ES2236691T3 - Dispositivo ultrasonico de vision lateral para la direccion de defectos de la cabeza de un rail. - Google Patents
Dispositivo ultrasonico de vision lateral para la direccion de defectos de la cabeza de un rail.Info
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Abstract
SE DESCRIBEN UN SISTEMA Y UNA TECNICA ULTRASONICOS PARA LA DETECCION DE FISURAS EN LOS LATERALES DE LAS CABEZAS DE CARRILES. SE ORIENTA, DIMENSIONA Y COLOCA UN TRANSDUCTOR ULTRASONICO (20) DE MODO QUE PRODUZCA UN HAZ ULTRASONICO (50) DENTRO DE LA CABEZA DE CARRIL (48) DE MODO QUE AL MENOS UNA PORCION DEL HAZ INTERSECTE UNA ESQUINA LATERAL INFERIOR INDEPENDIENTEMENTE DE LA CURVATURA DE LA SUPERFICIE QUE RECORRE LA CABEZA DE CARRIL Y LA CANTIDAD DE DESGASTE DE LA CABEZA. LA PRESENCIA DE REFLEXIONES PREMATURAS O LA AUSENCIA DE REFLEXIONES SE PUEDEN UTILIZAR PARA DETECTAR LAS FISURAS, TALES COMO FRACTURAS VERTICALES EN LA CABEZA DE CARRIL. EL OBSERVADOR LATERAL SE ORIENTA DE TAL MODO QUE PRODUZCA UN HAZ EN LA CABEZA DE CARRIL DIRIGIDO EN UN ANGULO DE 45 GRADOS A 75 GRADOS RESPECTO A LA SUPERFICIE DEL CARRIL, Y SE PUEDE COLOCAR DE TAL MODO QUE SU HAZ Y LOS HACES DE OTROS TRANSDUCTORES ULTRASONICOS NO INTERFIERAN ENTRE SI.
Description
Dispositivo ultrasónico de visión lateral para la
dirección de defectos de la cabeza de un raíl.
La presente invención se refiere a
investigaciones por ultrasonidos de raíles de manera general, y más
particularmente a una técnica para la investigación por ultrasonidos
de la parte lateral de la cabeza de un raíl y otras partes del mismo
con una serie de transductores ultrasónicos que funcionan
simultáneamente.
La investigación ultrasónica de carriles es bien
conocida. Por ejemplo, la Patente USA 4.165.648 describe un conjunto
de rueda, que está adaptado para discurrir por la parte superior de
un raíl y que contiene una serie de transductores ultrasónicos para
la investigación de diferentes partes del raíl. Un par de
transductores está orientado a investigar el raíl a lo largo de
direcciones longitudinales opuestas, otro transductor está orientado
a la investigación vertical del ánima del carril y un cuarto
transductor está destinado a un dispositivo de visión lateral con el
cual se pueden investigar partes laterales de la cabeza del raíl de
forma lateral.
El dispositivo con visión lateral está montado
sobre un dispositivo de soporte o yugo, cerca del eje y está
dispuesto desplazado a un lado para investigar un lado opuesto de la
cabeza del raíl. El transductor produce un haz destinado a tener un
ángulo de 40 grados con respecto a la normal a la superficie del
raíl dentro de la cabeza del raíl, de manera que el haz cortará una
de las esquinas más bajas de la cabeza. Si bien este transductor
puede ser eficaz para detectar cabezas de raíl con partición
vertical, no se adapta al efecto de la curvatura de la cabeza del
raíl y el desgaste de la cabeza que se encuentra en condiciones
prácticas.
La curvatura de la cabeza del raíl provoca la
presencia de una serie de ángulos de componentes de compresión y de
cizalladura dentro de la cabeza del raíl y crea por lo tanto
dificultades en la interpretación de las señales resultantes
detectadas en el transductor. Por ejemplo, si el ángulo resultante
tiene que ser de 40 grados dentro del cabezal para una onda de
compresión, entonces se encontrará también presente una onda de
cizalladura de 20 grados. Dado que se recurre a una conversión de
modalidad para conseguir el ángulo resultante en la cabeza del raíl,
existe solamente una gama limitada de ángulos incidentes disponible
dentro de la rueda. Esta limitación se produce por la utilización de
un punto de salida esencialmente común para todos los transductores
montados en el interior de la rueda y de la necesidad resultante de
evitar la interferencia con los otros transductores por reflexiones
internas de una rueda desde el transductor con visión lateral.
La patente 648 muestra que para una dirección
específica del haz, las esquinas de una cabeza de raíl y sus
dimensiones proporcionalmente más pequeñas es probable que se vean
cortadas por una de 40 grados. No obstante, cuando la cabeza del
raíl sufre desgaste significativo en su cara superior, tal como
ocurre frecuentemente, el haz no actuará sobre la esquina inferior.
En vez de ello, el haz es probable que choque en una superficie
interna cerca del ánima del raíl, lo que dispersa el haz dentro de
la cabeza, y no proporciona el tipo de retorno necesario para
detectar fallos verticales cerca del lateral de la cabeza del
raíl.
La Patente USA A-4.174.636 da a
conocer las características del preámbulo de las reivindicación 1.
Igual que en la patente 648, el ángulo del haz de la cabeza es de 40
grados.
El aparato según la invención tiene las
características de la parte caracterizante de la reivindicación
1.
En el sistema de detección de grietas en los
carriles de acuerdo con la invención, se utiliza un transductor de
visión lateral que está montado y situado de manera tal que produce
un haz de energía por ultrasonidos y con ondas de cizalladura en el
ángulo apropiado dentro de la cabeza del carril para posibilitar la
detección de grietas verticales cerca de los laterales del cabezal y
evitar interferencias con otros transductores en una amplia gama de
condiciones de campo.
Con un transductor de visión lateral de acuerdo
con la invención, los efectos de la cabeza del raíl se pueden
detectar por la interrupción del haz que se refleja desde la esquina
inferior como falta de la respuesta esperada. De manera alternativa,
el defecto puede ser detectado por una reflexión positiva desde la
propia grieta. Las detecciones tienden a tener lugar en un momento
distinto y por lo tanto se pueden utilizar para determinar la
presencia de una grieta.
El posicionado del transductor de visión lateral
es seleccionado para evitar la interferencia con el funcionamiento
de otros transductores, tal como se utilizan típicamente con un
soporte o yugo dentro de la rueda para investigar la cabeza y ánima
de un carril hacia delante, hacia abajo y hacia atrás, desde la
rueda. Por lo tanto, no se necesita una rueda independiente de
detección de grietas para el dispositivo de visión lateral, si bien
se podría utilizar uno de ellos.
Por lo tanto, es un objetivo de la presente
invención dar a conocer un aparato y método para la detección de
grietas en las partes laterales de la cabeza de un raíl. Es otro
objetivo de la presente invención dar a conocer mejoras en un
aparato de investigación de raíles por ultrasonidos, que tenga la
posibilidad, además de las investigaciones longitudinal y
descendente de un raíl, de detectar la presencia de grietas en una
cara lateral de la cabeza del raíl.
Estos y otros objetivos y ventajas de la
invención se pueden comprender mediante la descripción detallada
siguiente de una realización mostrada en los dibujos.
La figura 1 es una vista en perspectiva con
sección parcial de una rueda de investigación de raíles por
ultrasonidos que utiliza un transductor de visión lateral, de
acuerdo con la invención;
la figura 2 es una vista en alzado desde un
extremo de la rueda de investigación de raíles mostrada en la figura
1;
la figura 3 es una vista en alzado del soporte o
yugo y del transductor de visión lateral mostrado en la figura 2;
y
la figura 4 es una vista en perspectiva de un
yugo o soporte y transductor de visión lateral utilizado en la
realización de la figura 1.
Haciendo referencia a la figura 1, se ha mostrado
un aparato de investigación por ultrasonidos de tipo rueda (10) para
la inspección por ultrasonidos de un carril (12). El aparato (10) es
parte de un sistema de detección de grietas (no mostrado) que está
montado sobre un carro y que comprende equipos de proceso de una
señal electrónica adecuada para analizar las señales de retorno
detectadas por los transductores ultrasónicos (14), (16), (18), y
(20) montados en un soporte o yugo (22) dentro de una rueda (24)
rotativa llena de un fluido.
La rueda (24) está montada con capacidad de
rotación en un soporte (26) del carro que no se ha mostrado. De
manera típica, se utilizan cuatro ruedas (24), dos para cada carril
(12). Cada una de las ruedas (24) está llena de una mezcla de fluido
a base de glicol y agua para mejorar el acoplamiento ultrasónico a
través de la membrana flexible externa (28). El soporte o yugo (22)
está fijado a ejes gemelos alineados axialmente pero separados entre
sí (30) y está mantenido en posición estable y fija tal como se ha
mostrado mientras que la membrana de rueda (28) gira al desplazarse
a lo largo de la superficie superior (32) del carril (12). Se aplica
una presión descendente adecuada a la rueda (24) para producir una
zona o punto plano (34) en una membrana (28) para transmisión
apropiada por ultrasonidos en entrada y salida del carril (12).
El soporte o yugo (12) tiene una forma general
triangular y está orientado de manera que el vértice (36) está
dirigido hacia abajo y se encuentra por debajo del eje (30). La
parte de la base (38) del soporte (22) soporta los tres
transductores (14), (16) y (18). Los transductores (14) y (18)
producen haces de ultrasonidos (38), (40) respectivamente, cada uno
de los cuales está dirigido a un área común de salida (42)
generalmente en la parte plana (34) de la rueda. El transductor (16)
está orientado para producir un haz ultrasónico vertical (44) que
pasa por un orificio, no mostrado, del soporte (22) y que incide
también en la zona (42). Los haces (40) y (44) están destinados a
investigar el ánima (46) del carril (12). Los transductores (14),
(18) producen haces en direcciones longitudinales opuestas para
investigar la cabeza (48) del carril y el ánima (46),
respectivamente, de manera conocida en esta técnica.
El transductor (20) es un transductor con
capacidad de visión lateral y está montado bastante por debajo del
vértice (36) del soporte (22) y al lado del mismo. El transductor
(20) produce un haz de ultrasonidos (50) de manera que incide
también sobre la zona plana (34), pero en dirección lateral para
investigar la parte del lado (52) de la cabeza (48) del carril.
Todos los transductores (14), (16), (18), y (20)
funcionan en modalidad de transmisión y recepción, y usualmente de
modo simultáneo, pero pueden funcionar separadamente.
El transductor (20) con capacidad de visión
lateral está montado en el soporte (22) mediante un brazo de
prolongación desmontable (54). De manera alternativa, el soporte
(22) puede estar constituido de manera que tenga una prolongación
(54) que pasa a ser una parte integral. Haciendo referencia a las
figuras 2, 3 y 4, el dispositivo de visión lateral (20) está
suspendido justamente por debajo de la pestaña lateral adyacente
(56), a una zona que se encuentra cerca de la parte plana (34) de la
membrana de rueda externa flexible (28), pero no tan próxima que
pueda recibir interferencias producidas por la vibración de la rueda
o efectos de empuje atribuibles a irregularidades que se pueden
encontrar a lo largo de la superficie superior (32) del carril (12).
Al hacer la rueda (10) más ancha en su dimensión axial, el
transductor (20) puede ser levantado a lo largo del haz (50) y puede
ser reemplazado en mayor medida hacia el eje (30) sin interferencia
con los otros haces. Si el transductor (20) con capacidad de visión
lateral es montado sobre un soporte en una rueda separada, el
dispositivo de visión lateral puede ser situado en cualquier lugar a
lo largo del haz (50).
El dispositivo (20) con capacidad de visión
lateral está inclinado además con respecto al plano central vertical
(60) del carril (12) formando un ángulo, alfa. El ángulo alfa es
seleccionado de forma tal que proporcione un haz óptimo dentro del
carril (12) para inspección del lateral (52) y asegura que por lo
menos una parte del haz (50) cortará la esquina inferior (62) de la
cabeza (48) del carril. El dispositivo de visión lateral (20) está
además dimensionado de forma tal que produzca la anchura de haz
suficiente (W) dentro de la cabeza (48) del carril para asegurar la
intersección de la esquina lateral inferior (62) incluso en el caso
de que una parte sustancial de la zona superior de la cabeza (48)
del carril se ha desgastado, tal como se ha mostrado en la figura 2
para el cabezal (48') del carril.
El dispositivo de visión lateral (20) utiliza
preferentemente un transductor ultrasónico rectangular cuya
superficie emisora externa (64) tiene disposición general plana. La
orientación del dispositivo de visión lateral (20) es tal que
produce dentro de la cabeza (48) del carril un haz cuyas direcciones
se encuentran dentro de un ángulo beta de la cabeza dentro de una
gama de valores de 45º a 75º aproximadamente con respecto a la
normal en la superficie del carril (32) medida en el plano de la
figura 2 que es transversal a la superficie de desplazamiento (32).
Este ángulo de la cabeza es una función de condiciones tales como la
orientación de la superficie (32) con respecto a la normal central
(60), la naturaleza del líquido utilizado dentro de la rueda (24) y
por lo tanto de la velocidad del haz dentro del líquido, el material
del cual está realizada la rueda flexible (24) y la curvatura, en
caso de que exista, de la superficie del carril (32).
A efectos de asegurar reflexión desde la esquina
del lado inferior (62), la gama disponible de ángulo para el ángulo
alfa de orientación de la superficie (64) de emisión del dispositivo
de visión lateral es en general de unos 61º hasta 65,50º, si bien se
pueden utilizar algunas variaciones con respecto a dichos valores
para ajustar las variaciones en las otras características indicadas
anteriormente. El ángulo alfa es medido con respecto a la
orientación vertical de la rueda (10) y el soporte (22). De manera
típica, la vertical se encuentra en un plano que es perpendicular al
eje de rotación de la rueda (10) y por lo tanto también los ejes
(30). La vertical (65) está alineada con el eje central de ánima
(46) y en el centro de la superficie (32) del carril tiende a ser
coincidente con la normal en el centro (60). Cuando la superficie
(32) está distorsionada debido al desgaste como en el caso de la
cabeza (48') del carril de la figura 2, la normal (60) a la
superficie ya no está alineada con la vertical (65).
En la vista de la figura 2, se han mostrado dos
haces de ultrasonidos (50) y (50'), que corresponden a ángulos alfa
de 65,5º y 61º, respectivamente. Cada uno de los haces es
sustancialmente paralelo dentro de la rueda (24) llena de un fluido
pero diverge una vez que ha tenido lugar una conversión de modalidad
en la superficie (32) del carril (12), debido principalmente a la
forma curvada de la superficie (32) de la cabeza del carril. El haz
(50) incide en la parte de la cabeza del carril que se encuentra
principalmente en el lado en el que está dispuesto el dispositivo
(20) con capacidad de visión lateral. En la figura 2, ello tiene
lugar principalmente en la mitad de la derecha con respecto a la
normal central (60). El haz es de manera típica del orden de 3,23 cm
aproximadamente (0,5 pulgadas cuadradas). La altura (h), medida
desde el centro del transductor (20) con respecto a la superficie
(32) del carril (12), se selecciona para evitar interferencia con
haces tales como (38), siendo capaz simultáneamente de iluminar la
cabeza (48) del carril con el ángulo y anchura de haz deseados.
Dentro de la cabeza (48) del carril, el haz (50)
es difractado con un ángulo del haz comprendido en una gama entre
45º y 67º con respecto a la normal a la superficie del carril y es
suficientemente ancho para asegurar incidencia en la esquina lateral
inferior (62) y provocar reflexión para la mayor parte de
aplicaciones.
En el caso de que una grieta vertical, tal como
la indicada con el numeral (70), se encuentre presente, las
reflexiones desde la esquina (62) se interrumpen y esto puede ser
detectado por la pérdida del retorno esperado, o por un retorno
prematuro obtenido de las señales emitidas por el dispositivo (20)
con capacidad de visión lateral. Las técnicas de proceso de señales
para proceder de este modo son bien conocidas en esta técnica.
Con referencia a las figuras 2 y 3, se podrá
apreciar la forma y orientación de la prolongación (54). En la
figura 3, el transductor (14) produce un haz de ultrasonidos (38)
que permanece sustancialmente recto con poca divergencia. La
prolongación (54) está conformada de manera tal que su superficie
lateral (72) es paralela al haz (38) y en esencia es una
continuación recta de la cara lateral (74) del soporte o yugo (22)
de forma triangular. De esta manera, se evita la interferencia del
dispositivo de visión lateral (20) con el haz (38). La prolongación
(54) está dimensionada además para colocar el dispositivo de visión
lateral sustancialmente en un lado longitudinal, tal como se aprecia
en la figura 3, del haz de investigación (44) del ánima vertical
situado centralmente. Como resultado de ello, la prolongación (54)
aleja al dispositivo con visión lateral (20) del haz (44) generado
por el transductor (16), de manera que se evita la interferencia con
el haz y desde el haz.
Haciendo referencia a la figura 2, el transductor
(18) está montado centralmente con respecto al soporte o yugo (22).
Por lo tanto, al montar el dispositivo de visión lateral (20) en el
soporte o yugo lateral (22), se evitarán interferencias con el haz
(40).
Por lo tanto, con un transductor de visión
lateral de acuerdo con la invención se pueden investigar de manera
fiable partes laterales de cabezas de carril investigadas en cuanto
a defectos incluyendo grietas verticales. Un dispositivo de visión
lateral según la presente invención puede ser montado de manera
conveniente con un conjunto de investigación convencional de
carriles de tipo rueda, sin provocar interferencias con haces
procedentes de otros transductores. No obstante, un transductor con
visión lateral según la presente invención puede ser utilizado sólo
en una rueda. Ambos lados de un cabezal del carril pueden ser
investigados colocando un transductor de visión lateral en cada una
de las dos ruedas que se desplazan sobre el mismo carril pero
dispuestas para investigar lados lateralmente opuestos (52) y (52')
del cabezal (48) del carril. Cada uno de los dispositivos de visión
lateral puede ser montado en su propia rueda separada o bien dos
dispositivos de visión lateral orientados para investigar lados
opuestos de la cabeza de un carril pueden ser montados en una rueda
separada.
Descrita de este modo una realización de acuerdo
con la invención, sus ventajas podrán ser apreciadas. Se podrán
introducir variaciones sin salir del alcance de la invención.
Claims (5)
1. Aparato (10) para la investigación acústica de
un carril (12) con una rueda giratoria (24) llena de un fluido
dentro de la cual se encuentra un soporte o yugo estable (22) en el
que están montados una serie de transductores de ultrasonidos (14,
16, 18, 20) para la investigación del carril mediante haces de
ultrasonidos que salen en un área (34) de forma general plana
constituida en una membrana flexible externa (28) de la rueda al
girar alrededor de un eje para desplazarse a lo largo de la
superficie superior de la cabeza del carril sometido a inspección y
en el que los haces tienen diferentes ángulos con respecto a la
normal a la superficie de desplazamiento superior para investigar
las zonas delantera, posterior y descendente del carril, de manera
que un transductor (20) de visión lateral por ultrasonidos está
montado en dicho soporte y situado en las proximidades del área (34)
de forma general plana por debajo del soporte (22) y a un lado del
mismo, estando orientado dicho transductor de visión lateral a
efectos de producir un haz de ultrasonidos (50) dentro del fluido de
la rueda que está dirigido al área plana común (34) con un ángulo de
orientación (\alpha) de la superficie emisora (64) del dispositivo
de visión lateral con respecto a una vertical (65), con la vertical
situada en un plano que es transversal con respecto al eje de
rotación de la rueda, a efectos de producir un haz dentro de la
cabeza del carril con un ángulo de la cabeza (\beta) con respecto
a la normal medido dentro de un plano que es en general transversal
con respecto a la superficie superior de desplazamiento (32),
poseyendo dicho haz una anchura (w) seleccionada para producir,
dentro de la cabeza (48) del carril, un haz ultrasónico (50), que
produce reflexiones desde la esquina inferior (62) del carril;
siendo capaces de indicar dichas reflexiones o la ausencia de las
mismas la presencia de grietas verticales (70) del carril que
discurren en general a lo largo de la superficie de desplazamiento
(32) del carril, caracterizado porque el ángulo de
orientación (\alpha) del transductor de visión lateral se
encuentra dentro de una gama aproximada de 61 grados hasta unos 65,5
grados a efectos de producir un ángulo de la cabeza (\beta) en una
gama de valores aproximada entre 45 grados y 75 grados de manera que
como mínimo una parte del haz (50) permanece incidente sobre la
esquina inferior (62) del carril independiente de la presencia de un
desgaste significativo de la cabeza del carril.
2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que
dicho soporte o yugo (22) tiene una forma general triangular y está
montado con el vértice (36) dirigido hacia abajo cuando en
funcionamiento, dicho yugo que tiene una prolongación (54) que se
prolonga desde un lado de dicho yugo y que tiene un extremo inferior
en el que está montado el transductor de visión lateral (20),
estando dimensionada dicha prolongación a efectos de situar dicho
transductor de visión lateral por debajo del vértice de dicho
soporte o yugo y por debajo del mencionado eje.
3. Aparato, según la reivindicación 2, en el que
dicho soporte o yugo (22) tiene un orificio central pasante en
alineación general con dicha área plana de la rueda para investigar
el ánima del carril, poseyendo dicho soporte o yugo una base situada
en la parte superior que se prolonga hacia delante y hacia atrás con
respecto al eje, con transductores que están alineados con dichos
haces dirigidos hacia adelante y hacia atrás que están montados,
respectivamente, en la parte de atrás y de delante de la base del
yugo para dirigir haces ultrasónicos en general paralelos a los
lados del soporte o yugo sobre dicha área plana e investigando la
cabeza y ánima del carril en direcciones opuestas, y un transductor
de investigación del ánima montado en la base del soporte o yugo a
efectos de dirigir un haz ultrasónico a través de dicho orificio
sobre el área plana de la rueda,
en el que dicha prolongación está conformada
además a efectos de situar el transductor con visión lateral a un
lado del eje de rotación de la rueda y sustancialmente a un lado
longitudinal del haz de ultrasonidos con respecto a dicho
transductor de investigación del ánima.
4. Aparato, según la reivindicación 2, en el que
dicha rueda (24) tiene un par de pestañas circulares situadas
lateralmente (56, 56') a las que está fijada dicha membrana flexible
(28),
estando situado dicho transductor de visión
lateral (20) adyacente a un borde periférico de una pestaña (56) de
dichas pestañas (56, 56').
5. Aparato, según la reivindicación 3, en el que
dicha prolongación (54) está conformada de manera que un lateral de
la misma es sustancialmente paralelo a un haz ultrasónico (44) desde
un transductor (16) de dichos transductores (14, 16, 18, 20)
montados en la base (38) del soporte o yugo (22).
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