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Técnicas de Evaluación No Destructiva d

cnicas de ETécdddde Ruedas

de Es s F

Evaluación NEe EFFFerroviarias

Josee D. [email protected]

Buenos Aires s –– 2015

Contenidos generales

Inspección de ruedas

Introducción

La interacción rueda-carril es uno de los factores claves en el comportamiento dinámico del material rodante

La seguridad operativa y rendimiento de los coches dependen del buen estado de la rodadura.

La seguridad y el confort de los pasajeros están asociados con el estado de la rodadura

Los defectos en una rueda pueden, en casos extremos, llegar a ser CATASTRÓFICOS.

Inspección de ruedasAntecedentes

Accidente de Eschede (Alemania, 1998): 101 muertos y numerosos heridos.

CAUSA: una rueda elástica colapsó por fatiga del material (grieta), desencadenando una cadena fatal de eventos de hechos

Fragmento de Eschede Train Disaster - The History Channel

Inspección de ruedasAntecedentes

Acciones de mitigación

Para trenes de alta velocidad, se suspendió el uso de ruedas con bandas elásticas que amortiguaban ruidos y vibraciones. Actualmente, se utilizan las monobloques y tales caracteríısticas se logran a partir de una excelente calidad de la superficie de rodadura, carril y diseño de bogies.

Los niveles de seguridad y criticidad de los ensayos se endurecieron considerablemente.

Se busca la automatización de los sistemas de END.

Fragmento de Eschede Train Disaster - The History Channel

Inspección de ruedasObservaciones

Las inspecciones tienen gran impacto económico. Se busca un equilibrio entre costes, tiempos y niveles de seguridad.

Se estima que una correcta gestión de la rodadura permite extender el ciclo de vidade las ruedas hasta un 30%.

Se destacan los sistemas dinámicos de inspección para satisfacer los requisitios de disponibilidad, fiabilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS) del servicio ferroviario

Gri

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• Garantizar elevado estándar de seguridad

• Reducir altos impactos de carga

• Evitar el rápido deterioro del material rodante y fijo

• Ahorrar hasta un 5% en el consumo energético

• Reducir de ruidos y vibraciones

• Brindar mayor confort a los pasajeros

Eliminar de defectos superficiales

Defectos en ruedasFallas comunes en la banda de rodadura

Defectos en ruedasDimensiones críticas para defectos

DEFECTO CLASIFICACIÓN TOLERANCIA

PlanosAislados Mayores a 30 mm

Múltiples Mayores a 40 mm

Desgaste Más de 0.7 mm

Grietas

Por efectos térmicos por frenada A partir de 40 mm

De fatiga de rodadura A partir de 40 mm

De origen térmico por falta de adherencia No exceder los 40 mm

Cavidades 15 mm de long. circunferencial

GM/GN2497:2007 - Railway Group Standards of Rail Safety and Standards Board (RSSB) (http://www.rssb.co.uk)


Sistemas de detección y evaluaciciónMedición de parámetros s s del perfil

Parámetros del perfil de rueda

• Altura de la pestaña (Sh)

• Ancho de pestaña (Sd)

• Factor qR

Sistemas de detección y evaluaciciónBasados en comparaciónnn de radios

Mé

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Mé

tod

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s

TreadVIEWTM - AEA Technology. http://www.aeat.co.uk

MiniProfWheel - Greenwood Engineering.

http://www.greenwood.dk

P. Gutauskas, “Railroad Flat Wheel Detectors”. US

Pat. No. 5 133 521 (1992)

Mé

tod

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Calipri – NEM Solutions. http://www.nemsolutions.com/es

Sistemas de detección y evaluaciciónMétodo ultrasónico para a a grietas superficiales

De

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A. Ibáñez; L. Gomez-Ullate;J.J. Anaya, et al., “Installation for the automatic evaluation of the rolling band on wheels of moving trains, US Patent No. 4 401 044 (2002).

• Sistema adecuado para

detectar grietas en sentido

axial.

• No permite cuantificar el

tipo de defecto.

• En el caso particular de las planchaduras, éstos no pueden detectarse, pues no presentan cambios suficientes de impedancia acústica en la propagación de la onda superficial por la banda de rodadura.

Defectos en ruedasEvoluciónnn de un ppplanooo (o o o planchadurara)

Etapa I

• Plano nuevo

Etapa II

• Plano parcialmente gastado

Etapa III

• Plano gastado

• En todos lo casos la pérdida de radio “d” (flecha) se mentiene constante.

Observación

AplanaduraCinemática del punto de contacto

Rodadura sobre plano nuevo Geometría del contacto

Trayectoria del centro

Velocidad vertical

Fuerza de contacto

“Wheel-rail interaction at short-wave irregularities”. Steenbergen, M.J.M.M. Tesis doctoral, Delft University of Technology (2008).

Sistemas de detección y evaluaciciónMedición de cargas e impacto

Basados en galgas extensométricas

WILD - Salient Systems Inc. http://www.salientsystems.com

GOTCHA http://www.gotchamonitoringsystems.com

Basados en acelerómetros



Desplazamiento “s”

Altura “h”

“Detección de planos en ruedas de tren por análisis ultrasónico del contacto rueda-carril en condiciones dinámicas”, J. Brizuela (2010).

Tesis Doctoral. Universidad Complutense de Madrid. ISBN: 978-84-694-2445-2


Desplazamiento “s”

Altura “h”Cómo detectar el desplazamiento “s”…???

Enviar ondas

superficiales por

un carril de

medición

“Dispositivo de inspección de la superficie de rodadura de ruedas de tren y método de detección de defectos en la rueda del tren con dicho dispositivo”. Nro. de solicitud:

P201001017. Inventores: J. Brizuela, C. Fritsch Yusta, A. Ibáñez Rodríguez, I. Ugarte Azpiri, I. Gutiérrez Azpilliga, E. Villanueva Martínez, J. C. Liébana Gallego, M.

Parrilla Romero. Entidad titular: DANO-RAIL. S.COOP. (2007)).

Sistema a dinámico de análisis ruedada-a-carril por ultrasonidosNueva metodología

Sistema a dinámico de análisis ruedada-a-carril por ultrasonidosNueva metodología

Capturar y

analizar los ecos

recibidos del punto

de contacto

“Dispositivo de inspección de la superficie de rodadura de ruedas de tren y método de detección de defectos en la rueda del tren con dicho dispositivo”. Nro. de solicitud:

P201001017. Inventores: J. Brizuela, C. Fritsch Yusta, A. Ibáñez Rodríguez, I. Ugarte Azpiri, I. Gutiérrez Azpilliga, E. Villanueva Martínez, J. C. Liébana Gallego, M.

Parrilla Romero. Entidad titular: DANO-RAIL. S.COOP. (2007)).

Técnicas de mediciónVelocidad del punto de contacto

• Técnicas Doppler.

• Tecnicas de Pulso-Eco.

Alternativas de medición

dt

dsvvQ +=

• Cualquier irregularidad en la banda de

rodadura se verá reflejado en un cambio

de velocidad instantánea del punto de

contacto.

Técnicas de detecciónBasadas en técnicas s s Doppler

Observaciones

J. Brizuela, A. Ibáñez, P. Nevado, C. Fritsch: “RailwayWheel Flat Detector Using Doppler Effect”, Physics Procedia, Vol.3, Nro.1, pp.811-817 (2010).

• Las ondas superficiales son continuas.

• En reposo, las frecuencias de emsión y recepción son idénticas.



Observaciones

• En movimiento, la frecuencia Doppler es proporcional a la velocidad del

punto de contacto.

• Cualquier irregularidad provocará una variación de la frecuencia Doppler.

EQD fvc

f2

=

Ajuste

automático


Bancada experimental


Fre

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[H

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Espectrograma de la señal

Señal procesada

Señal adquirida

Espectrograma de la señal¿?

Time [s]

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V]



Permite rápida detección de defectos

No permite la cuantificación de los defectos

Técnicas de detecciónBasadas en técnicas Pulsososo-oo-Eco

“Railway wheel flat detection and measurement by ultrasound ”. J. Brizuela, C. Fritsch, A. Ibáñez. Transp. Res. Part C: Emerg. Tech., vol. 19(1), pp. 975-984 (2011).

Observaciones

• La onda superficial es pulsada a cadencia constante.

• Sólo se emplea un único transductor.

• El desplazamiento se obtiene a partir de la interrogación del punto de contacto

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2

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ixixis

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PQ

PRFP

Q

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=

Técnicas de detecciónBasadas en técnicas Pulsososo-oo-Eco

Observaciones

• Si los incrementos en el tiempo de vuelo son constante la banda de rodadura

está en buenas condiciones.

• Si exite una irregularidad, ésta puede cuantificarse durante los cambios en el

incremento del tiempo de vuelo del pulso de interrogación.

PRFQQ

QPQ

TinvLcteiT

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“Railway wheel flat detection and measurement by ultrasound ”. J. Brizuela, C. Fritsch, A. Ibáñez. Transp. Res. Part C: Emerg. Tech., vol. 19(1), pp. 975-984 (2011).

Sistema de evaluación de rodaduraBancada experimental

Sistema de evaluación de rodaduraEvaluación del defecto

Po

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De

sp

laza

mie

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“Ultrasonic dynamic technique for detecting and quantifying railway wheel-flats ”, J. Brizuela, C. Fritsch, A. Ibáñez. Reiliability and Safety in Railway - Book chapter 15 ,

ISBN 978-953-51-0451-3, InTech - Open Access. pp. 399 - 418 (2012)

Sistema de evaluación de rodaduraMontaje en Fuencarral al al -- Madridj

DANOBAT Group http://www.danobatgroup.com/es/ferrocarril


Tecnología avanzada de ultrasonidos, que se ha introducido en los ultimos años, abre la posibilidad de abordar inspecciones complejas, y presenta mayores prestaciones para el procesamiento de señal.

Sistemas de Phased Array

TeTeTeTecnologíaultrasonidintroducidaños, abre

Tecnología de e Phasedd Array

EMISIÓN RECEPCIÓN

2. PRINCIPIOS PHASED-ARRAY

ARRAY: arreglo de

transductores

El control individual de los elementos del array permite

modificar las propiedades del campo acústico

generado y recibido

Cada elemento se considera un

emisor puntual (su tamaño << λ) y

genera un campo acústico cilíndrico.

El campo acústico de un array es la

suma de las emisiones

generadas por cada elemento (Principio de

Huygens)

EMISIÓN RECEPCIÓN

Tecnología de e Phasedd Array

Sistemas avanzados con Phased ArrayInspección de los taladros de sujeción del fisco de freno

• Inspección automática

• 100% del perímetro del taladro

• Sin demontar la rueda

Objetivos

“Ultrasonic imaging of solid railway wheels ”, M. Parrilla, P. Nevado, A. Ibáñez, J. Camacho, J. Brizuela, C. Fritsch. Proc. of 2008 IEEE IUS 2008. Beijing, China (2008).


J. L. García, E. García. (Interlab S.A.) “New generation of ultrasonic inspection system for train wheels incorporating rake discs”. Proc. 16th World Conf. of NDT, (2004)

• Sistema con métodos tradicionales.

• Requieren transdcutores con

distintos ángulos

• Sistema poco robusto

Mercado

Sistema de Phased Array

Agua

Array ultrasónico

Velo de rueda

Eje

Taladro para sujeción de disco

Grietas


Esquema de operación

Sistemas avanzados con Phased Array

3Array

2

Cilindros

hidráulicos

Carril

1 Motor

Rodillos

Carril retráctil

Inspección de los taladros de sujeción del fisco de freno

Implementación mecánica

1 2 3 4

encoder

SITAU

Reconstrucción «Image

Compounding»

Sistema de 32x32x4 canales

programado con las leyes

focales para realizar el

barrido sectorial

3 4

BeamformedA-scans

…

Imágenes S-Scan

DASEL S.L., Madrid (Spain)

Industria ferroviariaInspección de los taladros de sujeción del fisco de freno

Proceso de inspección


Grieta radial

Grieta tangencial

Inspección de los taladros de sujeción del fisco de freno

“Ultrasonic imaging of solid railway wheels ”, M. Parrilla, P. Nevado, A. Ibáñez, J. Camacho, J. Brizuela, C. Fritsch. Proc. of 2008 IEEE IUS 2008. Beijing, China (2008).

Sistemas avanzados con Phased ArrayDefectos en la banda de rodadura

ISO 5948:1994, “Railway rolling stock material - Ultrasonic acceptance testing”

EN 13262+A1-2009, “Railway applications-Wheelsets and bogies-Wheels-Product requirements”


Grupo de defectos 1: Grietas circumferenciales

2

Defectos en la banda de rodadura


2



2


Sistemas avanzados con Phased ArrayFijación de freno de disco

50mm

20mm

2.5mm

Array

Pieza Esquema

• Verificar el estado de la roscaVerificar el

Objetivo

Foco fijo en

20mm

Array

Foco fijo en

20mm

Arrayy

Ajuste del punto focal


Ajuste del punto focal

Foco fijo en

40mm

Array


• El foco se corrige automáticamente durante la adquisición.

• Se consigue la discriminación de reflectores próximos (mejora de resolución lateral).

• Las indicaciones son más precisas e interpretables, más en una pieza compleja.

• No es necesario definir focos, sólo el rango (facilidad de uso).


Focalización dinámica

automáticamente duran• El foco se corrige aEl f ri

Observaciones


Metodo para determinar el perfil

CNRT - Plano 913

Calibre manual

Implementación del calibre

Metodo para determinar el perfil Triangulaciónnn láser

• Ensayo sin contacto

• Elevada resolución

• Gestión efeciente de la rodadura

• Libre de subjetividad

• Rápido diagnóstico

• Evaluación automática y dinámica

• Trazabilidad de los ensayos

tact• Ensayo sin conEn in

Características

Libr de

Ventajas

R. Romero, G. Cosarinsky, J. Brizuela, “Triangulación láser aplicada a la inspección sin contacto de componentes ferroviarios”, Revista ALAF, n 97, pp. 5-10, Marzo 2015.

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Implementaciciónn de mmetodos ópticosPerfil de la banda de rodadura

Dispositivo óptico portátil

Implementaciciónn de mmetodos ópticos

Dispositivo óptico por triangulaciónsp óp p gu

Perfil de la banda de rodadura

Gentileza: Rodrigo Romero – Guillermo Cosarinsky – ENDE - CNEA

Resultados experimentales

Comparación de perfilMaquinado/Desgaste

• Precisión ± 0,2 mm

• Resolución ≈0,1mm

Perfil de la banda de rodadura

• OPORTUNIDAD concreta de incorporar nuevas tecnologías y desarrollos propios dentro del ámbito ferroviario (know-how).

• Los desarrollos presentados dan la posibilidad de incrementar la CALIDAD, DISPONIBILIDAD, MANTENIBILIDAD y SEGURIDAD del servicio ferroviario.

• La automatización de los controles dan TRAZABILIDAD (evolución histórica, ahorro en mantenimiento, etc), sin intervención del operario.

• INFORMACIÓN necesaria para gestionar adecuadamente la rodadura.

• IMPULSO al desarrollo tecnológico y productivo del país.

Conclusiones

Cómo implementarlolo….

COMERCIALES• Selección

• Adaptación

ESPECIALES• Viabilidad

• Investigación

• Desarrollo

• Transferencia

• Explotación

ALTERNATIVAS

Gracias por su atenciónón………!!!

Contactoo y más información:

Jose Brizuela Jose Brizuela Sánchez

Jose Brizuela [email protected]

Técnicas de Evaluación No Destructiva d cnicas de E Téc dde ...

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