钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下会产生滚动接触疲劳裂纹。钢轨踏面裂纹是典型的滚动接触疲劳裂纹,该类裂纹容易从轨头往下发展导致钢轨断裂,对行车安全造成重大隐患。首先采用有限元数值方法分析超声表面波与钢轨踏面裂纹的作用规律,研究了低频超声表面波在不同倾角、不同深度踏面裂纹上的散射特性及反射回波时域信号响应特点。其次,设计制作了中心频率为0.3 MHz的表面波电磁超声换能器(EMAT),对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测,以更好地识别显示裂纹。为克服EMAT提离对信号回波的影响以及适应快速巡查检测,对裂纹反射回波采用同步挤压小波变换(SWT)进行去噪和重建,实现了B扫快速成像。研究结果表明,所设计的表面波EMAT能够有效地检测钢轨踏面上的多个裂纹,采用同步挤压小波变换处理回波信号后,超声回波信噪比至少提高8.83 dB,可显著提高B扫成像清晰度和检测速度。     

钢轨踏面斜裂纹超声表面波B扫成像检测研究

由滚动接触疲劳引起的钢轨踏面斜裂纹已成为目前高速铁路在役钢轨无损检测中的重要问题,现有的铁路钢轨超声探伤车(仪)难以检测此类缺陷。采用低频超声表面波方法,沿钢轨长度方向对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测。由于钢轨轨头为带圆弧边的矩形截面,在钢轨表面激发和传播的低频表面波已不再是经典的Rayleigh波,而是一类导波,导波的多模式对表面波成像检测形成了干扰。为减小干扰,将空间平均技术应用于钢轨踏面斜裂纹的表面波B扫成像。对人工缺陷试块和钢轨试样的B扫成像实验结果表明,利用空间平均技术能有效的抑制此类干扰,提高信噪比,可对钢轨踏面斜裂纹作快速检测和定位。     

钢轨踏面低频超声表面波传播模式研究

钢轨轨头滚动接触疲劳引起钢轨踏面表面及近表面裂纹是目前高速铁路运行的重要威胁之一,铁路部门目前采用的检测技术无法对此类缺陷进行有效监、检测,可采用低频超声表面波对钢轨踏面裂纹进行检测。钢轨轨头异形波导结构使得低频超声表面波传播具有频散特性,这就需要对其传播模式进行有效识别。基于ABAQUS有限元方法建立钢轨踏面简化三维模型,采用二维快速傅里叶变换(2D-FFT)的分析方法得到低频超声表面波在钢轨踏面传播的频率-波数频散曲线,并通过搭建实验系统,对自由状态下60型钢轨低频超声表面波传播模式进行模式识别,研究表明300 k Hz频率点是低频超声表面波在钢轨踏面传播频散分界点;数值模拟采用中心频率为200 k Hz信号单点对称激发,表面波传播模式主要有5种对称模式,激发频率为500 k Hz时,传播模式出现混叠;实验结果显示,激励信号中心频率为500 k Hz,采用斜楔技术在钢轨踏面中轴线上激发低频超声表面波存在4种主要对称传播模式,实验频散曲线分辨率比数值模拟频散曲线分辨率高。     

基于EMAT技术的轮对踏面探伤仪

简述电磁超声换能器(EMAT)的结构组成及产生表面波的机理,分析了基于电磁超声表面波的车轮踏面缺陷检测原理.设计了基于电磁超声表面波的轮对踏面探伤仪,该探伤仪采用DSP+CPLD结构,构成数据处理、逻辑控制核心单元,信号由功率合成单元进行功率放大并与EMAT探头做输出匹配,提高输出功率;DSP系统完成超声波信号的数据处理及缺陷分析功能.最后对人工缺陷轮对和自然缺陷轮对进行试验,结果表明:检测过程无需耦合剂、无需沿踏面扫查,即可快速实现对轮对踏面表面及近表面10 mm范围内的车轮径向裂纹和大尺寸踏面剥离缺陷进行检测.     

裂纹检测系统中EMAT发射接收电路的设计与应用

针对表面裂纹检测系统中EMAT的发射和接收问题,设计制作了相关的硬件电路。发射电路中,振荡电路产生的信号经过调制和功率放大,产生大幅度脉冲串,用以激励发射线圈;接收电路使用了2N9013、AD8041和AD9057,接收回波信号并进行放大。完成发射电路的调试后,利用采集卡将其产生的脉冲串采样后送入LabVIEW虚拟示波器中,显示发射电路激励出的脉冲串(1 MHz)波形图。将接收电路和数据采集卡用于实验室钢板裂纹信号,可以观察到频散的板波波形。结果表明:设计开发的EMAT发射接收装置能够在冷轧钢板上成功发射表面波,并接收到由于遇到缺陷而引起衰减的回波,可以有效地检测出钢板表面裂纹。     

曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计

电磁超声表面波换能器的换能效率较低,严重限制了其进一步的发展。为此,在建立曲折线圈型电磁超声表面波换能器多物理场有限元模型的基础上,通过仿真分析,分别从EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)磁铁尺寸和线圈中导线的分布方式两个角度对电磁超声表面波换能器进行了优化。实验表明,与传统的曲折线圈型电磁超声表面波换能器相比,采用相同的磁铁体积时,在一发一收的工作模式下,文中提出的优化后的换能器接收信号幅度可提高39%;在收发一体的工作模式下,信号幅度可提高86.2%,有效地改善了换能器的性能。     

基于同步挤压小波和脉冲压缩的钢轨踏面裂纹电磁超声表面波检测方法研究

钢轨踏面上的疲劳裂纹严重影响着列车行车安全。 针对如何快速有效地检测出踏面斜裂纹的问题,本文提出了一种快 速检测钢轨踏面裂纹的方法。 首先分别建立了含高斯白噪声、正弦信号加高斯白噪声干扰的数学模型,分析了编码脉冲压缩、 同步挤压小波变换和先同步挤压小波变换后脉冲压缩共 3 种信号处理方法的噪音抑制效果。 其次,为了验证上述方法对噪音 的抑制能力,使用激励频率为 1 MHz 的表面波电磁超声换能器对含裂纹的钢轨踏面进行检测。 最后,以检测得到裂纹的超声 回波为研究对象,比较了希尔伯特黄方法处理单一频率脉冲对应的超声回波信号和先同步挤压后脉冲压缩方法对应的降噪能 力和超声成像效果。 实验结果表明:本文所提方法可以获得钢轨踏面裂纹的位置信息及其数量。 希尔伯特黄变换在处理无同 步平均的原始超声回波时,由于回波信噪比低,经验模态分解(EMD)失效。 在以巴克码为激励信号且无同步平均采集的条件 下,先进行同步挤压小波变换后脉冲压缩处理,得到的超声回波信噪比相较于只采用相位编码脉冲压缩提高了 6. 82 dB,相比于 只做同步挤压小波变换提高了 11. 02 dB,能明显提升检测速度和 B 扫图像分辨率。     

基于宽频兰姆波的钢板缺陷检测

利用线性线圈和低频宽带脉冲在钢板中实现兰姆波激励,该结构电磁超声传感器与常用回折线圈传感器相比,无需对板厚、激励频率以及线圈间距进行匹配,具有更广的应用范围。通过实验对线性传感器提离距离与信号幅值关系进行研究,发射探头提离0.5 mm,接收探头提离1 mm是较理想的选择,可以同时满足系统稳定性和信号强度要求。通过希尔伯特-黄变换提取缺陷反射回波中高频成分可以更精确的反应缺陷特征,经计算,缺陷定位误差0.6%。包络幅值特征可以表征缺陷尺寸。     

钢轨漏磁检测仿真分析及试验研究

为保障高速铁路的行车安全,针对现有高速铁路钢轨轨面伤损检测的需求,设计了一种携带有漏磁检测装置的钢轨探伤小车,并分析了钢轨探伤小车的结构组成和漏磁检测装置的检测原理。同时,在有限元分析软件 ＡＮＳＹＳ中建立了钢轨轨面漏磁检测的三维有限元模型,针对钢轨轨面主要的裂纹类和圆柱形缺陷,在软件中进行了钢轨缺陷的漏磁场特征仿真分析。通过计算分析,得出钢轨缺陷漏磁检测信号与传感器提离值、裂纹类缺陷长度、裂纹类缺陷深度、圆柱形缺陷直径、圆柱形缺陷深度的对应变化关系。最后,通过制备人工裂纹类和圆柱形钢轨缺陷,搭建起钢轨漏磁检测的试验平台,通过漏磁检测试验,验证了软件仿真结果的正确性。     

基于激光电磁超声的裂纹检测研究

为检测内裂纹,建立了一套基于脉冲激光激发、电磁超声探头接收的非接触型超声检测系统。为避免在试件表面产生烧蚀损伤,采用热弹性模式激发超声,采用EMAT探头接收信号。利用出平面EMAT探头和内平面EMAT探头,分别研究了横波与纵波在半圆铝制试块的传播情况。最后,结合阴影法,使用该试验系统测量了试件背面的裂纹,检测得到的裂纹深度与实际深度非常接近。证明在热弹性模式下,激光激发、EMAT探头接收信号的方法对于内裂纹的检测是可行的。     

EMAT非线性高次谐波提取方法与电路设计

由于电磁超声换能器(EMAT)非线性高次谐波信号微弱且通常湮没于基频和噪声信号中,EMAT高次谐波信号的提取对于提高EMAT纳米级微结构缺陷非接触原位检测精度、降低检测成本具有重要的作用。文中研究了脉冲激励下EMAT微弱信号宽带前置放大后时域和频域信号特征,分析了EMAT接收信号超外差调频放大方法以及非线性高次谐波信号幅值、相位提取的互相关锁相检波方法的理论基础,并针对实测的EMAT信号进行了高次谐波提取分析。同时,研究了EMAT非线性高次谐波提取电路设计方法。研究结果对深入研究开发EMAT非线性检测器具有重要的理论和实际意义。     

厚壁管道线聚焦斜入射SV波EMAT辐射声场分析

由于圆弧型检测面的曲率半径对斜入射SV波EMAT辐射声场的影响规律尚不清楚,导致厚壁管道线聚焦斜入射SV波EMAT的缺陷检测能力、缺陷定量/定位精度出现偏差。建立了基于平面/凸面检测面的线聚焦斜入射SV波EMAT的辐射声场有限元模型,研究了凸面检测面的曲率半径、EMAT曲折线圈匝数、设计初始角等因素对辐射声场的主瓣峰值和主瓣宽度的影响规律,并与平面检测面进行了对比。结果表明,与平面检测面相比,凸面检测面起到聚焦超声波的作用,具体表现在聚焦侧主瓣峰值增加22.76%,主瓣宽度减小10.56%。在曲折线圈匝数超过28匝后,线圈匝数的增加对主瓣峰值加强作用有限;当曲率半径为1.485×10~(-1) m,线圈设计初始角为10°,曲折线圈匝数由10匝增加至28匝时,线聚焦SV波主瓣峰值增加102.56%,主瓣宽度减小57.99%。     

曲面构件斜入射SV波EMAT辐射声场特性分析

为了解决曲面构件的凹凸检测面的曲率半径对斜入射垂直剪切波(SV波)电磁超声换能器(EMAT)的缺陷检测分辨率/灵敏度和定位/定量偏差影响这一问题,建立了基于圆弧曲面(凹面和凸面)检测面的斜入射SV波EMAT辐射声场有限元模型,研究了曲折线圈匝数、弧面曲率对斜入射SV波的主瓣峰值、主瓣宽度、主旁瓣比和入射角的影响,并对仿真结果进行实验验证。结果表明,当曲折线圈匝数相同时,凸面检测面的SV波幅值相比于平面检测面提高34.8%以上,主瓣宽度减小43.8%;当曲折线圈匝数由10匝增至30匝时,凸面检测面的SV波幅值提高42.3%,主瓣宽度减小43.6%;凸面检测面的SV波声场特性均优于平面和凹面;曲面曲率半径对斜入射SV波主瓣峰值、主瓣宽度和主旁瓣比有显著影响。     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈 EMAT 检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值\\主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证。比较了0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。     

基于编码压缩的钢板电磁超声 Lamb 波检测方法研究

针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6 mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69 dB,可检出10 mm长和0.5 mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47 dB。当Barker码码元中心频率为1 MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A₀模态的缺陷波SNR仍可达35.23 dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。     

一种高信噪比电磁声表面波传感器及在厚壁管道检测中的应用

为了提高在自激自收模式下接收信号的信噪比,自行研制一种不同结构配置的电磁声表面波传感器,分析其提高信噪比的机制及影响其信噪比的因素。在自激自收模式下,由于所研制的传感器中磁铁与线圈间存在间隔,降低了磁铁中超声波的影响,进而提高了信噪比。研究结果表明,接收信号的信噪比不仅与提离距离(磁铁与线圈的间隔)有关,而且与其中心频率成正相关关系。所研制的3个不同中心频率电磁声表面波传感器性能测试结果表明,其实测中心频率与设计值一致,其指向性与理论分析相吻合。采用所研制的表面波传感器对标准样块上不同深度的缺陷进行检测,试验结果表明,当缺陷深度约达表面波波长的1/4时,即可检测到该缺陷。进一步选用中心频率1.0 MHz的表面波传感器,实现了对厚壁管道上周向矩形槽、轴向矩形槽和平底孔3种类型缺陷的检测。     

复杂裂纹涡流检测与评估方法研究

钢轨表面及上表面产生的滚动接触疲劳裂纹通常以斜裂纹或多角度复杂裂纹的形态存在,对其检测和评估是个难题。 基于此,采用基于无线能量传输的涡流检测方法(WPT-ECT),设计新的探头结构并结合神经网络算法对裂纹进行检测和评估。 首先,有别于现有 WPT-ECT 方法,采用增大激励频率,而非串并联电容的方式,构造谐振电路;其次,根据复杂裂纹的特点,设计 由两个八字形激励线圈和两个矩形接收线圈组成的方向性探头结构;最后,充分提取检测信号的特征,并运用径向基神经网络 算法对裂纹进行识别。 仿真和实验结果表明,所提出的探头结构对任何角度的缺陷均敏感。 同时,RBF 算法对斜裂纹、T 裂纹、 Y 裂纹和 1. 2 mm 提离下的 T 裂纹的识别准确率分别为 92. 00% 、 95. 27% 、96. 64% 和 89. 50% 。     

花萼状涡流传感器及其飞机金属结构疲劳损伤监测试验研究

飞机金属结构疲劳损伤的实时在线监测,对于保证飞行安全是极其重要的。在文献[13]的基础之上,提出一种花萼状涡流传感器,并搭建基于该传感器的疲劳裂纹监测系统,进行程序载荷谱下的2A12-T4铝合金拉伸疲劳试验件的疲劳损伤在线监测试验,通过对比传感器监测结果和疲劳裂纹断口定量分析结果,对传感器的疲劳裂纹定量监测能力进行验证。监测试验结果与试件断口定量分析对比结果表明,在试件疲劳裂纹扩展过程中,传感器的各感应线圈通道的幅值比信号的变化较为明显,同时具有阶跃特征,当裂纹从一个感应线圈通道位置扩展至其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号会急剧增加,而当裂纹穿出其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号增加速度显著减缓;根据阶跃特性,将各感应线圈通道的幅值比信号开始快速增加的"拐点"作为裂纹前缘进入相应感应线圈通道的特征,花萼状涡流传感器可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;离疲劳源较近的感应线圈通道的幅值比信号可定性监测结构的疲劳累积损伤程度。     

基于外穿式交流电磁场检测的钻杆轴向裂纹在役检测技术研究

钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件,在其服役过程中进行检测,对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点,提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法,建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型,分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系,在此基础上提取裂纹识别特征信号,基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响,设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统,并进行试验测试,仿真和试验结果表明:外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度,具有定量识别能力;激励线圈提离高度可满足在役检测需要;外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。     

钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的预测

利用断裂力学理论建立了钢轨踏面斜裂纹扩展寿命预测模型;以CRH2型动车组为研究对象,计算了轮轨接触时钢轨内部的应力分布,然后利用预测模型估算了钢轨踏面斜裂纹的扩展寿命,并分析了摩擦因数、裂纹倾斜角、钢轨磨损率等因素对钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的影响。结果表明:倾斜角在30°～40°时,斜裂纹扩展寿命随摩擦因数的增大而降低;裂纹倾斜角增加到50°～60°时,斜裂纹扩展寿命先增加后减小;随裂纹倾斜角的增大,斜裂纹扩展寿命先增后减;斜裂纹扩展寿命随磨损率增大先缓慢增加,当磨损率达到一定值后急剧增加;实际使用数据间接证明了模型预测的准确性。