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用于列车轮对在线探伤的电磁超声发射系统研究

作　者: 赵昌鹏
导　师: 梁慧敏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 电磁超声列车轮对在线探伤发射系统建模仿真
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 39次
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内容摘要

目前，在役列车轮对探伤一般采用静态或者拆卸式的方式进行探伤，效率低、成本高。采用电磁超声表面波能够实现列车轮对踏面的在线探伤，可极大提高探伤效率，节约人力物力。用于激发超声波的电磁超声发射系统是探伤系统关键部分，其性能的提高能够显著弥补电磁超声换能器换能效率低、易受环境干扰等不足。因此研究用于列车轮对在线探伤的电磁超声发射系统具有重要的理论意义和实用价值。本文结合轮对探伤需求提出了发射系统的技术指标，制定了发射系统总体方案，改进了轮对在线探伤方法。提出了基于实验法的电磁超声探头设计方法。该方法采用有限元方法建立了电磁超声换能器模型，计算得到电磁超声换能器等效电路参数；以提高电磁超声回波信号信噪比为设计目标，通过正交试验对多组线圈进行实验，采用极差法分析实验结果，得到检测效果较优的电磁超声探头，回波信噪比提升约24%；并通过仿真得到了线圈等效阻抗与线圈提离距离的关系。设计了高频大功率发射电路，在工作频率0.1~5MHz范围内，最大输出功率可达10kW；采用有限元法和最小二乘拟合等方法建立了发射电路的全模型，通过电路仿真确定了发射电路工作点，提高了发射电路可靠性和稳定性。设计并完成了电磁超声发射系统的实验装置。该装置由低噪声接收电路、数据采集电路、上位机等组成，能够完成超声信号的接收、数据采集及处理等功能。通过静态试验，验证了仿真结果的正确性；进行了轮对在线探伤动态实验，能够有效检测出轮对踏面长20mm、深2mm的轴向裂纹缺陷。本文研究的电磁超声发射系统为列车轮对在线探伤系统的研究奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  9-10
  1.2 电磁超声轮对探伤技术国内外研究现状  10-12
    1.2.1 国外研究现状  10-11
    1.2.2 国内研究现状  11-12
  1.3 电磁超声发射系统国内外研究现状  12-15
    1.3.1 电磁超声换能器设计国内外研究现状  12-14
    1.3.2 电磁超声发射电路国内外研究现状  14-15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
第2章系统总体方案  17-24
  2.1 引言  17
  2.2 电磁超声表面波激发机理  17-18
  2.3 列车轮对踏面在线探伤方法  18-20
  2.4 轮对在线探伤电磁超声发射系统方案制定  20-22
    2.4.1 电磁超声发射系统技术指标  20
    2.4.2 电磁超声发射系统总体方案  20-22
  2.5 发射系统实验装置方案制定  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章电磁超声发射探头设计  24-37
  3.1 引言  24
  3.2 EMAT 线圈选取  24-25
  3.3 EMAT 发射线圈设计  25-34
    3.3.1 EMAT 发射线圈建模及仿真分析  27-31
    3.3.2 试验测试及结果分析  31-34
  3.4 EMAT 线圈等效阻抗与提离距离的关系  34-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章电磁超声发射电路设计与建模仿真分析  37-60
  4.1 引言  37
  4.2 大功率发射电路设计  37-46
    4.2.1 控制电路和高频大功率驱动电路  37-39
    4.2.2 逆变电源  39-40
    4.2.3 功率放大电路  40-44
    4.2.4 匹配电路  44-46
  4.3 发射电路建模  46-54
    4.3.1 高频大功率驱动芯片的模型  47-50
    4.3.2 变压器的高频模型  50-52
    4.3.3 印刷线路板的高频模型  52-54
    4.3.4 发射电路的模型  54
  4.4 发射电路仿真分析  54-58
    4.4.1 发射电路的参数确定  54-57
    4.4.2 发射电路的输出特性  57-58
  4.5 本章小结  58-60
第5章电磁超声发射系统实验装置搭建  60-68
  5.1 引言  60
  5.2 实验装置硬件电路  60-62
    5.2.1 接收电路  60-61
    5.2.2 采集电路  61-62
  5.3 实验装置软件编写  62-64
    5.3.1 FPGA 程序编写  62-63
    5.3.2 上位机软件编写  63-64
  5.4 实验验证  64-67
    5.4.1 静态实验  64-66
    5.4.2 动态实验  66-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-73
附录  73-74
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  74-76
致谢  76

用于列车轮对在线探伤的电磁超声发射系统研究

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