Efficiente ispezione di sale montate ferroviarie mediante la tecnologia phased array: L'esperienza di un cliente

DTEC GmbH è un fornitore di apparecchiature NDT con sede nella regione metropolitana Reno-Meno in Germania. L'azienda è specializzata in soluzioni all'avanguardia per il rilevamento di difetti nelle sale montate ferroviarie e per il monitoraggio delle condizioni dei treni.

Attraverso una tecnica di controllo a ultrasuoni con phased array avanzati (PAUT) e la machine vision, la DTEC GmbH ha creato dei sistemi automatizzati efficienti per fornire dei servizi ispettivi in modo da assicurare delle condizioni di sicurezza per le ferrovie.

I sistemi di ispezione automatizzati della DTEC GmbH sono usati per l'esecuzione delle seguenti operazioni:

• Ispezione delle ruote lungo la linea
• Ispezione di ruote e assi in servizio con le sale montate ferroviarie installate sul treno
• Manutenzione periodica delle ruote e assi con le sale montate ferroviarie disinstallate dal treno

Sistema di controllo a ultrasuoni sottopavimento (UW-UT) per sale montate ferroviarie della DTEC GmbH

Nei centri e nelle officine per la manutenzione delle ferrovie, i sistemi per l'ispezione di ruote (WIS - wheel inspection system) automatizzati permettono di rilevare difetti originati nella fase produttiva e cricche da fatica in ruote e assi di treni a alta velocità, locomotive e veicoli ferroviari. Questi sistemi WIS avanzati utilizzano la strumentazione PAUT FOCUS PX Olympus.

L'Ing. Eric Peng, Ingegnere capo della DTEC GmbH, afferma: "Il FOCUS PX Olympus rende il nostro prodotto principale, il Sistema di controllo a ultrasuoni sottopavimento (UW-UT o UFPE in Germania), una soluzione eccellente per i moderni centri di manutenzione ferroviari. Permette di ispezionare la presenza di cricche da fatica senza la necessità di rimuovere le sale montate dal veicolo".

La problematica: Realizzazione dell'ispezione delle sale montate senza disinstallarle

Nei treni le componenti delle sale montate sono soggette ai carichi maggiori. Le ruote e le rotaie sono interessate da fatica da contatto con rotolamento (RCF - rolling-contact fatigue) che si verifica quando le cricche si sviluppano a causa delle sollecitazioni da contatto tra una ruota in fase di rotolamento e il binario. L'RCF può indurre la comparsa di difetti da spalling (flaking) e shelling nel circolo di rotolamento. Alcuni difetti interni e sotto-superficiali possono svilupparsi in modo circonferenziale, potendo causare lo sfaldamento del materiale del cerchione. Il distacco di materiale risulta pericoloso e potrebbe provocare un deragliamento. Il monitoraggio della sollecitazione da rotolamento continuo e del contatto rotaia-ruota degli assi permette di prevenire lo sviluppo di difetti nelle componenti che possano causare dei guasti.

Gli operatori addetti alla manutenzione delle rotaie possono usare i controlli a ultrasuoni (UT) convenzionali per realizzare delle ispezioni NDT periodiche di ruote di treni. Tuttavia con il metodo UT manuale gli operatori non sono in grado di realizzare il rilevamento di difetti circonferenziale a 360° nelle ruote, principalmente a causa della struttura complessa dei carrelli dei veicoli ferroviari.

A causa degli inconvenienti del metodo UT manuale, questo genere di ispezione viene in genere programmata durante il turno notturno per limitare le conseguenze sui tempi operativi del veicolo. In alcuni casi le sale montate ferroviarie devono essere rimosse dal veicolo, incrementando considerevolmente i tempi e i costi operativi. La sfida che la DTEC GmbH ha dovuto affrontare è stata quella di integrare un sistema UT automatizzato, efficiente, preciso e affidabile per l'ispezione delle ruote, senza doverle smontare dal veicolo.

Requisiti ispettivi UT per le ruote dei treni a alta velocità

La velocità rappresenta un fattore fondamentale per i treni a alta velocità, tuttavia lo sono anche la sicurezza e la stabilità. Come componente basilare di un treno a alta velocità, le ruote richiedono un'attenzione particolare durante la manutenzione: il circolo di rotolamento, il bordino, il cerchione e il centro ruota devono essere ispezionati approfonditamente per assicurare l'integrità. L'Ing. Peng afferma: "Per coprire tutte le aree critiche con superfici irregolari è necessario l'impiego di un sistema con una capacità ultrasonora differenziata".

Aree critiche delle ruote con le rispettive superfici irregolari

La Tabella 1 mostra i requisiti di copertura dell'ispezione UT nell'ambito della manutenzione leggera per le ruote dei treni a alta velocità, incluso i tipi di sonde UT, la configurazione e le posizioni di accoppiamento necessari. L'Ing. Peng aggiunge: "Al principio, per eseguire l'ispezione, pensavamo di utilizzare un totale di 62 sonde a UT convenzionali nel sistema . Tuttavia nell'area del carrello non è presente uno spazio sufficiente per utilizzare questa configurazione di sonde".

Tabella 1

I PAUT utilizzano delle sonde che contengono una serie (array) di trasduttori a ultrasuoni (elementi). I sistemi phased array possono potenzialmente essere usati per tutti i tipi d'ispezione effettuate tradizionalmente mediante rilevatori di difetti ad ultrasuoni convenzionali. I vantaggi della tecnologia phased array rispetto a quella a UT convenzionali risiedono nella sua capacità di orientare, focalizzare e scansionare i fasci mediante gli elementi multipli dell'array.

Confronto tra controlli a UT convenzionali e phased array. La capacità di effettuare un controllo di saldature con angoli e profondità multiple da una sola sonda permette di aumentare la probabilità di rilevamento di un'anomalia.

Le dimensioni ridotte delle sonde phased array e la capacità di scansionare i fasci elettronicamente consentono una semplificazione dell'ispezione delle componenti negli spazi a limitata accessibilità per la scansione meccanica, come nel caso delle ruote nei carrelli. Tuttavia la tecnologia delle sonde phased array è in genere più costosa e gli operatori potrebbero necessitare una formazione supplementare per utilizzarla. Tuttavia questi costi sono frequentemente compensati dalla maggiore flessibilità e efficienza ispettiva offerta dai sistemi PAUT.

Integrando la tecnologia PAUT Olympus, il numero di sonde che il sistema UW-UT della DTEC GmbH impiega è circa la metà rispetto a quello necessario nell'utilizzo dei trasduttori a UT convenzionali. Il supporto delle sonde è più compatto ed è inoltre compatibile con i diversi tipi di ruote da ispezionare.

Soluzione ispettiva per sale montate: Un sistema automatizzato con FOCUS PX e FocusPC

L'unità di acquisizione dei dati FOCUS PX è uno strumento a UT convenzionali e PA a alte prestazioni progettata per i sistemi di ispezione automatizzati. Possiede un telaio robusto (es: non richiede la presenza di prese d'aria) ed è testata per tollerare numerose ore di operatività in ambienti produttivi estremi. È modulabile, facile da integrare e veloce da programmare.

Il software FocusPC offre delle potenti funzionalità ispettive, degli strumenti di analisi avanzati e delle schermate completamente personalizzabili. Gestisce fino a quattro unità di acquisizione FOCUS PX in parallelo e può combinare i dati in una schermata definita dall'utente. È possibile ispezionare componenti di grandi dimensioni senza interruzione della sequenza ispettiva attraverso le funzionalità del sistema FOCUS PX e FocusPC come: archiviazione di file di dati di grandi dimensioni; flessibili indici di compressione e digitalizzazione; registrazione di A-scan condizionali.

Applicazione integrata: Sistema di controllo a ultrasuoni sottopavimento per sale montate

L'UW-UT (o UFPE) della DTEC GmbH è un sistema di ispezione a ultrasuoni completamente automatizzato per ruote da applicare nell'ambito della manutenzione leggera. Quando il treno è posizionato sul binario per la manutenzione, il sistema UW-UT opera nella parte inferiore del carrello del treno per sollevare e ruotare automaticamente ogni sala montata.

Allo stesso tempo due sistemi robotici posizionano le sonde PA su entrambe le ruote. In meno di un minuto e attraverso una rotazione della sala montata, lo strumento FOCUS PX acquisisce i dati ultrasonori e gli trasferisce al software WIS personalizzato. Dopo un minuto il report dell'ispezione automatizzata è pronto per essere consultato dall'operatore.

Caratteristiche principali del sistema UW-UT di DTEC GmbH:

• Posizionamento e ispezione automatici
• Acquisizione dei dati UT: ≤ 1 min/sala montata
• Analisi dei dati A/B-scan, grafico a barre e vista laterale della ruota
• Capacità di rilevamento dei difetti:
  • Difetto equivalente nel cerchione: ≥ FBH da 2 mm
  • Cricca equivalente nel cerchione: 10 mm×3 mm
  • Cricca equivalente nel centro ruota: 15 mm×3 mm
  • Difetto equivalente nel centro ruota: ≥ SDH da 3 mm

Sistema UW-UT su una sala montata di riferimento per la taratura (a sinistra) e un'ispezione di sala montata su veicolo (a destra).

I risultati: Efficiente ispezione PAUT e gestione dei dati

Nel sistema UW-UT, per ogni rotazione di 1 mm del circolo di rotolamento, vengono attivate simultaneamente delle serie multiple di fasci ultrasonori (o leggi focali) per realizzare 50 A-scan per ogni ruota. Per l'ispezione di una sala montata da 920 mm il numero totale di A-scan è circa di 30 000. Per eseguire questa acquisizione e trasferimento di dati in tempo reale viene richiesto uno strumento potente come l'unità FOCUS PX Olympus.

Visto che con ogni ispezione viene acquisito un considerevole volume di dati, la DTEC GmbH ha definito uno specifico sistema di gestione di dati per i propri operatori:

• Un grafico a barre viene usato in relazione ai canali per i quali può essere applicata un'allerta automatica e un operatore può selezionare le barre per ottenere i dati B-scan e A-scan correlati.
• Relativamente ai canali per i quali è necessaria un conferma manuale (es: i canali per un centro ruota), viene creata una vista laterale della ruota combinando diversi B-scan i quali vengono corretti in base al diametro della ruota.
• Gli operatori possono facilmente verificare l'esistenza di un difetto in una ruota mediante il grafico a barre e le vista laterale della ruota. In seguito possono usare gli A-scan e i B-scan per determinare le caratteristiche specifiche dei difetti come posizione, profondità e gravità.
• Quando l'operatore utilizza il mouse per cliccare e trascinare una finestra attorno a un difetto su un B-scan, questi dati (posizione, profondità, ecc.) vengono calcolati automaticamente.

Analisi associata al grafico a barre, all'A-scan e al B-scan

Analisi associata alla vista laterale della ruota, all'A-scan e al B-scan

La tecnologia PAUT avanzata e completamente automatizzata, oltre alla valida funzionalità di gestione dei dati, rendono l'UW-UT della DTEC GmbH un sistema efficiente e facile da usare. Dal 2009 sono stati installati 130 UW-UT che hanno potuto rilevare numerose cricche da fatica delle ruote. In seguito alla rimozione delle cricche mediante un tornio queste ruote possono essere rimesse in servizio.

Cricca da fatica della ruota prima (a sinistra) e dopo (a destra) che il circolo di rotolamento sia riprofilato

Applicazione del sistema FOCUS PX a altre operazioni di manutenzione di sale montate ferroviarie

La DTEC GmbH ha inoltre sviluppato il Sistema di controllo a ultrasuoni per sale montate disinstallate (DW-UT). Le tecnologie ultrasoniche utilizzate per questa apparecchiatura sono simili a quelle utilizzate per il sistema UW-UT, vengono però applicate a sale montate disinstallate.

Sistemi di controllo a ultrasuoni di un intero assale e sala montata disinstallata

Utilizzando la strumentazione e la tecnologia Olympus, la DTEC GmbH è riuscita a offrire delle soluzioni efficienti e automatizzate, in modo da garantire una maggiore sicurezza e funzionalità della ferrovia.

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