（精密仪器及机械专业论文）极限折射纵波检测无缝钢轨温度应力的理论研究及应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 近年来，随着火车的提速造成的稳定和安全问题，轨道逐步转为采用无缝 焊接钢轨，随着钢轨温度的变化，无缝钢轨可能会因为热胀或冷缩的金属特性 并且在扣件阻力小而且路基较差的路段释放能量，可能会发生钢轨严重变形， 更甚者会发生胀轨跑道等严重铁道事故，为了避免发生如此事故，有必要定期 对钢轨的温度应力进行检测。 为了解决这个问题，目前已经有了多种检测钢轨温度应力的方法，比如为 标定轨长法、应变法、磁感应测量法和超声波测量法，但是在我国，便携、通 用有效的检测仪器或方法还没有被研制出来。 本文中介绍了一种测量无缝焊接钢轨温度应力的特殊的超声波系统，这个 测量系统是无损检测系统，它采用a y r 处理器和高精度时间计时芯片为核心， 采用极限折射纵波作为测量的对象。 本文的研究工作重点在无缝焊接钢轨温度应力测量系统的理论模块，包括 根据s n e l l 原理，研究极限折射纵波的激发机理，并使用有限元软件a n s y s 进行仿真；根据声弹性理论以及公式推导出计算无缝焊接钢轨中的温度应力的 公式，并对其中参数的求解方法进行介绍；根据收集的资料，介绍了三种使用 极限折射纵波测量无缝焊接钢轨温度应力的方法，即固定距离测量声时法、临 界角折射法和频谱分析法，本实验系统使用的是第一种；根据实验经验以及相 关资料，分析了影响极限折射纵波测量温度应力的几个因素，并提出了相应的 解决方法；根据实验系统的需要，独立设计并加工出相关配套的实验设备，包 括实验钢块、有机玻璃楔块、固定件、载荷外框装置等。 关键词：无缝焊接钢轨、温度应力、极限折射纵波 电子科技大学硕士学位论文 ab s t r a c t r e c e n t l y , t r a i ni sr u n n i n gf a s t e ra n df a s t e r , a n dc o n s i d e r i n gt h es t a b i l i t ya n d s e c u r i t y ，s e a m l e s sw e l d e dr a i l s ( s w r ) a r eu s e da st h et r a i no r b i t sg r a d u a l l y t h et e m p e r a t u r eo ft h er a i l sw i l lv a r yw i t hw e a t h e r s ot h a tt h er a i l sm a y r e l e a s et h ee n e m yd u et ot h em e t a lc h a r a c t e r i s t i co fe x p a n d i n go rc o n t r a c t i n g w i t ht e m p e r a t u r e ，t h e r ei ss o m eb a d l yd i s t o r t i o ni nt h es w r ，w o r s l yo c c u r r i n g a c c i d e n t so ne x p a n d i n go r b i t s t h ep o r t r a i tt h e r m a ls t r e s s ( p t s ) o ft h es w r s h o u l db em o n i t o r e di ns o m ep a r t sr e g u l a r l y , a st oa v o i ds u c ha c c i d e n t f o r s o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h e r ea r es e v e r a lw a y so fm e a s u r i n gt h ep t so f t h es w ra t p r e s e n t ，s u c h a s d e m a r c a t i n g p a t h l e n g t h ，s t r a i n a n d s t r e s s ，m a g n e t i c i n d u c t i o nm e a s u r e m e n ta n du l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t h o w e v e r , p o r t a b l e u n i v e r s a la n d e f f e c t i v ei n s t r u m e n t so rm e t h o d sd o n t a p p e a ru pt on o w i nc h i n a t h i sa r t i c l ed e s c r i b e saw a yo fs p e c i a lu l t r a s o n i cs y s t e mw h i c hm o n i t o r s t h e r m a ls t r e s si ns e a m l e s sw e l d e dr a i l s t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mi san o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e m ，w h i c ha d o p t sa v rm c ua n dh i g h - p r e c i s et i m ec h i p p r o c e s s i n ga st h ec o r eo fi t , a n da d o p t st h ec r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l w a v ea st h eo b j e c to fm e a s u r i n g m ys t u d y i n gf o c u s e so nt h et h e o r yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hw i l lb e l i s t e di nt h i sa r c t i l e a c c o r d i n gt ot h es n e l lt h e o r y , t h et h e o r yo fm o t i v a t i n go f c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v ei sd e s c r i b e di nd e t a i l s a n dt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ei su s e dt oe m u l a t et h ep r o p a g a t i n gc o u r s e t h ef o r m u l a so f c a l c u l a t i n gt h ep t so fs w r a r et a k e nf r o mt h ea c o u s t o e l a s t i c i t yt h e o r y a n d t h ec a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r si si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oa s s e m b l em a t e r i a l s ， t h r e ek i n d so fw a y so fm o n i t o r i n gt h ep t so fs w r u s i n gc r i t i c a l l yr e f r a c t e d l o n g i t u d i n a lw a v ea r ed e s c r i b e d ，w h i c h a r em e a s u r i n gt h es o u n d t i m ei n c h a n g e l e s sd i s t a n c e ，u l t r a s o n i cc r i t i c a l a n g l er e f r a c t o m e r ya n df r e q u e n c y s p e c t r u m 。t h e f i r s tw a yo fw a y si su s e di nt h i s e x p e r i m e n ts y s t e m t h e f a c t o r s ，w h i c he f f e c tt h em o n i t o r i n gs y s t e m 。a r ea s s a i di ns o m ed e g r e eb a s e d n a b s t r a c t e x p e r i e n c e sa n dr e l e v a n t s e v e r a lw a y sa r ee x p o u n d e dt oo v e r c o m ei t t h e e x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n dp r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e st e s i n gs t e e l m a s s ，p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t ec u n i f o r m ，f a s t e n i n gp i e c e ，s t r e s sd e v i c ea n ds o o n k e y w o r d s ： s e a m l e s sw e l d e d r a i l s ( s w r ) ，p o r t r a i t t h e r m a l s t r e s s ( p t s ) ，c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蟹堑兰日期j 孤6 年和日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：膀硫导师签名：亚垂：盘 日期：砂莎年弓月加日 第一章绪论 第一章绪论弟一早 珀。f 匕 1 1无缝钢轨的温度应力测量问题的发展状况 随着运输业的快速发展，铁路运输作为运输行业中的重中之重，为各国的 铁路部门所重视。各国的铁路安全质量监察部门对铁路运输的基石钥轨的 质量和使用状态的安全性能要求之高尤为突出。 自上世纪五十年代，便携式电焊机和点焊技术在钢轨行业的广泛应用，促 进了野外条件下无缝焊接钢轨的快速发展。由于无缝焊接钢轨延长了钢轨的使 用寿命，减少了铁路的养护费用，并且使列车在运行的过程中更为平稳安静， 因此被各国的铁路部门所采用。 所谓的无缝焊接钢轨( c w r c o n t i n u o u s i yw e l d e dr a i l s ) 就是将不钻 孔、不淬火的2 5 米长的钢轨，在焊轨厂用接触焊或气压焊的方法，焊接成2 0 0 米至5 0 0 米的长钢轨，然后运送到铺轨地点，再将所有的长钢轨焊接成首尾相 连的一个整体，即无缝线路。无缝焊接钢轨的特点是钢轨间不留轨缝，并将钢 轨的两端用扣件和防爬设备紧紧地锁住，其他部分通过大强度的中间连接零件 使之紧扣在钢筋混凝土轨枕之上。 无缝钢轨便在扣件阻力和道床阻力的作用下，使得无缝线路只能在两端1 0 0 米范围内产生热胀冷缩，中间部分形成固定区域，不随轨温膨胀收缩，于是钢 轨固定区内储存了相应的纵向温度应力【i 】。 由于钢轨在铁路运输的过程中，工作环境是野外露天的，因此它不仅要承 受列车在运行时的不同类型、不同频率和不同方向的高强度瞬时应力，更要承 受由温度变化而引起的钢轨热胀冷缩而产生的温度应力。 为了减少无缝钢轨的温度应力，在铺设钢轨时需要在钢轨处于合适的温度 下锁定线路，一般采用比当地最高轨温和最低轨温的平均值稍高的轨温来锁定。 如果控制不当，当轨温升高或降低到一定程度时，便会在扣件阻力小或路基条 件较差的区域内释放其能量，当能量较大时，便会发生胀轨断轨，严重威胁到 列车的运行安全，因此预测发生胀轨或断轨的可能性，准确及时掌握钢轨内部 温度应力具有重要意义。 1 1 1 国r 为9 1 研究进展与方向 电子科技大学硕士学位论文 由于无缝钢轨轴向温度应力的存在具有产生钢轨的胀轨断轨的可能性，前 期国内外的主要科研攻关通常有两点闭： 第一种是从产生胀轨断轨的各种可能因素入手来解决胀轨问题，即从加强钢 轨的稳定性入手，加重、加密轨枕，加宽、加高道床( 包括加宽路基) ，加强扣 件的扣压力，设计时有意识地减小钢轨的压应力，也就是放大放宽钢轨的拉应 力，并采取天热时不作业，天热时加班巡道等，与此同时，部分地区的铁路局 ( 公司) 要求在夏季降低列车的行驶速度，以便减小钢轨因列车行驶中产生的 动载荷。 第二种减小胀轨断轨几率的方法是割掉一小段钢轨，释放应力后再焊接起 来，即对不放心的钢轨路段进行盲目、无休止的使钢轨往长的方向放散，也就 是往增加钢轨拉应力方向放散，而往往不考虑钢轨长期超应力造成的过早疲劳 和拉断等问题，唯一的考虑是全力以赴，确保钢轨不发生胀轨断轨，尽管如此， 无缝钢轨的胀轨断轨以及列车的脱轨事件在国内外时有发生。 后期，各国铁路监察部门开始着力于从预防角度入手降低无缝钢轨发生胀 轨断轨的事故几率，即对无缝钢轨的轴向温度应力进行监测。 不论在国内还是国外，对无缝钢轨温度应力的检测均走了一条从有损检测 至无损检测的道路，前者将会对钢轨造成物理损伤，因此随着现代科学和工业 技术的发展，无损检测技术越来越为人们所重视。 无损检测是在不损伤被检材料或机械结构装置使用性能的基础上，采用光、 声、电磁等物理方法，检测物理性能、状态和内部结构以判断被检查物合格与 否。目前常用的检测方法主要有射线、渗透、磁粉、涡流、声发射、超声波和 渗漏检测等等。无损检测的发展经历了三个阶段，即n d i ( n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ) 、n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 、n d e ( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ) ，目前统称为无损检测( n d t ) ： n d i ：无损探伤，主要用于产品的最终检验，在不破坏产品的前提下， 发现被检测物的缺陷，用来满足工程设计对零部件强度设计的需要。 n d t ：无损检测，不仅要进行产品的最终检验，而且要测量过程工艺 参数，特别是测量在加工过程中所需要的各种工艺参数，诸如温度、压力、粘 度、密度、浓度、液位、流量、成分、压力水平、温度应力、残余应力、晶体 颗粒、组织结构等等。 n d e ：无损评估，不仅要进行产品的最终检验以及过程工艺参数的测 2 第一章绪论 定，而且还要在当认定材料中不存在致命的裂纹或其他缺陷时，从整体上评价 材料中缺陷的分散度，在n d e 的信息和材料的结构性能之间建立联系，并对决 定材料的性质、动态响应和服役性指标的实测值等因素进行分析和评估。自二 十世纪末来，国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从n d i 和n d t 阶段往 n d e 阶段过渡。 由于技术保密或者其他原因，目前我们只能得到简要的国外对无缝钢轨温 度应力的监测手段的报道，即在国外既有采用巴克豪森效应测定钢轨轴向应力， 也有采用超声波测定钢轨轴向应力，并研制出相应产品。而在国内，无损检测 钢轨轴向温度应力的技术运用处于研究阶段，没有实际应用于铁路领域的成功 案例。 1 1 2 无缝钢轨温度应力检测的常见手段 在国内外，无缝钢轨温度应力检测的常见手段主要有机械有损检测法、标 定法和物理无损检测法。 ( 1 ) 机械有损检测法： 无缝钢轨钻孔法 无缝钢轨钻孔法需要在钢轨表面安装应变计，并在应变计附近钻孔，测量 所释放的应变后再通过应变算出应力。此方法钻孔深度要达到孔径的1 2 - 2 倍， 此时可以认为应力已经完全释放，但是钻孔孔径d o 和测量直径d 的比值d d 0 增加时，测量灵敏度显著下降，此时测量的应力变小，根据经验一般要保证比 值在2 5 d i d 0 3 4 之间【3 l 。此外，钻孔法对钻孔工艺和工具有严格要求，在国 内，钻孔法研究相对成熟并推出有检测设备的科研机构有西安交通大学、上海 交通大学和郑州机械研究所。 无缝钢轨切槽法 此类方法就是在钢轨上进行切槽，由于切槽而形成温度应力释放区，测定 此部分的应变便可求出温度应力。对于此类温度应力释放的区域来说，不论是 由直线沟槽所包围还是由圆弧沟槽所包围均可以。g u n n e r t 法就是制成圆弧沟 槽，可作为切槽法( t r e p a n n i n gm e t h o d ) 的代表。 无缝钢轨切取法 此类方法就是从钢轨表面上切取一细长的矩形试样，由于切下的小片温度 电子科技大学硕士学位论文 应力被释放，那么测出应力释放处先后变化就可以计算出温度应力。 此类方法属于破坏性应力测定方法，对实施的工具方法有严格的要求，而 且效率很低，准确度不高。 ( 2 ) 标定轨长法： 标定轨长法是使用一只长达2 5 米，并且与钢轨具有相同线性膨胀系数的标 尺来测量被测钢轨同样温度下的伸长，即将标尺的长度看作是钢轨自由状态时 的长度，如果钢轨的长度与标尺不一致，则表示钢轨中有应力变化，比标尺短 表示存在轴向温度压应力，反之为轴向温度拉应力。我国的无缝铁轨温度应力 的检测主要是采用这种人工定点定时测定的方法。 此方法获得的检测数据密度小，占用劳动力多，测量误差大，实时性差， 因此难以为铁路养护提供及时、准确、科学的决策依据。 ( 3 ) 物理无损检测法： 磁弹性检测法 磁弹性检测法是无损检测钢轨温度应力的新型方法之一。磁弹性检测法是 建立在巴克豪森噪信( b a r k h a u s e nn o i s e 简称b n ) 强度测量基础上的一种无损检 测方法。铁磁材料是由不同取向的小磁畴组成，在无外界因素作用下，每个磁 畴沿其易极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零。当有外加交变磁场或应 力作用时，磁畴沿其作用方向发生9 0 度或1 8 0 度反转或使磁畴壁移动，导致磁 畴发生一定规律的取向，这种磁畴变化过程使材料内部发生一系列突变、阶跃 式的脉冲信号。 1 9 世纪3 0 年代初，b o z o r t h 和d i l l i n g e r 等人对巴克豪森信号进行研究，测 量了铁磁材料中的巴克豪森跳跃脉冲信号的平均大小、数目和分布，并给出平 均跳跃能量表达式 4 1 ： 矿：0 2 l 1 u , i 三( i - i ) 蟹p b ：堕 。西 式中：三为接收线圈长度；焉为跳跃产生的平均平方电流；q 为可逆磁导 率；a 为线路常数；p 为试样电阻率；b 。为磁化强度：掣为磁化密度变化率。 a t b n 信号大小除了与接收线圈匝数、磁化强度有关外，还与跳跃产生的平均 平方电流焉有关，而艺的大小与被测区域的内应力、热处理状态、晶体取向等 4 第一章绪论 因素有关。 在无缝钢轨温度应力测量的应用中，主要是利用巴克豪森b n 信号随拉伸应 力的增加而增加，随压缩应力的增加减少的特性，图1 1 所示的是两种钢轨试件 ( 5 0 k g ，mr a i l 和6 0 k g mr a i l ) 在拉压试验中所测得的巴克豪森b n 信号的变 化趋势图1 5 ，其正值表示拉应力，负值表示压应力。 图卜1t h e r m a ls t r e s s ( 温度应力) 和b a r k h a u s e nn o i s ei n t e n s i t y ( b n 强度) 磁弹性检测法具有方便、快速的特点，但受钢轨材质内部组织的影响较大， 因此可信度以及普及率并不高。 x 射线检测法 x 射线检测法是利用x 射线穿透物体过程中受到吸收和衰减的性质，在感 光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，从而检测出物 体内部缺陷的种类、大小、分布状况并作出评价。 x 射线检测法的基本依据是一定应力状态引起的晶格应变和按弹性理论求 出的宏观应变是一致的，而晶格应变可以通过布拉格方程由x 射线衍射测出， 这样便可以测得的晶格应变来推知宏观应力。此方法为利用x 射线入射到物质 时的衍射现象测定出宏观温度应力，测定时选用一定波长特性的x 射线，根据 布拉格定律【6 1 得： 2 d s i n o l - 以兄 ( 1 2 ) 式中：元x 射线波长 入射角 d 晶面间距 当取决于材料的金相组织的晶格常数一定时，可以推导出主应力呸、以 电子科技大学硕士学位论文 及万同角口的夫糸： 珥2 c r + 9 0 - c r e f c o t 一 a l c o t 。口 。睁9 0 一g t a n 。伐 吒2 j _ (1-3)1 一t a n 2 口 、7 口： !垒墨：丝二三生竺 利用x 射线入射到物质的衍射测定温度应力，测定时根据射线移动可以测 定出宏观残余应力，而根据衍射线的变宽能测出微观的温度应力。x 射线温度应 力测量方法只能测出几十微米范围内的浅表层温度应力，为测定更深层的温度 应力，又发展了一些其他的方法。此外，x 射线衍射法因对试件表面的光洁度要 求较严格，往往需要对试件被测点进行局部电解抛光，所以对试件有轻微的损 伤。 扫描电子声显微镜检测法 扫描电子声显微镜( s c a ne l e c t r o n i ca u d i om i c r o s c o p e ) 适合对不透明材 料中的温度应力进行无损检测，与x 射线衍射技术相比，它的穿透能力较强， 分层成像能力独特便于揭示温度应力一深度分布状况，使测定温度应力三位分 布成为可能。 s c a ne l e c t r o n i ca u d i om i c r o s c o p e 技术基于热波成像原理，利用热波在试 件中传播时对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，它能反映出光学和电 子显微镜不能反映的材料表面及亚表面特征 7 1 。 基于此类方法研制用于工业领域的仪器价格昂贵是其最大弱点。 中子衍射检测法 中子衍射检测法主要利用材料晶格常数的变化来推算物体的应力状态，高 敏度中子衍射法可以检测材料几厘米深的温度应力，并且是一种绝对标定，不 受材料结构和表面状况的影响。当以一束波长为兄的中子流按一角度辐射向材料 表面时，如果辐射区中m i l l e r 指数为h k i 的晶面族间距d h 刚好为五的整数倍， 则反射的中子流便会发生相长干涉。此时在与入射中子流成角度的接收器会收 到一个峰值信号。根据这些相长干涉的角度以及波峰高度，由b r a g g ( 2 s i n 钆= n 2 ) 定律，可以求出辐射区中的某些晶面族的平均间距。由 于温度应力改变了材料的晶格常数，因此同一晶面族( h k l ) 的间距在应力状态 6 第一章绪论 时，用中子衍射测出的间距会变化，所以辐射区中的晶格的微应变可表示为【8 1 ： e h d = 毕= - - c o so o 脯堑竽 铂删 二 ( 1 - 4 ) 唬榭= 2 e o 榭 式中下标。删表示无应力状态量，假设微应变与坐标轴的方向余弦为 i r o n ，则主应力张量为： = ，2 + 聊2 s + ，2 2 乞+ 2 l m + 2 m n t r r ：+ 2 n l c = q ，= 熹毛+ 石熹( + 勃+ 乞) ( 1 - 5 ) q r = 而毛+ 百乏丽可可+ 勃+ 乞) 5 ) ( f - x ，y ，z ) 至少对六个不同的角度进行测量，便可以由上式的第一式求出应变并进而 求出主应力，从而了解材料内部温度应力的状态。 从理论上讲，中子衍射检测法测量可以在任意点与任意方向被重复，但实 际应用限制在薄薄的样品截面，如钢轨的长度方向，样品的设计也常常用来解 决在线钢轨的应力测定问题。 1 2 用超声波测量无缝钢轨的温度应力 国外已经把超声波测量应力的技术广泛应用于铁路行业： 超声波测量应力的第一个实际应用检测被调直后的钢轨内的纵向 残余应力。1 9 8 8 年，为h u t ak a t o w i c e 钢厂开发了超声波应力计。利用超声波 方法，在欧洲其他工厂进行检测的结果记录在欧洲铁路联盟报告中，美国钢轨 的测试结果记录在美国铁路协会报告里1 9 。 超声波测量应力的第二个实际应用检测整体车轮辋内的应力。每年 世界各国铁路公司根据旧的检测标准要更换几百万个车轮，而实际上其中的大 部分车轮其实是能够满足实际应用需要的，因此铁路公司多年来一直在寻求一 种适于对运用中的车轮进行应力评估的可靠的无损检测技术，进行了包括x 光 衍射、巴克豪森噪声和磁弹性测量法等实验，发现没有一种方法适用于实际需 要。超声波技术是最有前途的用于车轮内应力的评估方法。第一次利用超声波 技术进行检测试验是在1 9 7 3 年，此后国外的铁路公司均把超声波技术作为检测 7 电子科技大学硕士学位论文 工具。 超声波测量应力的第三个实际应用测量无缝钢轨的温度应力，也是 最有前途的应用。 1 2 1 超声波应力测量的技术难点 随着材料塑性、分布均匀性以及热传导性等因素对声弹性测量的影响的逐 步解决，声弹性技术成为温度应力无损检测的有效并可广泛适用的技术。超声 波测量温度应力的特点【1 0 】： 超声波具有光波一样具有良好的方向性，可以进行定向发射； 超声波的穿透能力较强，在一些金属材料中，其穿透能力可达数米； 能无损检测实际构件的表面应力和内部应力； 某些领域可采用新型电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力测量； 超声波测量仪器通常可以做成便携式，方便野外作业； 超声波在测量应力领域，需要进行应力标定试验。 目前超声波检测温度应力主要是应用声弹性效应测定声速在构件中的变化 来测定应力，这样不免会有以下几个技术难点： 构件中温度应力对声速的影响很小，通常m p a 级的应力在便于操作的长 度上仅能引起传播声时纳秒级的变化，这对信号处理的要求就非常高； 。要实现对声速的精确测量，发射和接收环节很关键： 在检测过程中由于材料本身的晶体结构等原因会引起一定程度的织构效 果，它会对应力的测量误差造成一定影响； 需要测试不同频率的超声波，检测出材料的最敏感状态时的超声波频率， 需要进行大量的实验来确定。 1 2 2 特种超声波极限折射纵波的应用 在铁路工业中，超声波最有前途的应用之一是测量无缝钢轨的温度应力，此 处所使用的超声波技术指的是特种超声波技术，它不同于纵波和横波，称为极 限折射纵波，即c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e ，简称厶。波。 如今比较成熟的超声波应力计是通过端面进行轴向应力的测量，应用范围主 要在工业领域的螺栓紧固应力的测量，示意图如图1 2 所示，即在紧固螺栓的一 第一章绪论 端通过超声波换能器发射超声波，并接收返回的超声波，通过对比声时的变化 来检测轴向的紧固应力 h i 。 匿囊 器 图卜2 螺栓紧固应力的测量装置示意图 而如果使用传统的超声波应力计来测量钢轨的轴向温度应力显然是不现实 的，因为不可能将钢轨截断后再进行测量。极限折射纵波的测量手段的特殊之 处是在钢轨的表面便可检测钢轨的温度应力，即通过极限折射纵波探头检测无 缝钢轨的表面下切向的应力，即轴向的温度应力，如图1 3 所示，在选定的轨道 位置上，测量装置利用极限折射纵波波速与钢轨材料热膨胀( 温度应力) 应力 相关的特性来检测应力，而且可以实现重复测量，并可以检测无缝钢轨上的各 个位置的温度应力值。 图卜3 极限折射纵波探头检测无缝钢轨内的温度应力 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章固体中超声波的发射与传播 2 1固体中的发射和接收 人耳可听见的声音频率为2 0 h z - - - - 2 0 k h z ，即所谓的可听声波，超过这个频 率范围的声音，2 0 k h z 以上的声音被称为超声波，2 0 h z 以下的声音被成为次声 波。超声波的传播方式为直线传播，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越 弱。 2 1 1超声波的发射与接收换能器 超声波的发射与接收就是利用各种超声换能器，将其他形式的能量，比如 机械能、电磁能、光能等，转化为超声振动能量并向各种媒质中发射，然后利 用超声接收器( 包括具有可逆效应的上述换能器) 将超声场的各种信号转换为 便于处理的电信号或光信号，通过各种显示终端，变为可见指示。 基本的超声波的发射与接收技术及设备有以下几种： ( 1 ) 磁致伸缩型超声换能器 磁致伸缩效果于1 9 4 7 年由j o u l e 发现，它具有逆效应，也就是说磁致伸缩 型超声换能器既可作为发射探头，也可作为声波信号接收探头【1 2 】。在已发现的 磁致伸缩材料中，稀土铁超磁致伸缩材料比压电材料的压力应力大1 0 多倍，而 它的声速只有压电陶瓷的一半，特别适合制作低频大功率水下声源和非金属超 声检测探头。与压电超声换能器相比，磁致伸缩超声换能器具有机械强度高， 性能稳定，等效输入阻抗低，可在较低激励电压下输出较大声功率，主要用于 1 0 0 k h z 以下的低频超声设备，比如超声清洗、加工、粉碎、焊接等工业应用。 ( 2 ) 压电型超声换能器 压电型超声换能器是在压电效应和逆压电效应被发现的基础上研制的，压 电型超声换能器是利用压电晶体的压电效应，在压电材料切片上施加交变电压， 使其振动而产生超声波，压电材料的固有频率的计算公式如下【1 3 】： 五= 寺后 p ， 式中：玎谐波次数：n - - 1 ，2 ，3 l o 第二章固体中超声波的发射与传播 d 压电晶片厚度； e 压电材料弹性模量； p 压电材料密度； 根据共振理论，当外加的交变频率等于晶体的固有频率时，产生共振，此 时所产生的超声波振幅最大，也即能量最强。压电型超声换能器可以产生几十 千赫兹至几十兆赫兹的高频超声波。 ( 3 ) 机械式超声产生设备 声波属于机械波，直接利用机械能产生超声波的方式大多在空气中进行， 比如利用带孔圆盘转子及定子调制气流的旋笛的频率可达3 4 k h z ，声功率可达 2 k w 。虽然此类气动式超声产生器的频率不高，而且不够稳定，但至今依旧有 其应用价值，比如在机场驱鸟等方面的应用仍然在发展。 ( 4 ) 光声型超声发射与接收设备 主要指的是激光超声技术，它的机理起因于激光与物质的相互作用并与激 光的强度有关。当较低强度的激光脉冲作用到媒介上时，光能被媒介吸收、变 热而产生膨胀。在液体中，这将产生纵波，并可能具有一定的指向性；而在固 体中，会产生纵波、横波及表面波。这归结为激光发声的线性理论模型，即所 谓1 “热声机理 。当激光脉冲的强度足够高时，在液体中会发生气化或光击穿现 象，在固体中将出现熔化及烧蚀现象，由此引发压缩波，甚至冲击波。激光超 声最重要的优点是能以非接触方式对物体进行无损检测，并可实现遥控检测， 特别适合对高压、高温及有危害的恶劣环境下物体的检测。 ( 5 ) 接收超声的基本技术与设备 接收超声通常利用具有正逆转换效应的材料制成发，收型换能器来实现，可 以是单探头形式，也可以是多探头形式，而且发、收换能器还能使用不同材料、 形状及工作参数，具有更大的灵活性。 比如压电型超声波换能接收器是利用正压电效应进行工作的，当超声波作 用到压电晶体片时，相当于施加一作用力，在晶片的相应界面上产生交变电荷， 此电荷经过电压或电荷放大器转换为电压信号被显示或记录。 2 1 2 固体中超声波的常见波形种类及其特点 超声波在固体中的传播速度取决于固体的特性参数，固体中超声波的传播 电子科技大学硕士学位论文 是借助传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波类似【1 4 1 ： a = a ( x ) c o s ( c o t + k x ) ( 2 2 ) 彳( x ) = a o e 叫。( 2 3 ) 其中，a ( x ) 为振幅； 4 常数； 缈为角频率； ，为时间： x 为传播距离； k = 2 万兄为波数； 名为波长； 口为衰减系数。 衰减系数与声波所在介质及频率的关系为： 口= a j ( 2 4 ) 式中，a 为介质常数： ，为振动频率； 超声波属于机械波，是机械振动在弹性媒介中的传播。根据声波的传播方 向和声波传播媒介的振动方向，超声波的波形主要可以分为纵波、横波、表面 波和兰姆波。 纵波 传播媒介质点振动方向与声波的传播方向一致的波被称为纵波，如图2 1 所示，纵波能在固体、液体和气体中传播，为了测量在各种状态下的物理量， 多数采用纵向振动，比如超声波测量螺栓预紧力就是使用超声纵波。 横波 图2 一l 纵波的传播方式 1 2 第二章固体中超声波的发射与传播 传播媒介质点振动方向垂直于声波的传播方向的波被称为横波，如图2 2 所示，也称剪切波，只能在固体中传播； 图2 - 2 横波的传播方式 表面波 传播媒介质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度 增加而迅速衰减的波被称为表面波，又为瑞利波，如图2 3 所示。表面波质点的 振动轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向； 图2 3 表面波的传播方式 兰姆波 兰姆波只产生在具有一定厚度的薄板内，在板的两表面及中部有质点的振 动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，故也被称为板波。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性常数有关，在气体及液体中，超声 波的传播形式为纵波，其传播速度的计算公式如下： y ：工( 2 - 5 ) np b g 式中：p 介质密度： b 。绝对压缩系数； 电子科技大学硕士学位论文 在固体介质中，超声波的传播形式可以为纵波，也可以是横波，在无限大 的各向同性均匀固体中，其传播速度的计算公式如下： 纵波速率： 横波速率： 巧= k = 式中：e 固体的杨氏弹性模量； y 固体的泊松比； 固体材料中的弹性也可以l a m e 常数五和来表示， 模量e 和泊松比v 的关系： e v = 一 ( 1 + y ) ( 1 2 y ) e 倍。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 这些常数与杨氏弹性 ( 2 8 ) = = = ( 2 9 ) 。 2 ( 1 + y ) 、。 由上述公式可以导出纵波与横波声速之间的关系如下： l 胆型 ( 2 - 1 0 )i = i i ，1 - j k、( 1 2 y ) 对于一般固体而言，y 的值约为0 3 左右，因此纵波波速约为横波波速的两 2 2 极限折射纵波的产生机理 本文所要研究的方向是无缝钢轨的轴向温度应力，常规纵波、横波等根据 其激发和传播方式是很难测得钢轨轴向温度应力的，而能实际应用的常规超声 波种类仅仅限于表面波，而表面波的最大缺陷在于表面波所能检测到应力变化 仅仅是钢轨表面的应力，即在一定波长上有传播峰值能力。而纵波则需要在两 个端面上进行发射和接收，显然是不符合钢轨温度应力无损检测要求的，因为 要实现端面的测量则需要将钢轨截断，而且在截断的过程中应力已经逐步释放。 根据测量钢轨温度应力的本身特点，有人提出了使用特种超声波，即极限 1 4 黟焉 第二章，固体中超声波的发射与传播 折射纵波的办法。极限折射纵波是纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式， 临界折射纵波技术的优点是测量应力变化的灵敏度高，缺点是衰减较快。 2 2 1极限折射纵波的激发和传播 无缝钢轨的轴向温度应力检测的最佳方式是通过沿着钢轨纵向传播的超声 波方向进行，极限折射纵波就是在钢轨的表面被激发，斜入射到钢轨中并延近 表面进行传播的一种特殊波形。值得注意的是，极限折射纵波是平行穿过表面 以下而不是表面，即在表面下一定的深度传播。 极限折射纵波检测深度和其频率有一定的关系，低频率的波穿入深度大于 高频率的波。根据实验数据分析【1 5 】，1 o m h z 的极限折射纵波可以反映出大约 5 9 m m 深度层的应力值，2 2 5 m h z 的极限折射纵波可以测量2 6 m m 深度层的 应力值。因此通过一系列频率的极限折射纵波，便可测量出一系列不同厚度范 围的应力梯度。 由超声换能器产生的超声纵波从一种介质( 材料i ) 斜射到被检测介质( 材 料i i ) 中，此时在介质i i 中产生两种波，即纵波和横波，如图2 - 4 所示。 弋 介质i 7 一 一岛0 2 介质i l 图2 - 4 波形转换图 它们的角度关系满足著名的s n e l l ( 斯涅耳) 定律公式： 旦s i n 0 = 盘s i n = 矗s i n = 墨s i n = 盏s i n 协 鼠幺 口 “ 在图中与式中： 电子科技大学硕士学位论文 三、厶、厶为入射纵波、反射纵波和折射纵波； s 、s 2 为反射横波和折射横波； 吒、吃。、珞分别是介质i 中的入射纵波波速、反射纵波波速和 反射横波波速； k pk ：分别是介质i i 中的折射纵波波速和折射横波波速； 0 、日、砬分别是入射纵波的角度、反射纵波的角度和折射纵波 的角度； 口、p 分别是反射横波的角度和折射横波的角度。 当介质i i 中的纵波波速圪，：大于介质i 中的纵波波速k 。时，折射纵波的角度 、岛大于入射纵波的角度日。折射纵波的角度幺随入射纵波的角度目的增大而增 大。当0 2 等于9 0 。时，便达到折射极限，而臼被称为倾斜入射的第一临界角。 在本文中，选择介质i 为有机玻璃楔块，介质i i 为钢轨，在有机玻璃楔块 和钢轨中的纵波波速约为2 7 3 0 m s 和5 7 6 0 m s ，便可由上面的s n e l l 定律公式 算出第一临界角为2 7 2 6 。 超声波有机玻璃楔块探头的结构与极限折射纵波的激发示意图如图2 5 所 示： l 2 7 。2 6 一 l 超声换 酮 能器 髟爹妒 有机玻 j 璃楔块 钢轨 强限折 射纵波 折射 横波9 0 j 图2 5 超声波有机玻璃楔块探头 2 2 2 极限折射纵波的有限元模型 根据s n e l l 定律可知，将有机玻璃楔块的斜面倾角如果设置为第一临界角， 1 6 第二章同体中超声波的发射与传播 则超卢波换能器在有机玻璃楔块的斜面上发射纵波，则会在钢轨中产生极限折 射纵波，根据这一理论基础，可以通过建立有限兀模型来模拟验证极限折射纵 波的激发和接收。 建立二维的有限元模型如图2 - 6 所示： 国2 6 有限元模型 具体模型参数及要求如下： 有机玻璃楔块e f g h 和i j k l 的底边均为2 c r n ，高为07 7 c m ，斜 面与底面的角度为2 7 。： 有机玻璃的密度为l1 8 5 x 1 0 3 敬m 3 ；有机玻璃的泊松比为03 3 ； 有机玻璃的弹性模量为34 1 0 9 n m 2 。 长方形钢块a b c d 的底边长为1 0 c m ，高为7 c m ； 钢块选用碳钢，密度为78 1 0 3 妇钢块的泊松比为03 ，钢 块的弹性模量为20 6 1 0 ”n t n 2 。 设两块有机玻璃楔块和长方形钢块的应力和应变连续，忽略超声 波耦合剂的影响； 在有机玻璃楔块e f g h 的e h 面上施加压强p 口) ： j 9 0 ) 2 25 i “( 2 ”- 0 7 2 , 1 0 6 t ) o f ! l4 j 1 2 ) i 尸( f ) = 0f 1 4 s 式中，为时间也就是用压强e ( t 1 模拟频率为o7 2 m h z 的超声 波换能器的振动频率，一个振动的周期约为14 “j ，14 s 后的压强 为零。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 网格尺寸应小于波长的1 3 ，仿真效果才会比较明显，并产生尽可 能小的误差，因此选择1 0 - 3 m ； 整个模型的阻尼设置为1 0 8 磁s 。 有限元软件a n s y s 介绍 现代工业的进步，很大程度上得力于计算机技术的飞速发展，目前，计算 机在工业方面的应用越来越广泛，将计算机和计算机软件应用于工业产品的开 发、设计、分析与制造，已经成为近代工业提升竞争力的主要方法。 有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f e a ) 是2 0 世纪中叶在电子计算机 诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域诞生的一种有效的计算 方法。有限元法是在连续力学领域飞机结构的静力与动力特性分析中应用 和发展起来的一种有效的数值分析方法，它不但可以解决工程中的结构分析问 题，也成功地解决了传热学、流体动力学、电磁学和声学等领域的问题。由于 有限元法计算精度高、适应性强、计算格式规格统一，有限元计算结果已经成 为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。经过几十年的发展，各种不同的 有限元方法形态发展得更为丰富，理论基础更为完善，而且已经开发出一批实 用、有效的通用和专用的有限元软件，国际上著名的通用有限元软件有几十种， 常