Detección de planos en ruedas de tren por análisis ultrasónico del contacto rueda-carril en condiciones dinámicas

Resumen

La Tesis Doctoral aborda el problema de la detección de planos y otras irregularidades en la banda de rodadura de ruedas ferroviarias mediante ultrasonidos con una técnica innovadora, que permite su dimensionamiento con alta resolución y con el tren en marcha. A diferencia de otras aproximaciones en las que una onda ultrasónica superficial explora la banda de rodadura de la rueda, que no pueden detectar planos, en este caso la onda ultrasónica se envía por un carril de medida, analizando los tiempos de vuelo desde el transductor al punto de contacto rueda-carril en condiciones dinámicas. Hasta el inicio del trabajo de investigación abordado en la Tesis Doctoral, no se ha descrito ningún sistema ultrasónico que utilice esta técnica para detectar y evaluar planos en ruedas con el tren en movimiento. La metodología propuesta aprovecha el propio movimiento del tren sobre el carril para detectar irregularidades en la banda de rodadura, esto supone un cambio de concepto en el ámbito de la Evaluación No Destructiva (END) por ultrasonidos donde, convencionalmente, se considera que los defectos a detectar son estáticos respecto a la posición del transductor. La técnica desarrollada consiste en enviar una onda superficial por el carril de medida, utilizando onda pulsada, detectar el eco producido por el contacto rueda-carril, y analizar en disparos consecutivos el tiempo de vuelo. Cuando la rueda es perfectamente circular y el tren se mueve a velocidad constante, los incrementos de tiempo de vuelo del pulso ultrasónico en ida y vuelta se mantienen constantes en disparos consecutivos. Cuando la rueda se apoya sobre una irregularidad, los incrementos en los tiempos de vuelo mostrarán variaciones alrededor de esta constante, permitiendo su detección. La evaluación del tamaño (longitud) de los defectos se puede realizar con esta nueva metodología midiendo el intervalo espacial en el que se producen variaciones en la pendiente de la recta desplazamiento-tiempo nominal. Pero, además, se ha encontrado un método muy robusto que permite determinar la pérdida de material sufrida por abrasión en el momento en que se formó el plano: el teorema de la pérdida de radio, una de las aportaciones claves del trabajo de investigación. De este valor se deduce fácilmente la longitud del plano inicial y, por consiguiente, una estimación de la gravedad del daño. El método posee una elevada inmunidad al ruido e independencia del nivel de desgaste de la rueda y del plano original. La técnica propuesta presenta numerosas ventajas: se basa en una idea sencilla y fiable, adaptada al medio ferroviario (robustez, ausencia de partes móviles, en gran medida inmune a la suciedad y condiciones atmosféricas, etc.), bajo coste, rápida (tren en movimiento) e innovadora (no presenta conflictos con patentes o publicaciones anteriores). Sin embargo, las condiciones de operación se alejan de la situación ideal, lo que ha exigido un esfuerzo adicional para encontrar soluciones a diversos problemas. Entre ellos, los más importantes son la debilidad del eco de contacto rueda-carril, el ruido estructural, múltiples modos de propagación de ondas guiadas en el interior del carril de medida y el algoritmo automático de seguimiento y detección de defectos en la banda de rodadura. Por tanto, fue necesario desarrollar técnicas auxiliares que afectan al diseño del transductor, a la electrónica que realiza la adquisición de señal y a los algoritmos desarrollados para evaluar y cuantificar los defectos