用于鋼軌探傷的脈沖電磁式電磁超聲體波換能器設(shè)計(jì).pdf

1、鐵路安全至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)外普遍采用壓電超聲技術(shù)進(jìn)行鋼軌探傷，但其依賴聲耦合劑，檢測(cè)速度和精度受限。而采用電磁超聲技術(shù)則不需耦合劑，可以彌補(bǔ)壓電超聲的不足。但電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,簡(jiǎn)稱EMAT)通常采用永磁鐵，在鋼軌上移動(dòng)困難，容易吸附鐵屑、磨損探頭，限制了其在鋼軌探傷領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)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 Electro

2、magnetEMAT,簡(jiǎn)稱PE-EMAT)設(shè)計(jì)技術(shù)。
　　針對(duì)目前體波PE-EMAT檢測(cè)性能差、能耗高、體積大的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電磁超聲體波激發(fā)機(jī)理和PE-EMAT工作原理進(jìn)行分析，提出體波PE-EMAT的總體設(shè)計(jì)方案；分析對(duì)比換能器各部分的選型和材料，設(shè)計(jì)體波PE-EMAT的工作流程和基本結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)鋼軌探傷中體波PE-EMAT工作機(jī)理復(fù)雜、分析難度大的問(wèn)題，通過(guò)分析體波PE-EMAT工作物理過(guò)程，建立體波PE-EMAT有

3、限元仿真模型。分別通過(guò)二維和三維有限元建模，仿真了體波PE-EMAT完整換能過(guò)程。針對(duì)仿真計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，將仿真時(shí)間減少了約42％。研制了脈沖磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，搭建了電磁超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。
　　針對(duì)體波PE-EMAT參數(shù)多、優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)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(chǔ)上，分析了體波PE-EMAT各參數(shù)對(duì)探傷性能的影響，并設(shè)定其取值范圍。圍繞增強(qiáng)缺

4、陷回波信號(hào)強(qiáng)度的優(yōu)化目標(biāo)，提出體波PE-EMAT正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了激發(fā)脈沖磁場(chǎng)較強(qiáng)、缺陷信號(hào)較大的體波PE-EMAT最優(yōu)參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后體波PE-EMAT的缺陷信號(hào)幅值提升約95%，信噪比提升約6 dB。
　　針對(duì)鋼軌探傷需求和PE-EMAT工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)脈沖電磁式電磁超聲鋼軌探傷系統(tǒng)。測(cè)試了體波PE-EMAT對(duì)GTS-60型鋼軌標(biāo)準(zhǔn)試塊中典型缺陷的檢測(cè)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的體波PE-EMAT能夠有效檢