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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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s
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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)
Contenidos generales
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
os ó
ptico
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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ptico
s (
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ut.
)
Calipri – NEM Solutions. http://www.nemsolutions.com/es
Sistemas de detección y evaluaciciónMétodo ultrasónico para a a grietas superficiales
De
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les
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
Contenidos generales
AplanaduraCinemática del punto de contacto
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
AplanaduraCinemática del punto de contacto
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.
Técnicas de detecciónBasadas en técnicas s s Doppler
J. Brizuela, A. Ibáñez, P. Nevado, C. Fritsch: “RailwayWheel Flat Detector Using Doppler Effect”, Physics Procedia, Vol.3, Nro.1, pp.811-817 (2010).
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
Técnicas de detecciónBasadas en técnicas s s Doppler
Bancada experimental
J. Brizuela, A. Ibáñez, P. Nevado, C. Fritsch: “RailwayWheel Flat Detector Using Doppler Effect”, Physics Procedia, Vol.3, Nro.1, pp.811-817 (2010).
Fre
qu
ency
[H
z]A
mp
litu
de
[mV
]
Espectrograma de la señal
Señal procesada
Señal adquirida
Espectrograma de la señal¿?
Time [s]
Time [s]
Am
pli
tud
e [m
V]
Técnicas de detecciónBasadas en técnicas s s Doppler
J. Brizuela, A. Ibáñez, P. Nevado, C. Fritsch: “RailwayWheel Flat Detector Using Doppler Effect”, Physics Procedia, Vol.3, Nro.1, pp.811-817 (2010).
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
)()()(
)(
2
)()(
ixixis
ivTix
icTix
PQ
PRFP
Q
Q
-=
=
=
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
ivivcteiT
)()(
)()()(
»\¹D
=\=D
“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
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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
Contenidos generales
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).
Sistemas avanzados con Phased ArrayInspección de los taladros de sujeción del fisco de freno
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
Sistemas avanzados con Phased ArrayInspección de los taladros de sujeción del fisco de freno
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
Sistemas avanzados con Phased Array
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”
Sistemas avanzados con Phased Array
Grupo de defectos 1: Grietas circumferenciales
2
Defectos en la banda de rodadura
Grupo de defectos 1: Grietas circumferenciales
2
Sistemas avanzados con Phased ArrayDefectos en la banda de rodadura
Grupo de defectos 1: Grietas circumferenciales
2
Sistemas avanzados con Phased ArrayDefectos en la banda de rodadura
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
Sistemas avanzados con Phased ArrayFijación de freno de disco
Ajuste del punto focal
Foco fijo en
40mm
Array
Sistemas avanzados con Phased ArrayFijación de freno de disco
• 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).
Sistemas avanzados con Phased ArrayFijación de freno de disco
Focalización dinámica
automáticamente duran• El foco se corrige aEl f ri
Observaciones
Contenidos generales
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.
Ppio
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n
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]