Sistema de inspección de defectos en ruedas ferroviaria por ultrasonidos,

que consiste en la utilización de al menos un array (1) de transductores ultrasónicos, gobernado por un sistema electrónico (2) que es controlado por un computador (3) predeterminado con unas leyes focales específicas, para deflexión y focalización de las haces ultrasónicos sobre regiones de interés de las ruedas (7) de aplicación, en función de la posición angular de las mismas que se determina mediante un codificador de posición (10) conectado con el computador (3)

Sistema de inspección de defectos en ruedas ferroviarias por ultrasonidos.

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con la evaluación de la calidad de las ruedas en servicio de ferrocarriles, proporcionando un sistema que gracias a sus características funcionales posibilita la detección integral de defectos en el volumen de ruedas de cualquier tipo de geometría.

Estado de la técnica

Las ruedas de ferrocarriles en servicio se encuentran sometidas a una diversidad de esfuerzos mecánicos que pueden dar lugar a fallos debidos a la fatiga del material, como por ejemplo, fisuras, grietas, etc. que en caso de propagarse pueden provocar la ruptura de la rueda.

En trenes de alta velocidad, cercanías, etc. el resultado puede ser catastrófico, las características de la utilización hacen que el material de las ruedas quede sometido a mayores esfuerzos, aumentando las probabilidades de que aparezcan fallos, por lo que los operadores de trenes se ven obligados a realizar un mantenimiento exhaustivo de los trenes.

La verificación del estado de las ruedas requiere de técnicas que inspeccionen defectos críticos en el interior de la rueda, comprendiendo la llanta, el velo y cubo de la misma, además de la superficie de rodadura.

En particular, los taladros existentes para la sujeción de los discos de freno, es una región especialmente crítica ya que cualquier fallo de fatiga del material puede propagarse produciendo la rotura de la rueda. Otras zonas críticas en cuanto a la propagación de estos fallos son el interior de la llanta, en la zona en la que se realiza el shunt eléctrico, y la superficie de contacto con los elementos elásticos.

Se conocen diferentes métodos de verificación de existencia o inexistencia de defectos críticos en las ruedas ferroviarias, como inspección visual, análisis micro-estructural, partículas magnéticas, corrientes inducidas y ultrasonidos. Sin embargo únicamente los ultrasonidos proporcionan información referente al interior del material, así como de la superficie de rodadura.

En este sentido, existen invenciones dedicadas al análisis del estado de la superficie de rodadura, que es la zona de las ruedas que sufre el mayor desgaste y está sometida a esfuerzos de fatiga, aparición de planos, grietas, delaminaciones y exfoliaciones.

La Patente alemana DE 32 18 453 de "Fraunhofer Ges Forschung" describe un dispositivo para detectar defectos superficiales basados en transductores EMAT y electrónica de amplificación logarítmica. Los transductores EMAT son de no-contacto, funcionando como emisor y receptor a la vez, no requiriendo ningún medio de acoplamiento para la recepción o generación de ondas ultrasónicas. Sin embargo debido a la emisión que realizan en ambos sentidos, los datos tomados se hacen difíciles de interpretar, ya que se suelen producir superposiciones entre las ondas emitidas y las recibidas.

La Patente US 5 654 510 de "Hegenscheidt" propone la incorporación, en un dispositivo, de dos transductores EMAT, ubicados próximos entre sí, de forma que se reduce la zona en la que no se pueden evaluar las fisuras, estando uno de los transductores dedicado a la emisión de ondas en dos direcciones opuestas de la rueda y el otro a la recepción de las respuestas a dichas ondas, las cuales llegan al receptor desfasadas en el tiempo la una de la otra, lo cual soluciona el inconveniente de la superposición de ondas descrito anteriormente. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a un tren en movimiento resulta compleja.

La Patente europea EP 0 978 436 de "Talgo" describe un método basado en unos palpadores instalados en los carriles ferroviarios y destinados a entrar en contacto con la rueda del ferrocarril. Dichos palpadores están constituidos, cada uno, por un transductor piezoeléctrico que emite ultrasonidos en un sentido y recibe las señales de eco para su posterior análisis mediante un sistema electrónico e informático.

Sin embargo, todas estas técnicas están orientadas a la detección de únicamente fallos superficiales en la banda de rodadura de la rueda. Para obtener datos acerca de posibles defectos en el interior de la rueda, es decir en la llanta o el velo de la rueda, se hace necesaria la utilización de ondas ultrasónicas que penetren en el material.

En este sentido se conoce la Patente US 4 050 292 de "Krautkramer Branson", que describe un dispositivo constituido por un transductor que emite y recibe en la dirección radial, detectando los defectos circunferenciales. En la Patente US 5 864 065 de "Amsted Ind. Inc." se utiliza un único transductor que, para cubrir todo el volumen de la llanta de la rueda, se desplaza siguiendo la generatriz de la misma a la vez que ésta es rotada. Otro sistema de estas características se describe en la Patente EP 1 081 485 de "Siemens AG", el cual está orientado a la identificación de la posición de los defectos encontrados en el volumen de la llanta.

En todos estos casos solo puede asegurarse la detección de defectos cuya orientación sea paralela a la superficie de rodadura de la rueda, es decir circunferenciales, ya que solo son detectables aquellos cuya orientación sea perpendicular a la dirección de propagación de los ultrasonidos.

"H. Wüstenberg" y otros, en su escrito titulado "Recent advances in Ultrasonic Inspection of Railway - Axles and - Wheels" (www.NDT.net - Febrero 2001, Vol. 6, No. 2), describe la utilización de técnicas multitransductor con diferentes orientaciones y propagación de ondas transversales en V, de modo que se amplíe el rango de orientaciones en el que se detecten defectos del interior de la rueda, y no solo los circunferenciales como en los casos anteriores. Sin embargo, para lograr esta ampliación se requiere una perfecta adaptación mecánica a la rueda mediante inmersión, dificultando la aplicación de este método a ruedas de diferentes geometrías y por lo tanto su universalidad.

La Patente US 6 347 550 de "Fraunhofer Ges Forschung" describe un método para la detección de defectos internos con otras orientaciones en la llanta de la rueda. Este método se basa en un conjunto de transductores monoelemento instalados en el raíl, cuyo disparo puede combinarse para generar un haz de orientación diferente a la radial. Dichos transductores van montados sobre soportes flexibles, adaptándose a la curvatura de la rueda; de forma que se obtienen indicaciones de defectos en diferentes orientaciones, con lo que se reduce el tiempo de inspección.

Sin embargo, este método es de elevado costo y complejidad ya que usa gran cantidad de transductores EMAT, que han de ser controlados individualmente para la deflexión.

En general, todos los métodos descritos requieren de adaptaciones para inspeccionar ruedas de diferentes geometrías, no existiendo, por otro lado, equipos preparados para la detección de fallos en zonas internas más profundas de la rueda, como por ejemplo el velo de la rueda, o los originados en los taladros de alojamiento de los discos de freno.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención un sistema que determina la inspección de ruedas de ferrocarril por ultrasonidos utilizando arrays de transductores ultrasónicos que mediante unas leyes focales mejoran la sensibilidad para la detección de defectos en zonas específicas, salvando los inconvenientes de las soluciones convencionales en cuanto a universalidad y detección de defectos en orientaciones diferentes a la circunferencial.

Para ello, la rueda a inspeccionar se sitúa sin desmontar sobre un puesto de medida en donde se ubica el array de transductores operando en inmersión. Un equipo electrónico de control de arrays recibe, por parte de un computador de control, unas leyes focales predeterminadas para cada inspección y compone las señales que recibe en combinación con la posición angular de la rueda, determinando así la existencia de defectos, si los hay, y la localización de los mismos en la rueda.

Las leyes focales son un conjunto de retardos a aplicar en emisión o recepción para generar un haz ultrasónico enfocado a una profundidad y con un ángulo de deflexión determinados, esto es, en función de la región de interés a inspeccionar, de la geometría de la rueda, del array y el sistema, de la frecuencia del transductor, de las velocidades de propagación y de la resolución requerida. El computador evalúa que ley focal es la adecuada para una inspección determinada.

El computador de control se encarga de evaluar, visualizar y registrar las indicaciones...

1. Sistema de inspección de defectos en ruedas ferroviarias por ultrasonidos, caracterizado porque comprende al menos un array (1) de transductores ultrasónicos, un sistema electrónico (2) de control de los arrays, un computador (3) de control del sistema de control de los arrays, cargado con un software, y un codificador (10) de posición angular de la rueda (7) que se inspecciona, para realizar la deflexión y focalización de haces ultrasónicos (13) sobre regiones interiores de la rueda (7).

2. Sistema de inspección de defectos en ruedas ferroviarias, según la primera reivindicación, caracterizado porque, se dispone un mecanismo de orientación lateral de los arrays (1) de transductores ultrasónicos.