NOVAS MÁQUINAS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS DA MWL BRASIL RODAS & EIXOS LTDA Domingos José Minicucci MWL BRASIL RODAS & EIXOS LTDA Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, 2002
SINOPSE Mostrar tecnicamente o funcionamento das novas máquinas para ensaios não destrutivos em rodas ferroviárias, uma para ensaio de ultra-som por imersão e outra para ensaio de dureza. As máquinas são operadas via software com funções estatísticas, eliminando a interferência do operador no ensaio. A aquisição destas máquinas melhorou a precisão e confiabilidade dos ensaios de ultra-som e dureza. No caso do ultra-som possibilitou a varredura automática de 100% da superfície das rodas e no caso da dureza eliminou o erro de leitura da impressão da dureza nas rodas. 1. INTRODUÇÃO As rodas ferroviárias constituem um item de segurança, para tanto por força de norma devem ser inspecionadas por ultra som e partículas magnéticas (100% das peças) e por dureza (no mínimo 10% das peças de cada corrida). A Norma AAR M107 (usada no Brasil) da American Association Railroad, especifica como estes ensaios devem ser realizados bem como os padrões e freqüências de calibração do equipamentos envolvidos. Existem outras Normas de fabricação de rodas ferroviárias que abordam a execução destes ensaios, tais como: UIC (França), British Standard (Inglaterra), PR EN 13261 (União Européia trens de alta velocidade). A MWL Brasil visando atender as especificações das normas ferroviárias e melhorar a qualidade e confiabilidade de seus produtos, comprou em 2000 uma nova máquina de ultra som automática por imersão da Krautkramer Alemanha e uma nova máquina para ensaio de dureza da Reicheiter Áustria. As novas máquinas (principalmente o ultra-som) atende os mais recentes requisitos para ensaios em rodas de trens de alta velocidade, as quais necessitam de ultra-som em todas as partes da roda e não somente no aro e pista como pela Norma AAR M107. Segundo AAR M107 o equipamento de ultra-som deve ser automático, com cabeçotes operando entre 2 à 5 Mhz. A calibração deve ser feita com padrão feito do pedaço de uma roda com furos de 1/8 de fundo plano na região do aro e pista da roda. A rejeição da peça implica na indicação de eco de defeito maior ou igual a 50% da referência (equivalente a 1005 de um furo de 2mm), bem como perda do eco de fundo. Os padrões de ultra-som indicados pela AAR são os que seguem: Os furos dos padrões são de 1/8 com fundo plano conforme especificação. 2
Pela AAR M107 a medição de dureza deve ser feita em Brinell à 25 mm da linha de tape (diâmetro da pista), e a área deve ser lixada para remover as partes descarbonetadas, a carga usada é de 3000 Kg e o diâmetro da esfera de 10mm. O desenho abaixo mostra como a medição de dureza é feita a 25 mm da linha de tape: O objetivo deste trabalho é mostrar o funcionamento e recursos destas novas máquinas bem como o aumento da confiabilidade dos ensaios não destrutivos neste tipo de produto. 2. MÁQUINA DE ULTRA-SOM MWL Brasil comprou da Krautkramer Germany, uma nova máquina de ultra-som por imersão, a qual demorou um ano para ser construída desde o projeto até a entrada em funcionamento. A máquina foi desenvolvida especificamente para fazer ultrasom em rodas ferroviárias conforme Norma AAR M 107, UIC e a pren 13261 Européias. A máquina é a única no mundo capaz de fazer ultra-som no aro, pista de rolamento, disco (alma) e cubo das rodas ao mesmo tempo. Para facilitar o entendimento da terminologia referente às diversas partes da roda ferroviária aplicada neste trabalho, estamos indicando-as no desenho abaixo: Aro Disco Cubo Pista 3
2.1 Características da máquina A máquina possui três estações de trabalho: - Estação de entrada - Estação principal (onde é feito o ensaio) - Estação de saída Krautkramer OUT LET MAIN IN LET Fig 1. Vista geral da máquina A carga e descarga da roda no equipamento são feitas automaticamente por pistões pneumáticos, e a movimentação da roda dentro da máquina é feita parte por gravidade e parte por dispositivos pneumáticos. As principais características são: Detecção e indicação do defeito durante a revolução da roda na máquina. Inspeção da pista de rolamento no sentido radial e axial bem como ensaio do aro e cubo das rodas. Monitoramento da atenuação do som. Identificação dos defeitos com tinta. Impressão dos resultados. Revela o resultado do ensaio em forma de gráfico na tela do computador O ensaio é feito segundo método do pulso eco usando cabeçotes de um cristal (emite e recebe) tendo a água como acoplante. Os sinais recebidos pelos cabeçotes são processados e analisados pelo sistema VIS da Krautkramer. O sistema de ultra-som tem 12 cabeçotes que trabalham dentro de um tanque com água, com a sensibilidade de detectar defeitos de até 1,6mm de reflexão de um furo de fundo plano. A distribuição dos cabeçotes na máquina é: Pista: 4 cabeçotes de imersão tipo ZSG 6 x 30 Freqüência: 5 MHz. Tamanho do cristal: 6 x 30 Tipo do cristal: normal Material do cristal: composite 4
Comprimento do foco no aço: 180 mm Coluna de água: 40 mm Aro: 3 cabeçotes de imersão na parte externa do aro e 1 na parte interna tipo ZSG 6 x 30 Freqüência: 5 MHz Tamanho do cristal: 6 x 30 Tipo do cristal: normal Material do cristal: composite Comprimento do foco no aço: 180 mm Coluna de água: 40 mm Atenuação do som: 1 cabeçote de imersão tipo Z4N Freqüência: 4 MHz Tamanho do cristal: Ø 20 mm Tipo do Cristal: normal Material do cristal: ceramics Comprimento do foco no aço: 60 mm Coluna de água: 40 mm Cubo: 1 cabeçote que funciona com contato direto tipo SZ 6 x 27 ND. Freqüência: cinco MHz Tamanho do cristal: 6 x 27 Tipo do cristal: T/R (duplo cristal) Material do cristal: ceramic Comprimento do foco no aço: 10 mm Coluna de água: 40 mm Disco (alma): 2 cabeçotes de imersão um para o lado externo outro para o interno tipo ZSG 6 x 25. Freqüência: cinco MHz Tamanho do cristal: 6 x 25 Tipo do cristal: normal Material do cristal: composite Comprimento do foco no aço: 120 mm Coluna de água: 40 mm 2.2 Operação da máquina O ensaio das rodas é feito em ciclo automático, às rodas entram na máquina de ultrasom por gravidade (plano inclinado) e são posicionadas na estação principal por um fim de curso mecânico. Estando a roda posicionada um pistão pneumático entra dentro do furo da roda suspendendo-a, neste mesmo instante o trilho que a sustentava na estação principal é recuado fazendo com a roda seja mergulhada na cuba com 5
água. Dentro da cuba a roda fica apoiada em dois rolos motorizados que fazem a rotação da roda para o ensaio. Durante a rotação a roda é ensaiada pelos cabeçotes de imersão que são controlados automaticamente via software, de modo que quando um defeito é detectado um jato de tinta é lançado na roda na direção do defeito, sendo que todos os resultados são mostrados na tela e arquivados em CD após o término do ensaio. Todos os movimentos mecânicos da máquina são controlados por um PLC. A roda é rotacionada (2 voltas), sendo a primeira para umidificação e pré ajuste do sistema e a segunda para o ensaio. Depois de duas rotações o teste é completado com os seguintes resultados: Indicação visual em forma de gráficos Impressão de relatórios Visualização do gráfico de defeitos Após o termino do ensaio a roda é removida da estação principal e transportada até a estação de saída, quando uma nova roda é posicionada para ser ensaiada. O ciclo completo demora 2 minutos. Os sinais dos ecos da peça ensaiada são mostrados na tela do instrumento situado no painel de comando. A evolução do ensaio é feita por meio de portões eletrônicos e linha de limite ajustado para cada canal. O equipamento tem capacidade para operar com até 12 cabeçotes sendo possível à seleção um a um. Os dados eletrônicos referentes aos ensaios de cada roda são guardados em arquivos correspondentes a cada roda ensaiada garantindo a rastreabilidade do produto. A máquina é totalmente comandada por computador com ajustes digitais (via diálogo com o operador) e equipada com sistema de ultra som de alta resolução. 2.3 Etapas para realização do ensaio A roda é colocada na estação de entrada e transportada para estação principal por cilindro pneumático. IN LET Fig. 2 Estação de entrada 6
A roda é posicionada na estação principal e um cilindro pneumático entra dentro do furo da roda. Fig 3 Estação principal A roda é levantada e o trilho na qual estava apoiada recua. Fig 4 Roda pronta para entrar no tanque A roda é colocada dentro do tanque com água e apoiada em dois rolos motorizados. Nesta posição o ensaio de ultra som é feito após duas revoluções da roda, uma para umidificação e pré ajuste e outra para leitura dos cabeçotes. Para segurança do ensaio a leitura dos cabeçotes é feita em 370 graus (10 graus a mais de 360 para garantir a superposição). HUB PROBE - 1 WEB PROBES - 2 RIM PROBES - 4 SOUND ATTENUATION PROBE - 1 TREAD PROBES - 4 7
A roda é levantada, o trilho volta para posição original e o cilindro pneumático recua de dentro do furo da roda ejetando-a para estação de saída. Krautkramer Fig 6 Ensaio terminado Depois de cada ensaio a máquina mostra na tela e/ou imprime gráficos com o resultado dos 12 cabeçotes. Os gráficos possuem as seguintes cores: Verde: roda sem defeito acima da especificação (aprovada). Cinza: roda ou parte da roda não foi testada. Amarela: parte da roda tem defeito acima da especificação interna porém abaixo da especificação do cliente. Azul: a roda tem problema de atenuação de som. Vermelho: a roda tem defeito acima do especificado (sucata). Exemplos de gráficos são mostrados a seguir: Roda OK: todos os cabeçotes estão em verde. 8
Roda rejeitada: neste caso um ou mais cabeçotes estão em vermelho. 3. MÁQUINA DE DUREZA DIGITAL A máquina de dureza digital foi comprada da para fazer ensaios em Brinell na linha de inspeção final de rodas ferroviárias. Foi fabricada pela Reicheiter (Áustria) e a parte eletrônica juntamente com o software foram desenvolvidas pela Mecapress (Brasil). A máquina faz ensaios de dureza Brinell (carga de 3000 Kg) no aro da rodas ferroviárias (região termicamente afetada pela têmpera). 3.1 Características A máquina possui uma câmera digital que congela a imagem no momento da impressão da dureza. Esta imagem é transportada via sofware para o computador que analisa o tamanho da calota convertendo automaticamente em Brinell. O limite superior e inferior da dureza a serem medidas são carregados na máquina que indica quando a dureza esta fora ou dentro da faixa especificada por meio de cores (azul- OK e vermelho- reprovado). O software que equipa a máquina possibilita cálculos estatísticos de desvio padrão, média, valor máximo e mínimo dentro de uma mesma corrida ou lote fabricado. A tela mostrada no painel da máquina é a que segue: 9
A tela da máquina possui os seguintes campos: - Leitura da dureza em Brinell - Diâmetro do penetrador - Carga - Nome do operador - Cliente - Tipo da roda - Faixa de dureza (máximo / mínimo) - Ordem de compra (número) - Número de corrida - Número de série da roda - Cores para a tela 4. CONCLUSÃO As novas máquinas de ultra som e dureza adquiridas pela MWL Brasil propiciaram uma maior confiabilidade nos ensaios com elevado grau de automação, eliminando a ocorrência de erros oriundas da interferência ou interpretação do operador da máquina. Os novos equipamentos atendem as mais recentes e apertadas especificações da área ferroviária em termos de ensaios não destrutivos, o que torna a MWL Brasil mais competitiva no mercado externo e interno. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - AAR M107 American Association Railroad, Manual of Standards Section G, Maio, 1998. - Krautkramer AG Ultrasonic Test Machine - Operation Manual of Railroad Wheels, Stembro, 2000 - Mecapress Manual de Operação de Máquina de Dureza Reicheiter, Janeiro, 2001. 10