Técnicas de ultrasonidos para optimizar la inspección en el sector ferroviario

El sector ferroviario exige el cumplimiento de procesos de homologación, revisión e inspección cada vez más exigentes que certifiquen la calidad de los componentes del material rodante y garanticen la seguridad de los pasajeros. Para cumplir con los rigurosos parámetros internacionales es imperativo avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías que sean capaces de detectar cualquier defecto en los componentes del ferrocarril, como ruedas o ejes, mediante mecanismos de ensayo no destructivo. También es importante que el procedimiento de inspección se pueda realizar antes de su ensamblaje definitivo con el objetivo de reducir tanto los costes como los tiempos del proceso de fabricación. La investigación en técnicas avanzadas de ultrasonidos constituye un aliado clave para lograr el desarrollo de dispositivos que permitan llevar a cabo una inspección exhaustiva de las ruedas sin interferencias en el proceso de fabricación y ensamblaje.

La línea de inspección y medida del centro tecnológico vasco IK4-Ideko, referente en Fabricación Avanzada, ha trabajado junto a CAF Wheels, Axles & Gearboxes, la división de fabricación, montaje y mantenimiento de componentes ferroviarios del grupo CAF, para desarrollar dos sistemas avanzados de inspección:

• Un primer sistema para la detección de defectos radiales en todo el espesor del plano de rodadura de la rueda basado en técnicas de ultrasonido pulso-eco y tándem.
• Un sistema mecánico manual para la medición de tensiones residuales en las ruedas por la técnica de Ultrasonidos EMAT

En cuanto al primer sistema, el trabajo se ha centrado en el diseño de un sensor específico compuesto por dos transductores piezoeléctricos angulares. Para ello, gracias a la utilización de herramientas de simulación (software específico de ultrasonidos CIVA), ver la Figura 1, se ha determinado la posición relativa entre los sensores y su angulación para conseguir una elevada flexibilidad y modularidad. Esta configuración permite una perfecta adaptación a distintas geometrías y tamaños de ruedas ferroviarias.

En base a los resultados del modelo, se ha fabricado el sistema de inspección incorporando la configuración simulada de los sensores a un sistema mecánico de fácil aplicación. Este dispositivo mecánico consta de un sistema de fijación mediante imanes que facilita el manejo del sensor durante la inspección. Además, se ha incorporado un sistema de flotación mediante muelles que asegura un buen contacto de los transductores a la superficie.

Para validar el funcionamiento del sistema, se han fabricado patrones de inspección específicos sobre los que se han mecanizado un taladro de fondo plano de 3mm de diámetro y una ranura de 3 mm. Como se puede comprobar en la Figura 2, el taladro de fondo plano se ha detectado claramente utilizando la técnica tándem (ver figura 2a) mientras que la ranura se ha detectado utilizando la técnica de pulso eco (ver figura 2b).

Este desarrollo contribuye de forma significativa a la mejora de la seguridad del transporte de ferrocarriles. Además, cumple con los requisitos establecidos en la normativa establecida por Trenitalia, la compañía ferroviaria pública italiana, por lo que posibilita la homologación de CAF como proveedor de ruedas, ejes y ejes montados en Italia.

La especialización de IK4-Ideko en ensayos no destructivos ha permitido también el desarrollo, en colaboración con CAF, de un segundo dispositivo tecnológicamente avanzado: un posicionador de medición de tensiones residuales con el objetivo de evitar la rotura de la rueda en servicio.

El estado tensional de las ruedas de ferrocarril es un aspecto clave de seguridad en el sector ferroviario. Los sucesivos ciclos de frenado que experimentan las ruedas durante su vida útil, modifican el estado tensional circunferencial de las ruedas que pasa de ser compresivo a netamente tractivo. Estas tensiones tractivas pueden ser extremadamente peligrosas en el caso de que existan pequeñas grietas en la banda de rodadura ya que pueden inducir al crecimiento de la grieta produciéndose finalmente la fractura catastrófica de la rueda, ver la Figura 3.

Para asegurar el correcto estado tensional de la rueda, la tecnología por Ultrasonidos EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) permite medir el perfil de tensiones residuales de la misma gracias al fenómeno físico de la Birrefringencia. Durante la inspección por EMAT, se hace pasar un sensor por diferentes puntos de la llanta, obteniéndose en cada punto el estado de tensiones volumétrico de la rueda, ver la Figura 4. Está técnica no destructiva es especialmente útil debido a su precisión y a la rapidez en la que se puede efectuar la medida. Sin embargo, la posición relativa entre el sensor y la rueda es un aspecto clave para obtener medidas precisas y fiables que aseguren su correcto estado tensional.

IK4-Ideko, gracias a su experiencia en el desarrollo de sistemas de inspección, ha diseñado un dispositivo manual que permite, de forma fácil y sencilla, controlar el posicionamiento del sensor EMAT en las ruedas de ferrocarril, ver la Figura 5. El dispositivo presenta las siguientes características:

• Es muy sencillo de trasladar y de colocar en la rueda.
• El correcto contacto entre el sensor y la rueda está asegurado gracias al diseño mecánico.
• El movimiento del sensor se puede realizar de forma fácil y sencilla.
• El sistema no requiere de alimentación eléctrica ni neumática.

Este nuevo dispositivo ha sido probado y validado tanto a nivel de laboratorio (IK4-IDEKO) como a nivel industrial (CAF) obteniéndose importantes mejoras en términos de precisión, fiabilidad y reducción de tiempos de inspección.

Tras concluir el diseño de ambos sistemas y comprobar su correcto funcionamiento, los expertos del centro tecnológico se han hecho cargo además de la formación del personal que llevará a cabo las inspecciones. El desarrollo de estos sistemas y la colaboración con un fabricante del prestigio de CAF implica el reconocimiento de IK4-Ideko como agente especializado en tecnologías de ultrasonidos, que posee las herramientas, equipos y profesionales adecuados para ejecutar este tipo de tareas.

Además, es fruto de la apuesta estratégica que el centro lleva realizando desde hace años en el ámbito de los ensayos no destructivos, especialmente dirigidos al sector ferroviario.

IK4-Ideko dispone de una larga trayectoria en la investigación, generación y aplicación de conocimiento enfocado a los ensayos y controles de calidad de distintos componentes para ferrocarriles, un sector en el que es clave garantizar en buen estado de las piezas y la seguridad de su funcionamiento.

Con sede en el municipio de Elgoibar (Gipuzkoa), el centro tecnológico está especializado en tecnologías de fabricación y producción industrial y tiene la misión de dar respuesta a los retos de alto componente tecnológico de las empresas de máquina herramienta.

La actividad de I+D+i de IK4-Ideko está orientada a ofrecer a las empresas soluciones tecnológicas diferenciadoras que les permitan mejorar su competitividad y se agrupa en torno a 7 líneas de investigación: Innovación Estratégica, Mecanizado y sistemas de Producción, Dinámica y Control, Software Inteligente, Procesos de Fabricación, Inspección y Medida, así como Diseño e Ingeniería de Precisión.