【摘要】：隨著高速鐵路的快速發(fā)展,鋼軌的傷損日益增多。目前的探傷技術(shù)主要為壓電超聲檢測技術(shù),僅能檢測鋼軌軌頭、軌腰和軌底中心的區(qū)域,由于受到軌底復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,無法檢測鋼軌軌底兩側(cè)的缺陷。電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)作為一種非接觸型超聲換能器,能夠滿足鋼軌軌底缺陷的在線檢測要求。然而,鋼軌等鐵磁材料中的EMAT模型不夠完整、曲折線圈EMAT的雙向輻射特性不利于缺陷檢測、鋼軌軌底電磁超聲導(dǎo)波傳播特性并不明確等問題,限制了電磁超聲技術(shù)在鋼軌缺陷檢測領(lǐng)域的發(fā)展。針對鐵磁材料中EMAT模型因沒有考慮任意磁場下的磁致伸縮和磁化力的影響而導(dǎo)致的模型不完整問題,基于電磁場方程、彈性動力學(xué)方程和磁致伸縮本構(gòu)方程,建立了包含洛倫茲力、磁化力和磁致伸縮應(yīng)變的EMAT二維頻域有限元模型,為鋼軌軌底缺陷檢測用EMAT的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。該模型分析了不同磁場大小和方向?qū)MAT性能的影響。仿真分析和實驗結(jié)果表明,針對鋼軌中的EMAT來說,水平磁場下EMAT的主要機理是磁致伸縮效應(yīng),而垂直磁場下EMAT的主要機理是洛倫茲力機理,以此為基礎(chǔ)最終確定了鋼軌中的EMAT最佳工作磁場。針對鋼軌軌底中心缺陷檢測用EMAT在非聚焦側(cè)的雜波問題,提出一種單向聚焦型斜入射SV波EMAT(Unidirectional Line-Focusing Shear Vertical Wave EMAT,ULFSV-EMAT)。以線聚焦型電磁超聲SV波換能器為基礎(chǔ),結(jié)合聲場疊加原理,采用兩個曲折線圈共同作用,通過控制兩個線圈激勵電流的相位和幅值,實現(xiàn)了斜入射電磁超聲SV波的單向聚焦。通過對比分析四種斜入射SV波EMATs的指向性可知,所設(shè)計的ULFSV-EMAT的增強側(cè)和削弱側(cè)的聲波位移最大幅值之比為6,具有較好的單向聚焦效果,可用于鋼軌軌底中心缺陷的檢測。針對壓電超聲技術(shù)無法檢測鋼軌軌底兩側(cè)缺陷的不足,提出一種用于鋼軌軌底缺陷檢測的單向輻射型導(dǎo)波EMAT(Unidirectional Guided Wave EMAT,UG-EMAT)。根據(jù)聲場疊加原理,首先確定單向輻射型導(dǎo)波EMAT的基本結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上,利用特征頻率法求取鋼軌軌底的類楔形波導(dǎo)頻散特性曲線和波結(jié)構(gòu)特性;根據(jù)所建立的導(dǎo)波EMAT三維頻域有限元模型,分析不同頻率下電磁超聲導(dǎo)波在鋼軌軌底的能量分布,確定了鋼軌軌底檢測中導(dǎo)波EMAT的最佳工作頻率;結(jié)合鋼軌軌底缺陷檢測的實際需求,確定了單向輻射型導(dǎo)波EMAT的主要參數(shù)。利用二維傅里葉變換確定了電磁超聲導(dǎo)波在鋼軌軌底的主要模式及其能量覆蓋區(qū)域,證明了所設(shè)計的導(dǎo)波EMAT可以用于鋼軌軌底兩側(cè)缺陷的檢測。為了驗證所設(shè)計的EMAT對鋼軌軌底缺陷的檢測能力,建立了鋼軌軌底缺陷檢測的EMAT有限元模型,分析了鋼軌軌底缺陷檢測距離和缺陷大小對于EMAT缺陷檢測性能的影響。結(jié)合鋼軌實際探傷需求,開發(fā)了基于電磁超聲技術(shù)的鋼軌軌底缺陷檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計的單向聚焦型斜入射SV波EMAT和單向輻射型導(dǎo)波EMAT分別對鋼軌軌底中心和兩側(cè)的缺陷進行了檢測。實驗表明,所設(shè)計的EMAT能夠?qū)崿F(xiàn)鋼軌軌底不同位置缺陷的有效檢測,可以檢測的半圓形槽缺陷的最小半徑為7.5 mm,缺陷的可檢測距離為120~600 mm。本文研究的鋼軌軌底缺陷檢測EMAT設(shè)計為鋼軌軌底的在線檢測技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U216.3;TB552

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