ES2329109T3 - Procedimiento y dispositivo para la deteccion de defectos mediante ulttrasonidos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la detección de defectos, en particular grietas (13, 14, 15, 16, 17), en una rueda de ferrocarril (1), en el que se genera sobre la superficie de rodadura (3) de la rueda de ferrocarril (1), una onda de ultrasonidos (31) por medio de un emisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) en la rueda de ferrocarril (1) y un receptor de ultrasonidos (31) separado del transmisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) mediante un ángulo de azimut (gamma, gamma1, gamma2,gamma3) que es utilizado para detectar la onda de ultrasonidos (31), caracterizado porque a) la onda de ultrasonidos (31) es introducida de forma oblicua con respecto a la superficie de rodadura (3) y es transmitida a través de la rueda de ferrocarril (1) en forma de V, b) la onda de ultrasonidos detectada (31) es polarizada transversalmente y la dirección de polarización es orientada paralelamente a una cara plana de la rueda de ferrocarril (1), y c) la onda de ultrasonidos (31) es detectada después de desviación, en particular, reflexión en el defecto.
Description
Procedimiento y dispositivo para la detección de
defectos mediante ultrasonidos.
La presente invención se refiere al sector de
pruebas no destructivas de materiales.
La invención se refiere a un procedimiento para
la detección de defectos, en especial grietas, en ruedas de
ferrocarril, en el que se aplica a la superficie de rodadura de una
rueda dentro del carril una onda de ultrasonidos mediante un emisor
de ultrasonidos a efectos de pruebas, tal como se define en la parte
introductoria de la reivindicación 1.
La invención se refiere además a un dispositivo
para la realización del procedimiento, de acuerdo con la parte
introductoria de la reivindicación 13.
Se conoce por el documento EP 0 704 700 A1 un
transductor de ultrasonidos para la comprobación de ruedas de
ferrocarril mediante el cual se pueden acoplar en la dirección
periférica, a lo largo de la superficie de rodadura, impulsos de
ultrasonidos circundantes. Mediante este sistema se puede comprobar
solamente una zona próxima a la superficie de la rueda de
ferrocarril.
Para la comprobación por ultrasonidos de discos
o placas se acoplan la mayor parte de los casos ultrasonidos en la
cara plana del disco o placa. La incidencia a través de la corona
circular de una rueda de ferrocarril se describe, por ejemplo, en
el documento AT 291 632.
En piezas a comprobar dotadas de una estructura
más compleja puede ser necesario, de manera sustitutiva, la
introducción de ultrasonidos a través de una cara estrecha o
superficie envolvente de la pieza a comprobar, por ejemplo, en el
caso en el que en una pieza a comprobar con una estructura en forma
de disco circular, las grietas que se pueden esperar se extienden
en dirección periférica. La cara pequeña o superficie envolvente de
una pieza a comprobar en forma de disco o de placa tiene un grosor
(altura) que es sensiblemente menor que el desarrollo en anchura y
longitud o del diámetro del disco o de la placa para poder realizar
la comprobación o la totalidad del volumen de una pieza a comprobar
del tipo mencionado, es decir, según una profundidad de prueba
mayor (en la dirección del desarrollo llamado de anchura o de
longitud) es necesario inyectar las ondas de ultrasonidos
perpendicularmente por la cara pequeña de la pieza a comprobar o,
como mínimo, trabajar con ángulos de incidencia muy reducidos.
Por el documento WO 90/13814 se dio a conocer un
procedimiento para la comprobación de ruedas de ferrocarril por
ultrasonidos en el que las ondas de ultrasonidos son inyectadas a
través de la superficie de rodadura. En este caso, se utiliza un
transductor de ultrasonidos para la inyección de ondas sonoras
perpendicularmente (ángulo de incidencia 0º) y también un
transductor de ultrasonidos para un ángulo de incidencia de 70º. La
inyección perpendicular de ondas sonoras se utiliza en este caso
solamente para el calibrado.
La invención se plantea el objetivo de dar a
conocer un procedimiento y un dispositivo para la detección de
fallos en ruedas de ferrocarril con cuya ayuda, mediante la
inyección de ondas de ultrasonidos a través de la superficie de
rodadura, resulta posible una comprobación fiable de fallos o
grietas.
El objetivo del procedimiento se consigue
mediante un procedimiento del tipo mencionado al principio, de
acuerdo con la invención, mediante la parte caracterizante de las
reivindicaciones 1 y 13.
Para conseguir una importante penetración de
medición se puede inyectar en la pieza a comprobar una onda de
ultrasonidos polarizada longitudinalmente (oscilante) (onda
longitudinal) a 0º. Para poder comprobar el volumen total de la
pieza sería forzoso un recorrido en forma rasante de la onda
longitudinal a lo largo de la cara plana (por ejemplo, cara
superior del disco) de la pieza a comprobar. Una incidencia rasante
de este tipo provocaría que a lo largo de la trayectoria de los
ultrasonidos se produjeran ondas polarizadas transversalmente, que
discurren a través del volumen de la pieza a comprobar hacia caras
laterales opuestas (por ejemplo, la cara inferior del disco) siendo
reflejadas nuevamente desde allí. Se produce un desplazamiento de
ondas en forma de zig-zag en la pieza a comprobar.
Por esta razón, la energía de ultrasonidos se debilita de manera
sensible e indefinida, de manera que no resulta posible la
evaluación de amplitud del eco de los ultrasonidos. La evaluación
de la trayectoria recorrida tampoco se puede llevar a cabo en ningún
caso, puesto que no se conoce si el eco procede de una onda
longitudinal inyectada o de una de las ondas transversales
disociadas.
Mediante la utilización de una onda transversal
se soluciona, de manera sustancial, mediante el procedimiento según
la invención, el problema que se ha descrito de la disociación de
ondas. La onda de ultrasonidos generada en la pieza a comprobar y
detectada está polarizada a estos efectos, como mínimo,
parcialmente, o con una componente paralela a la cara plana.
Mediante la utilización de un receptor de ultrasonidos separado del
emisor de ultrasonidos se consigue que la onda transversal pueda
ser recibida de manera segura y fiable.
Para conseguir una comprobación espacial
completa de la pieza a comprobar la onda de ultrasonidos (haz
sonoro) es inyectada preferentemente con una divergencia
suficientemente grande, de manera que resulta en una incidencia en
forma rasante a lo largo de la cara plana de la pieza a
comprobar.
\newpage
Según una disposición preferente, en una pieza a
comprobar giratoria alrededor de un eje de rotación, el emisor de
ultrasonidos se desplazará, con respecto a la pieza a comprobar, de
forma circular alrededor del eje de rotación. De este modo se
mejorará adicionalmente la comprobación espacial de manera
ventajosa, es decir, serán detectables grietas todavía en más
posiciones y orientaciones.
El receptor de ultrasonidos está separado del
emisor de ultrasonidos según un ángulo de azimut y será desplazado
de igual manera que el emisor de ultrasonidos.
Según una disposición especialmente preferente,
la onda de ultrasonidos polarizada detectada será generada mediante
conversión de modalidad en una onda longitudinal incidente, en
especial por refracción sobre una superficie límite de la pieza a
comprobar. De esta manera, resulta posible, de forma más simple y
también más fiable, la generación de ondas transversales en la
pieza a comprobar.
La conversión de modalidad tiene lugar en
general para la incidencia según ángulo agudo. Por ejemplo, para la
incidencia según ángulo agudo se generará una onda longitudinal por
un emisor de ultrasonidos constituido en forma de vibrador de
profundidad en la pieza a comprobar siendo excitada asimismo una
onda longitudinal y también una onda transversal. Para ángulos de
incidencia por encima del primer ángulo crítico desaparece la onda
longitudinal y se excita solamente una onda transversal.
Según otra realización preferente el ángulo de
incidencia de las ondas de ultrasonidos, presenta en la pieza a
comprobar (ángulo de refracción) un valor que es mayor de 10º, en
especial mayor de 15º, y menor que el ángulo de refracción
transversal correspondiente al primer ángulo crítico del material en
que está realizada la pieza a
comprobar.
comprobar.
Los valores de los ángulos en la zona mencionada
son por una parte, tan grandes que se puede generar con suficiente
intensidad mediante conversión de modalidad, una onda transversal en
la pieza a comprobar y, por otra parte, son tan pequeños que se
alcanza una suficiente magnitud en la profundidad. La utilización de
ángulos de entrada de las ondas que corresponden al ángulo de
incidencia, que son menores que el primer ángulo crítico del
material, no es habitual en la técnica de comprobación por
ultrasonidos, puesto que en esta zona se produce una onda
longitudinal y también una onda transversal en la conversión de
modalidad. La energía de las ondas transversales es tal, en
relación con la energía de las ondas longitudinales, que en el eco
domina la onda longitudinal. Hasta el momento, se deducía de ello
que por esta razón no era posible una correspondencia determinada de
los ecos menores de las ondas transversales con respecto a un tipo
determinado de fallo. Por lo tanto, se habían utilizado hasta el
momento solamente ángulos de incidencia superiores al primer ángulo
crítico del material.
Con el término de ángulo de entrada se
comprenderá en esta descripción el ángulo de refracción del material
(pieza a comprobar). El ángulo de entrada se debe diferenciar del
ángulo de incidencia que se mide por fuera de la pieza a
comprobar.
En especial, en una pieza a comprobar fabricada
en acero, el ángulo de entrada es menor de 33º.
Una onda polarizada transversal podría ser
generada en la pieza a comprobar básicamente también sin conversión
de modalidad, mediante irradiación directa de ondas transversales.
Las ondas transversales se podrían generar, por ejemplo, mediante
un oscilador transversal. No obstante, es desfavorable la necesidad
de un medio de acoplamiento muy resistente que básicamente no es
apropiado para una comprobación automatizada. Sin conversión de
modalidad, se podrían generar ondas transversales de la pieza a
comprobar, también de la forma electromagnética (Elektromagnetic
Ultrasonic System, abreviado: EMUS). En este caso, las ondas sonoras
no se generan en el convertidor sino en la propia pieza a
comprobar, por inducción. En este caso, la separación del
convertidor EMUS con respecto a la superficie de la pieza a
comprobar, la conductividad y la permeabilidad de la pieza a
comprobar, tienen una influencia esencial en la amplitud de los
ultrasonidos. Para conseguir resultados suficientemente
satisfactorios de la medición, los convertidores EMUS son
utilizables en la práctica solamente en superficies muy regulares,
con estructuras regulares del material, que se encuentra por debajo
de dicha superficie. Para superficies en las que tiene importancia
el desgaste, la técnica EMUS es, por lo tanto, menos apropiada. En
especial, también por el hecho de que ésta presenta en relación con
la técnica piezoeléctrica una desviación menor de
señal-ruido.
De acuerdo con una realización especialmente
favorable, la señal de entrada del captador de ultrasonidos es
evaluada solamente dentro de un determinado intervalo de tiempo que
comprende el momento de recepción de la onda de ultrasonidos que es
de esperar como separación entre el emisor de ultrasonidos y el
receptor de ultrasonidos, y para el ángulo de entrada. En este
caso, se considerará como conocida la velocidad del sonido en el
material, de manera que se puede calcular el momento de tiempo de
recepción como tiempo de recorrido en base a la separación conocida
y del llamado ángulo de entrada.
La amplitud del intervalo de tiempo se adecuará,
por ejemplo, a la divergencia de la banda de ondas sonoras del
emisor de ultrasonidos y del receptor de ultrasonidos, por lo que
todo defecto que se encuentra dentro de la zona de intersección o
solape de ambas bandas de ondas sonoras conduce a un eco de onda
transversal dentro del intervalo de tiempo. La amplitud del
intervalo de tiempo se escogerá además con un valor tan reducido
que una onda longitudinal excitada simultáneamente con la onda
transversal conduce, en base a su mayor velocidad del sonido y de
su tiempo de recorrido más corto a un eco sonoro que se encuentra
fuera del intervalo de tiempo. De esta manera, los ecos de las
ondas longitudinales, que tienen elevada energía, pueden ser
mitigados, y las ondas transversales, que relativamente tienen una
energía más reducida, se pueden detectar de forma especialmente
fiable.
Preferentemente, los ultrasonidos serán
detectados por el detector de ultrasonidos en un ángulo de entrada
de la onda de ultrasonidos con un ángulo esencialmente igual en
valor absoluto al ángulo de recepción (forma de trabajo
simétrica).
Para la comprobación de zonas de distinta
profundidad en la pieza a comprobar, según otra forma de realización
preferente del procedimiento, se ajustan el ángulo de entrada y el
ángulo de recepción entre sí a diferentes valores, pero que
respectivamente entre sí corresponden a valores absolutos
sustancialmente iguales. Para cada uno de esto distintos valores
angulares, se puede considerar la señal sonora recibida solamente en
la zona de la trayectoria de recorrido del solapamiento de la
característica de emisión y de recepción. Las zonas de solapamiento
o de intersección se encuentran, por lo tanto, en diferentes
profundidades por debajo de la cara pequeña de la pieza a
comprobar. En especial, dentro del grupo de los valores de ángulo
utilizados se encuentra, como mínimo, un ángulo superior a 10º, en
especial superior a 15º, e inferior al ángulo de refracción
transversal correspondiente al primer ángulo crítico del material.
Con este ángulo se pueden realizar especialmente comprobaciones a
mayores profundidades. Con otros valores de ángulo que se encuentran
por fuera del intervalo mencionado se pueden comprobar también
profundidades más reducidas.
Los ángulos de incidencia y de recepción
distintos entre sí se pueden generar, por ejemplo, de forma simple
en caso de que el emisor de ultrasonidos y el receptor de
ultrasonidos estén constituidos en forma de emisor de grupo y sus
características de emisión, o bien de recepción, estén
desviadas.
De manera adicional o alternativa a lo indicado,
para la comprobación de zonas de distinta profundidad de la pieza a
comprobar se puede utilizar además del primer grupo transductor
constituido por el emisor de ultrasonidos y el receptor de
ultrasonidos, como mínimo, un segundo grupo transductor que se
corresponde, como mínimo, con un transductor ultrasonoro que es
distinto del emisor de ultrasonidos y del receptor de ultrasonidos.
Se dispone, por lo tanto, como mínimo, de tres transductores de
ultrasonidos. El emisor o el receptor del segundo grupo transductor
puede ser idéntico al emisor de ultrasonidos o bien al receptor de
ultrasonidos del primer grupo transductor. En esta realización se
pueden comprobar zonas de diferente profundidad en la pieza a
comprobar, incluso sin la utilización de un emisor de radiación de
grupo.
De acuerdo con una primera variante
preferente:
a) la separación entre el receptor de
ultrasonidos y el emisor de ultrasonidos del segundo grupo
transductor es igual a la separación correspondiente del primer
grupo transductor, y
b) el ángulo de entrada del segundo grupo
transductor es distinto del ángulo de entrada del primer grupo
trans-
ductor.
ductor.
\vskip1.000000\baselineskip
Por ejemplo, como mínimo, uno de los ángulos de
entrada del primer o segundo grupos transductores es mayor de 10º,
en especial mayor de 15º, y menor del ángulo de refracción
transversal correspondiente al primer ángulo crítico del
material.
De acuerdo con una segunda variante
preferente:
a) el ángulo de entrada y/o el ángulo de
recepción del segundo grupo transductor es igual al correspondiente
ángulo del primer grupo transductor, y
b) la separación entre el receptor de
ultrasonidos y el emisor de ultrasonidos del segundo grupo
transductor es distinto de la correspondiente separación del primer
grupo transductor.
\vskip1.000000\baselineskip
Por ejemplo, el llamado ángulo de entrada y/o el
llamado ángulo de recepción es mayor de 10º, en especial mayor de
15º, y menor que el ángulo de refracción transversal correspondiente
al primer ángulo crítico del material.
El objetivo previsto para el dispositivo se
consigue mediante un dispositivo del tipo indicado al principio,
según la presente invención, mediante un receptor de ultrasonidos
dispuesto en el soporte del cabezal de comprobación para la
detección de ondas de ultrasonidos que está alejado del emisor de
ultrasonidos según un ángulo de azimut.
El dispositivo, de acuerdo con la invención, es
apropiado en especial para la realización del procedimiento de
acuerdo con la misma. Las ventajas que se indican son aplicables de
manera análoga al dispositivo.
De modo preferente, el soporte del cabezal de
comprobación presenta una superficie de acoplamiento de forma
curvada aplicable a una superficie externa de la pieza a comprobar,
en especial a la superficie de rodadura de una rueda de
ferrocarril.
Según una realización especialmente preferente,
el emisor de ultrasonidos y/o el receptor de ultrasonidos están
realizados para un ángulo de entrada o bien un ángulo de recepción
con respecto a la pieza a comprobar cuya magnitud es superior a 10º
y es menor que el ángulo de refracción transversal correspondiente
al primer ángulo crítico del material del que está realizada la
pieza a comprobar.
Según otra realización especialmente preferente,
el emisor de ultrasonidos y/o el receptor de ultrasonidos están
realizados para un ángulo de entrad o bien un ángulo de recepción
con respecto a la pieza a comprobar cuya magnitud está comprendida
entre 10º y 35º, especialmente en el rango de 15º a 33º.
De manera preferente, el receptor de
ultrasonidos está realizado según un ángulo de recepción
esencialmente igual en valor absoluto al ángulo de entrada del
emisor de ultrasonidos.
Según otra realización igualmente preferente, el
soporte del cabezal de comprobación presenta además del primer
grupo transductor, constituido por el emisor de ultrasonidos y el
receptor de ultrasonidos, como mínimo, un segundo grupo transductor
al que queda asociado un transductor de ultrasonidos que es distinto
del emisor de ultrasonidos y del receptor de ultrasonidos.
De acuerdo con una primera variante
especialmente favorable:
a) la separación entre el receptor de
ultrasonidos y el emisor de ultrasonidos del segundo grupo
transductor es igual a la separación correspondiente del primer
grupo transductor, y
b) el ángulo de entrada del segundo grupo
transductor es distinto del ángulo de entrada del primer grupo
trans-
ductor.
ductor.
\vskip1.000000\baselineskip
En una segunda variante ventajosa:
a) el ángulo de entrada y/o el ángulo de
recepción del segundo grupo transductor es igual al correspondiente
ángulo del primer grupo transductor, y
b) la separación entre el receptor de
ultrasonidos y el emisor de ultrasonidos del segundo grupo
transductor es distinto de la separación correspondiente del primer
grupo transductor.
\vskip1.000000\baselineskip
Según una realización especialmente ventajosa,
el emisor de ultrasonidos está constituido en forma de emisor de
grupo con ángulo de entrada basculante, y el emisor de ultrasonidos
está constituido en forma de emisor de grupo con ángulo de
recepción basculante, de manera que en especial, el emisor de grupo
puede ser controlado de forma tal, que el ángulo de recepción es
esencialmente igual en valor absoluto al ángulo de entrada.
Según una realización adicional especialmente
favorable, el dispositivo presenta una unidad de evaluación
mediante la cual se puede ajustar el intervalo de tiempo por fuera
del cual se puede mitigar la señal de recepción del receptor de
ultrasonidos.
A continuación, se explicarán cuatro ejemplos de
realización de un dispositivo, de acuerdo con la invención, en base
a las figuras 1 a 5. Las figuras sirven para la explicación del
procedimiento según la invención y muestran:
La figura 1, un primer ejemplo de realización de
un dispositivo, según la invención, con emisores de grupo,
La figura 2 muestra una sección de la figura
1,
La figura 3 muestra un segundo ejemplo de
realización, de acuerdo con la invención, con transductores de
ultrasonidos con dispositivos de emisión de ultrasonidos o bien de
recepción de ultrasonidos de tipo fijo,
La figura 4 muestra un cuarto ejemplo de
realización de un dispositivo, según la invención, con transductores
de ultrasonidos con dispositivos de emisión de ultrasonidos o bien
dispositivos receptores de ultrasonidos de tipo fijo, y
La figura 5 muestra un cuarto ejemplo de
realización, de acuerdo con la invención, con emisores de grupo.
Las figuras 1 y 2 muestran una pieza a comprobar
(1) que puede girar sobre un eje de rotación (2), que en este caso
se trata de una rueda de ferrocarril con un diámetro de la rueda
aproximado de 920 mm. La pieza a comprobar (1) presenta una
superficie de rodadura (3), una llanta (5), un ánima o disco de la
rueda (7) y un cubo (9). La rueda de ferrocarril es específicamente
una rueda de tracción, por cuya razón varios orificios (11)
atraviesan el disco (7) de la rueda. La cara interna y la cara
externa, ambas circulares, del disco de rueda (7) constituyen caras
planas a comprobar de la pieza (1).
Partiendo en especial de los orificios
mencionados (11), pero también en el resto de zonas en el disco de
rueda (7) o de la llanta, o bien en el cubo (9) a lo largo de la
vida útil de la rueda del ferrocarril se pueden producir grietas
(13, 14, 15, 16 o 17). Al contrario que en potenciales grietas que
parten de la superficie de rodadura (3), las grietas (13, 14, 15,
16, 17) a cuya detección está destinado el dispositivo mostrado, se
extienden básicamente a lo largo de la periferia de la rueda.
Para la detección de las grietas (13, 14, 15,
16, 17), el dispositivo presenta un mecanismo de accionamiento (21)
dispuesto en forma de rueda de accionamiento o rodillo de rodadura
con ayuda del cual la rueda de ferrocarril es accionada en la
dirección de giro (23). Además, forma parte del dispositivo un
soporte de cabezal de comprobación (25), que es fijo con respecto
al eje de rotación (2) de la rueda de ferrocarril y que está
soportado, por ejemplo, mediante un brazo de soporte no
expresamente mostrado, sobre una estructura fija circundante. La
superficie de rodadura (3) de la rueda de ferrocarril se desplaza,
por lo tanto, debajo del cabezal de comprobación (25).
El soporte (25) del cabezal de comprobación
presenta un emisor de ultrasonidos (27) y un receptor de
ultrasonidos (29), estando constituidos ambos en forma de emisores
de grupo y que están separados entre sí según una longitud de arco
(d) con un valor aproximado de 400 mm, que corresponde a un ángulo
de azimut (\varphi) de unos 50º.
Tanto el emisor de ultrasonidos (27) como
también el receptor de ultrasonidos (29) están construidos en forma
de vibradores de espesor piezoeléctricos. Esto significa que desde
el emisor de ultrasonidos (27) se emite una onda longitudinal que
es aplicada con intermedio de un cuerpo de acoplamiento o cuña de
avance, que no se han mostrado de forma explícita, oblicuamente a
través de la superficie de rodadura (3) a la rueda de ferrocarril.
En este caso se produce en la superficie de rodadura (3) una
refracción de la onda longitudinal con una conversión de modalidad,
es decir, en la pieza a comprobar se produce una onda de
ultrasonidos transversal (31) que se extiende con un ángulo de
refracción trasversal o ángulo de entrada (\beta_{S}) en la
pieza a comprobar. Para ángulos de entrada muy pequeños (medidos
fuera de la pieza a comprobar (1)) la onda longitudinal entrante se
propaga en la pieza a comprobar igual que la onda transversal y
también una onda longitudinal (no mostrado).
Esta coexistencia de la onda transversal y de la
onda longitudinal se produce hasta el llamado primer ángulo crítico
del material del que está realizada la pieza a comprobar (1). El
primer ángulo crítico en el agua como medio de acoplamiento y para
una pieza a comprobar (1) de acero es de unos 14º. Para una
superficie límite plexiglás/acero el primer ángulo crítico es de
unos 26º.
El ángulo de refracción transversal que
corresponde a este primer ángulo crítico en el acero es de unos 33º.
Para ángulos más grandes desaparece la onda longitudinal de la
pieza a comprobar (1) a causa de la reflexión total que se produce.
En la zona entre el primer ángulo crítico y el segundo ángulo
crítico del material existe en la pieza a comprobar (1), por lo
tanto, solo una onda transversal. Por encima del segundo ángulo
crítico sufre también la onda transversal la reflexión total y no
se extiende en la pieza a comprobar (1) ninguna onda de
ultrasonidos.
La zona entre el primer ángulo crítico y el
segundo ángulo crítico era la utilizada hasta el momento para la
comprobación mediante ondas transversales. De acuerdo con el
procedimiento de la invención, se utilizan, no obstante, también
ángulos de entrada transversales (\beta_{S}) que corresponden a
un ángulo de incidencia por debajo del primer ángulo crítico. En
esta zona se extiende a parte de la onda transversal, también una
onda longitudinal con elevada energía. El receptor de ultrasonidos
(29) y el emisor de ultrasonidos (27) están realizados para dichos
ángulos. Esto significa, por ejemplo, que mediante un cuerpo de
acoplamiento en forma de cuña se facilita de forma avanzada un
correspondiente ángulo de incidencia (medido por fuera de la pieza
a comprobar), de manera que el ángulo de cuña se escoge con
dependencia del material del cuerpo de acoplamiento (plexiglás
entre otros).
El soporte (25) del material de comprobación
presenta una superficie de acoplamiento curvada (33) que se puede
aplicar sobre la superficie de rodadura (3) de la rueda de
ferrocarril.
Mediante una unidad de control (35) el ángulo de
recepción (\beta_{E}) será ajustado con un valor absoluto igual
al ángulo de entrada (\beta_{S}) del emisor de ultrasonidos
(27). Ambos ángulos (\beta_{E}, \beta_{S}) se diferencian
solamente en su signo, es decir, las direcciones de los ultrasonidos
del emisor de ultrasonidos (27) y del receptor de ultrasonidos (29)
están dirigidas una hacia la otra. En la técnica mostrada de
envío-recepción tiene lugar la comprobación
solamente en la zona de solape de la característica de dirección de
envío y de recepción. La magnitud de la zona de intersección o
solape depende de la divergencia de la emisión y de la
recepción.
Mediante el ángulo de azimut (\varphi) o de la
separación (d) por una parte, así como por el ángulo de entrada
(\beta_{S}) por otra parte, se define la profundidad (t) en la
que se encuentra el centro de gravedad de la zona de intersección
en la que se efectuará la comprobación para un determinado valor de
ajuste del ángulo. Para esta profundidad (t) se cumple
aproximadamente:
t \approx \
d/(2*tan\beta_{S})
Para la comprobación de zonas de diferente
profundidad (t) en la pieza a comprobar (1), el ángulo de entrada
(\beta_{S}) y el ángulo de recepción (\beta_{E})
(=(\beta_{S})) son ajustados con ayuda de la unidad de control
(35) entre sí con distintos valores. Son representativos para ello
el total de cuatro ángulos de ajuste mostrados en la figura (1).
Como mínimo, para los ajustes de ángulo más reducidos, que son
necesarios para llegar a profundizar en la rueda de ferrocarril, es
decir, hasta la proximidad del cubo (9) para posibilitar la
comprobación, se propaga también en el medio una onda longitudinal
con elevada energía.
Para suprimir esta onda longitudinal se evalúa,
mediante una unidad de evaluación (37), la señal de entrada del
receptor de ultrasonidos (29) solamente dentro de una ventana de
tiempo que comprende el punto de tiempo de recepción esperado de la
correspondiente onda transversal. Puesto que la onda longitudinal de
elevada energía tiene un mayor velocidad del sonido y, por lo
tanto, (a causa de su mayor ángulo de refracción) en el sistema de
prueba mostrado en forma de V, un recorrido más corto que en el caso
de la onda transversal que se ha mostrado, los ecos de las ondas
longitudinales se encuentran fuera de la parte media de la zona de
desplazamiento correspondiente a la ventana de tiempo y, por lo
tanto, no producen estorbo. De esta manera, se pueden evaluar con
mayor exactitud los ecos de las ondas transversales que tienen una
energía relativamente reducida que se encuentran en la zona de
ángulo por debajo del primer ángulo crítico.
La figura 2 muestra la pieza a comprobar (1) en
una representación en sección. La divergencia del emisor de
ultrasonidos (27) en el plano del dibujo se escoge de manera tal que
las superficies externas del disco de la rueda (7) que se
encuentran en oposición se comprobarán de forma rasante.
Para comprobar zonas de diferente profundidad se
utilizará el dispositivo mostrado en la figura (3), según la
invención que, de manera alternativa, aparte de un emisor de
ultrasonidos (39), tiene un total de tres receptores de
ultrasonidos (41, 43, 45) que presentan diferentes separaciones
(d_{1}, d_{2}, d_{3}) con respecto al emisor de ultrasonidos
(39). De esta manera, se producen en el ejemplo mostrado un total de
tres zonas de comprobación independientes entre sí o profundidades
de comprobación (t_{1}, t_{2}, t_{3}). Los cuatro
transductores de ultrasonidos mostrados (39, 41, 43, 45) se han
construido con ángulo de entrada constantes y fijos (\beta_{S})
o bien ángulos de entrada (\beta_{E}). Los cuatro transductores
de ultrasonidos (39, 41, 43, 45) se han dispuesto o integrado sobre
un soporte de cabezal de comprobación conjunto (25).
El emisor de ultrasonidos (39) funciona
conjuntamente con el primer receptor de ultrasonidos (41)
constituyendo un primer grupo transductor (51) según la técnica de
emisión-recepción. De igual manera funciona el
emisor de ultrasonidos (39) conjuntamente con el segundo receptor
de ultrasonidos (43) y el tercer receptor de ultrasonidos (45)
constituyendo un segundo grupo transductor (53) o bien un tercer
grupo transductor (55) conjuntamente según la técnica de
emisión-recepción. El ángulo de entrada
(\beta_{S}) y el ángulo de recepción (\beta_{E}) son de
igual magnitud en los tres grupos transductores (51, 53, 55). Por el
contrario, la separación (d_{1}, d_{2}, d_{3}) entre el
correspondiente emisor y el correspondiente receptor de los grupos
transductores (51, 53, 55) es distinta.
En el tercer ejemplo de realización mostrado en
la figura 4, todos los transductores de ultrasonidos (61, 63, 65,
41, 43, 45) están dispuestos sobre el soporte (25) del cabezal de
comprobación, tal como en el ejemplo de realización de la figura 3
como transductor con dirección de recepción fija, respectivamente
dirección de envío fija. Dos transductores del conjunto de seis
transductores de ultrasonidos constituyen, de manera
correspondiente, un grupo transductor conjuntamente según la técnica
de envío-recepción:
a) primer grupo transductor (51): primer emisor
de ultrasonidos (61), primer receptor de ultrasonidos (41),
b) segundo grupo transductor (53): segundo
emisor de ultrasonidos (63), segundo receptor de ultrasonidos
(43),
c) tercer grupo transductor (55): tercer emisor
de ultrasonidos (65), tercer receptor de ultrasonidos (45).
\vskip1.000000\baselineskip
Para la totalidad de los tres grupos
transductores (51, 53, 55) la separación (d) del correspondiente
emisor con respecto al correspondiente receptor es constante. En
vez de ello, el ángulo de entrada (\beta_{S,1},
\beta_{S,2}, \beta_{S,3}) de cada uno de los ángulos
transductores (51, 53, 55) es distinto. En la práctica, en lugar de
los tres grupos transductores representativos mostrados (51, 53, 55)
se utilizan en total cinco grupos transductores con ángulos de
entrada de 15º, 22º, 29º, 36º y 43º.
En la rueda de ferrocarril que se ha mostrado
una parte del volumen a comprobar queda oculto o en zona de
"sombra" por los orificios (11). Para evitar esta zona de
sombra no comprobada, en el quinto ejemplo de realización mostrado
en la figura 5, de forma adicional al emisor de ultrasonidos (27)
mostrado en la figura 1 y al receptor de ultrasonidos (29) se ha
dispuesto un transductor de ultrasonidos adicional (71) en el
soporte (25) del cuerpo de comprobación, que de manera
correspondiente queda constituido como emisor de grupo. El
transductor de ultrasonidos adicional (71) puede actuar o bien como
emisor o como receptor. Está alejado con respecto al emisor de
ultrasonidos (27) o bien del receptor de ultrasonidos (29) en unos
100 mm. El otro transductor de ultrasonidos (71) es ajustado
preferentemente a la misma profundidad de medición.
Transductores de ultrasonidos adicionales para
evitar zonas de sombra no exploradas pueden ser dispuestos también
en los ejemplos de realización mostrados en las figuras 3 y 4.
En la comprobación de la rueda de ferrocarril
(7) desde la superficie de rodadura (3) es aconsejable, a causa del
perfil axial de la superficie de rodadura, utilizar solamente
cabezales de comprobación por ultrasonidos estrechos con una
anchura de oscilación de, por ejemplo, unos 8 mm. A efectos de
mejorar en la zona de los ángulos de entrada producidos de la onda
transversal la señal de ultrasonidos es aconsejable ampliar la
superficie activa del oscilador o superficie del transductor, es
decir, construir los transductores de ultrasonidos con mayor
longitud para igual anchura (por ejemplo, longitud de 16 mm). De
esta manera, el haz de ultrasonidos será más estrecho en el plano
de la figura mostrado en las figuras 3 y 4. En estos ejemplos de
realización con transductores de ultrasonidos con características
de direccionado fijas, pueden ser necesarios grupos adicionales de
transductores o pares de transductores para cubrir por completo la
zona a comprobar. En este caso, el dispositivo según el ejemplo de
realización según la figura 1, en el que se toman en consideración
emisores de grupo con características de direccionado basculantes,
es especialmente ventajoso.
El ángulo de entrada (\beta_{S}) o bien
(\beta_{S,1}, \beta_{S,2}, \beta_{S,3}) no está limitado
en principio a ángulos pequeños, no obstante, la energía
transformada de modalidad en la onda transversal será siempre más
pequeña. El ángulo de entrada podría ser, por ejemplo, de 5º
solamente.
Claims (22)
1. Procedimiento para la detección de defectos,
en particular grietas (13, 14, 15, 16, 17), en una rueda de
ferrocarril (1), en el que se genera sobre la superficie de rodadura
(3) de la rueda de ferrocarril (1), una onda de ultrasonidos (31)
por medio de un emisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) en la
rueda de ferrocarril (1) y un receptor de ultrasonidos (31)
separado del transmisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65)
mediante un ángulo de azimut (\varphi, \varphi_{1},
\varphi_{2}, \varphi_{3}) que es utilizado para detectar la
onda de ultrasonidos (31), caracterizado porque
a) la onda de ultrasonidos (31) es introducida
de forma oblicua con respecto a la superficie de rodadura (3) y es
transmitida a través de la rueda de ferrocarril (1) en forma de
V,
b) la onda de ultrasonidos detectada (31) es
polarizada transversalmente y la dirección de polarización es
orientada paralelamente a una cara plana de la rueda de ferrocarril
(1), y
c) la onda de ultrasonidos (31) es detectada
después de desviación, en particular, reflexión en el defecto.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque, el emisor de ultrasonidos (27; 39; 61,
63, 65) es desplazado con respecto a la rueda de ferrocarril (1) de
forma circular alrededor del eje de rotación (2) de la rueda de
ferrocarril (1).
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el receptor de ultrasonidos (29; 41; 43,
45) es desplazado de la misma manera que el emisor de ultrasonidos
(27; 39; 61, 63, 65).
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la onda de
ultrasonidos detectada (31) es generada por conversión de modalidad
para una onda longitudinal.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el ángulo de
incidencia (\beta_{s}; \beta_{s,1}, \beta_{s,2}) de la
onda de ultrasonidos (31) en la rueda de ferrocarril (1) tiene un
valor superior a 10º, en particular superior a 15º, y es menor que
el ángulo de refracción transversal que corresponde al primer
ángulo crítico del material del que está fabricada la rueda de
ferrocarril (1).
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque el ángulo de incidencia (\beta_{S})
es menor de 33º.
7. Método según una de las reivindicaciones 1 a
6, caracterizado porque la señal recibida del receptor de
ultrasonidos (29; 41; 43, 45) es evaluada solamente dentro de un
intervalo de tiempo que comprende el instante de recepción de la
onda de ultrasonidos (31), que se espera para el ángulo de azimut
(\varphi; \varphi_{1}, \varphi_{2}, \varphi_{3})
entre el emisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) y el receptor
de ultrasonidos (29; 41; 43, 45) y para el ángulo de incidencia
(\beta; \beta_{s,1}, \beta_{s,2}, \beta_{s,3}).
8. Método según una de las reivindicaciones 1 a
7, caracterizado porque la onda de ultrasonidos es detectada
por el receptor de ultrasonidos (29; 41; 43, 45) para un ángulo de
recepción (\beta_{E}) de valor absoluto sustancialmente igual
al ángulo de incidencia (\beta_{S}) de la onda de
ultrasonidos.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque para la comprobación de zonas de
diferente profundidad (t) en la rueda de ferrocarril (1) se ajustan
el ángulo de entrada (\beta_{S}) y el ángulo de recepción
(\beta_{E}) entre sí a valores diferentes que son
respectivamente sensiblemente del mismo valor absoluto uno con
respecto al otro.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque además del
primer grupo transductor (51) formado por el emisor de ultrasonidos
(39; 61) y el receptor de ultrasonidos (41), se utiliza a efectos
de la comprobación de zonas de diferente profundidad (t; t_{1},
t_{2}, t_{3}) en la rueda de ferrocarril (1), como mínimo, un
segundo grupo transductor (53) al que está asignada como mínimo un
transductor de ultrasonidos (43, 45, 63, 65) que es distinto del
transductor de ultrasonidos (39; 61) y el receptor de ultrasonidos
(41).
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque
a) el ángulo de azimut (\varphi) entre el
receptor de ultrasonidos (43) y el emisor de ultrasonidos (39) del
segundo grupo transductor (53) es igual al correspondiente ángulo de
azimut (\varphi) del primer grupo transductor (51), y
b) que el ángulo de incidencia (\beta_{s,2})
del segundo grupo transductor (53) es distinto del ángulo de
incidencia (\beta_{s,1}) del primer grupo transductor (51)
(figura 4).
12. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque
a) el ángulo de incidencia (\beta_{s}) y/o
el ángulo de recepción (\beta_{E}) del segundo grupo transductor
(53) es igual al ángulo correspondiente (\beta_{s}) del primer
grupo transductor (51), y
b) que el ángulo de azimut (\varphi_{2})
entre el receptor de ultrasonidos (43) y el emisor de ultrasonidos
(39) del segundo grupo transductor (53) difiere del correspondiente
ángulo de azimut (\varphi_{1}) del primer grupo transductor
(51) (figura 3).
13. Dispositivo para la detección de defectos,
en particular grietas, en una rueda de ferrocarril (1), que puede
girar alrededor de un eje de rotación (2), que presenta,
a) un soporte (25) del cabezal de comprobación
que soporta un emisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) para
introducir una onda de ultrasonidos (31) a través de la superficie
de rodadura (3) hacia dentro de la rueda de ferrocarril (1), y que
tiene
b) un receptor de ultrasonidos (29; 41; 43, 45)
dispuesto sobre el soporte (25) del cabezal de comprobación para
detectar la onda de ultrasonidos (31), que está separado con
respecto al emisor de ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) por un
ángulo de azimut (\varphi, \varphi_{1}, \varphi_{2},
\varphi_{3}) en particular para llevar a cabo el método, según
una de las reivindicaciones 1 a 12,
caracterizado por un dispositivo de
impulsión (21) para el desplazamiento del emisor de ultrasonidos
(27; 39; 61, 63, 65) con respecto a la rueda de ferrocarril (1)
alrededor del eje de rotación (2) de forma circular y porque el
emisor de ultrasonidos está realizado para introducción oblicua y
porque el ángulo de azimut (\varphi, \varphi_{1},
\varphi_{2}, \varphi_{3}) está dimensionado de manera que la
rueda de ferrocarril (1) puede ser atravesada con una forma de
V.
14. Dispositivo según la reivindicación 13,
caracterizado porque el soporte (25) del cabezal de
comprobación tiene una superficie de acoplamiento curvada (33) que
puede ser aplicada a la superficie de rodadura (3) de la rueda de
ferrocarril (1).
15. Dispositivo según la reivindicación 13 o 14,
caracterizado porque el emisor de ultrasonidos (27; 39; 61,
63, 65) y/o el receptor de ultrasonidos (29; 41; 43, 45) están
realizados para un ángulo de incidencia (\beta_{s}) o un ángulo
de recepción (\beta_{E}) en la rueda de ferrocarril, cuyo valor
absoluto es superior a 10º y menor que el ángulo de refracción
transversal correspondiente al primer ángulo crítico del material
del que está realizada la rueda de ferrocarril (1).
16. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el emisor de
ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65) y/o el receptor de ultrasonidos
(29; 41; 43, 45) están realizados por un ángulo de incidencia
(\beta_{S}) o un ángulo de recepción (\beta_{E}) en la rueda
de ferrocarril (1), cuyos valores absolutos se encuentran en un
rango de 10º a 35º, en particular en un rango de 15º a 33º.
17. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque el receptor de
ultrasonidos (29; 41; 43, 45) está realizado para un ángulo de
recepción (\beta_{E}) de valor absoluto, sustancialmente igual
al ángulo de incidencia (\beta_{S}) del transmisor de
ultrasonidos (27; 39; 61, 63, 65).
18. Dispositivo una de las reivindicaciones 13 a
17, caracterizado porque además del primer grupo transductor
(51) formado por el emisor de ultrasonidos (39; 61) y el receptor de
ultrasonidos (41), el soporte (25) del cabezal de comprobación
tiene, como mínimo, un segundo grupo transductor (53) al que
corresponde, como mínimo, un transductor de ultrasonidos (43, 45,
63, 65) que es distinto del emisor de ultrasonidos (39; 61) y el
receptor de ultrasonidos (41).
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque
a) el ángulo de azimut (\varphi) entre el
receptor de ultrasonidos (43) y el emisor de ultrasonidos (39) del
segundo grupo transductor (53) es igual al correspondiente ángulo de
azimut (\varphi) del primer grupo transductor (51), y
b) porque el ángulo de incidencia
(\beta_{s,2}) del segundo grupo transductor (53) difiere del
ángulo de incidencia (\beta_{s,1}) del primer grupo transductor
(51) (figura 4).
20. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque
a) el ángulo de incidencia (\beta_{s}) y/o
el ángulo de recepción (\beta_{E}) del segundo grupo transductor
(53) es igual al ángulo correspondiente (\beta_{s}) del primer
grupo transductor (51), y
b) porque el ángulo de azimut (\varphi_{2})
entre el receptor de ultrasonidos (43) y el emisor de ultrasonidos
(39) del segundo grupo transductor (53) es distinto del
correspondiente ángulo de azimut (\varphi_{1}) del primer
grupo transductor (51) (figura 3).
21. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque el emisor de
ultrasonidos (27) está construido como emisor de grupo con ángulo
de incidencia basculante (\beta_{s}) y el receptor de
ultrasonidos (29) está construido como emisor de grupo con ángulo de
recepción basculante (\beta_{E}), siendo posible en particular
que los emisores de grupo sean activados de manera tal que el ángulo
de recepción (\beta_{E}) es en cada caso en valor absoluto
sustancialmente igual al ángulo de incidencia (\beta_{s}).
22. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 13 a 21, caracterizado por una unidad de
evaluación (37), por medio de la cual es posible ajustar un
intervalo de tiempo por fuera del cual la señal de recepción del
receptor de ultrasonidos (29; 41; 43, 45) puede ser suprimida.
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