所有的金属元件都会积累一定的残余应力，例如，造成这种残余应 力的因素可为机械载荷或热载荷。这种载荷可以是重复性的，例如，铁 路线路、阀弹簧或内燃机组件所经历的载荷，这种载荷也可是一次产生 的，如在焊接过程中所产生的热载荷。应力的存在会影响金属元件的物 理特性，可导致应力疲劳和元件的损坏。
释放已积累的残余应力的技术是熟知的。一般地说，所熟知的技术 都包括把元件加热至其再结晶温度以上，以在较低的能量级上重新形成 晶格结构。这种技术的费用很高，由于通常需要很长的冷却时间，释放 残余应力的时间需要几天才能完成。这就是说，元件至少要停止使用几 天，甚至几个星期。对于较大的元件，特别难于解决的问题是，难于找 到足够大的炉子。
现有的测试积累残余应力的方法不能广泛使用。现在的一般做法 是，不论是否实际需要，都简单地对金属元件使用热应力释放技术。因 此，在对那些不需要应力释放的金属元件加热时，造成了巨大的资源浪 费。
对于加长元件，如铁路线路和管路，也存在着相关的问题。铁路钢 轨通常是这样铺设的，即：在一预定的温度条件下，该钢轨处于中性载 荷状态。当钢轨处于中性温度以上时，随着各段线路的伸长，铁路线路 在整体上处于压缩状态。在压缩严重的情况下，就会产生钢轨扭曲。在 低于中性温度的情况下，钢轨处于拉伸状态。在某些接头处，如果拉力 足够大，即当温度足够低时，钢轨之间就可能被拉断。
由于钢轨之间被拉断对安全的危害比钢轨扭曲的危害小，因此，中 性温度一般要设定得高于夏季的平均温度。在新西兰，中性温度设定在 30摄氏度左右。
铁路线路经历着周期性的热载荷。当列车通过钢轨时，铁路线路承 受着巨大的机械载荷。这可导致钢轨的塑性变形，即钢轨会伸长。当出 现这种现象时，钢轨的中性温度会下降，因此，钢轨在炎热天气中出现 扭曲的危险就增大了。一般可接受的是，为了最大限度地减小扭曲的危 险，铁路线路每隔十年左右就要重新铺设，即在有拉力的状态下重新铺 设，以重新设定中性温度。目前，拆卸铁路线路并重新铺设的操作是很 昂贵的，也是很浪费时间的。对于根本不需要重新铺设的钢轨，如果重 新铺设的话，就会造成巨大的资源浪费，这是因为，直到现在还没有简 单的方法来对线路进行测试，以确定其是否需要重新铺设。
本发明的目的是提供一种测试金属元件的方法和装置，以至少克服 某些上述的问题，或至少可向公众提供一种有用的选择。
本发明的另外一个目的是提供一种释放金属元件内的积累残余应 力的方法和装置，以至少克服某些上述的问题，或至少可向公众提供一 种有用的选择。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种对金属元件进行测试以确定其 谐振频率的方法，该方法包括下列步骤：
a)把振动装置安装在所述的金属元件上，以在振动装置和所述的金 属元件之间产生在本质上直接的振动连接；和
b)以预定大小的常数的输入振幅在预定的振动频率范围内驱动振 动装置，以搜索和测量所述金属元件的谐振频率。
根据本发明的第二方面，提供了一种金属元件的应力释放的方法， 该方法包括进行确定谐振频率的测试方法，并且进一步包括下列步骤：
i)以大于或小于所测定的谐振频率的频率在一预定的时间内驱动 振动装置，以在一定程度上释放所述金属元件内的残余应力；
ii)重复根据本发明第一方面的步骤b)，以获取第二个所述谐振频 率的测量结果；
iii)对第一和第二个所述谐振频率的测量结果进行比较，以分析所 述金属元件内的残余应力的变化；
iv)重复步骤i)、ii)、iii)，直至某一次测得的谐振频率和下一次测 得的谐振频率之间的变化等于或小于一预定的数值。
特别是，在步骤iii)中，对振动装置的驱动频率应该小于第一次测 得的金属元件的谐振频率。
特别是，根据本发明第二方面的步骤i)的预定时间在15-45分钟 之间。
根据本发明的第三方面，提供了一种在所述金属元件的焊接过程中 或焊接之后对该金属元件进行应力释放的方法，该方法包括下列步骤：
i)确保所述金属元件和要焊接在所述金属元件上的任何附属部分 作为一个整体进行振动；
ii)进行根据本发明第二方面的方法，在此过程中，对所述金属元 件进行焊接。
根据本发明的第四方面，提供了一种对金属元件进行测试以确定其 是否需要释放应力的方法，该方法包括下列步骤：
i)用根据本发明第一方面的方法，从一参考金属元件中获取参考谐 振频率，该参考金属元件具有已知的低应力数值；
ii)用根据本发明第一方面的方法，确定被测金属元件的谐振频 率；和
iii)对参考金属元件的谐振频率和被测金属元件的谐振频率进行比 较，如果被测金属元件的谐振频率与参考金属元件的谐振频率不同，被 测金属元件就需要进行应力释放。
根据本发明的第五方面，提供了一种在特定温度下获取具有已知应 力数值的参考金属元件的参考谐振频率的方法，该方法包括下列步骤：
i)对参考金属元件进行根据本发明第一方面的方法；
ii)测量参考金属元件的温度；和
iii)在参考金属元件的温度范围内的每一温度重复步骤i)和ii)，以 获取在每一温度下的谐振频率。
根据本发明的第六方面，提供了一种测量金属元件的应力数值的方 法，该方法包括下列步骤：
i)在所述金属元件的特定温度下，对该被测金属元件进行根据本发 明第一方面的方法；
ii)在温度范围内的每一温度下，重复步骤i)，以建立被测金属元件 的谐振频率分布图；
iii)对被测金属元件的谐振频率分布图和参考金属元件的参考谐振 频率分布图进行比较，参考金属元件的参考谐振频率分布图是根据本发 明的第五方面的方法获取的。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，所述被测金属元件和 参考金属元件是现场的各段铁路线路，如果一段被测铁路钢轨的谐振频 率分布图与一段参考铁路钢轨的谐振频率分布图有任何明显的不同，就 说明被测铁路钢轨需要重新铺设。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，某段被测铁路钢轨的 谐振频率分布图与两个参考谐振频率分布图进行比较，其中，两段参考 铁路钢轨的应力数值相同但温度不同，因此，如果某段被测铁路钢轨的 谐振频率分布图介于两个参考谐振频率分布图之间，就说明被测铁路钢 轨不需重新铺设。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，两段参考铁路钢轨的 应力数值相同，但温度相差6摄氏度。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，振动装置在0-130Hz 的振动频率范围内被驱动。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，所述温度测量装置为 高温计。
特别是，在根据本发明的第六方面的方法中，测量参考谐振频率的 温度范围在0-35摄氏度之间。
根据本发明的第七方面，提供了一种包括振动装置、安装装置、控 制装置和测量装置在内的装置，安装装置的形状和设置方式使得在应用 时可使振动装置和一金属元件之间形成直接的振动连接，控制装置用于 控制振动装置的动作，而测量装置在使用中用于测量所述金属元件的振 幅。
特别是，所述装置进一步包括温度测量装置，在使用中，该温度测 量装置用于测量所述金属元件的温度。
特别是，振动装置包括一电机，该电机可确定有偏心重块安装在其 上的轴。振动控制装置的优点是包括速度调节装置，以调节电机的转 速。特别是，振动控制装置进一步包括一转换器，以把来自轴的反馈速 度信号转换成一频率信号和一速度控制信号，频率信号在频率显示装置 上显示，而速度控制信号由速度调节装置进行调节，以在使用中改变所 述金属元件的振动频率。
特别是，所述装置进一步包括一个计时器装置，在使用中，该计时 器装置可设定一段时间，变速控制器在这段时间内对振动装置进行控 制。
特别是，振动测量元件包括一个传感器，该传感器把所测得的金属 元件的振幅转换成电子振幅信号，该电子振幅信号由振幅信号显示装置 进行显示。
特别是，振幅信号和振动频率信号都被转换成当量的数字信号，并 且由适当的在计算机内运行的软件进行处理，以在监视器和/或打印机上 显示出一幅在一定时间内的振幅关于振动频率的曲线图。
附图简要说明
下面结合附图对本发明的仅为例子的几个推荐实施例进行说明，附 图包括：
图1示出了根据本发明的一个推荐实施例的装置；
图2示出了如图1所示的根据本发明的方法对一段铁路线路进行测 试的装置；和
图3示出了一幅典型的金属元件的振动频率关于振幅的曲线图，该 金属元件用如图2所示的测试方法进行测试。
附图的详细说明
参见图1，根据本发明的一个推荐实施例的装置用代码1表示。
装置1包括：振动发生器1a；控制装置2，用于控制振动发生器 1a的操作；夹具30，用于把装置1固定在一个要测试或需应力释放的 元件上；和振动传感器31，用于测量要被测试或需应力释放的元件的 振幅。
控制装置2用于对本发明第二方面的方法的每一步骤进行控制，该 控制装置2是装置1的模拟信号处理电路的核心。控制装置2具有电源 3，举例来说，电源3可以是230V AC、50Hz的主电源，该电源3通 过电缆4与一个适当的三相转换器5相连，该三相转换器5把输入电能 转换成三相电源。三相电源6的输出与变速驱动器7相连，变速驱动器 7用于限制由电缆8输送的电量，以驱动电机9，电机9是振动发生器 1a的一部分。例如，电机9可以是750W的两极三相电机。
电机9通过连接装置10使偏心重块11绕轴12转动。连接装置10 最好包括两个皮带轮和一条皮带，以使电机9的轴与使偏心重块11转 动的轴12相连。具体布局如图2所示。
在轴12上安装了轴速测量装置，该轴速测量装置最好是速度计 13。输出速度信号产生了一个反馈信号，该反馈信号由电缆17输送至 速度信号处理器15。速度信号处理器15把信号转换成变速控制信号， 变速控制信号可按需要通过速度控制钮16进行调节，并由电缆17输送 至速度驱动器7。通过调节速度控制钮16，可增加或降低电机9的转 速，从而控制转动的频率。
速度信号处理器15还产生频率信号，该频率信号由电缆18输送， 以由频率计19进行显示。该频率信号还可通过速度信号处理器15进行 处理，转动信号的输出频率由电缆20输送至模数转换器(ADC)21。 转动信号的数字输出频率通过电缆22由计算机23接收，以产生一条曲 线的X轴的数据，其例子如图3所示。
包括计时器的扫描电路对控制元件24和选择开关25进行扫描。选 择开关25的作用是使偏心重块11在所需的运行频率内转动。在测试铁 路线路的方法中，转动频率的推荐范围通常在0至130Hz之间。可以采 用通过电缆27与速度驱动器7相连的计时器26作为保护措施，以限制 测试方法或应力释放方法的工作时间，从而保证一个金属元件的振动不 会在不希望的时间内进行振动。理想的情况是，计时器26显示操作过 程中已经消耗的时间。
偏心重块11可相对于轴12进行调节，以改变输入振幅。输入振幅 是可以调节的，以适应各种测试条件。例如，图2更详细地输出了一段 铁路线路，测试这一段铁路线路的振幅通常在4-12mm/s，但最好在8 mm/s左右。一般地说，铁路线路所记载的温度越低，所需的输入振幅 的范围就越大，以得到可进行比较的工作数据。
夹具30把振动装置28安装和固定在金属元件29上，这样，在任 何操作开始之前，偏心重块11就邻近于金属元件29。
适当的振动传感器31，最好是电感式的，通过适当的安装元件安 装在金属元件29上，安装的位置最好与振动装置28相隔一个预定的距 离，从而，可用每秒毫米为单位测量金属元件29在使用中的振幅。测 到的传感器电信号由电缆32输送至振动信号处理器33，以进行处理。 测量到的振幅在振动计39上进行显示。在使用过程中，振动计39可由 一个加速度计(没示出)进行校验和校正，该加速度计为精密仪器，可 准确地测量出由振动装置28产生的一金属元件的振幅。
振幅的输出信号还由电缆34输送至ADC21，以把模拟信号转换成 数字信号，该数字信号表示所测到的金属元件29的振幅。数字输出信 号35被输送至计算机23，以如图3所示在一曲线图中产生Y轴的数据。
金属温度测量装置，最好是高温计36，与金属元件29相连，以测 量并显示金属元件29的温度。
计算机23受到谱分析软件的控制，该谱分析软件用于处理来自电 缆22和35的数据，并在曲线图上画出结果，以指出金属元件29内的 金相结构的完整性。当对一金属元件进行应力释放时，这些曲线图可表 示出在各个阶段金相结构的动态变化，当对一金属元件进行简单地扫描 或测试时，这些曲线图可表示出其金相结构。
打印机37最好和计算机23一同使用，如果需要的话，可打印出在 操作的各阶段测量和/或应力释放的结果。图3示出了由打印机37打印 出的一个例子。从这个振幅关于频率范围的曲线图中可以看出，在金属 元件的谐振频率之前，振幅基本平稳，该金属元件的谐振频率在80Hz 左右。当振动频率从80Hz增加至85Hz时，振幅先增加至峰值，然后， 一直到振动装置在90Hz左右关闭时，振幅都在下降。谐振频率的数值 用于比较的目的。
为了进一步监测，经过处理的数据可在计算机监视器38上进行显 示。监视器38可用于监测金属元件内的动态变化。
现在看图1，根据本发明的进一步的方面，装置1用于实现对一金 属元件进行测试和应力释放的方法。
振动应力释放方法一般可以在一小时内完成，不需要固化或冷却阶 段，例如，在热应力释放技术中，就需要固化或冷却阶段。和热应力释 放技术相比，另外一个优点是，由于金属元件的应力释放可在几小时内 完成，该金属元件就不必停止使用多天，而当使用热应力释放技术时， 金属元件就需要停止使用多天。
对于象卡车底盘这样的较大的金属元件，装置1的振动装置28可 以牢牢地固定在该底盘的某处。关键的是，在振动装置28和卡车底盘 之间要建立本质上的直接连接。首先要进行测试和扫描，以确定卡车底 盘的谐振频率的数值，方法是：操作速度钮16，使速度增加，从而使 底盘的振动频率增加，直至振动计39示出了一个峰值，该峰值表明了 振幅的显著增加。在频率计19上注意到对应的频率数值，该频率数值 就是在应力释放过程中所使用的设定频率。
通过调节两个偏心重块之间的相对于轴12的偏心距离，可以设定 输入振幅。应该校验在为发现谐振频率的初始扫描过程中所注意到的振 动数值，以保证该振动数值在用于应力释放时处于可接受的安全范围之 内。如果该振动数值需要调节，就调节偏心重块11，并且校验振动数 值。一般地说，可接受的范围在4-12mm/s之间，具体数值取决于所 用的金属和金属元件的类型。
计时器可设置理想的时间范围，以进行应力释放，该时间范围一般 在40分钟以内，对于大多数金属元件来说，该时间范围最好在25分钟 左右。扳动开关25并调节速度钮16，以把频率调节至理想的设定频率。 预定的振动数值也要校验。
举例来说，振动装置28可运行25分钟，然后停止。在所述方法的 应力释放步骤之前和之后，振动的结果都在计算机打印机37上以曲线 图的形式打印出来，以观察所进行的操作与经过应力释放的底盘某处的 差别。然后，可对底盘的其它部位进行应力释放，方法是：使振动装置 28定位，并且重复上述的应力释放方法。
如图1所示的装置1还可用于实现辅助焊接过程和/或改善焊接效果 的方法。
该方法可以在焊接过程之中或在焊接过程之后进行。该方法包括： 用夹具30把振动装置28很好地安装在要焊接的金属元件上，使该金属 元件发生振动，以产生操作振动数值，该数值通常低于金属的谐振频 率。该数值通常在85-110Hz之间。振幅也要进行校验。
在装置1使金属元件振动的同时，开始焊接。在完成焊接之后，立 即使装置1以正确的频率和振幅运行大约30分钟。
已经发现，振动的结果是，焊接产品的热影响区改善了，扭曲程度 达到了最小。对于合金缸头，在其它可能的处理之前，可进行一些切削 加工。
可以欣赏到，较小的元件可以固定在一振动台上，该振动台的金属 顶面安装在橡胶垫上，振动装置28也安装在该振动台上。这种改变的 实质是，三个零件必须为直接相连而牢牢地固定在一起，以确保要被测 试和/或应力释放的金属元件能正确地振动。
本发明的装置特别适用于在现场对一段铁路线路进行测试的方 法。该方法可确定出这段线路是否还在预定的安全操作参数范围之内。 据说，如果铁路线路的各参数超出该范围，就会有不利的影响，如扭曲 或对准问题。
一般被接受的公式是，金属杆的伸长量A与温度变化dT和杆的长 度L都成正比。这一点可表示为：
                    A＝*(dT)L
其中，*是一个关于材料的常数，叫做热膨胀系数。当温度变化dT 用摄氏度表示时，热膨胀系数*也用摄氏度表示。根据这个特性可以看 出，杆随着温度的升高而伸长，并且随着温度的降低而缩短。举例来说， 如果杆作为梁，上述特征不会产生问题，但是，如果杆的两端固定在两 个支撑上，当温度变化时，所述支撑就会在杆上产生大小相等但方向相 反的力，因此，杆中会出现应力状态。时间长了，这种应力就会导致杆 内的金相结构的动态变化。
在各段铁路线路的端部与端部相连的情况下，就会出现这种现象。 为了对付由日常温度变化在铁路线路中所产生的应力，各段铁路线路应 按相同的标准铺设，这样，在各段铁路线路随温度变化而伸缩时，在各 段铁路线路的接头处不会产生不可接受的应力。在新西兰，铺设各段铁 路线路的可接受的标准是中和温度为30摄氏度。在该温度下，各段铁 路线路即不受拉也不受压。这是一个参考标准，各段铁路线路都要根据 这个标准进行测试，以确定所测试的各段铁路线路是否在可接受的操作 参数范围之内。可接受的操作参数的范围是中和温度在27-33摄氏度 之间。如果铁路线路的操作参数超出了这个范围，该铁路线路就要重新 铺设。
为了达到这个理想的状态，各段铁路线路要周期性地拆卸并重新铺 设，以保证各段铁路线路的完好。通常每十年左右就要拆卸并重新铺设 各段铁路线路。然而，这种操作费用很高，所需的时间也很长，如果事 实上所进行操作的线路还在可接受的操作参数范围之内，这种操作更是 一种浪费。
根据本发明的一个方面，本发明的装置可方便地用于一种实现在现 场测试各段铁路线路完好性的方法，该方法如下所述。
由于在一段铁路线路内的应力是随温度变化的，该方法的首要步骤 是获取参考数据，以用作“蓝图”或样板，该样板表示了一段铁路线路 的理想的操作参数。通过对一段所铺设的标准的线路进行测试，就可以 实现获取参考数据的目的，该标准的线路就是符合由铁路部门设定的被 认为是在安全操作范围之内的线路。所述样板是这样获取的，即：把装 置1固定在一段标准的线路上，在不同的温度下对该线路扫描，并记录 结果。在新西兰，记录数据的温度范围在0-35摄氏度之间。记录数 据的温度范围取决于进行测试的线路所在国家的平均温度。
每次扫描要进行20-30秒。扫描的结果可示出以mm/s为单位的 在线路上记录下来的振幅或振动大小，以及对应于各振动大小数值的频 率数值。所述结果最好打印在一个曲线图上，以便于比较。在对铁路线 路进行测试或扫描以试图获取“蓝图”或对比数据的过程中，就要用到 所述结果，通过与对比数据相比较，就可确定所测试的某段线路是否在 预定的安全操作参数范围之内。
某段线路的安全操作参数将随一些因素而变化，如随铁路线路所处 的气候条件而变化。通过用本发明的装置1进行测试，可以确定出，一 段线路在各种不同的温度下是否都处于一预定的理想的谐振频率范围 之内。
对一段铁路线路进行测试的方法的推荐步骤如下所述。
在现场，用夹具30把振动装置28固定在一段铁路线路40上。振 动装置28最好固定在邻近于被测试的线路40的一端。传感器31与振 动装置28相隔一预定距离地安装在线路40上。该距离与偏心重块11 的头部最好相距200mm左右。调节偏心重块11，使其在频率大约为 105Hz时，读数在8mm/s左右。在对各段铁路线路进行测试时，都使用 这样设定的作为常数的输入振幅。
作为温度测量装置的高温计36也安装在线路40上，以在扫描过程 中测量线路40的温度。所记录的温度可确定出哪个理想的结果是蓝图， 是要检索的结果。
扫描计时器26的设定使扫描或测试在一预定的时间内完成。一次 扫描通常需要大约20-30秒来完成。扳动扫描开关25并且调节控制 钮16，使电机达到预定的转速，从而使线路40的振动加快，以在一预 定的振动频率范围之内振动。最大振动频率通常在大约130Hz左右，对 各段铁路线路来说，关心的频率范围在0-130Hz之间。扫描或测试的 最大频率应该略大于金属的谐振频率，但是，当应力释放时，最大频率 应该略低于该谐振频率。如果在铁路钢轨或线路的谐振频率下进行振 动，振幅就会越来越大，就有可能损坏钢轨和装置1。
在对线路的扫描过程中，操作者要检查监测器38，以确保线路40 具有理想的振幅。在扫描过程中，根据频率计19的频率数值，通过调 节速度钮16，振幅是可以进行调节的。
传感器31可测量线路40的实际振幅，并把振幅信号输送至计算机 23。振动计39可监测和显示以毫米每秒为单位的振幅数据，如果需要 的话，振幅数据可以在计算机监视器38上进行观测。速度计13测量轴 12的速度，该速度由处理器15转换成频率信号，并且也输送至计算机 23。两个信号都由软件进行处理，并由一曲线图显示结果。任何测量结 果可由打印机37打印，可仅在监视器38上显示，也可既由打印机37 打印又在监视器38上显示。
然后，把测试结果和蓝图标准进行比较，该蓝图标准要根据由高温 计36测得的温度确定。如果发现振幅的峰值信号在100-110Hz之间 时小于蓝图上的预定的最小标准振动信号，那么，线路40就处于受拉 的状态。如果振动的峰值信号大于蓝图上的预定的最大标准信号，那 么，线路40就处于压缩的状态。两个结果都说明，线路40没有在理想 的操作参数范围之内，应该从铁路线路上拆卸下来并重新进行铺设。如 果结果是：振动的峰值信号在相应的频率下处于预定的可接受的标准的 振动强度之内，那么，所测试的这段线路就符合工业标准，因此，就不 需要拆卸下来。
该方法可在现场对各段铁路线路进行快速和方便的测试，不需要昂 贵和浪费时间的拆卸线路的操作。
上述说明也适用于相当的实体或元件，因此，上文也相当于对这些 实体或元件进行了说明。
相应地，可以看出，本发明的上述实施例可以在不脱离所述原理的 情况下进行改变。
在考虑了根据上述的讨论和说明的原理之后，对于那些本领域的普 通技术人员来说，本发明的另外的优点也是显而易见的。因此，应当理 解的是，本发明并不仅局限于上述的实施例，而是可以包括在所附权利 要求范围之内的各种变化和修改。