發(fā)布時間：2017-09-18 07:37

  本文關鍵詞：用于鋼軌探傷的脈沖電磁式電磁超聲體波換能器設計

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【摘要】：鐵路安全至關重要,國內外普遍采用壓電超聲技術進行鋼軌探傷,但其依賴聲耦合劑,檢測速度和精度受限。而采用電磁超聲技術則不需耦合劑,可以彌補壓電超聲的不足。但電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,簡稱EMAT)通常采用永磁鐵,在鋼軌上移動困難,容易吸附鐵屑、磨損探頭,限制了其在鋼軌探傷領域的應用。針對以上不足,本文將研究用于鋼軌體波探傷的脈沖電磁式電磁超聲換能器(Pulsed Electromagnet EMAT,簡稱PE-EMAT)設計技術。針對目前體波PE-EMAT檢測性能差、能耗高、體積大的問題,通過對電磁超聲體波激發(fā)機理和PE-EMAT工作原理進行分析,提出體波PE-EMAT的總體設計方案;分析對比換能器各部分的選型和材料,設計體波PE-EMAT的工作流程和基本結構。針對鋼軌探傷中體波PE-EMAT工作機理復雜、分析難度大的問題,通過分析體波PE-EMAT工作物理過程,建立體波PE-EMAT有限元仿真模型。分別通過二維和三維有限元建模,仿真了體波PE-EMAT完整換能過程。針對仿真計算復雜的問題,通過優(yōu)化模型結構,將仿真時間減少了約42%。研制了脈沖磁場測量儀,搭建了電磁超聲實驗測試平臺,通過實驗驗證了仿真模型的正確性。針對體波PE-EMAT參數(shù)多、優(yōu)化設計過程復雜的問題,提出體波PE-EMAT參數(shù)選取及分析方法。該方法在仿真模型基礎上,分析了體波PE-EMAT各參數(shù)對探傷性能的影響,并設定其取值范圍。圍繞增強缺陷回波信號強度的優(yōu)化目標,提出體波PE-EMAT正交試驗優(yōu)化設計方法,確定了激發(fā)脈沖磁場較強、缺陷信號較大的體波PE-EMAT最優(yōu)參數(shù)組合。實驗結果表明,優(yōu)化后體波PE-EMAT的缺陷信號幅值提升約95%,信噪比提升約6 d B。針對鋼軌探傷需求和PE-EMAT工作特點,設計脈沖電磁式電磁超聲鋼軌探傷系統(tǒng)。測試了體波PE-EMAT對GTS-60型鋼軌標準試塊中典型缺陷的檢測能力。實驗結果表明,設計的體波PE-EMAT能夠有效檢測鋼軌中直徑8 mm螺孔、深5通長線切割槽和深3通長線切割槽。該系統(tǒng)探傷性能較好,在鋼軌上移動方便、對探頭磨損較小。本文設計的脈沖電磁式電磁超聲體波換能器為電磁超聲鋼軌探傷技術的工程化奠定了基礎。
【關鍵詞】：鋼軌探傷 電磁超聲換能器 脈沖電磁 有限元仿真
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題來源及研究的目的和意義9-11
• 1.2 課題的國內外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 鋼軌探傷的國內外研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器的國內外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3 主要研究內容16-18
• 第2章 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器方案設計18-25
• 2.1 引言18
• 2.2 電磁超聲體波激發(fā)機理18-20
• 2.2.1 洛倫茲力機理18-20
• 2.2.2 磁致伸縮力機理20
• 2.3 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器原理20-21
• 2.4 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器總體方案設計21-24
• 2.5 本章小結24-25
• 第3章 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器建模25-50
• 3.1 引言25
• 3.2 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器多物理場模型25-28
• 3.3 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器建模仿真28-39
• 3.3.1 建模流程28
• 3.3.2 EMAT聲場建模28-33
• 3.3.3 脈沖電磁鐵磁場建模33-39
• 3.4 EMAT聲場模型優(yōu)化39-40
• 3.5 模型實驗驗證40-49
• 3.5.1 EMAT聲場模型驗證40-43
• 3.5.2 脈沖磁場測量儀設計43-46
• 3.5.3 脈沖電磁鐵磁場模型驗證46-49
• 3.6 本章小結49-50
• 第4章 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器優(yōu)化設計50-65
• 4.1 引言50
• 4.2 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器線圈參數(shù)分析50-57
• 4.2.1 EMAT線圈性能評價依據(jù)50-52
• 4.2.2 EMAT線圈參數(shù)取值范圍52-54
• 4.2.3 EMAT線圈參數(shù)仿真分析54-57
• 4.3 EMAT線圈優(yōu)化設計57-59
• 4.4 脈沖電磁鐵本體優(yōu)化設計59-63
• 4.5 脈沖電磁式電磁超聲體波換能器優(yōu)化實驗驗證63
• 4.6 本章小結63-65
• 第5章 脈沖電磁式電磁超聲鋼軌探傷系統(tǒng)設計65-73
• 5.1 引言65
• 5.2 脈沖電磁式電磁超聲鋼軌探傷系統(tǒng)方案設計65-66
• 5.3 系統(tǒng)軟硬件設計66-69
• 5.3.1 CPLD控制電路設計66-67
• 5.3.2 EMAT發(fā)射接收電路設計67-68
• 5.3.3 脈沖電磁鐵驅動電路設計68-69
• 5.4 信號處理算法設計69-70
• 5.5 鋼軌探傷實驗70-71
• 5.6 本章小結71-73
• 結論73-74
• 參考文獻74-79
• 附錄79-80
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及其他成果80-82
• 致謝82

【二級參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 劉洋;項占琴;唐志峰;;激光超聲技術在鋼軌探傷中的應用研究[J];機械設計與制造;2009年10期

2 張友鵬;任遠;;基于超聲導波的實時鋼軌斷裂檢測方法研究[J];鐵道工程學報;2010年11期

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本文編號：874245