Smart inspection of rail wheels with matrix arrays

1. 소개

철도 부문에서 더 큰 네트워크, 더 높은 하중, 더 빨라진 속도로 인해 적절한 안전 표준을 구현하는 데 큰 도전이 되고 있습니다. 이러한 맥락에서 레일 휠은 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 현재 공급망의 병목 현상으로 인해 바퀴를 새로 조달하는 데 어려움이 있어 중고 열차 바퀴의 수명이 길어지면서 상황이 더욱 악화되고 있습니다. 글로벌 철도 표준에 따르면 생산 후뿐만 아니라 운행 중에도 정기적으로 초음파 검사를 실시합니다[1-3]. 이를 통해 재료 결함을 조기에 발견하고 재료 피로로 인한 사고가 발생하기 전에 안전 절차를 실행할 수 있어야 합니다. 그러나 휠 고장은 여전히 발생하고 있습니다[4,5]. 예를 들어, 최근 발생한 심각한 물질적 손상을 초래한 사고에서 기존의 균열이 시간이 지남에 따라 감지되지 않고 확산될 수 있음이 밝혀졌습니다 [6,7]. 따라서 처리 및 림에 대한 단독 측정 외에도 휠 디스크에 대한 검사를 의무화하는 등 기존 표준을 확장할 필요가 있음이 분명합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 열차 바퀴의 검사 작업은 복잡한 기하학적 구조로 인해 까다롭습니다. 대부분의 경우 동일한 열차 유형에 대해 서로 다른 바퀴 형상이 존재하며 바퀴의 마일리지에 영향을 받기도 합니다. 이러한 까다로운 작업을 대규모로 처리하려면 적응형 시스템이 필요하며, 이는 고급 PAUT 방법과 결합된 적절한 프로브 구성을 통해서만 달성할 수 있습니다. 후자의 경우 매트릭스 프로브의 구현이 중요한 역할을 합니다. 이 문서에서는 매트릭스 배열을 사용하는 특허받은 방법[8-10]을 설명하고 트레드 및 페이스에서 측정한 결과를 요약합니다.

그림 1 다양한 휠 부품에 대한 접근(왼쪽)과 다양한 휠 지오메트리의 일반적인 예(오른쪽)

2. 원리 및 방법

원칙적으로 열차에는 분해된 휠 또는 휠셋과 조립된 휠셋에 모두 사용할 수 있는 두 가지 프로브 위치가 있습니다. 그림 2는 일반적인 구성에 대한 개요를 보여줍니다. 방사형 검사는 트레드와 웹에 적용되며, 축 방향 검사는 휠 림의 면과 플랜지에 대한 접근을 제공합니다. 체적 결함에는 수직 입사 방향의 종단파가 사용되는 반면, 균열은 두 개의 반대 음 방향 I과 II에서 나오는 앵글 빔으로 감지됩니다. 웹의 방사형 및 접선 균열 방향의 경우 각각 펄스 에코 및 이중 프로브 기술을 사용하여 검사를 수행합니다. 완전한 커버리지를 보장하려면 넓은 각도 범위를 커버해야 합니다. 따라서 합리적인 폼 팩터를 유지하기 위해 위상 배열 기술을 구현해야 합니다. 펄스 에코 및 듀얼 프로브 모드에서 방사형 프로브(그림 2의 a, b 및 a',b')를 모두 작동하면 프로브 수를 줄일 수 있습니다.

그림 2 열차 바퀴 검사를 위한 일반적인 프로브 배열의 개략도

3. 산업 솔루션

열차 바퀴는 운행 중 또는 생산 후 또는 주요 유지보수 주기 동안 정기적으로 검사하거나 분해해야 합니다. 그림 3 위쪽은 독일의 고속 열차에서 잘 확립된 현장 레일 휠 검사를 위한 산업용 솔루션을 보여줍니다[11]. 이 설정에서는 초음파 프로브가 아래에서 결합되지만, 분해된 휠셋을 위한 최신 로봇 솔루션은 위에서 테스트 메커니즘을 부착하므로 전체 공간 요구 사항을 줄이고 향상된 결합 조건을 활용할 수 있습니다. 휠당 일반적인 순 검사 시간은 약 90초입니다. 웹, 트레드, 림, 내부 및 외부 면의 전체 휠세트 검사는 교체, 분석 및 보고를 포함하여 일반적으로 15분 이상 걸리지 않습니다. 로봇 솔루션의 경우 검사 주기를 6분으로 더 단축할 수 있습니다. 예를 들어 자동 결함 인식 및 기하학적 에코 억제[12]를 포함한 보조적인 다층 분석은 작업자가 최종 결정을 내릴 수 있도록 지원합니다. 전반적인 검사 개념은 NDT4.0에 필요한 모든 기본 개념을 구현합니다[13]. 특히 디지털 트윈을 생성하여 전체 수명 기간 동안 휠셋을 추적할 수 있습니다. 최근 업그레이드된 두 시스템 모두 강력한 전자장치의 이점을 누릴 수 있는 매트릭스 프로브를 장착할 수 있어 유연한 작동이 가능하고 대형 구경에도 고급 PAUT 방법을 적용할 수 있습니다[14].

그림 3 인라인 열차 바퀴 검사(A) 및 분해된 열차 바퀴(B)를 위한 산업용 솔루션

4. 매트릭스 기술 구현

4.1 프로브 수 및 프로브 유형 감소

현재 첨단 기술에서는 이미 1D 어레이 프로브가 휠 검사의 까다로운 테스트 작업에 사용되고 있습니다. 그러나 한 방향에서는 유연한 전자식 스티어링이 가능하지만 두 번째 각도는 여전히 고정되어 있습니다. 따라서 웹의 내부와 외부 표면을 각각 검사하려면 별도의 프로브 쌍이 필요합니다. 같은 이유로 림과 플랜지의 균열을 검사하기 위해 면으로부터 4개의 프로브를 부착해야 합니다. 반대로 매트릭스 프로브의 가장 큰 장점은 전체 솔리드 각도, 즉 수직 및 수평 각도(βV 및 βH 및 그림 2) 내에서 전자식 조향이 가능하다는 점입니다. 따라서 훨씬 적은 수의 프로브로 동일한 테스트 기능을 달성할 수 있습니다. 폼 팩터가 줄어들면 매우 컴팩트한 설계가 가능하므로 로봇 및 모바일 솔루션에 특히 유용합니다. 또한 매트릭스 프로브를 사용하면 현재 테스트 장비에 적용된 다양한 쐐기 형상을 모방할 수 있기 때문에 프로브 수뿐만 아니라 다양한 프로브 유형도 줄어듭니다.

4.2 직접 결합 검사

현재까지 휠 감지의 주요 과제 중 하나는 대부분의 경우 적절한 형태의 에코를 사용할 수 없기 때문에 커플링 제어입니다. 직접 접촉 기술 때문에 인터페이스 에코의 사용조차 배제되어 있습니다. 따라서 기존의 모든 접근 방식은 노이즈 분석을 통한 간접 측정 또는 접근 가능한 형태 에코 전용 추가 프로브로 얻은 결과의 전송을 기반으로 합니다. 매트릭스 프로브를 사용하면 접근 가능한 형태 에코를 향해 빔 각도를 조정하여 결합 품질을 직접 확인할 수 있기 때문에 이러한 격차를 해소할 수 있습니다. 가능한 옵션은 그림 4에 예시적으로 나와 있습니다. 최적화된 설정으로 인해 도입된 커플링 검사는 매우 정밀합니다. 전체 둘레에 걸쳐 방사형 프로브의 커플 링 신호의 최대 변동은 일반적으로 ±0.5dB 미만으로 유지됩니다.

그림 4 방사형(A) 및 축 방향 검사(B)를 위한 직접 커플링 검사

4.3 최적화된 머신 설정

위에서 설명한 것처럼 매트릭스 프로브의 주요 장점 중 하나는 두 번째 각도를 전자적으로 설정할 수 있다는 것입니다. 따라서 고정밀 커플 링 검사 외에도 각 결함 유형 및 다양한 휠 형상에 대해 독립적으로 감도를 최적화 할 수 있습니다. 방사형 프로브에 대한 이러한 최적화의 한 예가 그림 5에 나와 있습니다. 두 번째 각도(βH)의 값 범위는 2°에서 12° 사이이며 방사형 결함과 접선 결함에 대해 서로 반대되는 경향을 보입니다. 따라서 현재 설정에서는 방사형 결함(작은 각도)과 접선 결함(큰 각도)에 대한 최적의 설정 사이에서 타협점을 찾아야 합니다. 매트릭스 프로브로 개선하면 게인 값이 낮아지고 잘못된 호출을 방지할 수 있습니다. 또한 투사 이미지의 품질에도 직접적인 영향을 미칩니다(그림 6 참조).

그림 5 두 가지 다른 휠 유형에 대해 얻은 방사형 검사에 대한 수평 조향 각도(βH) 최적화 결과. 동일한 결함 유형에 대해 서로 다른 깊이에서 서로 다른 결함 유형 간에 8°~10°의 큰 차이가 발생합니다.

그림 6 수평 조향 각도(βH)에 대한 최적화 후 얻은 투영 데이터 개선. 매트릭스 프로브의 경우, 홀의 연장선상에 있는 방사형 노치가 명확하게 보입니다. 현재의 최신 기술에서는 작업자가 획득한 데이터(A-Scan 및 TD-scan)를 추가로 분석하여 결함을 명확하게 식별해야 합니다.

4.4 향상된 기능

매트릭스 프로브는 현재 최첨단 기술의 유일한 최적화 외에도 향상된 기능에 대한 액세스를 제공합니다. 이러한 맥락에서 원주형 에코에 대한 전자 스티어링을 사용하여 검사된 휠 유형을 식별할 수 있습니다(그림 7 참조). 가장 유망하고 일상적인 애플리케이션에 적합한 것은 검사된 휠셋의 현장 상태를 측정하여 직접적인 보상을 가능하게 하는 것입니다. 한 가지 예는 마모된 트레드의 추가 스킵 각도를 추출하여 공칭 프로파일을 가정할 경우 감지 확률을 낮추는 것입니다(그림 8 참조). 고정밀 커플 링 검사의 이점을 활용하는 또 다른 옵션은 축 방향 프로브의 테스트 채널에 대한 이득 전달 보정을 통해 제공되며, 이는 페이스에서 커플 링 조건의 다소 강한 편차를 고려합니다.

그림 7 트레드에서 림으로의 전환에서 폼 에코의 각도 응답 패턴에서 휠 유형 인식.

그림 8 다양한 깊이에서 웹의 방사형 및 접선 노치에 대해 6dB 진폭 강하에 대해 추출된 스큐 각도. 평균값은 3°에서 7° 사이입니다. 현장 측정을 통해 작동 중 변형과 관련된 현재 기울기 각도를 결정하고 전자 보정을 통해 감지 확률을 동일하게 유지할 수 있습니다.

5. 결론

철도 부문에서 검사 수요가 증가함에 따라 다양한 휠 형상에 대응할 수 있는 안정적인 테스트 시스템이 필요합니다. 이러한 맥락에서 매트릭스 프로브의 구현은 다양한 테스트 설정에 적응할 수 있는 최고의 유연성을 제공하고 작업자의 전반적인 설정을 용이하게 합니다. 특히 매트릭스 프로브를 사용하면 직접 커플링 제어가 가능하므로 현재 최첨단 기술의 격차를 좁힐 수 있습니다. 각 결함 유형 및 다양한 휠 형상에 대한 최적화 가능성과 함께 매트릭스 기술은 매우 신뢰할 수 있는 측정을 가능하게 하고 높은 방지 비용으로 연결되는 폴트 콜을 감소시킵니다. 또한 매트릭스 프로브를 구현하면 휠 유형 자동 인식, 검사 시 휠 상태 측정 및 보정과 같은 추가 기능에 액세스할 수 있습니다. 이러한 기능은 실제 스마트 검사에 필요한 입력을 제공합니다.

참조

[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)