201410_PSpaw.pdf 17Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 10/2014 Bezpieczeństwo eksploatacji   osi kolejowych i badania ultradźwiękowe  Safety of operation of railway axles and ultrasonic tests władysław Michnowski Piotr Machała Jarosław Mierzwa Patryk Uchroński Mgr inż. Władysław Michnowski, mgr inż. Piotr Machała, mgr inż. Patryk Uchroński – Zakład Badań Materiałów ULTRA; dr inż. Jarosław Mierzwa – Politechnika wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: piotr.machala@ultra.wroclaw.pl Wprowadzenie i rys historyczny Otwarcie pierwszych odcinków kolejowych w Europie i na świecie wiązało się z awariami układów tocznych. Jedną z osób, która podjęła kroki mające ograniczyć ich liczbę, był pracujący m.in. na Dolnym Śląsku August wöh- ler. Jego pionierskie prace w zakresie zmęczenia materia- łów umożliwiły projektowanie osi bardziej odpornych na awarie. nie wyeliminowało to ich jednak całkowicie. Awarie układów tocznych mają charakter syste- matyczny i przypadkowy. Awarie systematyczne to pękanie osi na skutek zmęczenia materiału. Awarie przypadkowe powstają w wyniku działania różnych przyczyn (np. zatarcie łożyska, przeciążenie) i często nie jest możliwe ich wcześniejsze wykrycie. Charakter dominujący mają jednak awarie systematyczne. wprowadzone ponad pół wieku temu badania nie- niszczące osi miały na celu ograniczenie występujących systematycznie awarii i obejmowały badania metodami powierzchniowymi i metodą ultradźwiękową (UT). Od początku badania UT były badaniami opartymi na po- równaniu wskazań ze wskazaniami na wzorcu. Modelem wady krytycznej było nacięcie prostopadłe do osi. Po wprowadzeniu badań uzyskano istotny postęp w ogra- niczeniu awarii systematycznych. Zaowocowało to utrzy- maniem się jedynie tego podejścia po dzień dzisiejszy. wytworzyło się również powszechne odczucie, że użyty wzorzec determinuje bezpieczeństwo eksploatacji. w rzeczywistości jest to uproszczenie nie całkiem zgodne z prawdą. Dzięki badaniom UT istnieje możli- wość zwiększenia poziomu bezpieczeństwa eksploata- cji osi w wyniku wykrycia zagrożenia, tj. początku pęk- nięcia zmęczeniowego. Jednak prawdopodobieństwo jego wykrycia i uzyskanie istotnej poprawy niezawodno- ści osi zależne jest również od wielu innych czynników, podanych poniżej. w niniejszym artykule omówiono te czynniki w zakresie badań UT i wskazano sposoby po- prawy ich oddziaływania na niezawodność osi. Streszczenie w artykule przedstawiono obecny stan badań nienisz- czących osi kolejowych pełnych. Podano czynniki mają- ce istotny wpływ na badania ultradźwiękowe prowadzą- ce do poprawy niezawodności osi. Czynniki te opisano, uwzględniając stan dzisiejszy oraz zaproponowano kroki prowadzące do jego poprawy – w tym wykorzystanie no- woczesnej aparatury, przeprowadzanie analizy geome- trycznej dla każdego typu osi, zobrazowania przestrzenne wyników badań, sposoby eliminacji fałszywych wskazań, usprawnienie organizacji i kontroli badań. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, osie kolejowe, UT abstract In this article current state of non-destructive tests of railway axles is presented. Significant factors that have impact on ultrasonic test that are resulting in improving reliability of axles were given. Those factors were descri- bed (regarding current situation) and propositions for im- provement were presented – including usage of modern devices, conducting of geometrical analysis for each type of an axle, spatial visualisation of test results, methods of elimination of false indications, improving of organization and control of tests. Keywords: Safety, rail axes, UT 18 Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 10/2014 Rys. 2. Przykładowy, częściowy podział osi na obszary badania. na osi zaznaczono nacięcia wzorcowe. Przedstawiono rozchodzenie się wiązki i obszary badane przez 3 głowice o kątach 13, 10 i 7,5° Fig. 2. Exemplary, partial division of an axle into test areas. On the axle cuts are marked. Ultrasonic beams and areas tested by three probes (with 13, 10 and 7,5° angles) are presented Czynniki w badaniach Ut mające istotny wpływ na niezawodność osi – Czułość badań (stosunek amplitudy użytecznej do poziomu szumu) – Geometria badania – właściwe dopasowane wzorce do typu osi – Mobilność badań – Czynnik ludzki (szkolenia, certyfikacja, kontrola, pro- gramy wspomagające) – Archiwizacja i statystyka wyników badań – Eliminacja fałszywych wskazań spowodowanych geometrią osi – Eliminacja fałszywych wskazań spowodowanych przejściem fali do innej przestrzeni (np. czop – łoży- sko, podpiaście – koło) lub transformacją fal – Zobrazowania wyników badań pomocne w identyfi- kacji fałszywych wskazań – nowoczesność aparatury i częstotliwość badań. – Czynniki organizacyjne i ich systematyczna kontrola – Statystyka na bazie danych o awariach, ich analiza Czułość badań (stosunek amplitudy użytecznej do poziomu szumu) Fundamentalnym warunkiem bezpiecznej eksploatacji osi kolejowych jest wykrywanie pęknięć na jak najwcze- śniejszym etapie ich propagacji. natomiast ogranicze- niem możliwości wykrywania dowolnie małych niecią- głości są ograniczenia fizyczne metody ultradźwiękowej, tzn. możliwy do uzyskania dla każdej użytej głowicy sto- sunek sygnału użytecznego do szumu. Usprawnienia w tym fundamentalnym obszarze dla podwyższenia stopnia bezpiecznej eksploatacji osi są domeną produ- centów aparatury. natomiast nie istnieją akty normatyw- ne, które pomagałyby nabywcom selekcjonować i wy- bierać najkorzystniejsze oferty. Dość prosty test w tym zakresie jest dostępny pod adresem (www.ultra.wroclaw. pl). Zdumiewające jest to, że przestarzałe normy z epoki analogowej dotyczące aparatury ultradźwiękowej (z serii Pn En 12668) nie zostały dotąd wycofane. Geometria badania osi niedoceniana zarówno w obowiązujących normach do badań, jak i w potocznej praktyce jest analiza geo- metrii badania osi. Geometria jest drugim elementem po czułości badania, który zoptymalizowany umożliwia istotny postęp w skuteczności badań i podwyższeniu stopnia bezpiecznej eksploatacji osi. współcześnie wy- konanie analizy geometrycznej badania osi byłoby ana- chronizmem, gdyby nie było wykonywane programem komputerowym, np. AutoCAD-em. Prawdopodobnie nie jest to tematem szkolenia na żadnym kursie UT. Analiza geometryczna przy użyciu takiego programu jest zupełnie oczywista. Uzyskane informacje to m.in. dobór optymalnego kąta i miejsca przyłożenia głowic ultradźwiękowych, wyłączenie obszarów badania bez fizycznego sensu, przyczyny powstawania wskazań pozornych itp. Znalezienie wartości optymalnych para- metrów geometrycznych to pierwszy etap optymaliza- cji. w etapie drugim weryfikuje się je na wzorcu. w trzecim końcowym etapie optymalizacji geometrii badania są ustalane geometryczne parametry badania danego typu osi. Przykład efektu końcowego podano na rysunkach 1 i 2 w postaci tarczy głowic ultradźwięko- wych oraz podziału osi na obszary i przyporządkowane im miejsca przyłożenia i kąty głowic ultradźwiękowych. wprowadzenie dokładnych analiz geometrycznych (AutoCAD) na etapach pisania norm i procedur jest po- wszechne, a nawet powinno być obowiązkowe. nato- miast na etapie szkolenia personelu na początek wydaje się wystarczające wprowadzenie tej wiedzy i umiejętno- ści na szkoleniu na poziomie UT3, ewentualnie UT2. Rys. 1. Tarcza głowic ultradźwiękowych. Rozstawienie przetworni- ków (głowic) ultradźwiękowych jest następstwem analizy geome- trycznej Fig. 1. Disc of ultrasonic probes. Arranfement of ultrasonic transdu- cers (probes) is succession of geometrical analysis typ osi i jego wzorzec Pomimo dużej ilości eksploatowanych osi ograni- czona jest liczba ich typów. Każdy typ osi różni się od siebie wymiarami. Upoważnia to do wprowadzenia wymogu, aby dany typ osi był badany tylko z użyciem wzorca wykonanego dla osi tego samego typu. 19Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 10/2014 Przy kosztach pomijalnych jest to rozwiązanie bar- dzo korzystne. Przykładami uzyskiwanych efektów są: otrzymanie kompletnego, niezmiennego opisu wzorca oraz jego planszy, ograniczona ilość zapisów kalibracji aparatury w pamięci, jednoznaczne uporządkowanie dokumentacji badań itp. Są to cechy systemu CUD BO wiFi. Mobilność i częstotliwość badań Przez mobilność systemu badań rozumiemy wszyst- kie cechy związane z jego funkcjonalnością, łatwością obsługi i adaptacji oraz praktycznością. Z wielu czyn- ników tworzących mobilność badań omawiamy tylko jeden – zobrazowanie badań sytemu CUD BO wiFi. Lewa górna część rysunku 3 przedstawia ekran de- fektoskopu (A-scan) z echem od nacięcia i krzywą DAC. Poniżej znajduje się rysunek osi, na którym zaznaczono pionowymi kreskami położenia nacięć wzorcowych oraz badany obszar. Prawa strona reprezentuje zarejestro- wane amplitudy w danym obszarze, jako procent wyso- kości ekranu dla badanego przekroju w funkcji kąta. Rys. 3. Zrzut z ekranu komputera podczas badań systemem CUD BO Fig. 3. Screenshot during tests with CUD BO wiFi system archiwizacja i statystyka wyników badań współcześnie w badaniach ręcznych i zmechanizo- wanych osi kolejowych dominuje sposób badań, który można określić jako „historyczny”. Obecny jest od po- czątku tych badań, a jego przebieg jest następujący. Do uniwersalnego defektoskopu (czasami analogo- wego) podłącza się głowice ultradźwiękowe normalne wraz z kątowymi nakładkami. Po skalowaniu na wzor- cu przystępuje się do badań określonych miejsc na ob- wodzie osi. wprowadzony postęp przez kilkadziesiąt lat polega ewentualnie na zastąpieniu jednej głowicy z nakładkami kilkoma głowicami o stałym kącie oraz wprowadzeniu obrotnika osi. Cała dokumentacja takie- go badania to zapis odręczny operatora, że dana oś jest dobra lub zła oraz podstawowe informacje np. kto, gdzie, kiedy itp. nowoczesny sprzęt projektowany jest z myślą o rejestracji całego przebiegu badania. Jest to zna- cząca zmiana w stosunku do urządzeń stosowanych do tej pory, ponieważ pozwala na prowadzenie staty- styk przeprowadzonych badań i ich wyników. wnioski z ich analizy mogą być podstawą zmian w procedurach w celu zwiększenia poziomu bezpieczeństwa. Przykła- dem takiego rozwiązania jest system badań CUD BO wiFi. wynik badania przedstawiany jest we współrzęd- nych walcowych (rys. 4). wskazania powyżej progu akceptacji (np. nacięcia wzorcowe jak na rysunku 4) zaznaczane są kolorem czerwonym, natomiast obsza- ry zbadane szarym. Eliminacja fałszywych wskazań spowodowanych geometrią osi Osie są elementami o dość skomplikowanym kształ- cie, a występujące krawędzie i łuki mogą być źródłem fali odbitej o dużej amplitudzie. Dokładne ustalenie po- łożenia aktualnie badanego punktu osi umożliwia ich identyfikację (w systemie CUD BO wiFi na rysunku 5 uwidocznione jest to jako białe paski). w tym przypad- ku eliminacja fałszywych wskazań jest oczywista. Eliminacja fałszywych wskazań spowodowanych przejściem fali do innej przestrzeni (np. czop – łożysko, podpiaście – koło) lub transformacją fali Fałszywe wskazania na osiach zabudowanych są problemem złożonym. w praktyce okazuje się, że każ- dy układ (oś wraz z odpowiadającymi jej łożyskami, ko- łami itd.) charakteryzuje się indywidualnymi fałszywymi Czynnik ludzki (szkolenia, certyfikacja, kontrole) Uregulowania systemowe na terenie UE na ogół uznawane są tylko badania wykonywane przez personel posiadający potwierdze- nie kwalifikacji stopnia UT1, UT2 lub UT3. Ponadto w badaniach zestawów kołowych wymaga się potwier- dzenia kwalifikacji w sektorze utrzymania ruchu kolei. Uregulowania w tym zakresie są zawarte w normie ISO 9712. Egzaminy i pisemne potwierdzenia kwalifikacji wydają instytucje posiadające akredytacje, np. w Pol- sce PCA. Osiągnięty w Polsce poziom w tym zakresie jest akceptowany przez audytorów zagranicznych od lat. natomiast w Polsce nie znajduje się śladów takiej działalności audytorów w jakiejś formie zorganizowanej. Czynniki subiektywne Jest oczywiste, że występują, ale nie będą bliżej omawiane. 20 Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 10/2014 Wnioski wprowadzenie badań ultradźwiękowych znacz- nie zmniejszyło liczbę awarii osi. Dalsza poprawa stanu bezpieczeństwa uzależniona jest od postępu i rozwoju czynników podanych w pkt. 2 i opisanych w artykule. Literatura [1] Przewodnik VPI 09 Konserwacja wagonów towarowych Badania nieniszczące. [2] norma DIn 27201-7 Stan pojazdów kolejowych – podstawy i technologie wykonania Część 7: badania nieniszczące. wskazaniami. Utrudnia to badania ręczne. wiarygod- ność badań zapewnia wcześniejsze wykonanie analizy geometrycznej oraz wykorzystanie nowoczesnej apara- tury o bogatych zobrazowaniach (system CUD BO wiFi). Identyfikacja wskazań fałszywych odbywa się w wyniku: – ustalenia na jakiej odległości wystąpiło wskazanie, – analizie, czy wskazanie występuje na całym obwo- dzie osi (360°). Zobrazowania wyników badań pomocne w identyfikacji fałszy- wych wskazań Podstawowym warunkiem poprawnej identyfikacji wskazań jest wiedza na temat aktualnie badanego obszaru. Oprócz klasycznego ekranu A-scan operator powinien również mieć informacje na temat odległości na osi na której wystąpiło wskazanie i jego położenia kątowego (rys. 3). Po zakończeniu badania identyfi- kacja wskazań od geometrii osi jest możliwa dzięki przedstawieniu wyników we współrzędnych walco- wych (rys. 4). Nowoczesność aparatury i częstotliwość badań Przywrócenie badań od strony części czołowej czo- pa z omówionymi wyżej usprawnieniami pozwala na Rys. 4. Przykład wyników badania systemem CUD BO wiFi Fig. 4. Exemple of test results with CUD BO wiFi system zwiększenie częstotliwości badań i ma oczywisty istot- ny wpływ na poprawę niezawodności osi i paradoksal- nie istotnie obniża koszty ich eksploatacji. Czynniki organizacyjne i ich systematyczna kontrola Polskie zakłady pracujące dla zagranicznych klien- tów poddawane są szczegółowej okresowej kontro- li przez audytorów. Oczywiście ma to istotny wpływ na podniesienie poziomu badań i uzyskanie wyższej niezawodności osi. nie ma w tym zakresie informacji o takich działaniach ze strony klientów polskich. Statystyka na bazie danych o awariach i ich analiza wymagania dotyczące czułości badań i ich często- tliwości z powodu braku odpowiednich danych oparto na rozważaniach teoretycznych, życzeniowych lub na- wet przypadkowych. Obecnie możliwa jest rejestracja całego przebiegu badania. Dzięki temu w pierwszej kolejności można prowadzić statystykę występowania nieciągłości. natomiast po wystąpieniu awarii (urwa- niu się osi) można wykonać analizę wyników badań tej konkretnej osi. w wyniku tego możliwe będzie oszaco- wanie prędkości propagacji nieciągłości prowadzącej do awarii.