위상 배열 기술을 이용한 지능형 철도 윤축 검사— - 고객 사례

DTEC GmbH는 독일 프랑크푸르트 라인마인 지역에 있는 NDT 장비 공급업체입니다. 이 회사는 철도 윤축의 결함 검출 및 열차 상태 모니터링을 위한 턴키 솔루션을 전문으로 합니다.

DTEC GmbH는 고급 위상 배열 초음파 검사(PAUT) 기술과 머신 비전을 사용하여 철도 안전을 위한 검사 서비스를 제공하는 지능형 자동 시스템을 제작했습니다.

DTEC GmbH의 자동 검사 시스템 솔루션은 다음 작업을 수행하는 데 사용됩니다.

• 지상 차륜 검사
• 윤축이 열차에 부착되어 있을 때의 가동중 차륜 및 차축 검사
• 윤축이 열차에서 분리되어 있을 때의 정기 차륜 및 차축 유지보수 단계

DTEC GmbH의 언더플로어 윤축 초음파 검사 시스템(UW-UT)

철도 유지보수 차고지 및 정비소에서는 특수 자동 차륜 검사 시스템(WIS)이 고속 열차, 기관차, 철도 차량 차륜 및 차축에서 제조상의 결함, 일반 결함 및 피로 균열을 검출합니다. 이 고급 WIS 시스템은 Olympus의 FOCUS PX PAUT 장비를 사용합니다.

"Olympus FOCUS PX 덕분에 당사의 인기 제품인 언더플로어 윤축 초음파 검사 시스템(Underfloor Wheelset Ultrasonic Testing System, UW-UT 또는 독일어로 UFPE)이 최신 철도 유지보수 정비소를 위한 뛰어난 솔루션이 되었습니다. 이를 통해 차량에서 윤축을 탈거하지 않고도 차륜의 피로 균열 여부를 검사할 수 있습니다."라고 DTEC GmbH의 최고 엔지니어 Eric Peng이은 말합니다.

과제: 윤축을 분리하지 않고 점검하기

열차에서 윤축 구성요소에는 가장 높은 하중이 적용됩니다. 차륜과 레일 모두는 구름 접촉 피로(rolling-contact fatigue, RCF)에 취약하며, 이는 구르는 차륜과 레일 사이의 접촉 응력으로 인해 균열이 커지는 것입니다. RCF는 차륜 답면에 박락(박리) 및 표면 박리 결함을 유도할 수 있습니다. 일부 표면 아래 결함 및 내부 결함이 원주 형태로 성장하여 차륜 림(rim)에서 상당히 많은 재료가 손실될 수 있습니다. 대량의 재료 손실은 위험하며 탈선을 유발할 수 있습니다. 레일-차륜 접촉 및 차축의 연속 주기 응력을 모니터링하면 구성요소 결함이 고장을 유발하기 전에 그러한 결함을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

철도 작업자는 기존의 초음파 검사(UT)를 사용하여 열차 차륜의 NDT 검사를 정기적으로 수행할 수 있습니다. 하지만, 수동 UT 방식으로는 검사자들이 차륜의 완전한 360도 원주형 결함을 검출할 수 없는데, 이것의 주요 원인은 열차 차량의 언더캐리지 구조가 복잡한 탓입니다.

수동 UT의 불편함을 가중시키는 이러한 유형의 검사 작업은 차량의 작동 시간에 미치는 영향을 제한하기 위해 일반적으로 야간 근무 중에 예약됩니다. 경우에 따라서는 윤축을 차량에서 탈거해야 하므로 작업량과 비용이 기하급수적으로 늘어납니다. DTEC GmbH가 직면한 과제는 차륜을 차량에 고정하면서도 차륜 검사를 위한 효율성, 정확도, 안정성이 우수한 자동 UT 시스템을 구현하는 것이었습니다.

고속 열차 차륜에 대한 UT 검사 요구사항

속도는 고속 열차의 중요한 기능이지만, 안전과 안정성도 중요합니다. 고속 열차 차량의 핵심 구성요소인 차륜은 유지보수 중에 많은 주의를 기울여야 합니다. 답면, 플랜지, 림 및 디스크는 완전성을 보장할 수 있도록 철저히 검사되어야 합니다. "표면이 불규칙한 모든 중요 차륜 영역을 검사하려면 시스템에 각기 다른 초음파 기술이 필요합니다."라고 Eric Peng은 말합니다.

표면이 불규칙한 중요 차륜 영역

표 1은 필요한 UT 프로브 유형, 구성 및 커플링을 포함하여 고속 열차 차륜에 대한 광-유지보수 UT 검사 커버리지 요구사항을 보여줍니다. Eric에 따르면, "처음에는 이 시스템에서 이 작업을 수행하는 데 총 62개의 기존 UT 프로브 사용을 고려했습니다. 하지만, 그러한 프로브를 배치할 언더캐리지 공간은 부족합니다.”

표 1

PAUT는 일련의 (배열) 초음파 변환기 (요소)를 포함하는 프로브를 사용합니다. 초음파 위상 배열 시스템은 기존의 초음파 결함 검출기가 전통적으로 사용되어왔던 거의 모든 검사에서 사용될 수 있습니다. 기존 UT와 비교하여 위상 배열 기술의 이점은 배열의 여러 요소를 사용하여 빔을 조향, 집속 및 스캔하는 기능에 있습니다.

기존 UT와 비교한 위상 배열 검사. 단일 프로브에서 여러 각도 및 깊이로 용접부를 검사할 수 있어 이상 징후를 검출할 확률이 높아집니다.

위상 배열 프로브의 작은 설치 면적과 전자적으로 빔을 스위핑하는 기능은 언더캐리지의 차륜과 같은 기계식 주사를 위해 접근이 제한된 구성요소의 검사를 수월하게 해 줍니다. 단점은 위상 배열 프로브 기술이 대체로 더 고가이며, 작동자가 이 기술을 사용하려면 추가 교육이 필요할 수 있다는 것입니다. 그렇지만, 이러한 비용은 흔히 PAUT 시스템이 제공하는 유연성과 검사 효율성 향상으로 상쇄됩니다.

Olympus PAUT 기술을 통합함으로써 DTEC GmbH의 UW-UT 시스템에서 사용하는 프로브 수는 기존 UT 변환기를 사용할 때 필요한 프로브 수의 약 절반이 됩니다. 프로브 운반 장치는 크기가 더 작고, 검사해야 하는 다양한 차륜 유형과도 호환됩니다.

윤축 검사 솔루션: 자동 FOCUS PX 및 FocusPC 기반 시스템

FOCUS PX 데이터 수집 장치는 자동 검사 시스템용으로 설계된 기존의 고성능 UT 및 PA 장비입니다. 이 장치에는 공기 흡입이 필요하지 않는 등 견고한 케이스가 있고 거친 생산 환경에서 긴 작동 시간을 처리할 수 있도록 테스트를 거쳤습니다. 확장 가능하고, 통합하기 쉬우며, 빠르게 프로그래밍할 수 있습니다.

FocusPC software는 강력한 검사 기능, 고급 분석 도구 및 완전 맞춤형 디스플레이를 제공합니다. 최대 4개의 FOCUS PX 수집 장치를 동시에 구동하고 사용자 정의 디스플레이에서 데이터를 결합할 수 있습니다. 대용량 데이터 파일 스토리지, 유연한 압축 및 디지털화 속도, 조건부 A 스캔 저장 등 FOCUS PX 및 FocusPC 시스템의 기능을 통해 검사 순서를 중단하지 않고도 대형 부품을 검사할 수 있습니다.

통합 애플리케이션: 언더플로어 윤축 초음파 검사 시스템

DTEC GmbH의 UW-UT(또는 UFPE)는 광 유지보수 중에 사용할 수 있는 전자동 초음파 차륜 검사 시스템입니다. 열차가 유지보수 트랙에 있을 때, UW-UT 시스템은 각 윤축을 자동으로 들어 올리고 회전시키기 위해 열차 언더캐리지 아래에서 작동됩니다.

이와 동시에, 트윈 로봇이 양쪽 차륜에 PA 프로브를 배치합니다. 윤축을 한 바퀴 돌리면 1분 이내에 FOCUS PX 장비가 초음파 데이터를 수집하여 맞춤형 WIS 소프트웨어 프로그램으로 전송합니다. 그런 다음 1분 후에는 작업자가 검토할 수 있는 자동 검사 보고서가 준비됩니다.

DTEC GmbH UW-UT 시스템의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 자동 배치 및 검사
• UT 데이터 수집: 윤축당 1분 이하
• A/B-스캔, 막대 차트, 차륜 측면도 데이터 분석
• 결함 검출 기능:
  • 차륜 림의 등가 결함: FBH 2mm 이상
  • 차륜 림의 등가 균열: 10mm×3mm
  • 차륜 디스크의 등가 균열: 15mm×3mm
  • 차륜 디스크의 등가 결함: SDH 3mm 이상

보정 기준 윤축의 UW-UT 시스템(왼쪽) 및 차량 내 윤축 검사(오른쪽).

결과: 강력한 PAUT 검사 및 데이터 관리

UW-UT 시스템에서는 차륜 답면이 1mm 회전할 때마다 여러 초음파 빔 세트(또는 초점 법칙)가 동시에 트리거되어 각 차륜별로 50 A-스캔을 수행합니다. 직경 920mm의 윤축 검사에서 총 A-스캔 수는 약 30,000회입니다. 이 데이터 수집 및 데이터 전송을 실시간으로 실행하려면 Olympus FOCUS PX 장치와 같은 강력한 장비가 필요합니다.

DTEC GmbH는 각 검사마다 수집된 데이터 양이 매우 방대하기 때문에 작업자를 위해 다음과 같은 전문 데이터 관리 기능을 설치했습니다.

• 막대 차트는 자동 경고를 적용할 수 있는 채널에 사용되며, 작업자는 관련 B-스캔 및 A-스캔 데이터를 수신할 막대를 선택할 수 있습니다.
• 예를 들어, 차륜 디스크용 채널과 같이 수동 확인이 필요한 채널의 경우 차륜 직경에 따라 보정되는 여러 B-스캔을 결합하여 차륜 측면도가 생성됩니다.
• 작업자는 막대 차트 및 차륜 측면도를 사용하여 차륜에 결함이 있는지 여부를 쉽게 확인하고 나서 A-스캔과 B-스캔을 사용하여 위치, 깊이 및 심각도와 같은 결함 세부 정보를 파악할 수 있습니다.
• 작업자가 마우스를 사용하여 B-스캔의 결함 주위에 있는 창을 클릭하고 끌면 이러한 데이터(위치, 깊이 등)가 자동으로 계산됩니다.

막대 차트, A-스캔 및 B-스캔 관련 분석

차륜 측면도, A-스캔 및 B-스캔 관련 분석

전자동 고급 PAUT 기술과 강력한 데이터 관리 기능을 통해 DTEC GmbH UW-UT 시스템을 지능적으로 쉽게 작동할 수 있습니다. 2009년 이후 130개의 UW-UT 시스템이 현장에 설치되어 수많은 차륜 피로 균열을 성공적으로 검출했습니다. 선반으로 균열을 제거한 후 이러한 차륜은 안전하게 다시 작동할 수 있습니다.

답면 리프로파일 전(왼쪽)과 후(오른쪽)에 발견된 차륜 피로 균열

다른 철도 윤축 유지보수에 대한 FOCUS PX 시스템 솔루션 적용

DTEC GmbH는 또한 분리된 윤축 초음파 검사(DW-UT) 시스템을 개발했습니다. 이 장비에 사용되는 초음파 기술은 UW-UT 시스템과 유사하지만, 이번에는 분리된 윤축에 적용되었습니다.

분리된 윤축 및 일체 차축 초음파 검사 시스템

DTEC GmbH는 Olympus 기술과 장비를 활용함으로써 효율적인 지능형 자동 솔루션을 성공적으로 생산하여 보다 안전하고 효율적인 철도를 보장하고 있습니다.

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