Sử dụng Phased array trong kiểm tra bánh xe tàu điện

DTEC GmbH là nhà cung cấp thiết bị NDT có trụ sở tại Frankfurt Rhein-Main, Đức, công ty chuyên về các giải pháp dưới dạng chìa khóa trao tay để phát hiện lỗi trong bánh xe đường sắt và giám sát tình trạng tàu.

Sử dụng kỹ thuật kiểm tra siêu âm mảng pha (PAUT) tiên tiến, DTEC GmbH đã tạo ra các hệ thống tự động thông minh cung cấp dịch vụ kiểm tra an toàn đường sắt.

Các giải pháp hệ thống kiểm tra tự động của DTEC GmbH được sử dụng để thực hiện:

  • Kiểm tra bánh xe từ bên cạnh
  • Kiểm tra trục và bánh xe đang sử dụng khi bộ bánh đang chạy trên tàu hỏa
  • Các giai đoạn bảo dưỡng trục và bánh xe định kỳ khi bộ bánh xe được tháo ra khỏi tàu
Hệ thống kiểm tra siêu âm đặt dưới bánh xe của DTEC GmbH (UW-UT)

Tại các kho và xưởng bảo dưỡng đường sắt, hệ thống kiểm tra bánh xe tự động chuyên dụng (WIS) phát hiện các sai sót trong quá trình sản xuất, khuyết tật và vết nứt do mỏi ở bánh xe và trục tàu cao tốc, đầu máy và toa xe. Các hệ thống WIS tiên tiến này sử dụng thiết bị FOCUS PX PAUT của Olympus .

Olympus FOCUS PX cùng tạo ra sản phẩm nổi tiếng của chúng tôi, hệ thống kiểm tra siêu âm đặt dưới bánh xe (UW-UT, hoặc UFPE trong tiếng Đức), một giải pháp tuyệt vời cho các xưởng bảo trì đường sắt hiện đại. Nó cho phép kiểm tra bánh xe tàu để tìm vết nứt mỏi mà không cần tháo rời khỏi tàu.

Tiến sĩ Eric Peng, Kỹ sư trưởng tại DTEC GmbH.

Thử thách: Kiểm tra bánh xe tàu điện mà không tháo rời chúng

Trên tàu hỏa hay tàu điện, các bộ phận của bộ bánh xe phải chịu tải trọng cao nhất. Cả bánh xe và đường ray đều dễ bị mỏi do tiếp xúc lăn (RCF), đó là khi các vết nứt phát triển do ứng suất tiếp xúc giữa bánh xe lăn và đường ray. RCF có thể gây ra hiện tượng bong bề mặt (bong tróc) và các khuyết tật khác trên bánh xe. Một số khuyết tật bên dưới bề mặt và bên trong có thể phát triển theo chu vi và khiến vành bánh xe bị mất dần các khối vật liệu. Mất vật liệu hàng loạt rất nguy hiểm và có thể dẫn đến trật bánh xe. Theo dõi sự tiếp xúc của đường ray và bánh xe liên tục có thể giúp tránh các khuyết tật bánh và trục trước khi chúng gây ra hỏng hóc.

Các đơn vị điều hành đường sắt có thể sử dụng phương pháp kiểm tra siêu âm thông thường (UT) để tiến hành kiểm tra NDT định kỳ các bánh xe tàu. Tuy nhiên, với phương pháp UT thủ công, các nhân viên kỹ thuật không thể phát hiện đầy đủ các khuyết tật theo chu vi 360 độ của bánh xe, chủ yếu là do cấu trúc phức tạp của gầm xe lửa.

Ngoài sự bất tiện của UT thủ công, loại công việc kiểm tra này thường được lên lịch vào ca đêm để hạn chế ảnh hưởng đến thời gian vận hành của xe. Trong một số trường hợp, bánh xe phải được tháo ra khỏi xe, điều này làm tăng thời gian và chi phí khối lượng công việc theo cấp số nhân. Thách thức mà DTEC GmbH phải đối mặt là triển khai một hệ thống UT tự động, chính xác, đáng tin cậy và hiệu quả để kiểm tra bánh xe trong khi vẫn giữ các bánh xe lắp trên tàu.

Yêu cầu kiểm tra UT đối với bánh xe tàu tốc độ cao

Tốc độ là một chức năng quan trọng của tàu cao tốc, nhưng độ an toàn và ổn định cũng vậy. Bánh xe, là thành phần quan trọng của phương tiện tàu cao tốc, cần được chú ý rất nhiều trong quá trình bảo dưỡng — mặt lốp, mặt bích, vành xe, và đĩa phải được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo tính toàn vẹn của chúng. “Để quét kiểm tra tất cả các khu vực bánh xe quan trọng với bề mặt không đều đòi hỏi một hệ thống các kỹ năng siêu âm khác nhau,” Eric nói.

Hình minh họa các bộ phận khác nhau của bánh xe lửa yêu cầu kiểm tra siêu âm bằng hệ thống kiểm tra bánh xe FOCUS PX và FocusPC, bao gồm vành, lốp, mặt bích và đĩa
Các khu vực bánh xe tàu quan trọng và bề mặt không đồng đều của chúng

Phạm vi kiểm tra UT đối với bánh tàu cao tốc, bao gồm các loại đầu dò UT yêu cầu, cấu hình và loại tiếp âm. Theo Eric, “Lúc đầu, chúng tôi đã nghĩ đến việc sử dụng tổng số 62 đầu dò UT thông thường trong hệ thống để thực hiện công việc. Tuy nhiên, không có đủ không gian trong khu vực gầm để bố trí nhiều đầu dò như vậy. “

PAUT sử dụng các đầu dò bao gồm nhiều đầu dò siêu âm (biến tử). Hệ thống đầu dò siêu âm mảng pha có thể được sử dụng trong hầu hết các thử nghiệm mà thiết bị khuyết tật siêu âm thông thường đã từng được sử dụng. Lợi ích của công nghệ mảng pha so với UT thông thường là khả năng định hướng, lấy nét và quét chùm tia bằng cách sử dụng nhiều biến tử trong mảng.

So sánh chùm tia từ đầu dò siêu âm thông thường và đầu dò mảng pha trong thử nghiệm không phá hủy công nghiệp
Kiểm tra siêu âm mảng pha so với UT thông thường. Khả năng kiểm tra mối hàn với nhiều góc độ và độ sâu từ một đầu dò duy nhất

Kích thước nhỏ gọn của các đầu dò Phased array và khả năng quét chùm tia điện tử giúp dễ dàng kiểm tra các thành phần ở nơi có khả năng tiếp cận hạn chế để quét cơ học, chẳng hạn như bánh xe trong gầm tàu. Mặt khác, công nghệ đầu dò mảng pha thường đắt hơn và người vận hành có thể cần đào tạo thêm để sử dụng. Tuy nhiên, những chi phí này thường được bù đắp bởi tính linh hoạt cao hơn và hiệu quả kiểm tra mà hệ thống PAUT cung cấp cũng cao hơn.

Bằng cách tích hợp công nghệ Olympus PAUT, số lượng đầu dò mà hệ thống UW-UT của DTEC GmbH sử dụng bằng khoảng một nửa so với yêu cầu sử dụng đầu dò UT thông thường. Thiết bị mang đầu dò nhỏ gọn hơn và nó cũng tương thích với nhiều loại bánh xe khác nhau mà họ cần phải kiểm tra.

Giải pháp kiểm tra bộ bánh xe: Hệ thống FOCUS PX và FocusPC tự động

Thiết bị thu thập dữ liệu FOCUS PX là một thiết bị UT và PA thông thường hiệu suất cao được thiết kế cho các hệ thống kiểm tra tự động. Nó có vỏ chắc chắn và được thử nghiệm để xử lý nhiều giờ hoạt động trong môi trường sản xuất khắc nghiệt. Nó có thể mở rộng, dễ tích hợp và lập trình nhanh chóng.

Phần mềm FocusPC cung cấp các tính năng kiểm tra mạnh mẽ, công cụ phân tích nâng cao và màn hình có thể tùy chỉnh hoàn toàn. Phần mềm này hỗ trợ tối đa bốn đơn vị FOCUS PX song song và có thể kết hợp dữ liệu trong một màn hình do người dùng lập trình. Các tính năng của hệ thống FOCUS PX và FocusPC, chẳng hạn như lưu trữ tệp dữ liệu lớn, tốc độ nén và số hóa linh hoạt cũng như lưu A-scan có điều kiện, cho phép kiểm tra các bộ phận lớn mà không làm gián đoạn trình tự kiểm tra.

Ứng dụng tích hợp: Hệ thống kiểm tra siêu âm dưới bánh xe

Hệ thống UW-UT (hoặc UFPE) của DTEC GmbH là hệ thống kiểm tra bánh xe siêu âm hoàn toàn tự động để sử dụng trong quá trình bảo dưỡng. Khi tàu đang trên đường bảo dưỡng, hệ thống UW-UT được chạy dưới gầm tàu ​​để tự động nâng và xoay từng bộ bánh.

Đồng thời, hai robot định vị đầu dò PA trên cả hai bánh xe. Trong vòng chưa đầy một phút và với một vòng quay của bộ bánh xe, thiết bị FOCUS PX thu thập dữ liệu siêu âm và chuyển nó đến chương trình phần mềm WIS tùy chỉnh. Một phút sau đó, báo cáo kiểm tra tự động đã sẵn sàng để người vận hành xem xét.

Các tính năng chính của hệ thống UW-UT của DTEC GmbH:

  • Định vị và kiểm tra tự động
  • Thu thập dữ liệu UT: ≤1 phút / bộ bánh xe
  • A / B-scan, biểu đồ thanh, phân tích dữ liệu dạng hình chiếu cạnh của bánh xe
  • Khả năng phát hiện lỗi trong bánh xe:
    • Khuyết tật tương đương ở vành bánh xe: ≥ 2 mm FBH
    • Vết nứt tương đương trên vành bánh xe: 10 mm × 3 mm
    • Vết nứt tương đương trên đĩa bánh xe: 15 mm × 3 mm
    • Khuyết tật tương đương trong đĩa bánh xe: ≥ 3 mm SDH

Kiểm tra PAUT và Quản lý dữ liệu vượt yêu cầu

Trong hệ thống UW-UT, đối với mỗi vòng quay 1mm của bánh xe, nhiều chùm tia siêu âm được kích hoạt đồng thời để thực hiện 50 lần quét A-Scan cho mỗi bánh xe. Để kiểm tra bộ bánh xe có đường kính 920 mm, tổng số A-scan là khoảng 30.000 dữ liệu. Nó yêu cầu một công cụ mạnh mẽ như thiết bị Olympus FOCUS PX để thực hiện việc thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu này trong thời gian thực.

Do có một khối lượng lớn dữ liệu được thu thập với mỗi lần kiểm tra, DTEC GmbH đã thiết lập quản lý dữ liệu chuyên biệt cho các nhà khai thác của họ:

  • Biểu đồ dạng thanh được sử dụng cho các kênh có thể áp dụng cảnh báo tự động và người vận hành có thể chọn các thanh để nhận dữ liệu quét B và quét A liên quan.
  • Đối với các kênh yêu cầu xác nhận thủ công — ví dụ: các kênh cho đĩa bánh xe — hình chiếu cạnh bánh xe được tạo bằng cách kết hợp một số lần quét B, được hiệu chỉnh theo đường kính bánh xe.
  • Người vận hành có thể dễ dàng xem liệu có khiếm khuyết trong bánh xe hay không bằng cách sử dụng biểu đồ thanh và chế độ hình chiếu cạnh của bánh xe, sau đó họ sử dụng quét A và quét B để xác định chi tiết khuyết tật, chẳng hạn như vị trí, độ sâu và mức độ nghiêm trọng.
  • Khi người vận hành sử dụng chuột để nhấp và kéo một cửa sổ xung quanh một khuyết tật trên B-scan, những dữ liệu này (vị trí, độ sâu, v.v.) được tính toán tự động.

Hoàn toàn tự động, công nghệ PAUT tiên tiến và quản lý dữ liệu mạnh mẽ làm cho hệ thống UW-UT của DTEC GmbH trở nên thông minh và dễ vận hành. Kể từ năm 2009, 130 hệ thống UW-UT đã được lắp đặt tại hiện trường, phát hiện thành công nhiều vết nứt do mỏi bánh xe. Sau khi loại bỏ các vết nứt bằng phương pháp tiện, các bánh xe có thể đưa vào hoạt động lại một cách an toàn.

Áp dụng Giải pháp Hệ thống FOCUS PX cho việc bảo trì các bộ bánh xe đường sắt khác

DTEC GmbH cũng đã phát triển hệ thống Kiểm tra siêu âm bánh xe tàu đã tháo rời (DW-UT). Các công nghệ siêu âm được sử dụng trong thiết bị này giống như trong hệ thống UW-UT, nhưng lần này được áp dụng cho các thiết bị có bánh xe đã tháo rời.

Bằng cách sử dụng công nghệ và thiết bị của Olympus, DTEC GmbH đã thành công trong việc sản xuất các giải pháp hiệu quả, thông minh và tự động để giúp đảm bảo đường sắt an toàn hơn và thông minh hơn.