201113_PSpaw.pdf 33Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Władysław Michnowski Jarosław Mierzwa Piotr Machała Patryk Uchroński Badanie kolejowych osi drążonych examination of drilled railway axles Władysław Michnowski, Piotr Machała, Patryk Uchroński – ZBM ULTRA, Jarosław Mierzwa – politech- nika Wrocławska. Streszczenie W artykule przedstawiono metodę badania osi drążo- nych opracowaną przez firmę ULTRA. Konstrukcja tego typu osi narzuca podstawową metodę badania za po- mocą głowicy 45 stopni umieszczonej wewnątrz otwo- ru i przesuwanej wzdłuż osi. W tym rozwiązaniu oś jest badana jednocześnie dwoma głowicami zamocowanymi na dyszlu, który jest obracany i przesuwany wzdłuż osi. W trakcie badania przez cały czas jest identyfikowane położenie głowic (liniowe – wzdłuż osi oraz kątowe – na przekroju osi), co umożliwia precyzyjne określenie poło- żenia ewentualnych wskazań, które są automatycznie re- jestrowane. Położenie liniowe jest mierzone przez dodat- kową głowicę ultradźwiękową, natomiast położenie kąto- we – za pomocą inklinometru. W wyniku badania uzysku- je się mapę wskazań oraz mapę miejsc niezbadanych. Abstract The examination method of drilled axles elaborated by ULTRA company is presented in the article. The construc- tion of such axles imposes the basic method of exami- nation – the 45 degree probes moved inside drilled hole. In presented solution, the axle is tested simultaneously with two probes fixed o the thrill that is rotated and moved along axle. All the time during examination the location of probes is monitored (linear – along the axle and angular – on axle section). It enables the precise location of indi- cations that are automatically registered. The linear loca- tion is measured with extra ultrasonic probes, the angu- lar location with inclinometer. The result of examination is the map of indications and not tested places. Wstęp Dyrektywa 2004/49/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 29 kwietnia 2004 r. oraz jej uzupełnienie w po- staci dyrektywy 2008/110/WE z dnia 16 grudnia 2008 r. mają za zadanie wprowadzenie interoperacyjności ko- lei we wszystkich państwach członkowskich. Warun- kiem jest zapewnienie na terenie tak całej Unii jak Euro- pejskiej i każdego kraju niezbędnego poziomu bezpie- czeństwa. Do realizacji tego złożonego celu ma służyć: – powołanie „krajowej władzy dla regulacji i nadzoru bezpieczeństwa kolei”, – powołanie „stale funkcjonującego podmiotu, nieza- leżnego od podmiotów branży kolejowej” badającego przyczyny wypadków w zakresie bezpieczeństwa, – „raporty z badań oraz wszelkie ustalenia i rekomen- dacje powinny być dostępne publicznie na szczeblu Wspólnoty”. Były dwa terminy realizacji wspomnianych dyrek- tyw, oba zostały już przekroczone. Polska jest w gronie siedmiu krajów, które do tej pory nie wprowadziły jeszcze tych zaleceń (m.in. Niem- cy i Wielka Brytania). Obecnie w Unii Europejskiej panuje system norma- tywny uznaniowy. W Polsce i prawdopodobnie w pozo- stałych krajach członkowskich, nie ma jednolitego sys- temu norm lub procedur dotyczącej badań nieniszczą- cych sprzętu kolejowego na etapie produkcji i eksplo- atacji. Efektem tego jest używanie przez zakłady wy- konawcze i naprawcze taboru kolejowego różnych do- kumentów (np. w Polsce polskie normy branżowe z lat siedemdziesiątych, niemiecka instrukcja VPI 04, au- striacki plan badań wg AAE i inne). Wszystkie te nor- my są na zróżnicowanym poziomie technicznym i pro- ceduralnym. W efekcie istnieją różnice w uzyskiwa- nych poziomach bezpieczeństwa sprzętu badanego. 34 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Wprowadzenie zaleceń unijnych może korzystnie ograniczać europejski system uznaniowy sprzyjają- cy chaotycznym wymogom badań w kierunku two- rzenia polityki określającej minimalne wymagania dotyczące poziomu bezpieczeństwa. W przekona- niu autorów jest to bardzo istotne, a aktualnie ist- niejący stan bezpieczeństwa można opisać nastę- pująco: – w eksploatacji kolejowych zestawów kołowych często występują pęknięcia osi, – brak jakichkolwiek wiarygodnych informacji na ten temat, – w wyjątkowo opublikowanym komunikacie dotyczą- cym katastrofy w Viareggio (pismo Prezesa UTK Nr TTN-512-129/JN/09) oraz załączonym zdjęciu brak opisu fraktograficznego, wyników badań materiało- wych (wytrzymałościowych, strukturalnych, odpor- ności na pękanie, itd.). Z przedstawionego stanu przygotowań do tworze- nia polityki dla określenia minimalnych wymagań obo- wiązujących w badaniach nieniszczących zrobiono nie wystarczająco, a nawet niewiele pomimo siedmiu lat od ustanowienia Dyrektywy 2004/49/WE, oraz dwóch lat od katastrofy w Viareggio. Brak takiej polityki przy częstych awariach induku- je podejścia nadmiarowe np. w normie DIN 27201-7 występuje określenie iż „jako obszar badania należy potraktować całą powierzchnię wału zestawu kołowe- go, przy czym główny punkt ciężkości należy położyć na przejścia przekrojów wału”. Wydaje się że podejście to może przynieść spodzie- wany efekt zmniejszenia ilości awarii zestawów koło- wych, ale istotnie zwiększa się zakres badania osi i w konsekwencji przedłuża czas badania co w praktyce powoduje konieczność albo bardzo drogiej pełnej auto- matyzacji albo przemyślanej „inteligentnej” mechaniza- cji badań. Istnieje więc zapotrzebowanie na opracowa- nia sprzętu umożliwiającego szybkie, tanie i wiarygod- ne przeprowadzanie badań. Ogromna większość tabo- ru kolejowego jest zaopatrzona w osie pełne. Jednak coraz to częściej pojawiają się także osie drążone. Badania osi pełnych Badanie kolejowych osi pełnych jest procesem żmudnym i pracochłonnym. W zależności od normy lub procedury badanie wykonuje się nawet siedmio- ma głowicami przystawianymi w różnych miejscach z obu stron osi. Układ skaluje się na nacięciach wzor- cowych wykonanych na wzorcu w miejscu najczęst- szych uszkodzeń osi. Jedna oś w 100% może być badana nawet kilka godzin. Kolejnym bardzo dużym ograniczeniem tych badań jest konieczność demon- tażu zestawu kołowego, tak aby uzyskać dostęp do miejsc przyłożenia głowic. Wydaje się, że najdoskonalszym narzędziem do badania osi pełnych jest automat. Badanie automa- tyczne pozwalałoby na szybkie badanie osi według ustalonej procedury. Oś ustawiona na obrotniku ob- raca się, a przystawione do niej głowice wykonu- ją badanie. Następnie program komputerowy doko- nuje rejestracji wskazań, a operator przeprowadza ich interpretację. Ponieważ przede wszystkim sys- tem mechaniczny takiego rozwiązania jest skompli- kowany, automaty dla tych badań są drogie, a po- niesione koszty szczególnie dla małych zakładów są nie do zamortyzowania. Istnieje możliwość pro- stego udoskonalenia badania ręcznego zmechani- zowanego. Takie badanie półautomatyczne ma za zadanie przyspieszenie lub całkowite wyeliminowa- nie z badania czynności, które nie są samym ba- daniem. ZBM ULTRA proponuje więc badanie ko- lejowych osi pełnych z zastosowaniem przełączni- ka kanałów. Dzięki niemu jednym przyciskiem pilo- ta można zmienić ustawienia defektoskopu i pro- gramu komputerowego. Skalowanie wykonuje się tylko raz, a jego wyniki zapisuje w pamięci układu pomiarowego. Później można się do tych ustawień łatwo odwoływać. Specjalny program komputero- wy ma zapisane dowolne procedury badawcze. Po uruchomieniu prowadzi badacza przez kolejne eta- py tej procedury. Osoba badająca naciskając przy- cisk na pilocie steruje programem po kolei wyko- nując wszystkie czynności. Program steruje prze- łącznikiem kanałów, dobierając głowicę do kroku procedury. Dzięki wyeliminowaniu z badania wie- lu czynności, badacz jest w stanie zaoszczędzić sporo czasu. Badanie półautomatyczne jest niepo- równywalnie tańsze od badania automatycznego, a czas jego przeprowadzenia jest kilkukrotnie mniej- szy niż czas badania ręcznego (szczegóły w [1]). Rozwiązaniem technicznym ułatwiającym badanie ultradźwiękowe całej objętości osi nawet bez jej de- montażu jest zastosowanie osi drążonych. Pozwala ono również na ujednolicenie procedur badań. Osie drążone Kolejowe osie drążone posiadają otwór na całej długości osi, najczęściej o średnicy 60 lub 90 mm. Nie wpływa on jednak na osłabienie wytrzymałości osi. Osie drążone są coraz częściej stosowane, a duża część nowych zestawów kołowych jest właśnie w nie wyposażona. Otwór pozwala na badanie ultradźwię- kowe takiej osi bez demontażu całego zestawu. Bada- nie osi drążonej wykonuje się na całej objętości mate- riału, głowicami wprowadzanymi do tego otworu. Po- nieważ jest to miejsce trudno dostępne konieczne jest wykonywanie badań specjalnie przeznaczonym do tego układem. 35Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Badania osi drążonych Badanie kolejowych osi drążonych przeprowadza się dwoma głowicami o częstotliwości 2 MHz i kącie wprowadzania wiązki 45˚ skierowanymi przeciwbież- nie [2]. Pewnymi problemami podczas badania kolejowych osi drążonych jest: – poprawna identyfikacja wskazań chwilowego miejsca badania. Jest ona możliwa poprzez ze- wnętrzne pomiary odległości i kąta obrotu, ale znacznie wygodniej i precyzyjniej jest użyć roz- wiązań konstrukcyjnych z układem identyfikacji położenia UIP. Na przykład w sprzęcie Zakładu ULTRA głowice badawcze są usytuowane prze- gubowo na końcu dyszla. Ponadto posługuje się on trzecią głowicą wewnątrz osi. Cała objętość otworu osi pomiędzy korkiem na końcu osi, a gło- wicami zostaje zalana olejem. W korku usytuowa- na jest trzecia głowica normalna o częstotliwości 1 MHz, która pracując metodą echa określa po- łożenie głowic badawczych wzdłuż osi. Ponadto zastosowany inklinometr określa położenie kąto- we głowic mierzone np. na godzinie 3 lub 11 itd. Operator ręcznie ustala położenie głowic na wy- branej odległości i wykonuje ruch obrotowo zwrot- ny ± 180o. Jeśli od wybranego punktu przesunie wzdłuż osi dyszel z głowicami np. o 5 mm to po wykonaniu ruchu obrotowego ma zbadany na- stępny przekrój osi. Operator na ekranie kompu- tera podzielonego na części może równocześnie obserwować [2]: – wskazania ewentualnych ech od dwóch głowic pomiarowych, – wzdłużny przekrój schematu osi na którym ma zaznaczone obydwa chwilowe punkty aktualnie badane oraz poprzez zróżnicowanie szarości długość zbadaną i do zbadania, ponadto kontro- ler ustawiania skoku wzdłużnego (rys. 2), – aktualny przekrój poprzeczny osi i chwilowe po- łożenie obydwu punktów badania w położeniu kątowym (rys. 2). – konieczność pewnego kontaktu głowicy z osią. Zalanie osi olejem jest skutecznym, najlepszym z możliwych kontaktem głowic z osią. – wskazania od miejsca zmiany średnicy osi mogące, wprowadzać pomyłki. Wskazania od miejsca zmiany średnicy osi różnią się od wskazań wad tym, że występu- ją na całym obwodzie osi, jeśli dokonamy obro- tu o 360˚. Ponadto pomaga porównanie wskazań przeciwbieżnych głowic. Usprawnienia układu Na kolejne usprawnienia układu badawczego składają się: – system przesuwu wzdłużnego hydrauliczny napę- dzany pompą ręczną, a jeden cykl odpowiada we- pchnięciu lub wyciągnięciu głowic pomiarowych o dowolną wartość, – zastosowanie elektrozaworów i napędu elektrycz- nego. Po naciśnięciu przycisku system hydraulicz- ny wsuwa lub wysuwa dyszel o stałą wartość, za- leżną od nastawnych ilości skoków pompy, – układ automatycznego obracania dyszla z głowi- cami (opcja dodatkowa). Rejestracja wyników badania Układ cyfrowy urządzenia rejestruje i archiwizuje wynik badania wszystkich badanych punktów osi. Po- zwala to w dowolnym czasie odtworzyć wszystkie in- formacje całego procesu badań danej osi i umożli- wia automatyczną ocenę, prowadzenie bazy danych i wydruki. Zastosowania Urządzenie go badań osi drążonych uruchomio- no i wykorzystywane jest m.in. w zakładach Depas w Wilnie, a jako pomoc dydaktyczna służy w ośrod- ku szkoleniowym w firmie Lucchini Polska w Mińsku mazowieckim.Rys. 1. Zespół głowic do badania osi drążonych Fig. 1. The head unit for drilled axle testing Rys. 2. Zobrazowanie położenia głowic w programie badawczym Fig. 2. Heads position visualization on the software Literatura [1] http://ultra.wroclaw.pl/?doc=certyfikacje/osiepelne/&lang=pl [2] http://ultra.wroclaw.pl/?doc=certyfikacje/osiedrazone/&lang=pl