Ispezione intelligente di ruote ferroviarie con array di matrici

1. Introducción

Las redes más grandes, las cargas más elevadas y el aumento de la velocidad en el sector ferroviario están planteando grandes retos a la hora de aplicar normas de seguridad adecuadas. En este contexto, las ruedas ferroviarias representan uno de los componentes más críticos. En la actualidad, la situación se ve agravada por las dificultades en la nueva adquisición de ruedas debido a los cuellos de botella en las cadenas de suministro, que hacen necesario alargar los ciclos de vida de las ruedas de tren usadas. De acuerdo con las normas ferroviarias mundiales, la inspección ultrasónica se realiza no sólo después de la producción, sino también durante el servicio de forma regular [1-3]. De este modo se garantiza la detección temprana de defectos en los materiales y la puesta en marcha de procedimientos de seguridad antes de que se produzcan accidentes debidos a la fatiga de los materiales. Sin embargo, siguen produciéndose fallos en las ruedas [4,5]. Por ejemplo, algunos incidentes recientes que causaron importantes daños materiales revelaron que una grieta existente podía propagarse con el tiempo sin ser detectada [6,7]. Por lo tanto, es obvio que es necesario ampliar las normas existentes, incluyendo la inspección obligatoria del disco de la rueda, además de las mediciones de la suela en el tratamiento y la llanta. Como se ilustra en la Fig. 1, la tarea de inspección de las ruedas de los trenes constituye un reto debido a la complejidad de su geometría. En la mayoría de los casos, existen diferentes geometrías de rueda para el mismo tipo de tren que, además, se ven influidas por el kilometraje de las ruedas. Para hacer frente a estas exigentes tareas a gran escala, se requiere un sistema adaptativo, que sólo puede lograrse mediante una configuración adecuada de las sondas en combinación con métodos avanzados de PAUT. Para estos últimos, la implementación de sondas matriciales desempeñará un papel crucial. En este artículo se ilustran métodos patentados [8-10] que hacen referencia al uso de sondas matriciales y se resumen los resultados obtenidos para la medición de la banda de rodadura y la cara.

Fig. 1 Acceso a diferentes partes de la rueda (izquierda) y ejemplos típicos de diferentes geometrías de rueda (derecha)

2. Principios y métodos

En principio, existen dos posiciones de sondas que pueden utilizarse tanto para ruedas o ejes desmontados como para ejes montados en el tren. La Fig. 2 ofrece una visión general de las configuraciones típicas. La inspección radial se aplica a la banda de rodadura y el alma, mientras que la inspección axial permite acceder a la cara y la pestaña de la llanta. Mientras que las ondas longitudinales con incidencia perpendicular se utilizan para los defectos volumétricos, las grietas se detectan mediante haces angulares de dos direcciones acústicas opuestas I y II. Para la orientación radial y tangencial de las grietas en la banda, la inspección se realiza con la técnica de eco de impulsos y de sonda doble, respectivamente. Para garantizar una cobertura completa, es necesario cubrir un amplio rango angular. Por lo tanto, es necesario aplicar la tecnología phased array para mantener un factor de forma razonable. El número de palpadores puede reducirse haciendo funcionar los palpadores radiales (a, b y a',b' en la Fig. 2) tanto en modo pulso-eco como en modo doble palpador.

Fig. 2 Ilustración esquemática de las disposiciones típicas de las sondas para la inspección de ruedas de tren.

3. Soluciones industriales

Las ruedas de los trenes deben inspeccionarse periódicamente, ya sea en funcionamiento o desmontadas después de la producción o durante los principales intervalos de mantenimiento. La Fig. 3, en la parte superior, ilustra una solución industrial para la inspección in situ de ruedas de ferrocarril, que está bien establecida, por ejemplo, para los trenes de alta velocidad en Alemania [11]. Mientras que en esta configuración las sondas ultrasónicas se acoplan desde abajo, las últimas soluciones robóticas para conjuntos de ruedas desmontados acoplan la mecánica de prueba desde arriba, reduciendo así los requisitos de espacio total y aprovechando las mejores condiciones de acoplamiento. El tiempo de inspección neto típico por rueda es de unos 90 segundos. Una inspección completa de la banda de rodadura, la banda de rodadura, la llanta y las caras interior y exterior no suele llevar más de 15 minutos, incluidos el cambio, el análisis y la elaboración de informes. En el caso de las soluciones robotizadas, pueden alcanzarse intervalos de inspección incluso más rápidos, de 6 minutos. Un análisis asistido multicapa que incluye, por ejemplo, el reconocimiento automático de defectos y la supresión de ecos geométricos [12], ayuda al operario en la decisión final. El concepto general de inspección implementa todos los conceptos básicos necesarios para END4.0 [13]. En particular, la creación de un gemelo digital permite el seguimiento de los ejes a lo largo de toda su vida útil. Como última mejora, ambos sistemas ilustrados pueden equiparse con sondas matriciales que se benefician de una potente electrónica, lo que permite un funcionamiento flexible y la aplicación de métodos PAUT avanzados también para grandes aperturas [14].

Fig. 3 Soluciones industriales para la inspección de ruedas de tren en línea (A) y desmontadas (B)

4. Aplicación de la tecnología matricial

4.1 Reducción del número de palpadores y tipos de palpadores

En el estado actual de la técnica, ya se utilizan sondas de matriz 1D para hacer frente a la exigente tarea de ensayo para la inspección de ruedas. Sin embargo, aunque es posible una dirección electrónica flexible en una dirección, el segundo ángulo sigue siendo fijo. Por lo tanto, se necesita un par de sondas separadas para inspeccionar la superficie interior y exterior del alma, respectivamente. Por la misma razón, es necesario acoplar cuatro sondas desde la cara para inspeccionar las grietas en el borde y la brida. Por el contrario, la gran ventaja de las sondas matriciales es la dirección electrónica dentro del ángulo sólido completo, es decir, del ángulo vertical y horizontal (βV y βH y Fig. 2). De este modo, es posible conseguir la misma funcionalidad de ensayo con muchas menos sondas. La reducción del factor de forma permite un diseño muy compacto, lo que resulta especialmente interesante para soluciones robóticas y móviles. Además, el uso de sondas matriciales reduce no sólo el número de sondas, sino también el número de tipos de sonda diferentes, ya que es posible imitar las distintas geometrías de cuña que se aplican actualmente en las máquinas de ensayo.

4.2 Comprobación del acoplamiento directo

Hasta la fecha, uno de los mayores retos para cualquier detección de ruedas es el control de acoplamiento, ya que en la mayoría de los casos no se dispone de ecos de forma adecuados. Debido a las técnicas de contacto directo, incluso se excluye el uso del eco de interfaz. Por lo tanto, todos los enfoques existentes se basan en mediciones indirectas, ya sea mediante un análisis de ruido o la transferencia de los resultados obtenidos con sondas adicionales dedicadas a los ecos de forma accesible. El uso de sondas matriciales puede colmar esta laguna porque ahora es posible ajustar el ángulo del haz hacia un eco de forma accesible y comprobar así directamente la calidad del acoplamiento. Las posibles opciones se muestran de forma ejemplar en la Fig. 4. Gracias a los ajustes optimizados, la comprobación de acoplamiento introducida es extremadamente precisa. La fluctuación máxima de la señal de acoplamiento para sondas radiales en toda la circunferencia suele ser muy inferior a ±0,5 dB.

Fig. 4 Comprobación de acoplamiento directo para inspección radial (A) y axial (B).

4.3 Ajustes optimizados de la máquina

Como se ha comentado anteriormente, una de las principales ventajas de las sondas matriciales es el ajuste electrónico del segundo ángulo. Por lo tanto, además de una comprobación de acoplamiento de alta precisión, también es posible optimizar la sensibilidad para cada tipo de defecto y para diferentes geometrías de rueda de forma independiente. En la Fig. 5 se muestra un ejemplo de dicha optimización para sondas radiales. El rango de valores para el segundo ángulo (βH) está entre 2° y 12° con tendencias opuestas para defectos radiales y tangenciales. Por consiguiente, en las configuraciones actuales debe encontrarse un compromiso entre un ajuste óptimo para los defectos radiales (ángulos pequeños) y los defectos tangenciales (ángulos grandes). La mejora con sondas matriciales da lugar a valores de ganancia más bajos y evita las llamadas falsas. También repercute directamente en la calidad de la imagen de proyección (véase la Fig. 6).

Fig. 5 Resultado de la optimización del ángulo de dirección horizontal (βH) para la inspección radial obtenida para dos tipos de rueda diferentes. Se producen grandes diferencias de 8° a 10° para los mismos tipos de defectos a distinta profundidad y entre distintos tipos de defectos.

Fig. 6 Datos de proyección mejorados obtenidos tras la optimización para el ángulo de dirección horizontal (βH). En el caso de las sondas matriciales, la muesca radial en extensión del agujero es claramente visible. En el estado actual de la técnica, los operarios tienen que analizar más a fondo los datos adquiridos (A-Scan y TD-scan) para identificar claramente el defecto.

4.4 Mayor funcionalidad

Más allá de la mera optimización del estado actual de la técnica, las sondas matriciales también dan acceso a una mayor funcionalidad. En este contexto, la dirección electrónica a los ecos de forma circunferencial puede utilizarse para identificar el tipo de rueda inspeccionada (véase la Fig. 7). Lo más prometedor y relevante para las aplicaciones diarias es la medición in situ del estado del juego de ruedas inspeccionado, que permite una compensación directa. Un ejemplo es la extracción del ángulo de salto adicional de la banda de rodadura desgastada, que conduce a una disminución de la probabilidad de detección en caso de asumir el perfil nominal (véase la Fig. 8). Otra opción que aprovecha la comprobación de acoplamiento de alta precisión viene dada por una corrección de transferencia de ganancia para los canales de prueba de las sondas axiales, que considera las desviaciones bastante fuertes de las condiciones de acoplamiento respecto a la cara.

Fig. 7 Reconocimiento del tipo de rueda en el patrón de respuesta angular del eco de forma de la transición de la banda de rodadura a la llanta.

Fig. 8 Ángulos de inclinación extraídos para una caída de amplitud de 6 dB para muescas radiales y tangenciales en el alma a diferentes profundidades. Los valores medios oscilan entre 3° y 7°. Las mediciones in situ permiten determinar el ángulo de inclinación actual, que está relacionado con la deformación durante el funcionamiento, y una compensación electrónica para permanecer con la misma probabilidad de detección.

5. Conclusiones

Las crecientes demandas de inspección en el sector ferroviario implicarán la necesidad de un sistema de ensayo fiable que haga frente a una gran variedad de geometrías de rueda. En este contexto, la implantación de sondas matriciales ofrece la máxima flexibilidad para adaptarse a diferentes configuraciones de ensayo y facilita el ajuste general para el operario. En particular, el uso de sondas matriciales permite un control de acoplamiento directo, cerrando así una brecha existente en el estado actual de la técnica. En combinación con la posible optimización para cada tipo de defecto y para diferentes geometrías de rueda, la tecnología matricial permite mediciones altamente fiables y disminuye las llamadas a revisión, que están relacionadas con elevados costes evitables. Además, la implementación de sondas matriciales da acceso a funciones adicionales como el reconocimiento automático del tipo de rueda y la medición y compensación de las condiciones de la rueda en el momento de la inspección. Estas funciones proporcionan la información necesaria para una verdadera inspección inteligente.

Referencias

[1] EN 13262, “Railway applications - Wheelsets and bogies - Wheels - Product requirements”, CEN (2020)  [2] ISO 5948:2018, “Railway rolling stock material - Ultrasonic acceptance testing”, ISO (2018) [3] MxV Rail, “Manual of Standards and Recommended Practices: Section G-II, Mandatory and recommended shop practices for wheel and axle shops”, Association of American Railroads (2022) [4] European Union Agency for Railways, “Report on Railway Safety and Interoperability in the EU”, ISBN 978-92-9477-411-8 (2022) [5] U.S. Department of Transportation, “Wheel Failure Investigation Program: Phase I”, Federal Railroad Administration (2022) [6] Transportation Safety Board of Canada, “Rail transportation safety investigation report R18W0007”, ISBN: 978-0-660-33092-1 (2019) A. Schweizerische Sicherheitsuntersuchungsstelle, “Zwischenbericht der Schweizerischen Sicherheitsuntersuchungsstelle SUST über die Entgleisung eines Güterzuges im Gotthard-Basistunnel”, Swiss Confederation (2023)   [7] S. Falter, A. Franzen, F. Henrix and D. Werner, “Ultrasonic testing inspection with coupling validation”, WO2019075347A1 (2019) [8] A. Franzen, F. Henrix and D. Werner, “In-service high speed rail wheel testing”, EP3739330A1 (2020) [9]  A. Franzen, F. Henrix, D. Werner, “Methods and devices for ultrasonic non-destructive testing devices”, WO2021202143A1 (2021)  [10] D. Werner, T. Würschig, “In-Service Ultrasonic Wheel Inspection thought beyond - New Generation with Focus on improved Ergonomics, Digitalization and Operator Support”, 13th European Conference on Non-Destructive Testing 2023. e-Journal of Nondestructive Testing Vol. 28(8). (2023) [11] S. Falter, T. Heckel and U. Völz,“Device and method for determining material faults in rotationally symmetrical test samples by means of ultrasound”, EP2821783A1 (2015) [12]  D. Werner, A. Franzen, F. Henrix, U. Phillips, P. Buschke, “Digitalization for RailwayNDT”, 2nd European NDT & CM Days, Oct 4-7, Prague, Czech Republic (2021) [13]  Waygate Technologies, “High-End Electronics Platform for Ultrasonic Testing Machine USIP|xx”, Data sheet, BHCS38592 (2020)