基于超声波技术的动车组线路连接器侵水量检测研究

摘要

动车组列车底部多个传感器的线路连接器由于各种原因有水汽侵入，水汽在连接器内积少成多，水位到达一临界值会造成线路短路，进而影响到列车行车安全。因此对连接器内水位状态的检测至关重要。本论文采用超声检测的方法进行研究。超声检测方法具有灵敏度高、检测速度快、检测时间短的优点，可以快捷、方便地检测出连接器内水位状态，以指导检修工人排水作业，减轻工人工作量，提高连接器使用寿命。本文研究的具体工作如下:
　　首先，基于连接器实体结构和工况，选择脉冲反射法进行研究。基于声波在固体和液体中的传播理论，推导出超声在连接器与水（空气）界面的声压反射系数，得出超声在不同界面反射回波能量具有显著差异，从而选出超声波能量作为超声检测的参考值。
　　其次，建立了连接器有限元模型，对连接器满水位、半水位、无水三种状态分别进行仿真，获得其回波波形，计算出回波信号能量值，比较不同状态回波信号能量的区别，验证了理论计算的正确性。并对有限元模型施加不同超声频率，比较不同频率下回波波形特点，选出适合连接器的超声检测频率。
　　然后，通过高斯声束模型，推导出圆形探头声场在固体中分布的表达式，基于MATLAB编程，计算不同频率、不同直径超声探头的声场分布，并对计算结果进行了可视化处理，总结出探头激发频率和直径对声束指向性、近场长度的影响规律。根据仿真结果以及连接器的尺寸选择合适的超声探头直径，为下一步检测试验的传感器选型提供了理论依据。
　　最后，设计满水位、3/4水位、半水位、1/4水位、无水状态检测试验，运用pocket-AE设备发射不同频率超声波脉冲，采集到回波信号数据，计算出回波信号能量值，比较不同水位状态回波信号能量值区别。试验表明超声检测方法可以成功检测出连接器内水位状态。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 超声检测技术研究现状

1．2．2 超声检测仿真研究现状

1．2．3 超声水位检测研究现状

1．3 研究内容

2 连接器侵水量超声检测方法研究

2．1 超声波检测方法简介

2．1．2 超声波的基本物理参数

2．2 连接器超声检测方法选择

2．3 连接器内部侵水量理论分析

2．3．1 声学边界条件

2．3．2 连接器器面处声压反射系数

2．4 本章小结

3 连接器超声检测过程仿真

3．1 有限元方法及其分析流程

3．1．1 有限元方法

3．1．2 有限元分析流程

3．2 连接器超声检测模型

3．2．1 连接器几何模型

3．2．2 有限元模型控制方程

3．3 COMSOL超声检测有限元仿真

3．4 超声检测仿真结果及分析

3．4．1 满水和无水状态仿真结果及分析

3．4．2 不同频率仿真结果及分析

3．4．3 不同水位仿真结果及分析

3．5 本章小结

4 超声探头声场仿真

4．1 多元高斯声束模型

4．1．1 近轴方程

4．1．2 单高斯声束传播

4．1．3 探头发射声场

4．2 圆形传感器声场仿真及分析

4．2．1 传感器辐射声场分布

4．2．2 传感器直径对声场影响

4．2．3 传感器频率对声场影响

4．3 超声探头参数选择

4．4 本章小结

5 连接器侵水量超声检测试验

5．1 试验方案设计

5．2 检测试验过程

5．3 试验结果及分析

5．3．1 不同水位结果及分析

5．3．2 不同频率结果及分析

5．3．3 不同耦合位置结果及分析

5．3．4 未知水量验证结果及分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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