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用于钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器设计
| 论文题名： | 用于钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器设计 |
| 关键词： | 电磁超声换能器;钢轨轨底;缺陷检测;工作机理 |
| 摘要： | 基于压电超声体波技术的钢轨探伤设备被广泛应用于钢轨的缺陷检测工作中。受探头安放位置和钢轨特殊形状的共同限制，现有钢轨探伤设备的压电探头所发射出的超声体波波束难以完全覆盖钢轨轨底。大部分轨底缺陷处于现有设备的检测盲区之中，严重威胁列车行驶安全。近年来，应用超声导波进行钢轨缺陷检测的研究不断出现，但现有导波钢轨缺陷检测研究主要针对的是轨头和轨腰缺陷，针对轨底缺陷的研究相对较少。并且，少数应用超声导波检测轨底缺陷的研究几乎全部应用的是压电超声技术，检测效率受到耦合剂的严重限制。本文对基于电磁超声导波的新型钢轨轨底缺陷检测技术开展了研究，设计了用于轨底缺陷检测的电磁超声换能器，无需耦合剂即可完成轨底缺陷的快速检测，大大提高了检测效率。 本文首先对电磁超声导波检测原理开展研究。分析了导波的形成机理，研究了导波的多模态和频散特性，介绍了超声导波检测中常用的反射法和透射法原理。给出了电磁超声换能器基本结构，对其工作机理进行了理论分析。 对钢轨轨底结构的频散特性进行研究。给出了有限元分析（FEA）方法分析波导结构频散特性的原理和详细步骤，验证了方法的有效性。通过建立钢轨轨底结构的有限元模型，使用有限元分析法对钢轨轨底结构的频散特性进行分析，得到了类 Rayleigh波在本文所研究的300~430kHz频率范围内具有检测轨底缺陷潜力的分析结果。 对电磁超声导波轨底传播特性进行研究。应用有限元时域仿真方法，模拟电磁超声换能器激发的类 Rayleigh波在轨底结构中的传播过程。仿真结果表明类 Rayleigh波振动能量集中于轨底缺陷主要发生区域，适合轨底缺陷检测。通过研究换能器参数与工作点的对应关系，仿真对比类 Rayleigh波频散曲线上不同工作点的缺陷检测效果，得到了300kHz类Rayleigh波对应工作点R300相比于其他对照工作点检测效果较优的结论。 进行了钢轨轨底缺陷检测实验研究。模拟常见类型轨底缺陷，在钢轨试件中加工了人工缺陷。设计了轨底缺陷检测系统，使用该系统测试了所设计的工作于 R300点的换能器的轨底缺陷检测能力。实验结果表明，本文设计的电磁超声换能器可以检测到常见类型的轨底缺陷。 |
| 作者： | 陈晓阳 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 王淑娟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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