频率是80Hz，可以认为这是一个适当的用于测试的频率，因为用它可以使由加速度计24感受的速度振幅充分放大。应该记住：许多铁路铁轨的共振频率是远在这一频率之上。
本发明还包括用于控制构成控制装置2的一部分的计算机或计算机装置的运行的计算机软件。较佳的是，用于控制铁路铁轨完好性测试设备的工作的计算机处理步骤包括用诸如测速仪之类的测量仪器获得轨道的振动频率数据的步骤。应该理解：可以用测速仪感受电动机的转速来严密地控制振动装置3，并把信号提供给控制装置2。然后，控制装置2发出信号而把电动机的转速调整为适当值。
加速度计5给出铁轨的振幅信号。温度测量装置6给出铁轨的温度信号。
一旦得到了这些数据，下一步就是绘制在确定的铁轨温度下振幅对振动频率的关系曲线。然后，记录得出的结果数据，并根据需要将其与推导得到的其他数据进行比较。
较佳的是，计算机处理步骤还包括把在各个不同温度下测试的各段铁轨的振幅-频率关系曲线进行比较，并确定铁轨是否处于受压状态或受拉状态。
处理步骤最好是包括一个在铁轨处于既不受压也不受拉的中性状态时获得其速度振幅基准测量值的初始步骤。可把这一基准测量值纪录下来，用于与各不同温度下的关系曲线进行比较。
尽管已经说明了本发明的有已知的等同物的总体和各个组成部分，但是那些等同物都在单独地提到时包括在本文里了。因此，应该理解可以在本发明提出的原理范围内对上述各实施例作出许多改变。
熟悉本技术领域的人，在考虑了本发明的原理特别是已讨论和图示的特定形式之后，可以看出本发明还有很多另外的优点。因此，应该理解本发明不限于已经说明和图示的特定实施例，而是本发明涵盖属于其权利要求书范围内的所有改变和变型。