Inspeção inteligente de rodas de carris com matrizes
Thomas WÜRSCHIG, Andreas FRANZEN, Frank HENRIX, Frank KAHMANN, Prashanth Kumar CHINTA e Daniel WERNER
Inspeção inteligente de rodas de carris com matrizes
As rodas dos carris são um dos componentes de segurança mais críticos do material circulante. Qualquer falha pode levar a eventos catastróficos que resultam em danos materiais elevados e ferimentos pessoais ou mesmo mortes. Por conseguinte, as normas ferroviárias internacionais exigem uma inspeção não destrutiva através de ensaios de ultra-sons (UT) numa base regular. Devido ao aumento das distâncias, cargas e velocidades, há cada vez mais exigências quanto à precisão e ao âmbito dos ensaios. No entanto, a inspeção de rodas de comboios é complicada devido à grande variedade de geometrias de rodas e à influência adicional de diferentes quilometragens. Além disso, as áreas de inspeção alargadas até uma inspeção de corpo inteiro definem muitas posições de defeitos diferentes, que são, em parte, de difícil acesso. Este artigo descreve soluções industriais que permitem a inspeção de corpo inteiro de rodas de comboio, incluindo face, flange, banda de rodagem e piso, para detetar defeitos volumétricos (a partir de 2 mm de diâmetro) e fissuras superficiais (a partir de 5 mm de comprimento e 1 mm de profundidade). Na última atualização, estes sistemas podem agora ser equipados com sondas de matriz. No início do artigo, serão abordados os princípios básicos e as configurações gerais das sondas. A parte principal deste artigo é então dedicada a realçar o impacto positivo da implementação de sondas matriciais. Para além de uma redução do fator de forma devido ao menor número de sondas, as sondas matriciais permitem uma verificação direta do acoplamento, alterando assim fundamentalmente o estado da arte existente. Outras vantagens referem-se a configurações melhoradas para uma maior fiabilidade do sistema. Por fim, descreve-se de que forma as sondas matriciais fornecem funcionalidades adicionais para alargar o atual estado da arte no sentido de uma inspeção inteligente.
1. Introdução
Redes maiores, cargas mais elevadas e velocidades mais altas no sector ferroviário colocam grandes desafios à aplicação de normas de segurança adequadas. Neste contexto, as rodas ferroviárias representam um dos componentes mais críticos. Neste caso, a situação é atualmente agravada por dificuldades na nova aquisição de rodas devido a estrangulamentos nas cadeias de abastecimento, que exigem ciclos de vida mais longos das rodas de comboio usadas. De acordo com as normas ferroviárias mundiais, a inspeção ultra-sónica é realizada regularmente não só após a produção, mas também durante o serviço [1-3]. Desta forma, deve ser assegurada a deteção de defeitos de material numa fase precoce e a ativação de procedimentos de segurança antes que possam surgir acidentes devidos à fadiga do material. No entanto, continuam a registar-se falhas nas rodas [4,5]. Por exemplo, incidentes recentes que causaram danos materiais significativos revelaram que uma fenda existente pode propagar-se ao longo do tempo sem ser detectada [6,7]. Por conseguinte, é óbvio que as normas existentes têm de ser alargadas, incluindo a inspeção obrigatória do disco da roda, para além das medições da sola no tratamento e na jante. Como ilustrado na Fig. 1, a tarefa de inspeção das rodas dos comboios é um desafio devido à sua geometria complexa. Na maioria dos casos, existem diferentes geometrias de rodas para o mesmo tipo de comboio, que são, além disso, influenciadas pela quilometragem das rodas. Para fazer face a estas tarefas exigentes em grande escala, é necessário um sistema adaptativo, o que só pode ser conseguido através de uma configuração adequada das sondas em combinação com métodos PAUT avançados. Para estes últimos, a implementação de sondas matriciais desempenhará um papel crucial. Este artigo ilustra métodos patenteados [8-10] referentes à utilização de matrizes e resume os resultados obtidos para a medição a partir do piso e da face.
Fig. 1 Acesso a diferentes partes da roda (esquerda) e exemplos típicos de diferentes geometrias de rodas (direita)
2. Princípios e métodos
Em princípio, há duas posições de sondas que podem ser utilizadas para rodas ou rodados desmontados, bem como para rodados montados no comboio. A Fig. 2 dá uma visão geral das configurações típicas. A inspeção radial é aplicada na banda de rodagem e na alma, enquanto a inspeção axial dá acesso à face e ao flange da jante. Enquanto as ondas longitudinais com incidência perpendicular são utilizadas para defeitos volumétricos, as fissuras são detectadas por feixes angulares de duas direcções sonoras opostas I e II. Para a orientação radial e tangencial da fenda na teia, a inspeção é realizada com eco de impulsos e técnica de sonda dupla, respetivamente. Para garantir uma cobertura total, deve ser coberta uma grande gama angular. Por conseguinte, é necessário implementar a tecnologia de phased array para manter um fator de forma razoável. O número de sondas pode ser reduzido utilizando as sondas radiais (a, b e a',b' na figura 2) tanto no modo de eco pulsado como no modo de sonda dupla.
Fig. 2 Ilustração esquemática de disposições típicas das sondas para a inspeção de rodas de comboios
3. Soluções industriais
As rodas dos comboios têm de ser inspeccionadas regularmente, quer em funcionamento quer desmontadas após a produção ou durante os principais intervalos de manutenção. A Fig. 3, em cima, ilustra uma solução industrial para a inspeção de rodas de carris no local, que está bem estabelecida, por exemplo, para os comboios de alta velocidade na Alemanha [11]. Enquanto nesta configuração as sondas ultra-sónicas são acopladas a partir de baixo, as soluções robóticas mais recentes para rodados desmontados acoplam a mecânica de ensaio a partir de cima, reduzindo assim os requisitos gerais de espaço e tirando partido de melhores condições de acoplamento. O tempo de inspeção líquido típico por roda é de cerca de 90 segundos. Uma inspeção completa do conjunto de rodas, da banda de rodagem, da jante, da face interior e exterior, não demora normalmente mais de 15 minutos, incluindo a mudança, a análise e a elaboração de relatórios. No caso de soluções robotizadas, podem ser alcançados intervalos de inspeção ainda mais rápidos, de 6 minutos. Uma análise de assistência em várias camadas, incluindo, por exemplo, o reconhecimento automático de defeitos e a supressão de ecos geométricos [12], apoia o operador na decisão final. O conceito global de inspeção implementa todos os conceitos básicos necessários para o NDT4.0 [13]. Em especial, a criação de um gémeo digital permite o acompanhamento dos rodados ao longo de toda a sua vida útil. Como última atualização, ambos os sistemas ilustrados podem ser equipados com sondas matriciais que beneficiam de uma eletrónica potente, o que permite um funcionamento flexível e a aplicação de métodos PAUT avançados também para grandes aberturas [14].
Fig. 3 Soluções industriais para a inspeção em linha de rodas de comboios (A) e de rodas de comboios desmontadas (B)
4. Implementação da tecnologia matricial
4.1 Número reduzido de sondas e tipos de sondas
No atual estado da arte, já são utilizadas sondas de matriz 1D para fazer face à exigente tarefa de ensaio para inspeção de rodas. No entanto, embora seja possível uma direção eletrónica flexível numa direção, o segundo ângulo continua a ser fixo. Por conseguinte, é necessário um par de sondas separado para inspecionar a superfície interior e exterior da banda, respetivamente. Pela mesma razão, é necessário fixar quatro sondas a partir da face para inspecionar as fissuras na borda e no flange. Pelo contrário, a grande vantagem das sondas matriciais é a direção eletrónica dentro de todo o ângulo sólido, ou seja, do ângulo vertical e horizontal (βV e βH e Fig. 2). Assim, é possível obter a mesma funcionalidade de ensaio com muito menos sondas. O fator de forma reduzido permite um design muito compacto, o que é de particular interesse para soluções robóticas e móveis. Além disso, a utilização de sondas matriciais reduz não só o número de sondas, mas também o número de diferentes tipos de sondas, uma vez que é possível imitar diferentes geometrias de cunha, tal como atualmente aplicadas nas máquinas de ensaio.
4.2 Verificação do acoplamento direto
Até à data, um dos maiores desafios para qualquer deteção de rodas é o controlo do acoplamento, porque na maioria dos casos não existem ecos de forma adequados. Devido às técnicas de contacto direto, até a utilização do eco da interface está excluída. Por conseguinte, todas as abordagens existentes se baseiam em medições indirectas, quer através de uma análise do ruído, quer através da transferência dos resultados obtidos com sondas adicionais dedicadas aos ecos de forma acessível. A utilização de sondas matriciais pode colmatar esta lacuna, uma vez que é agora possível ajustar o ângulo do feixe em direção a um eco de forma acessível e, assim, verificar diretamente a qualidade do acoplamento. As opções possíveis são apresentadas a título de exemplo na Fig. 4. Devido aos ajustes optimizados, a verificação do acoplamento introduzida é extremamente precisa. A flutuação máxima do sinal de acoplamento para sondas radiais ao longo de toda a circunferência mantém-se tipicamente bem abaixo de ±0,5dB.
Fig. 4 Verificação do acoplamento direto para inspeção radial (A) e axial (B)
4.3 Ajustes optimizados da máquina
Como já foi referido, uma das principais vantagens das sondas matriciais é a regulação eletrónica do segundo ângulo. Por conseguinte, para além de uma verificação do acoplamento de alta precisão, também é possível otimizar a sensibilidade para cada tipo de defeito e para diferentes geometrias de rodas de forma independente. Um exemplo desta otimização para sondas radiais é apresentado na Fig. 5. O intervalo de valores para o segundo ângulo (βH) situa-se entre 2° e 12°, com tendências opostas para defeitos radiais e tangenciais. Consequentemente, nas configurações actuais, é necessário encontrar um compromisso entre uma definição óptima para defeitos radiais (pequenos ângulos) e defeitos tangenciais (grandes ângulos). A melhoria com sondas matriciais resulta em valores de ganho mais baixos e evita falsas chamadas. Tem também um impacto direto na qualidade da imagem de projeção (ver Fig. 6).
Fig. 5 Resultado da otimização do ângulo de direção horizontal (βH) para a inspeção radial obtida para dois tipos de rodas diferentes. Verifica-se uma grande diferença de 8° a 10° para os mesmos tipos de defeitos a diferentes profundidades e entre diferentes tipos de defeitos.
Fig. 6 Dados de projeção melhorados obtidos após a otimização do ângulo de direção horizontal (βH). No caso das sondas de matriz, o entalhe radial na extensão do furo é claramente visível. No atual estado da arte, os operadores precisam de analisar mais profundamente os dados adquiridos (A-Scan e TD-scan) para identificar claramente o defeito.
4.4 Funcionalidade acrescida
Para além da otimização exclusiva do atual estado da arte, as sondas matriciais dão também acesso a uma funcionalidade acrescida. Neste contexto, a orientação eletrónica para ecos de forma circunferencial pode ser utilizada para identificar o tipo de roda inspeccionada (ver Fig. 7). Mais promissora e relevante para as aplicações diárias é a medição do estado no local do rodado inspeccionado, que permite uma compensação direta. Um exemplo é a extração do ângulo de desvio adicional da banda de rodagem desgastada, que leva a uma diminuição da probabilidade de deteção no caso de se assumir o perfil nominal (ver Fig. 8). Outra opção que beneficia da verificação de alta precisão do acoplamento é dada por uma correção da transferência de ganho para os canais de ensaio das sondas axiais, que tem em conta os desvios bastante fortes das condições de acoplamento em relação à face.
Fig. 7 Reconhecimento do tipo de roda no padrão de resposta angular do eco de forma a partir da transição do piso para a jante.
Fig. 8 Ângulos oblíquos extraídos para uma queda de amplitude de 6dB para entalhes radiais e tangenciais na teia a diferentes profundidades. Os valores médios variam entre 3° e 7°. As medições no local permitem a determinação do ângulo de inclinação atual, que está relacionado com a deformação durante o funcionamento, e uma compensação eletrónica para permanecer com a mesma probabilidade de deteção.
5. Conclusões
As crescentes exigências de inspeção no sector ferroviário implicarão a necessidade de um sistema de ensaio fiável que lide com uma grande variedade de geometrias de rodas. Neste contexto, a implementação de sondas matriciais proporciona a maior flexibilidade para se adaptar a diferentes configurações de ensaio e facilita a configuração geral para o operador. Em particular, a utilização de sondas matriciais permite um controlo de acoplamento direto, colmatando assim uma lacuna existente no atual estado da arte. Em combinação com a possível otimização para cada tipo de defeito e para diferentes geometrias de roda, a tecnologia matricial permite medições altamente fiáveis e diminui as chamadas de queda, que estão ligadas a elevados custos evitáveis. Além disso, a implementação de sondas matriciais dá acesso a funções adicionais, como o reconhecimento automático do tipo de roda e a medição e compensação das condições da roda no momento da inspeção. Estas caraterísticas fornecem os dados necessários para uma verdadeira inspeção inteligente.
Referências
[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)