面向鋼軌軌底缺陷檢測的電磁超聲換能器研究.pdf

1、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

2、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

3、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

4、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 Gui

5、ded 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

6、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