Inspección inteligente de los ejes de ruedas ferroviarias por tecnología Phased Array: La experiencia de un cliente

DTEC GmbH es un proveedor de equipamiento para END situado en Frankfurt Rhein-Main, Alemania. La empresa se especializa en soluciones llave en mano para detectar defectos en los ejes de ruedas ferroviarias y monitorizar el estado de los trenes.

Mediante una técnica avanzada de ultrasonido multielemento (Phased Array) y la visión artificial, DTEC GmbH ha creado sistemas automatizados inteligentes que brindan servicios de inspección para garantizar la seguridad ferroviaria.

Las soluciones que crean estos sistemas de inspección automatizados de DTEC GmbH se aplican a:

• Inspecciones de ruedas de vía
• Inspecciones de ruedas y ejes en servicio cuando los ejes de ruedas se hallan instalados en el tren
• Fases de mantenimiento de rutina de ruedas y ejes cuando los ejes de ruedas se hallan desmontados.

Sistema de ensayo ultrasónico de foso para ejes de ruedas de DTEC GmbH (UW-UT)

En las instalaciones y talleres de mantenimiento ferroviario, los sistemas de inspección para ruedas (WIS) especializados y automatizados permiten detectar fallas de fabricación, defectos y grietas por fatiga en ruedas y ejes de trenes de alta velocidad, locomotoras y material rodante. Estos avanzados sistemas WIS utilizan la instrumentación por ultrasonido multielemento del FOCUS PX de Olympus.

«El FOCUS PX de Olympus hace de nuestro producto estrella, el sistema de ensayo ultrasónico de foso para ejes de ruedas (UW-UT o UFPE en alemán), una excelente solución para las modernas instalaciones de mantenimiento ferroviario. Este permite que nuestro sistema inspeccione ruedas en busca de grietas por fatiga sin necesidad de retirar los ejes del vagón», menciona el Dr. Eric Peng, director de ingeniería de DTEC GmbH.

Desafío: Inspeccionar ejes de ruedas ferroviarias sin desmontarlos

En los trenes, los componentes de los ejes de ruedas están sujetos a las cargas más elevadas. Tanto las ruedas como los rieles son susceptibles a la fatiga por contacto de rodamiento (RCF), lo que se traduce en un agrietamiento generado por las tensiones de contacto entre una rueda y el riel. La RCF puede causar un desconchado (descascarillamiento) y defectos de fisuración en la banda de rodadura de la rueda. Es posible que se desarrollen algunos defectos internos y subsuperficiales de forma circunferencial, además de causar la pérdida de trozos de material a partir de la llanta. La pérdida de material en masa es peligrosa y puede provocar un descarrilamiento. Monitorizar el contacto de las ruedas sobre los rieles y la tensión cíclica continua de los ejes permitirá evitar defectos en los componentes antes de que se produzca un fallo.

Los operadores ferroviarios pueden usar el ensayo por ultrasonido convencional (UT) para llevar a cabo inspecciones periódicas de END en las ruedas de trenes. Sin embargo, por medio de este método manual, los inspectores no siempre llegan a detectar fallas circunferenciales a 360° en una rueda; esto se debe en particular a la compleja estructura de chasis de los vagones de tren.

Por otra parte, y en general, este tipo de inspección con el ensayo UT se programa en un turno de noche para limitar el impacto operativo del vagón. En algunos casos, los ejes de ruedas deben ser retirados del vehículo, lo que aumenta exponencialmente el tiempo y el costo de la carga de trabajo. El desafío que ha enfrentado DTEC GmbH fue implementar un sistema de ensayo por ultrasonido convencional eficiente, preciso, fiable y automático para la inspección de ruedas mantenidas en los vagones.

Requisitos de inspección de UT para ruedas de tren de alta velocidad

La velocidad es una función crucial de los trenes de alta velocidad, pero también lo son la seguridad y la estabilidad. Las ruedas, siendo los componentes clave de los vagones en un tren de alta velocidad, requieren mucha atención durante el mantenimiento; la banda de rodadura, la pestaña, la corona y el disco deben ser inspeccionados minuciosamente para garantizar su integridad. «A fin de cubrir todas las áreas de las ruedas, cuyas superficies son irregulares, se requiere un sistema de diferentes capacidades ultrasónicas», menciona Eric.

Áreas críticas de las ruedas con superficies irregulares

La Tabla 1 muestra los requisitos de cobertura de una inspección UT destinada al mantenimiento leve de ruedas de tren de alta velocidad, junto con los tipos de sonda UT, la configuración y el acoplamiento requerido. De acuerdo con lo que menciona Eric, «al principio, se pensaba usar un total de 62 sondas UT convencionales en el sistema para hacer el trabajo. Sin embargo, no existe suficiente espacio en el área del chasis para tal disposición de sonda».

Tabla 1

En los ensayos por ultrasonido multielemento se hace uso de sondas que presentan una serie (matriz) de transductores ultrasónicos (elementos). Los sistemas por ultrasonido multielemento (Phased Array) pueden emplearse de forma potencial en casi cualquier prueba/ensayo en la que tradicionalmente se hayan empleado detectores de defectos por ultrasonido convencional. Los beneficios de la tecnología de ultrasonido multielemento (Phased Array) en comparación con el ultrasonido convencional parten de la capacidad que permite dirigir, enfocar y escanear haces usando los múltiples elementos de la matriz.

Comparación de ensayos por ultrasonido multielemento (Phased Array) y ultrasonido convencional (UT). La capacidad de inspeccionar soldaduras a partir de múltiples ángulos y profundidades, usando una sola sonda, incrementa la probabilidad de detectar una anomalía.

Asimismo, el tamaño reducido de las sondas Phased Array y su capacidad para escanear los haces facilitan de forma electrónica la inspección de componentes cuyo acceso limitado dificulta el escaneo mecánico, como en el caso de las ruedas instaladas en el chasis. El lado negativo de la tecnología de ultrasonido multielemento (Phased Array) es que suele ser más cara y los operadores pueden requerir capacitación adicional para usarla. Sin embargo, estos costos (Esp. costes) se compensan con frecuencia debido a una flexibilidad y eficiencia de inspección incrementada y provista por los sistemas PA.

Gracias a la integración de la tecnología PA de Olympus, el número de sondas que alberga el sistema UW-UT de DTEC GmbH es de aproximadamente la mitad de lo que se requeriría con las sondas UT convencionales. La maleta de transporte de la sonda es más compacta y también compatible con los diferentes tipos de ruedas que necesitan ser inspeccionadas.

Solución de inspección para ejes de ruedas ferroviarias: Sistema automatizado y potenciado por la unidad FOCUS PX y el software FocusPC

La unidad de adquisición de datos FOCUS PX es un instrumento de alto rendimiento de ultrasonido convencional (UT) y ultrasonido multielemento (PA) diseñado para sistemas de inspección automatizados. Posee una carcasa robusta (es decir que no requiere una entrada de aire) y está probado para soportar largas horas de funcionamiento en entornos de producción hostiles. Es escalable, fácil de integrar y rápido de programar.

El software FocusPC ofrece potentes funciones de inspección, herramientas de análisis avanzadas y diseños de pantalla totalmente personalizables. Puede controlar hasta cuatro unidades de adquisición FOCUS PX en paralelo y combinar los datos en una pantalla definida por el usuario. Las características del sistema FOCUS PX y FocusPC, como el almacenamiento de archivos de datos grandes, las tasas de compresión y digitalización flexibles y el ahorro condicionado de representaciones A-scan, permiten inspeccionar piezas grandes sin interrumpir la secuencia de inspección.

Aplicación integrada: Sistema de ensayo ultrasónico de foso para ejes de ruedas

El UW-UT (o UFPE) de DTEC GmbH es un sistema de inspección completamente automático por ultrasonido para ruedas de tren durante el mantenimiento leve. Cuando un tren está en la vía de mantenimiento, el sistema UW-UT se ubica debajo del chasis del tren para levantar y girar automáticamente cada eje de ruedas.

Al mismo tiempo, dos robots colocan las sondas PA en ambas ruedas. En menos de un minuto, y con una rotación del eje de ruedas, la unidad FOCUS PX adquiere los datos ultrasónicos y los transfiere al software personalizado del WIS. Después de un minuto, el informe de inspección automático está listo para que el operador lo revise.

Características clave del sistema UW-UT de DTEC GmbH:

• Posicionamiento e inspección automáticos
• Adquisición de datos UT: ≤1 min/eje de ruedas
• A-scan/B-scan, gráfico de barras, análisis de datos de vista lateral de la rueda
• Capacidad de detección de defectos:
  • Defecto equivalente en la corona de la rueda: taladro de fondo plano [FBH] de ≥ 2 mm
  • Grieta equivalente en la corona de la rueda: 10 mm × 3 mm
  • Grieta equivalente en el disco de la rueda: 15 mm × 3 mm
  • Defecto equivalente en el disco de la rueda: taladro lateral [SDH] de ≥ 3 mm

Sistema UW-UT con un eje de ruedas como referencia de calibración (izquierda) y una inspección de ejes de ruedas de vagón (derecha).

Resultados: Potente inspección por ultrasonido multielemento (Phased Array) y gestión de datos

En el sistema UW-UT, por cada rotación de 1 mm ejecutada en la banda de rodadura de la rueda, se activan simultáneamente varios grupos de haces ultrasónicos (o leyes focales) para adquirir 50 A-scan por cada rueda. En el caso de una inspección de un eje de ruedas de 920 mm de diámetro, el número total de representaciones A-scan es de aproximadamente 30 000. Por ende, se requiere una unidad potente como el FOCUS PX de Olympus para la adquisición y transferencia de los datos en tiempo real.

Debido a que se recopila un gran volumen de datos a través de cada inspección, la empresa DTEC GmbH ha establecido una gestión de datos especializada para sus operadores:

• Se emplea un gráfico de barras para los canales en los que se puede aplicar una alerta automática, y un operador puede seleccionar las barras deseadas para recibir los datos relacionados con el B-scan y el A-scan.
• En el caso de los canales que requieren una confirmación manual, por ejemplo, en los canales de un disco de rueda, se crea una vista lateral de la rueda combinando varios B-scan, cuya corrección se basa en el diámetro de la rueda.
• Los operadores pueden ver fácilmente si hay un defecto en una rueda usando el gráfico de barras y las vistas laterales de la rueda; a continuación, pueden usar los A-scan y B-scan para determinar los detalles del defecto, como la ubicación, la profundidad y la gravedad.
• Cuando el operador usa el ratón para arrastrar y pegar una ventana alrededor de un defecto en un B-scan, estos datos (ubicación, profundidad, etc.) se calculan de forma automática.

Análisis asociados al A-scan y B-scan y gráfico de barras

Análisis asociado a la vista lateral de rueda, A-scan y B-scan

La tecnología avanzada y totalmente automatizada de ultrasonido multielemento, junto con la potente gestión de datos, hacen que el sistema UW-UT de DTEC GmbH sea inteligente y fácil de operar. Desde el año 2009, cerca de 130 sistemas UW-UT han sido instalados en campo y han detectado con éxito numerosas grietas por fatiga de las ruedas. Tras eliminar las grietas de las ruedas con un torno, estas podrán reincorporarse al servicio de manera segura.

Grietas por fatiga en la rueda (izquierda) antes y (derecha) después del perfilado de la banda de rodadura

Aplicación de la solución del sistema FOCUS PX a otro mantenimiento de ejes de ruedas

DTEC GmbH también ha desarrollado el sistema de ensayos ultrasónicos para ejes de ruedas desmontados (DW-UT). Las tecnologías ultrasónicas utilizadas en este equipamiento son como las del sistema UW-UT, pero esta vez aplicadas a ejes de ruedas desmontados.

Eje de ruedas desmontados y sistemas de ensayo ultrasónico para ejes macizos

Junto con la tecnología y la instrumentación de Olympus, DTEC GmbH ha logrado producir soluciones eficientes, inteligentes y automatizadas para ayudar a garantizar ferrocarriles más seguros e inteligentes.

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