機(jī)械制造與自動(dòng)化-(自動(dòng)保存的)-(自動(dòng)保存的).doc

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1、機(jī)械制造與自動(dòng)化超聲波相控陣鋼軌的無損檢測(cè)摘要超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)是近年來超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域研究的新方向，是通過對(duì)超聲陣列換能元件震源相位延時(shí)控制，以此獲得可控的合成波束實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦和高速掃描。隨著工業(yè)化快速發(fā)展，人們對(duì)其要求也越來越高，高靈敏度，高信噪比，高分辨率，高的可靠性，高的探傷速度等。我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鋼軌鋪設(shè)的里程越來越長(zhǎng)，火車的速度越來越快，火車的載重不斷增加，運(yùn)輸頻次不斷增多，為了保障鐵路的運(yùn)輸安全，需要對(duì)鋼軌在出廠前和運(yùn)行中進(jìn)行全面的無損檢測(cè)。本文主要研究了相控陣超聲波對(duì)鋼軌的

2、無損檢測(cè)，通過對(duì)超聲波相控陣的幾何優(yōu)化和聚焦等方式，獲得快速掃描和精確掃描。關(guān)鍵字：超聲波相控陣幾何優(yōu)化鋼軌無損探傷超聲聚焦目錄摘要ABSTRACT第一章緒論1.1論文的背景及意義1.1.1超聲相控陣探傷的歷史及現(xiàn)狀1.1.2超聲相控陣探傷的背景及意義1.1.3超聲相控陣探傷的優(yōu)勢(shì)1.2國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)外常見的探傷方式1.2.2國(guó)內(nèi)外超聲波探傷儀的發(fā)展1.3本論文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)第一章超聲波相控陣鋼軌探傷的原理2.1超聲波聲學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1聲波的衰減特性2.2超聲波相控陣

3、的基本原理2.2.1換能器原理2.2.2超聲波相控陣技術(shù)原理第三章相控陣鋼軌探傷的設(shè)計(jì)方案3.1鋼軌的常規(guī)探測(cè)方式3.2相控陣鋼軌無損檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案3.2.1探頭的設(shè)計(jì)3.2.2探頭的布置3.4數(shù)據(jù)采集與成像第四章鋼軌相控陣檢測(cè)技術(shù)優(yōu)化第一章緒論1.1論文的背景及意義1.1.1超聲相控陣探傷的歷史及現(xiàn)狀超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用和研究有很長(zhǎng)時(shí)間了。人類真正科學(xué)地開展超聲波的研究是從1880年壓電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)。早期遠(yuǎn)洋受海底冰山的影響，1912年有人提出利用超聲波探測(cè)海底冰山的設(shè)想。第一次世界大戰(zhàn)期間，

4、P.Langevin從1916年開始致力于研究用超聲波進(jìn)行水下潛艇探測(cè)，這項(xiàng)工作為后來的超聲波探傷開辟了道路。二十世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了將脈沖超聲波應(yīng)用于探傷的設(shè)想，并在1944年和1946年，分別由美國(guó)和英國(guó)研制成功了脈沖反射式超聲探傷儀。二十世紀(jì)50年代，超聲波探傷技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。二十世紀(jì)60年代，德國(guó)等研制出了高靈敏度和高分辨率的探傷儀，有效地解決了超聲波無損探測(cè)領(lǐng)域存在的問題。近些年隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，壓電復(fù)合材料、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化、自動(dòng)化、自能化應(yīng)用到了相控

5、陣超聲波無損檢測(cè)領(lǐng)域，相控陣超聲波成了無損檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1.1.2超聲相控陣鋼軌探傷的背景及意義對(duì)于金屬材料的缺陷，在現(xiàn)代的冶煉技術(shù)中，完全的獲得沒有缺陷且又材質(zhì)均勻的產(chǎn)品，仍然是相當(dāng)困難的事情。由于受環(huán)境或其他的外部條件影響，即使工件已經(jīng)在出廠時(shí)進(jìn)行的無損檢測(cè)，但是在其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍然可能出現(xiàn)機(jī)構(gòu)損壞的可能。尤其是關(guān)系著許多人生命的交通和國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大工程的使用的金屬材料，應(yīng)該定時(shí)的檢測(cè)。無損檢測(cè)是提高產(chǎn)品質(zhì)量促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步不可或缺的手段。鋼軌是機(jī)車車輛的最終受力部件，鋼軌的好壞，直接影響行車

6、的安全。近年來我國(guó)高鐵的快速發(fā)展，2007年4月18日，中國(guó)鐵路大提速正式開行動(dòng)車組列車，車速可達(dá)200-350公里/小時(shí)，2009年12月26日，武廣客車的正式運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)時(shí)速為350公里/小時(shí)，最高時(shí)速高達(dá)394公里/小時(shí)，2012年4月27日中國(guó)高鐵試驗(yàn)最高時(shí)速達(dá)530公里。西部煤炭和其他資源通過火車運(yùn)輸。速度和重載的提高勢(shì)必增加車輪與鋼軌之間的沖擊力，鋼軌容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在鋼軌與車輪之間關(guān)鍵的接觸區(qū)域，如圖所示，第一個(gè)關(guān)鍵接觸區(qū)域見圖a)中鋼軌接觸面與車輪踏面示意

7、圖，接觸面及以下一定深度內(nèi)較容易出現(xiàn)“貝紋狀”的疲勞裂紋源，第二個(gè)關(guān)鍵接觸區(qū)域見圖b）中鋼軌頂端接觸點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的損傷。a)接觸面及以下區(qū)域的損傷b）鋼軌頂端接觸點(diǎn)的損傷車輛的高速和重載運(yùn)行，加快了上述接觸區(qū)域的應(yīng)力集中、裂紋的產(chǎn)生、生長(zhǎng)和造成鋼軌疲勞裂紋等故障，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致列車脫軌或機(jī)車顛覆性事故。因此，對(duì)鋼軌檢測(cè)并準(zhǔn)確對(duì)出廠前嚴(yán)格的檢驗(yàn)外，還要對(duì)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)列車的鋼軌不斷跟蹤檢驗(yàn)疲勞裂紋的檢測(cè)。在進(jìn)行鋼軌探傷新技術(shù)的研究方面更加重探傷的可靠性和效率。首先，探傷的精確度要有所提高，檢測(cè)出的裂紋較以

8、前更小。其次探傷速度加快，以適應(yīng)高效率高速發(fā)展的社會(huì)。再次，縮短探傷周期，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的裂紋，為列車的安全運(yùn)行做好保障。1.1.3超聲相控陣探傷的優(yōu)勢(shì)超聲相控陣探傷技術(shù)的顯著的特點(diǎn)是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦距位置、焦點(diǎn)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動(dòng)態(tài)可調(diào);而且探頭內(nèi)可快速平移聲束。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣優(yōu)勢(shì)是：可以快速的檢測(cè)；不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃描厚大的工件的各個(gè)區(qū)域，有效地解決了背側(cè)物體形狀的限制等問題；一般情況下不需要復(fù)雜的掃描裝置和跟