机械制造与自动化-(自动保存的)-(自动保存的).doc

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1、机械制造与自动化超声波相控阵钢轨的无损检测摘要超声波相控阵检测技术是近年来超声无损检测领域研究的新方向，是通过对超声阵列换能元件震源相位延时控制，以此获得可控的合成波束实现动态聚焦和高速扫描。随着工业化快速发展，人们对其要求也越来越高，高灵敏度，高信噪比，高分辨率，高的可靠性，高的探伤速度等。我国铁路的快速发展，钢轨铺设的里程越来越长，火车的速度越来越快，火车的载重不断增加，运输频次不断增多，为了保障铁路的运输安全，需要对钢轨在出厂前和运行中进行全面的无损检测。本文主要研究了相控阵超声波对钢轨的

2、无损检测，通过对超声波相控阵的几何优化和聚焦等方式，获得快速扫描和精确扫描。关键字：超声波相控阵几何优化钢轨无损探伤超声聚焦目录摘要ABSTRACT第一章绪论1.1论文的背景及意义1.1.1超声相控阵探伤的历史及现状1.1.2超声相控阵探伤的背景及意义1.1.3超声相控阵探伤的优势1.2国内外研究和发展的现状1.2.1国内外常见的探伤方式1.2.2国内外超声波探伤仪的发展1.3本论文主要内容和结构第一章超声波相控阵钢轨探伤的原理2.1超声波声学的基础知识2.1.1声波的衰减特性2.2超声波相控阵

3、的基本原理2.2.1换能器原理2.2.2超声波相控阵技术原理第三章相控阵钢轨探伤的设计方案3.1钢轨的常规探测方式3.2相控阵钢轨无损检测的设计方案3.2.1探头的设计3.2.2探头的布置3.4数据采集与成像第四章钢轨相控阵检测技术优化第一章绪论1.1论文的背景及意义1.1.1超声相控阵探伤的历史及现状超声波检测技术已经应用和研究有很长时间了。人类真正科学地开展超声波的研究是从1880年压电效应被发现。早期远洋受海底冰山的影响，1912年有人提出利用超声波探测海底冰山的设想。第一次世界大战期间，

4、P.Langevin从1916年开始致力于研究用超声波进行水下潜艇探测，这项工作为后来的超声波探伤开辟了道路。二十世纪30年代，出现了将脉冲超声波应用于探伤的设想，并在1944年和1946年，分别由美国和英国研制成功了脉冲反射式超声探伤仪。二十世纪50年代，超声波探伤技术广泛应用于工业领域。二十世纪60年代，德国等研制出了高灵敏度和高分辨率的探伤仪，有效地解决了超声波无损探测领域存在的问题。近些年随着科学技术的快速发展，压电复合材料、大规模集成电路、计算机技术、数字化、自动化、自能化应用到了相控

5、阵超声波无损检测领域，相控阵超声波成了无损检测领域研究的热点。1.1.2超声相控阵钢轨探伤的背景及意义对于金属材料的缺陷，在现代的冶炼技术中，完全的获得没有缺陷且又材质均匀的产品，仍然是相当困难的事情。由于受环境或其他的外部条件影响，即使工件已经在出厂时进行的无损检测，但是在其正常运转时仍然可能出现机构损坏的可能。尤其是关系着许多人生命的交通和国民经济重大工程的使用的金属材料，应该定时的检测。无损检测是提高产品质量促进技术进步不可或缺的手段。钢轨是机车车辆的最终受力部件，钢轨的好坏，直接影响行车

6、的安全。近年来我国高铁的快速发展，2007年4月18日，中国铁路大提速正式开行动车组列车，车速可达200-350公里/小时，2009年12月26日，武广客车的正式运营设计时速为350公里/小时，最高时速高达394公里/小时，2012年4月27日中国高铁试验最高时速达530公里。西部煤炭和其他资源通过火车运输。速度和重载的提高势必增加车轮与钢轨之间的冲击力，钢轨容易出现应力集中的现象，应力集中部位主要出现在钢轨与车轮之间关键的接触区域，如图所示，第一个关键接触区域见图a)中钢轨接触面与车轮踏面示意

7、图，接触面及以下一定深度内较容易出现“贝纹状”的疲劳裂纹源，第二个关键接触区域见图b）中钢轨顶端接触点区域产生的损伤。a)接触面及以下区域的损伤b）钢轨顶端接触点的损伤车辆的高速和重载运行，加快了上述接触区域的应力集中、裂纹的产生、生长和造成钢轨疲劳裂纹等故障，严重时可以导致列车脱轨或机车颠覆性事故。因此，对钢轨检测并准确对出厂前严格的检验外，还要对已经运营列车的钢轨不断跟踪检验疲劳裂纹的检测。在进行钢轨探伤新技术的研究方面更加重探伤的可靠性和效率。首先，探伤的精确度要有所提高，检测出的裂纹较以

8、前更小。其次探伤速度加快，以适应高效率高速发展的社会。再次，缩短探伤周期，及时的发现出现的裂纹，为列车的安全运行做好保障。1.1.3超声相控阵探伤的优势超声相控阵探伤技术的显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦距位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束。与传统超声检测技术相比，相控阵优势是：可以快速的检测；不移动探头或尽量少移动探头可扫描厚大的工件的各个区域，有效地解决了背侧物体形状的限制等问题；一般情况下不需要复杂的扫描装置和跟