Inspeção inteligente de rodados ferroviários com tecnologia Phased Array — a história de um cliente

DTEC GmbH é um fornecedor de equipamento NDT localizado em Frankfurt Rhein-Main, Alemanha. A empresa é especializada em soluções integrais para detecção de falhas em rodados ferroviários e monitoramento das condições dos trens.

Usando uma técnica avançada de teste ultrassônico Phased Array (PAUT) e visão de máquina, a DTEC GmbH criou sistemas automatizados inteligentes que fornecem serviços de inspeção para segurança ferroviária.

As soluções de sistema de inspeção automatizada da DTEC GmbH são usadas para realizar:

• Inspeção da roda lateral
• Inspeção de roda e eixo em serviço quando os rodados estão no trem
• Fases de rotina de manutenção de rodas e eixos quando os rodados são desmontados do trem

Sistema de teste ultrassônico de rodado subterrâneo da DTEC GmbH (UW-UT)

Em depósitos e oficinas de manutenção ferroviária, sistemas especializados automatizados de inspeção de roda (WIS) detectam falhas de fabricação, defeitos e rachaduras por fadiga em trens de alta velocidade, locomotivas e rodas e eixos de material rodante. Esses sistemas WIS avançados usam a instrumentação FOCUS PX PAUT da Olympus.

“O Olympus FOCUS PX torna nosso principal produto, o sistema de teste ultrassônico de pavimentos de rodados (UW-UT ou UFPE em alemão), uma excelente solução para depósitos modernos de manutenção ferroviária. Ele permite que eles inspecionem as rodas em busca de rachaduras por fadiga sem a necessidade de remover o rodado do veículo”, diz o Dr. Eric Peng, engenheiro-chefe da DTEC GmbH.

Desafio: inspecionar rodados sem desmontá-los

Em trens, os componentes do rodado estão sujeitos às cargas mais elevadas. Tanto as rodas quanto os trilhos são suscetíveis à fadiga por contato de rolamento (RCF), que é quando as rachaduras crescem por causa das tensões de contato entre uma roda de rolamento e o trilho. O RCF pode induzir fragmentação (descamação) e defeitos de descascamento na banda de rodagem. Alguns defeitos subterrâneos e internos podem se desenvolver circunferencialmente e fazer com que o aro da roda perca pedaços de material. A perda de material a granel é perigosa e pode resultar em descarrilamento. O monitoramento do contato trilho-roda e da tensão de ciclagem contínua dos eixos pode ajudar a evitar defeitos de componentes antes que eles causem uma falha.

Operadores ferroviários podem usar o teste ultrassônico convencional (UT) para executar inspeção END periódica das rodas do trem. No entanto, com o método UT manual, os inspetores são incapazes de realizar a detecção de falhas circunferenciais de 360 graus nas rodas, principalmente por causa da estrutura complicada do material rodante dos vagões.

Para agravar o incômodo do UT manual, este tipo de trabalho de inspeção normalmente é agendado durante o turno da noite para limitar o impacto no tempo de operação do veículo. Em alguns casos, os rodados devem ser removidos do veículo, o que aumenta exponencialmente o tempo e o custo da carga de trabalho. O desafio que a DTEC GmbH enfrentou foi implementar um sistema UT eficiente, preciso, confiável e automático para inspeção das rodas, mantendo as rodas no veículo.

Requisitos de inspeção UT em rodas de trem de alta velocidade

A velocidade é uma função crítica dos trens de alta velocidade, mas também a segurança e a estabilidade. As rodas, como um componente-chave de um veículo de trem de alta velocidade, requerem muita atenção durante a manutenção — o piso, o flange, o aro e o disco devem ser inspecionados minuciosamente para que a integridade deles seja garantida. “Para cobrir todas as áreas críticas da roda com suas superfícies irregulares, é necessário um sistema de diferentes habilidades ultrassônicas”, diz Eric.

Áreas críticas da roda com suas superfícies irregulares

A Tabela 1 mostra os requisitos de cobertura de inspeção de UT de manutenção leve para rodas de trens de alta velocidade, incluindo os tipos de sondas UT necessários, configuração e acoplamento. De acordo com Eric, “No início, pensamos em usar 62 sondas UT convencionais no sistema para fazer o trabalho. No entanto, não há espaço suficiente na área do material rodante para tal configuração de sonda.”

Tabela 1.

O ultrassom Phased Array usa sondas que contêm um conjunto (matriz) de transdutores ultrassônicos (elementos). Os sistemas de ultrassôm Phased Array podem ser potencialmente empregados em quase todos os testes em que os detectores ultrassônicos convencionais de falhas são tradicionalmente usados. Os benefícios da tecnologia Phased Array em relação ao UT convencional vem da capacidade de direcionar, focar e escanear feixes usando os vários elementos da matriz.

Comparação entre o teste de ultrassom Phased Array e o UT convencional. A capacidade de testar soldas com vários ângulos e profundidades de uma única sonda pode aumentar a probabilidade de detecção de uma anomalia.

O tamanho reduzido das sondas Phased Array e a capacidade de varrer feixes eletronicamente facilitam a inspeção de componentes onde há acesso limitado para varredura mecânica, como rodas no material rodante. Porém, a tecnologia da sonda Phased Array é geralmente mais cara e os operadores podem precisar de treinamento adicional para usá-la. No entanto, esses custos são frequentemente compensados pela maior flexibilidade e eficiência de inspeção aumentada que os sistemas PAUT fornecem.

Ao integrar a tecnologia Olympus PAUT, o número de sondas que o sistema UW-UT da DTEC GmbH usa é cerca da metade do que seria necessário usando transdutores UT convencionais. O dispositivo de transporte da sonda é mais compacto e também compatível com os diversos tipos de rodas que eles precisam inspecionar.

Solução de inspeção de conjunto de rodas: um sistema automatizado FOCUS PX e FocusPC

A unidade de aquisição de dados FOCUS PX é um instrumento UT e PA convencional de alto desempenho projetado para sistemas de inspeção automatizados. Ele tem uma caixa robusta — por exemplo, não requer entrada de ar — e foi testado para suportar longas horas de operação em ambientes de produção hostis. É escalonável, fácil de integrar e rápido de programar.

O Software FocusPC oferece recursos de inspeção poderosos, ferramentas de análise avançadas e visores totalmente personalizáveis. Ele controla até quatro unidades de aquisição FOCUS PX em paralelo e pode combinar os dados em um display definido pelo usuário. Os recursos do sistema FOCUS PX e FocusPC, como o armazenamento de grandes arquivos de dados, compressão flexível e taxas de rastreamento, e economia de A-scan condicional, permitem que grandes peças sejam inspecionadas sem interromper a sequência de inspeção.

Aplicação integrada: sistema de teste ultrassônico de rodado subterrâneo

O UW-UT (ou UFPE) da DTEC GmbH é um sistema de inspeção ultrassônica totalmente automático para uso durante a manutenção preventiva. Quando um trem está na linha de manutenção, o sistema UW-UT é executado sob o material rodante do trem para levantar e girar automaticamente cada rodado.

Ao mesmo tempo, robôs gêmeos posicionam as sondas PA em ambas as rodas. Em menos de um minuto, e com uma rotação do rodado, o instrumento FOCUS PX adquire os dados ultrassônicos e os transfere para o software WIS personalizado. Um minuto depois disso, o relatório de inspeção automática está pronto para o operador analisar.

Principais recursos do sistema UW-UT da DTEC GmbH:

• Posicionamento e inspeção automáticos
• Aquisição de dados UT: ≤1 min/rodado
• A e B-scan, gráfico de barras, análise de dados de visão lateral da roda
• Capacidade de detecção de falhas:
  • Defeito equivalente no aro da roda: ≥ 2 mm FBH
  • Fissura equivalente no aro da roda: 10 mm × 3 mm
  • Fissura equivalente no disco da roda: 15 mm × 3 mm
  • Defeito equivalente no disco da roda: ≥ 3 m SDH

Sistema UW-UT em um rodado de referência de calibração (esquerda) e uma inspeção do rodado no veículo (direita).

Os resultados: inspeção PAUT poderosa e gerenciamento de dados

No sistema UW-UT, para cada rotação de 1 mm da banda de rodagem, vários conjuntos de feixes ultrassônicos (ou leis focais) são acionados simultaneamente para realizar 50 A-scans para cada roda. Para uma inspeção de rodado de 920 mm de diâmetro, o número total de A-scans é de cerca de 30.000. Requer um instrumento poderoso como a unidade Olympus FOCUS PX para executar esta aquisição e transferência de dados em tempo real.

Como há um grande volume de dados coletados em cada inspeção, a DTEC GmbH configurou um gerenciamento de dados especializado para seus operadores:

• Um gráfico de barras é usado para canais onde um alerta automático pode ser aplicado e um operador pode selecionar barras para receber dados de B-scan e A-scan relacionados.
• Para canais onde uma confirmação manual é necessária — por exemplo, os canais para um disco de roda — uma vista lateral da roda é criada combinando vários B-scans, que são corrigidos de acordo com o diâmetro da roda.
• Os operadores podem ver facilmente se há um defeito em uma roda usando o gráfico de barras e as visualizações laterais da roda, então eles usam os A-scans e B-scans para determinar os detalhes do defeito, como localização, profundidade e gravidade.
• Quando o operador usa o mouse para clicar e arrastar uma janela ao redor de um defeito em um B-scan, esses dados (localização, profundidade, etc.) são calculados automaticamente.

Gráfico de barras, análise associada de varredura A e B

Visão lateral da roda, análise associada ao A-scan e B-scan

A tecnologia PAUT avançada e totalmente automatizada e o gerenciamento de dados poderoso tornam o sistema UW-UT da DTEC GmbH inteligente e fácil de operar. Desde 2009, 130 sistemas UW-UT foram instalados em campo, detectando com sucesso inúmeras trincas por fadiga das rodas. Depois de remover as rachaduras com um torno, essas rodas podem ser colocadas de volta em serviço com segurança.

Descobertas de trinca por fadiga da roda (esquerda) antes e (direita) depois do perfil do piso

Aplicação da solução do sistema FOCUS PX a outras manutenções de rodados ferroviários

A DTEC GmbH também desenvolveu um sistema de teste ultrassônico de conjunto de rodas desmontado (DW-UT). As tecnologias ultrassônicas utilizadas neste equipamento são semelhantes às do sistema UW-UT, mas desta vez aplicadas a rodados desmontados.

Rodado desmontado e sistemas de teste ultrassônico de eixo sólido

Ao empregar a tecnologia e instrumentação da Olympus, a DTEC GmbH obteve sucesso na produção de soluções eficientes, inteligentes e automatizadas para ajudar a garantir ferrovias mais seguras e inteligentes.

Conteúdo relacionado

Na hora certa: um sistema de inspeção de rodas de trem eficiente e confiável (WIS)

Sistema de inspeção automatizado de rodas de trem

Inspeção de rodas de trem com Phased Array