Sistemi Di Ispezione Per Assili Ferroviari

 

SCUOLA POLITECNICA Ingegneria Meccanica

 

Dipartimento di Ingegneria

Sistemi di ispezione per assili ferroviari

TESI DI LAUREA DI

RELATORE

Alessandro Russotto 

PROF.SSA Donatella Cerniglia

0644455 ANNO ACCADEMICO ACCADEMICO 2017 - 2018

 

INDICE  INTRODUZIONE ___________________ _________ ___________________ __________________ _________________ ________ 2  1.  L'ASSILE FERROVIARIO FERROVIARIO __________ ___________________ __________________ ______________ _____ 3  1.1. La sala montata ______________________________________________________ 3  1.2. Design dell'assile _____________________ _________________________________ _______________________ ____________________ _________ 4  1.3. Analisi dei carichi ______________________ __________________________________ _______________________ __________________ _______ 5  1.4. Sezioni critiche e sviluppo di cricche______________________ _________________________________ _______________ ____ 8  1.5. Teoria della tolleranza tolleranza al danneggiamento danneggiamento _____________________ ______________________________ _________ 10  

 

2.

 

SISTEMI DI ISPEZIONE PER ASSILI FERROVIARI _________12 _________12

2.1 Controllo con particelle magnetiche magnetiche ______________________ _________________________________ ______________ ___ 13 

2.1.1 Magnetizzazione ______________________________ ________________________________________________________ __________________________ 14  2.1.2 Caratteristiche delle particelle magnetiche __________________________________ ____________________________________ __ 17  2.1.3 Conclusioni ____________________________ ____________________________________________________________ ________________________________ 18  2.2 Controllo ad ultrasuoni _______________________________________________ 18 

2.2.1 Sonde per ultrasuoni __________________________________ _____________________________________________________ ___________________ 21  2.2.2 Tecniche di controllo __________________________________ _____________________________________________________ ___________________ 22  2.2.3 Conclusioni ____________________________ ____________________________________________________________ ________________________________ 28 

3.  MONITORAGGIO IN ESERCIZIO _________________________29 _________________________29  3.1 Ispezione con ultrasuoni: generazione laser e ricezione non a contatto ________ 29 

CONCLUSIONI _____________________________________________ _____________________________________________34 34  INDICE DELLE FIGURE _____________________________________35 _____________________________________35 

BIBLIOGRAFIA _____________________________________________36 _____________________________________________36 

1

 

INTRODUZIONE L'assile è uno dei componenti più importanti di un sistema ferroviario ed in quanto tale è anche uno dei più critici. Il suo servizio si prolunga per oltre 30 anni rendendolo soggetto a fenomeni di fatica ad alto numero di cicli, nell'ordine di 10 9, con conseguenze rilevanti sulla sua sicurezza. All'interno della trattazione viene posta attenzione sulla dinamica dell'intera sala montata in movimento sulle rotaie [1] per poi fare riferimento al design dell'assile, ai materiali tipici utilizzati per la sua costruzione [2] e alle normative europee che ne regolano l'applicazione. La dinamica dell'intera sala viene quindi messa in stretta relazione con i carichi di flessione, torsione e sforzo normale agenti sull'assile [3-4], esplicitando l'approccio " safe life" che viene utilizzato per il dimensionamento di quest'ultimo, attraverso una schematizzazione delle forze agenti e dei momenti flettenti nelle sezioni principali. Inoltre, vengono esaminate le sezioni critiche e le principali cause che provocano la nascita di cricche sulla superficie stessa del pezzo [5]. Ciò ha comportato lo sviluppo di una nuova teoria di tolleranza al danneggiamento (" damage tolerance") in aggiunta a quella attuale  safe life [6], il cui scopo principale è quello di tenere in considerazione le condizioni del componente in esame, per poter creare un piano di ispezione e manutenzione specifico. A tal fine, nel capitolo centrale vengono trattati i  principali metodi di ispezione per assili ferroviari, ossia quello a particelle magnetiche e quello ultrasonoro, introducendo nel dettaglio le caratteristiche e l'affidabilità di questi tramite le curve di probabilità di rilevamento del danno (POD) [7-8]. Riguardo al primo controllo, viene condotta un'analisi del metodo, evidenziando le tecniche specifiche per l'applicazione sull'assile e per la rilevazione di difetti superficiali e sotto-superficiali. Sono trattate anche le caratteristiche delle particelle adoperate ed i metodi innovativi ad oggi utilizzati, in buona parte automatizzati [9-10]. Riguardo il controllo ultrasonoro (UT), viene anteposta alla trattazione del metodo un'introduzione di base sulla teoria degli ultrasuoni e sui fenomeni di attenuazione che essi subiscono durante l'attraversamento del materiale [11], al fine di comprendere meglio il funzionamento delle sonde e delle tecniche di controllo utilizzate. In particolare, il controllo UT viene differenziato in base al tipo assile, pieno o cavo [12] e per entrambi vengono descritte le principali tecniche adottate, sia manuali che automatizzate [13-14].  Nel capitolo finale, vengono proposte delle modalità di nuova concezione per la generazione di ultrasuoni tramite laser e la ricezione mediante sonde non a contatto, i cui sviluppi futuri potrebbero favorire un monitoraggio continuo durante l'esercizio dell'assile, aumentando ulteriormente la sicurezza di tale componente [15-17]. 2

 

1.  L'ASSILE FERROVIARIO 1.1. La sala montata Il sistema principale per la locomozione del treno, atto a trasferire il moto alle rotaie, è la sala montata, schematizzata in Fig. 1. Essa è costituita da due ruote in acciaio stampato, calettate in posizioni opportune su di un assile (o sala) le cui estremità, dette fuselli, fungono da appoggio per il rotabile, mediante delle boccole lubrificate cui vengono collegate le sospensioni che favoriscono l'unione tra sala montata e carrello.

 Fig. 1 La sala montata

Le ruote ferroviarie non hanno una forma regolare: sono costituite da un profilo esterno tronco-conico, con un risalto, detto bordino, il cui scopo è quello di sviluppare forze orizzontali durante il contatto con la rotaia [1]. Da ciò ne deriva che la sala montata può considerarsi come un bi-cono in moto sulle rotaie, la cui funzione principale durante il transito del treno è quella di centrare lo stesso sul percorso delle rotaie. L'utilità principale del profilo conico è quello di rendere la sala " autosterzante", assolvendo anche la funzione di differenziale nelle curve. Difatti, la forza centrifuga durante il moto in curva provoca uno spostamento radiale dell'intera sala, permettendo alla ruota più esterna di lavorare su un diametro maggiore rispetto a quella interna. Tale dinamica di spostamento provoca forti sollecitazioni assiali, di flessione e torsione sull'assile, che risulta essere dunque un componente critico ai fini della sicurezza del trasporto ferroviario. 3

 

1.2. Design dell'assile Gli assili ferroviari sono alberi rotanti costituiti da diverse variazioni di sezione dovute ai carichi che ognuna di esse deve sopportare. In Fig. 2 si osserva un esempio di assile cavo.

 Fig. 2 Rappresentazione di un assile cavo

A regolare il design e dunque la progettazione degli assili ferroviari europei, vi sono 4 norme principali: EN13103 , EN13104, EN13260, EN13261. Le prime due si riferiscono, rispettivamente, ad assili motorizzati e non, mentre le ultime due riguardano i processi  produttivi. Tali regolamentazioni suggeriscono suggeriscono delle procedure di dimensionamento dimensionamento e  progettazione standardizzate, con due specifici materiali: acciaio al carbonio C35 normalizzato A1N, ed acciaio basso legato bonificato A4T (25CrMo4) [2]. Ad ogni modo, le normative non precludono l'uso di altri materiali, soprattutto per i treni ad alta-velocità, dove vengono invece utilizzati acciai ad alta resistenza, spesso cavi. Un esempio è il treno "Pendolino"   di di

Trenitalia, con assili in acciaio 30NiCrMoV12. I vantaggi di tali materiali

rispetto a quelli tradizionali precedentemente citati sono osservabili in Tabella 1, in cui sono evidenti le maggiori tensioni di snervamento (Re), di rottura (Rm) ed i maggiori limiti di fatica (RfL, determinato tramite test su provini lisci ed RfE su provini intagliati), che  permettono una riduzione dei diametri e quindi un guadagno guadagno rilevante in termini di peso (circa il 20%). Tabella 1. Caratteristiche meccaniche di acciai per assili.

Acciaio

Re [MPa]

Rm [MPa]

RfL [MPa]

RfE [MPa]

q(RfL/RfE)

A1N

Min. 320

550-650

Min. 250

Min.170

Max. 1,47

A4T

Min. 420

650-800

Min. 350

Min. 215

Max. 1,63

34NiCrMoV12

Min. 834

932-1079

Min. 480

Min. 320

Max. 1,5

In Fig. 3 vengono identificate le varie parti costituenti l'assile:  

a) Fusello: funge da appoggio per il rotabile attraverso una o più boccole lubrificate interposte; 4

 

 b)  Collare: è costituito da un intaglio a "V" ed uno ad "U" e funge da appoggio per le  boccole; c)  Sezione di calettamento: zona dell'assile su cui viene calettata la ruota, terminante con un intaglio a "T".

 Fig. 3 Composizione di un assile ferroviario

1.3. Analisi dei carichi

L'approccio delle norme precedentemente citate è basato su una metodologia "safe-life" , che consiste nel progettare il componente in modo tale che le sollecitazioni operanti siano sempre ben al di sotto del limite a fatica del materiale in utilizzo. Vengono considerati dei carichi di trazione/compressione, flessione e torsione contemporaneamente agenti dovuti: alla massa sospesa del veicolo, all'inerzia in curva, alle azioni frenanti e di trazione emanate da organi secondari secondari (motori o freni). fr eni). Il dimensionamento viene effettuato calcolando i valori dei momenti flettenti e torcenti causati dalle forze orizzontali e verticali che gravano sull'asse. Le tensioni vengono quindi ricavate dalle equazioni (1) e (2), rispettivamente per flessione e torsione, e devono necessariamente necessaria mente risultare minori delle tensioni ammissibili, ricavate effettuando il rapporto tra i limiti di fatica, variabili per ogni sezione F i, ed il coefficiente di sicurezza S (imposto  pari ad 1,2 dalla d alla norma EN 13103 per assili non motorizzati e 1,5 da quella EN 13104 per quelli motorizzati). In Tabella 2 si osservano i valori suggeriti dalle norme in funzione dei materiali adottati [2].

 

 M 

  



 I 

r 

 

(1)

 

T 

  

5



 J 

r 

 

(2)

 

Tabella 2. Valori dei limiti di fatica in accordo con le norme EN 13261 ed EN 13260.

F4-limite di fatica

F1-limite di fatica

F3-limite di fatica

superficiale

 per sezioni calettate calettate

A1N

200 MPa

120 MPa

110 MPa

A4T

240 MPa

215 MPa

132 MPa

Acciaio

 per sezioni calettate calettate in assili cavi

In Fig. 4 è presente una schematizzazione generale delle possibili forze agenti [3-4]: a)   P 1 e  P 2: sono le forze esercitate dalle masse sospese sui fuselli (quindi dovute alla massa del carrello e del carico utile trasportato dal veicolo). Il loro valore dipende strettamente dalla posizione del baricentro G.  b)   F 1: sono forze esercitate dal peso stesso dell'assile o da eventuali organi motori o frenanti. c)  Y   ee Q: sono le forze che si sviluppano nel contatto ruota-rotaia. d)  H: sono sia forze trasmesse all'asse derivanti dall'assetto del carrello, sia forze di massa che si sviluppano durante la marcia in curva.

 Fig. 4 Schema generico delle forze agenti sull'assile

Le forze sull'assile precedentemente elencate possono essere attribuite a diverse componenti [5]. In Fig. 5 è raffigurata la flessione pura uniforme tra le ruote causata dal  peso del veicolo, che in servizio risulta essere un carico variabile (soprattutto nei treni merci), e può essere amplificata da irregolarità nel tracciato ferroviario. Inoltre, durante il moto in curva o nei cambi di tracciato, la massa del veicolo viene trasferita sulla ruota più esterna (dove il momento ha il suo massimo), causando le dinamiche di spostamento esposte in 1.1, e comportando la nascita delle forze Y e Q nel contatto ruota-rotaia, con la 6

 

conseguenza di ulteriori stress assiali e momenti flettenti, di braccio pari al raggio della ruota.

 Fig. 5 Rappresentazione del momento flettente

Riguardo la torsione, in normali condizioni di servizio essa non provoca tensioni tangenziali particolarmente elevate, soprattutto rispetto agli stress precedenti. Invece, durante le fasi di accelerazione o frenata, essa risulta non trascurabile, in virtù delle condizioni di attrito nel contatto ruota-rotaia, provocando forti fenomeni vibratori. Infine, il forzamento delle ruote (o di eventuali organi secondari) rappresentato in Fig. 6, comporta l'introduzione di compressioni benefiche proprio in corrispondenza delle sezioni di calettamento, ma anche trattive nelle sezioni prossime (soprattutto in corrispondenza dell'intaglio a "T" ), ), con una conseguenza secondaria che è la corrosione per sfregamento dovuta a micro-scorrimenti tra le zone pressate, dal momento che è impossibile una  perfetta aderenza aderenza tra le superfici. In tal modo nascono forti forti tensioni di taglio al contatto contatto con la conseguente nascita di cricche.

 Fig. 6 Zone di calettamento delle ruote

7

 

1.4. Sezioni critiche e sviluppo di cricche Gli assili ferroviari hanno una vita media di 30 anni e sono soggetti ad una fatica ad altissimo numero di cicli (very high cycle fatigue, VHCF ), ), circa 109. Grazie agli studi condotti dall'ingegnere tedesco August Whöler, venne mostrato sperimentalmente che per gli acciai sussiste una tensione limite di resistenza a fatica al di sotto della quale, per un numero maggiore o uguale a 10 6 cicli, il componente ha vita illimitata. È stato notato però che numerosi componenti soggetti a VHCF giungevano al cedimento anche con livelli di tensione inferiori al limite di fatica, ecco perché è importante porre una netta distinzione con la fatica a basso ed alto numero di cicli (LCF, ( LCF, HCF), come mostrato in Fig. 7 [5].

 Fig. 7 Diagramma di fatica. Fatica a basso numero di cicli (LCF), fatica ad alto numero di cicli (HCF),  fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF)

La formazione di cricche nel caso di LCF e HCF avviene solitamente in zone superficiali del materiale, mentre nel caso di VHCF in zone interne. Le sezioni critiche per la loro insorgenza nel caso specifico degli assili sono rappresentate in Fig. 8, in corrispondenza delle zone in cui sono calettate le ruote ed eventuali ingranaggi (1), nelle transizioni geometriche a "V" , "U"   ee "T"  (2)  (2) e sulla superficie del corpo (3). Le cause principali del loro sviluppo sono 3: a)  Cavità: sono la principale causa della nascita di cricche e sono considerate come  punti di concentrazione delle tensioni. La loro distribuzione lungo la superficie gioca un ruolo fondamentale nella vita a fatica dell'elemento, che non può più essere attribuita unicamente alle proprietà del materiale utilizzato ed anzi si va riducendo durante l'esercizio. A favorire ciò vi sono anche fenomeni di corrosione che, a partire dalle cavità, tendono a farle propagare sotto forma di difetti. Per 8

 

diminuire tali rischi, le l e norme EN 13103 e EN 13104 richiedono esplicitamen esplicitamente te una  protezione superficiale superficiale tramite rivestimenti durante tutto il servizio dell'assile.  b)  Impatti dovuti alla massicciata: fenomeno che si sviluppa a causa di effetti aerodinamici soprattutto nei treni ad alta velocità, che scagliano il ballast della massicciata contro la superficie dell'assile, comportando intagli con profondità che vanno da 0.8 a 2 mm. Essi risultano, come detto precedentemente, sede di concentrazione delle tensioni e quindi possibili zone di sviluppo di difetti. c)  Inclusioni: vengono introdotte internamente al pezzo durante il processo di  produzione dell'assile e sono costituite da elementi non metallici (polveri, solfuri e altri); hanno grandezze in genere variabili da 10 µm sino al mm e possiedono caratteristiche fortemente differenti rispetto all'acciaio (coefficienti di dilatazione termica, costanti elastiche, durezza, resistenza). La loro influenza sulla vita a fatica dell'assile è determinata da vari parametri quali grandezza, forma, distanza rispetto alla superficie. Lo sviluppo di cricche è dunque agevolato dalla presenza di inclusioni, soprattutto in condizioni di VHCF, e avviene attraverso la propagazione di difetti attorno al materiale estraneo. Le norme (in particolare la EN 13261) suggeriscono delle dimensioni massime ammissibili tra 76 e 436 µm delle inclusioni possibili, in base al loro tipo (solfuri, alluminati, silicati) e al tipo di acciaio utilizzato per la costruzione dell'assile.

 Fig. 8 Sezioni critiche

9

 

1.5. Teoria della tolleranza al danneggiamento danneggiamento Come sottolineato in 1.3, l'assile viene progettato in base ai soli limiti di fatica, con un approccio "safe-life", che mira a garantire una vita infinita con livelli di stress ammissibili. A causa dei fenomeni di fatica cui è soggetto ( VHFC ) e di eventi che statisticamente  possono verificarsi durante la sua vita provocando la nascita di cricche, la durata del componente spesso risulta compromessa, comportando un cedimento prematuro e gravi conseguenze. Un esempio, riportato in Fig. 9, è quello dell'incidente di Viareggio del 29 Giugno 2009, dove a causa del cedimento del fusello di un assile, il treno è deragliato e uno dei vagoni, trasportanti GPL, si infiammò.

 Fig. 9 Incidente di Viareggio

La sezione fratturata mostra la classica propagazione per fatica di una cricca, con definitiva rottura per schianto. Questo, come molti altri incidenti avvenuti, ha recentemente portato alla necessità di aumentare la sicurezza di questi componenti e di sviluppare un nuovo tipo di metodologia di ispezione, basata sull'esame tramite controlli non distruttivi. La "damage tolerance"   o tolleranza al danneggiamento è una teoria che si basa sullo sviluppo di un piano di manutenzione che tenga in considerazione le condizioni del componente in esame. Il principio generale è quello di presumere l'esistenza di una cricca nella zona più sollecitata, la cui dimensione ipotizzata sia la più grande non rilevabile dalle tecniche non distruttive utilizzate in ispezione e che essa non raggiunga le dimensioni critiche sino all'ispezione successiva [6]. Di conseguenza, la principale differenza tra la  progettazione "safe-life"  e   e quella "damage tolerance" è che quest'ultima non si basa sulla grandezza critica di cricca (e quindi sui soli limiti di fatica del materiale), bensì ipotizza a  priori il danneggiamento danneggiamento del materiale in zone sfavorevoli e determina un programma di

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ispezioni per poterlo monitorare, attraverso delle curve di probabilità di rilevamento ( probability  probability of detection ,POD) dei controlli non distruttivi utilizzati. I parametri di input per un'ispezione damage tolerance sono i seguenti (Fig.10): a)  Geometria del componente;  b)  Posizione e orientamento delle cricche possibili; c)  Analisi dei carichi, compresi gli stress residui e i carichi termici; d)  Caratteristiche del materiale (curva tensione-deformazione, resistenza alla frattura, durezza, curva da/dN-Δ da/dN-ΔK); e)  Dimensione iniziale di cricca (la più grande non rilevabile durante l'ispezione non distruttiva) e la forma; f)  Curve POD-profondità di cricca dei metodi non distruttivi applicati. Tale procedura è affiancata da una completa analisi della meccanica della frattura del materiale [4-6] e, tramite software dedicati, dà come risultato la profondità della cricca rispetto al tempo o al numero di cicli di carico, da cui si ricava la durata residua.

 Fig. 10 Schema generale per la teoria di tolleranza al danneggiamento [6]

A fronte di quanto detto, è doveroso approfondire le tipologie di controlli non distruttivi maggiormente utilizzati per gli assili ferroviari.

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2. SISTEMI DI ISPEZIONE PER ASSILI FERROVIARI I controlli non distruttivi ( CND) sono l'insieme di esami condotti impiegando strumentazioni che non alterano in alcun modo la struttura del materiale. Il loro scopo è l'individuazione di difetti, più o meno critici, all'interno della struttura stessa.  Nel caso specifico degli assili ferroviari, l'obiettivo è l'individuazione di fenomeni di fatica (tipicamente superficiali ma anche volumetrici), innescati da difetti accidentali, nell'ottica di utilizzare approcci dedicati quali la tolleranza al danneggiamento (par. 1.5). Difficilmente un'unica metodologia di ispezione è in grado di soddisfare tale esigenza, ecco perché durante le ispezioni si sovrappongono i risultati forniti da più metodi, adottando delle vere e proprie "strategie di controllo" . Per questioni di immediatezza, il controllo degli assili viene in genere effettuato nel momento in cui le ruote risultano deteriorate (dopo circa 1.5 milioni di km) e la sala deve essere necessariamente smontata dal treno, causando un periodo di fermo-macchina [5]. In tali condizioni, risulta quindi opportuno effettuare anche una completa analisi dell'assile,  per poi rimettere in funzione il mezzo. Il recente sviluppo delle suddette tecniche è stato recentemente oggetto di una serie di progetti europei, tra i quali il progetto WIDEM [7] ed il progetto EURAXLES [8]. Entrambi hanno focalizzato la loro attenzione sull'analisi delle metodologie già esistenti e sullo sviluppo di nuove soluzioni, innovative ed economicamente economica mente sostenibili, al fine di garantire condizioni di servizio sicure. Il successo di queste procedure dipende dalla più grande cricca non rilevata e dalla  possibilità che essa non cresca sino alle dimensioni critiche entro la successiva ispezione. L'affidabilità dei CND è quindi identificata dalle curve  POD-profondità di cricca (Fig. 11) e la loro determinazione è effettuata sperimentalmente con strutture pre-criccate, con una successiva success iva analisi statistica dei dati rilevati [7] [7].. Ad ogni modo, nessuna di tali curve può essere resa assoluta, in quanto esse provengono da specifici setup sperimentali, dipendenti dalle capacità dell'operatore (fattore umano), dalla geometria analizzata e da vari fattori mutabili da caso a caso [5]. In Fig. 11 sono raffigurate le curve POD dei principali metodi utilizzati per l'ispezione degli assili ferroviari: per il rilevamento di difetti superficiali, ovvero l'ispezione con particelle magnetiche e per quelli volumetrici, ossia gli ultrasuoni. Entrambi verranno esaminati nei  paragrafi 2.1 e 2.2.

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 Fig. 11 Curve di probabilità di rilevamento in funzione della profondità di cricca cricca

2.1 Controllo con particelle magnetiche L'ispezione con particelle magnetiche è un metodo non distruttivo usato per il controllo di difetti superficiali e sotto-superficiali di componenti costituiti da materiali ferromagnetici. È uno dei metodi più affidabili, con curve POD in genere molto alte, il cui principale difetto è la forte influenza del fattore umano. Difatti, le capacità dell'operatore in tale test sono essenziali, e l'importanza di seguire una serie di step in maniera precisa e rigorosa è necessaria al fine di una corretta riuscita del controllo. Il principio su cui si basa è quello della magnetizzazione di materiali ferromagnetici attraverso magneti permanenti (o elettromagneti) o con correnti elettriche circolanti su di essi. In tal modo, il flusso di campo magnetico generato circola all'interno del componente, ed ogni eventuale cricca o difettosità superficiale (affiorante o no) ortogonale ad esso comporta una perdita di flusso, causando la nascita sulla cricca stessa di un polo Nord ed un polo Sud. L'uso di particelle magnetiche (a secco, o in soluzione con acqua), permette di individuare chiaramente il difetto, in quanto esse vengono attratte dai poli generati sulla cricca stessa. In Fig. 12 si osserva tale fenomeno in maniera schematica.

 Fig. 12 CND con particelle magnetiche

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Gli step principali da seguire per tale ispezione sono i seguenti: a)  Pulizia e rimozione dei rivestimenti protettivi dal componente;  b)  Magnetizzazione; c)  Ispezione mediante particelle magnetiche sotto illuminazione adeguata; d)  Demagnetizzazio Demagnetizzazione ne e reinserimento dei rivestimenti protettivi; 2.1.1 Magnetizzazione

La magnetizzazione nei materiali ferromagnetici è basata sul ciclo d'isteresi magnetica (Fig. 13), che mette in relazione la densità di flusso magnetico B con l'intensità di campo magnetico H (funzione della corrente). I punti salienti sono quello di saturazione (oltre il quale, all'aumentare di H non vi è un aumento di B) ed il punto coercitivo (nel quale ad un certo valore Hc  corrisponde un flusso B nullo). Ai fini dell'ispezione con particelle magnetiche, ciò che interessa è che nel momento in cui la sorgente di campo magnetico H viene rimossa, il materiale rimane magnetizzato con un determinato valore B corrispondente corrisponden te nel ciclo.

 Fig. 13 Ciclo d'isteresi magnetica

 Negli assili ferroviari, la magnetizzazion magnetizzazionee viene effettuata secondo due direzioni: circonferenziale e longitudinale (Fig. 14a e Fig. 14b) [9]. Nel primo caso, il pezzo è parte integrante del circuito elettrico ed è attraversato per l'intera lunghezza dalla corrente per mezzo di due supporti, la cui funzione è anche quella di sostenerlo. In tal modo, si genera un campo magnetico che circola attorno all'assile e permette il rilevamento di cricche longitudinali posizionate da 45 a 90 gradi rispetto alla direzione del flusso. I principali svantaggii di questo metodo sono il surriscaldamento del pezzo dovuto alle elevate intensità svantagg

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di corrente, dell'ordine di 2000 A, ed il rischio di bruciature causate da impurità presenti sulla superficie e nelle interfacce supporto-assile.

 Fig. 14 Magnetizzazione circonferenziale (a) e longitudinale (b) di assili

 Nel secondo caso, si utilizzano bobine con più avvolgimenti su cui circola corrente ad alta intensità. In tal modo, si forma un campo magnetico il cui flusso viene canalizzato nell'assile, che risulta quindi magnetizzato longitudinalmente. In particolare, l'ispezione avviene con correnti tra gli 800 A e i 1200 A, con pulsazioni ogni mezzo secondo (minimo). Una volta che l'area viene ricoperta totalmente dal getto, esso viene fermato, la corrente viene fatta circolare un'ultima volta, ed infine il pezzo viene ispezionato sotto luce appropriata (in base al tipo di particella magnetica usata, vedi par. 2.1.2). In entrambi i metodi, il getto di particelle magnetiche deve essere distribuito mentre la corrente è in circolazione, in modo che esse possano muoversi e posizionarsi in corrispondenza dei difetti ed infine l'assile l 'assile viene demagnetizzato. Un ulteriore metodo per effettuare la magnetizzazione è tramite l'utilizzo di magneti  permanenti o elettromagneti, chiamati "gioghi magnetici". In questo caso, l'ispezione è totalmente manuale ed il flusso di campo magnetico fuoriuscente fuoriuscente dal polo Nord ed entrante nel polo Sud del giogo viene canalizzato in una zona specifica dell'assile, che viene coperta da uno spray contenente le particelle magnetiche. Per poter rilevare cricche sia longitudinali che trasversali, anche in questo caso l'ispezione si effettua in entrambi i versi, come in Fig. 15a e Fig. 15b.

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 Fig. 15 Utilizzo trasversale per cricche longitudinali (a) e longitudinale per cricche trasversali (b) di gioghi magnetici

Ormai tali tipi di ispezione sono automatizzati ed implementati all'interno di stazioni di controllo uniche, come il " DEUTROFLUX UWS system" dell'azienda tedesca " Karl  Deutsch" (Fig. 16), in cui è possibile esaminare unicamente gli assili, o intere sale montate

comprendenti ruote ed organi secondari, o il " DEUTROFLUX UWS 3000",  un sistema ancor più avanzato per l'analisi di vari componenti dei carrelli ferroviari (sale montate, molle, barre di stabilizzazione). Nel primo sistema l'assile stesso è attraversato da un flusso di corrente per la ricerca di cricche trasversali, mentre per la ricerca di quelle longitudinali è presente una bobina motorizzata in grado di spostarsi lungo tutta la lunghezza del rotabile.

 Fig. 16 Sistema DEUTROFLUX UWS

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2.1.2 Caratteristiche delle particelle magnetiche

Le particelle magnetiche giocano un ruolo principale nell'ispezione, perciò è di notevole importanza elencarne una serie di caratteristiche che ne contraddistinguono le tipologie. Esse possono essere "in umido", con un fluido vettore acquoso o oleoso, o " a secco". A loro volta, si suddividono ulteriormente in particelle "a contrasto di colore" o " fluorescenti", ossia incapsulate in resine epossidiche o plastiche poliammidiche con  pigmentazioni colorate sotto raggi UV (Fig. 17). Il tipo di materiale magnetico utilizzato varia tra due tipi di ossido di ferro, quali la magnetite, totalmente nera, o l'ossido ferrico,  più rosso e utilizzato utilizzato come materia materiale le base per le pa particelle rticelle fluorescenti.

 Fig. 17 Particelle magnetiche a contrasto di colore (a) e fluorescenti (b)

Le colorazioni usate devono essere ben visibili ad occhio nudo, dunque si prediligono colori chiari su sfondi scuri per favorire un elevato contrasto, utilizzando anche pitture per aumentarlo ed una illuminazione accurata. Riguardo quest'ultima, è importante che il controllo avvenga in ambiente scuro, isolato dalla luce naturale, con lampade a luce bianca o, nel caso di particelle fluorescenti, a raggi UV con lunghezze d'onda di 365 nm. L'applicazione sul pezzo esaminato viene invece effettuata mediante pistole spray o  bombolette e deve deve essere inte interrotta rrotta prima che la mag magnetizzazione netizzazione ces cessi. si. Riguardo le caratteristiche generali delle particelle magnetiche, hanno grande rilevanza: la dimensione, la forma, la densità, le proprietà magnetiche, la mobilità, la visibilità, la durabilità [10]. Tutte queste sono scelte col fine di favorire la formazione di agglomerati che creino un ponte al di sopra di ogni cricca, ben visibile e che ne ricalchi la forma e l'estensione.

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2.1.3 Conclusioni

Il metodo descritto è il più sensibile tra i controlli non distruttivi applicati agli assili, e ciò è evidente dalle curve POD che generalmente risultano molto elevate, con probabilità di rilevamento del 95% per cricche profonde 2 mm e del 100% a partire dai 5 mm (Fig. 11). Tali curve sono estremamente variabili da caso a caso, in quanto notevolmente influenzate dall'operatore, dunque il fattore umano è un parametro critico di quest'ispezione, e ciò comporta la necessità di personale specializzato. Ulteriore svantaggio svantaggio è il fatto che esso sia applicabile unicamente a materiali ferromagnetici e quindi qualsiasi rivestimento protettivo che possa diminuirne l'efficacia deve essere rimosso dall'assile, comportando dei costi aggiuntivi. Inoltre, bisogna porre attenzione alla pulizia del componente, prima e dopo l'ispezione, evitando residui di detriti che possono comportare bruciature e riscaldamenti localizzati durante l'applicazione delle correnti ad elevata intensità. È il primo metodo che viene applicato nel processo di ispezione degli assili proprio in quanto risulta essere il più accurato di tutti, soprattutto per il rilevamento di difettosità superficiali (come abbiamo visto, le più comuni in questo tipo di componenti).

2.2 Controllo ad ultrasuoni L'ispezione tramite ultrasuoni è finalizzata alla ricerca di difetti volumetrici e superficiali. Sono costituiti da onde meccaniche ad alta frequenza, oltre la soglia dell'udibile di 20 kHz, in grado di propagarsi all'interno di mezzi solidi, liquidi o gassosi. Per il controllo non distruttivo i valori utilizzati vanno da 0.2 MHz in poi, variabili in base al tipo di sonda scelta. Possono essere descritti come una successione di fenomeni di compressione e rarefazione della materia con una certa frequenza f, una certa velocità di propagazione c e quindi una lunghezza d'onda λ. Le equazioni che mettono in relazione questi parametri sono (3) e (4).  f  

1 

T 

 

(3)

 

  

c  f  

 

(4)

La propagazione può avvenire secondo diverse modalità, elencate di seguito in ordine di velocità di propagazione: a)  Onde longitudinali o di compressione: in cui la direzione di oscillazione delle  particelle e quella di propagazione dell'onda dell'onda coincidono (Fig. 18a).  b)  Onde trasversali o di taglio: in cui il fronte d'onda si muove ortogonalmente rispetto alla direzione del movimento delle particelle. Questa tipologia di onda può 18

 

diffondere solo nei solidi in quanto nei liquidi e nei gas le sollecitazioni tangenziali sono unicamente viscose e dunque troppo deboli (Fig. 18b). c)  Onde superficiali o di Rayleigh: avvengono in maniera analoga alle onde di taglio, ma interessano unicamente la superficie del pezzo (Fig. 18c).

 Fig. 18 Modalità di propagazione

I fenomeni alla base del controllo in esame sono la riflessione, la trasmissione e la rifrazione del fascio ultrasonoro, dovute alle variazioni di impedenza acustica Z= c (con  densità

del materiale e c velocità di propagazione in esso) dei materiali attraversati

durante il suo percorso. In Fig. 19 è illustrata la distribuzione del fascio quando incontra una superficie di separazione tra due mezzi a diversa Z. Parte dell'energia incidente E i  viene riflessa con valore E rifl e parte rifratta con valore E rifr   :: 2

 Erifl

  Z  Z    E i       Z Z     1

1

2

(5)

 Erifr



2

E i 

4  Z1  Z 2 ( Z1  Z 2 )2

 

(6)

in cui Z1 e Z2 sono rispettivamente le impedenze dei materiali attraversati. Gli angoli con cui queste due frazioni di fascio si propagano rispetto a quello incidente sono:  angolo della parte incidente,  angolo della parte riflessa e  angolo della parte rifratta che è regolato dall'equazione seguente, chiamata legge di Snell: sin 

sin   

c1

 

c2

19

(7)

 

In realtà, la distribuzione del fascio è ben più complicata di quella raffigurata in Fig. 19, dal momento che quando un'onda ultrasonora incide sulla superficie di separazione tra due mezzi, essa si separa in più componenti longitudinali e trasversali, che vengono riflesse e rifratte a loro volta con velocità totalmente differenti.

 Fig. 19 Riflessione e rifrazione di onde incidenti

Le onde ultrasonore sono soggette inoltre a fenomeni di attenuazione, dovuti alle caratteristiche del materiale attraversato, che provocano una diminuzione della loro intensità data dall'equazione seguente, in funzione della distanza  x  percorsa [11]:  I



I0 e 

 2  x



 

(8)

con I0  intensità iniziale dell'onda ed  coefficiente di attenuazione, strettamente dipendente dalla frequenza f dell'onda e dalle caratteristiche del mezzo attraversato. Diversi fattori contribuiscono all'attenuazione tra cui l'assorbimento e la diffusione (o "scattering" ). ). Il primo

è legato alle caratteristiche termoelastiche e d'isteresi del materiale e

consiste nella conversione di energia in calore, dovuta essenzialmente alla resistenza che il mezzo impone al passaggio dell'onda (ossia all'oscillazione). Il secondo invece è dovuto alle superfici di separazione che l'onda può incontrare durante il suo percorso nel mezzo (anche piccole, come i confini dei grani del materiale o eventuali porosità), che come visto  provocano fenomeni di rifrazione e riflessione, ma anche di diffusione o  scattering   dell'energia. Essa è strettamente legata alla velocità, alla lunghezza d'onda e quindi alla frequenza del fascio ultrasonoro e si suddivide in diffusione singola, quando il fascio è diffuso una sola volta nel suo percorso, o diffusione multipla, quando invece il fascio viene diffuso più volte durante l'attraversamento del materiale, comportando una forte perdita di energia. 20

 

2.2.1 Sonde per ultrasuoni

Il controllo ad ultrasuoni avviene mediante sonde apposite basate sull'effetto piezoelettrico, schematicamente rappresentate in Fig. 20. Cristalli come il quarzo, il solfato di litio, il  bario e altri, se sottoposti a forze in opportune direzioni rispetto agli assi cristallografici,  producono una differenza di potenziale ai loro capi; ttale ale fenomeno è invertibile e permette quindi l'emissione di ultrasuoni dal cristallo, attraverso vibrazioni.

 Fig. 20 Schema generale di una sonda ad ultrasuoni

Esistono diversi tipi di sonde, classificabili in vario modo: a)  in base al tipo di impiego: nel caso di sonde a contatto, non a contatto o ad immersione.  b)  in funzione dell'angolo di emissione: classificate in base all'inclinazione del cristallo emettitore rispetto alla superficie del corpo ispezionato. Esistono sonde  piane o ad incidenza normale, che inviano nel materiale pacchetti di onde  polarizzate longitudinalmente, longitudinalmente, o sond sondee angolate, il cui angolo angolo permette la ricerca di cricche o difettosità variamente disposte. c)  in funzione della frequenza f: ogni tipo di sonda è progettata per lavorare con un determinato livello di frequenza. Esistono dunque trasduttori che lavorano a frequenze più alte, con maggiore sensibilità e risoluzione ma con minore  penetrazione all'interno del materiale, a causa dei fenomeni di assorbimento citati che sono in funzione di f. A basse frequenze invece corrisponde una grande capacità di penetrazione del fascio ultrasonoro nel materiale ma minori mi nori sensibilità. I criteri di scelta sono basati principalmente sulle caratteristiche del pezzo da esaminare e sulla sua attenuazione, ma anche sui possibili difetti presenti, dal momento che la sensibilità di rilevamento è legata all'orientamento delle cricche rispetto alla direzione di 21

 

 propagazionee dell'onda, risultando praticamente nulla per difetti paralleli e massima per  propagazion quelli ortogonali. 2.2.2 Tecniche di controllo

I CND eseguiti con il metodo ultrasonoro si suddividono in due categorie principali. La  prima è la tecnica " pulse-echo", chiamata anche "in riflessione", che basa il proprio funzionamento sulle riflessioni prodotte dalle discontinuità intercettate dal fascio [11]. Il trasduttore genera onde che vengono riflesse all'interfaccia sonda-pezzo e alla fine del  pezzo stesso, causand causandoo un' eco di partenza ed una di fondo che vengono ricevute dallo stesso trasduttore (Fig. 21a).

 Fig. 21 Tecnica pulse-echo e relativi diagrammi A-scan senza difetto (a) e con difetto (b)

 Nel momento in cui risulta r isulta presente un difetto, questo si rivela attraverso un'eco ulteriore  posizionata tra quella quella di partenza e quella di fine (Fig. 21b), in tal modo è possibile cap capirne irne la posizione all'interno del pezzo e la sua grandezza attraverso il diagramma A-scan, in cui in ascisse viene rappresentato il tempo ed in ordinate l'ampiezza del segnale. La seconda è la tecnica " per trasmissione" che, a differenza della prima, utilizza util izza due sonde distinte, una trasmittente ed una ricevente, e sfrutta l'attenuazione per riflessione, assorbimento o diffusione del fascio. Nel diagramma A-scan privo di difetti (Fig. 22a) sono presenti un'eco di emissione ed un'eco ricevuta leggermente attenuata. Nel caso in cui invece fosse presente una cricca, questa sarebbe visibile grazie ad ulteriori echi detti riverberi e ad una forte attenuazione del segnale ricevuto (Fig. 22b). Il vantaggio risiede nel fatto che con tale metodo il fascio ultrasonoro deve attraversare il materiale una singola volta, prestandosi in modo efficace per pezzi di grande spessore.

 Fig. 22 Tecnica per trasmissione e relativi diagrammi A-scan senza difetto (a) e con difetto (b)

22

 

Le principali problematiche che si riscontrano in entrambi i metodi sono dovute alla  presenza di echi multipli causati da riflessioni e rifrazioni di irregolarità geometriche, variazioni di sezione o altro e false indicazioni che non sono riferibili a difetti veri e propri. Ciò comporta la necessità di personale altamente specializzato e con notevole esperienza sul campo. Focalizzando l'attenzione sull'ispezione ad ultrasuoni per gli assili ferroviari, bisogna effettuare una suddivisione preliminare per soggetti pieni o cavi [12]. Per l'ispezione periodica degli assili pieni, usati frequentemente nei treni per il trasporto merci, l'ispezione manuale mediante sonde singole è ancora ampiamente utilizzata, utili zzata, e viene effettuata dalle estremità dell'assile o sul corpo stesso. L'applicazione di ultrasuoni dalla fine dell'assile viene detta "scansione  far far end " quando si impiegano sonde atte ad ispezionare l'intera lunghezza da ambo i lati (Fig. 23a). La sonda viene posizionata con un fluido accoppiante sulla sezione esterna dell'assile e viene spostata su di essa attraverso dei movimenti rotatori, dando come risultati dei diagrammi A-scan come quello visibile in Fig. 24. Esso è una rappresentazione teorica di quello che dovrebbe risultare da un'analisi far end di un assile integro, in cui si mettono in evidenza: a)  il picco proveniente dalla zona di calettamento;  b)  le riflessioni provenienti dalle variazioni di sezione in corrispondenza delle facce interne ed esterne della ruota, di eventuali organi seconda secondari ri (come ingranaggi) e del fusello; c)  la riflessione proveniente dalla faccia finale.

 Fig. 23 Ispezioni manuali: scansione "far end" (a), scansione "near end" (b), scansione "high angle" angle" (c)

23

 

Si tratta invece di una "scansione  near end " qualora lo scopo fosse quello di ispezionare le zone di calettamento delle ruote mediante sonde angolate, sempre dalla fine dell'assile. La sonda va dunque spostata lungo la zona esterna della sezione finale in modo da dirigere il fascio ultrasonoro sempre in direzione della superficie di calettamento come in Fig. 23b. Se invece l'ispezione avviene direttamente sul corpo dell'assile, viene detta "scansione high angle"

(Fig. 23c). La sonda viene posizionata ad una certa distanza P rispetto all'intaglio

 più vicino e spostata spostata in direzione longitudinale e circo circonferenziale. nferenziale. Il primo tra i tre metodi è il più controverso ed è quello con le curve POD più basse (Fig. 11), difatti si hanno probabilità di rilevamento del 90% a partire da cricche di 13 mm [7]. Ciò è dovuto ai livelli di usura delle superfici su cui vengono poggiate le sonde e agli echi multipli causati dalle variazione geometriche del rotabile che comportano forti difficoltà di interpretazione dei risultati. Riguardo il secondo ed il terzo metodo, essi risultano più affidabili, con probabilità di rilevamento per la scansione near end  del  del 90% per cricche tra 3 e 8 mm e per quella high angle da 2.5 mm, comunque variabili in base al tipo di sonda utilizzata. Un'analisi completa dell'efficacia di tutti e tre viene affrontata in [7], con la rilevazione di curve POD come quelle di Fig. 11 mediante una analisi statistica con più sonde a differenti frequenze e su più assili, con diverse geometrie e difettosità presenti.

 Fig. 24 Diagramma teorico di un' ispezione "far end" di assile integro

Ad oggi sono di ampio utilizzo anche sistemi automatizzati in grado di controllare l'intera sala montata [13] come in Fig. 25, dove è raffigurato il sistema per l'analisi combinata di ruote e assili in utilizzo dalla " Süddeutsche Rail Service GmbH," in Kaiserslautern, Germania. 24

 

L'assile viene ispezionato automaticamente nelle zone di calettamento, sui fuselli e in tutte le variazioni di sezione. A tale scopo, sono necessari differenti angoli di emissione dunque vengono utilizzati trasduttori phased array con angoli variabili elettronicamente tra 25° e 75°, al cui interno sono presenti quattordici elementi attivi per l'analisi dell'assile. Tutto il complesso è controllato da un computer, che integra l'intero controllo della sala in un  programma di test totalmente automatico. L'intervento di personale specializzato è richiesto unicamente nella fase finale, per l'interpretazione dei risultati. r isultati. Riguardo l'ispezione degli assili cavi, essi hanno diametri interni che vanno da 25 mm a 90 mm o oltre e trovano sempre maggiori applicazioni grazie ai loro vantaggi in termini di  peso e affidabilità, ma anche grazie alla semplicità con cui possono essere ispezionati mediante borosonde roto-traslanti all'interno del foro, con trasduttori tr asduttori diversamente angolati ed in grado di ispezionare l'intera superficie interna allo scopo di individuare cricche e difetti.

 Fig. 25 Sistema di controllo automatizzato per assili pieni

Ad oggi sono usati in maniera predominante sistemi automatici in grado di controllare il  pezzo quando quando è ancora inse inserito rito all'interno del vagone, ma an anche che al di fuori [14]. In Fig. 26a è presente un sistema mobile sviluppato da " Fraunhofer  IZFP"   IZFP" insieme ad " NDT Systems Sys tems and Services GmbH ", ",

in grado di funzionare sia automaticamente che manualmente per

assili ancora inseriti nel vagone ad un'altezza compresa tra 350 mm e 1200 mm o smontati, costituito da una sonda adattabile a diametri da 30 mm a 110 mm che lavora dall'interno in immersione parziale di olio.

25

 

 Fig. 26 Sistema di controllo (a) con borosonda (b)

In Fig. 26b si osserva una borosonda utilizzata nel sistema precedente al cui interno sono  presenti sette trasduttori ad ultrasuoni sia angolati a 37°, 45°e 70° che piani, per la ricerca di difetti trasversali e longitudinali, anche sulla superficie esterna. Tutti quanti lavorano con frequenze di 4 MHz e l'ispezione può essere del tutto automatizzata, permettendo all'intero modulo di ruotare ed avanzare a velocità di 200 rpm o più, esaminando l'intero assile in un tempo medio di 6 minuti. I dati ricavati dall'ispezione vengono trasferiti digitalmente ad un'unità computerizzata che dà come risultato dei diagrammi B-scan (Fig. 27a) e C-scan (Fig. 27b) raffiguranti la sezione dell'intero assile, in cui sono visibili le  profondità di eventuali difetti. Con tale ispezione, si individuano con una probabilità del 90% cricche di dimensioni pari a 15 mm, variabile in base al tipo di sonda utilizzata [7].

 Fig. 27 Diagramma B-scan (a) e C-scan (b) per un'ispezione con borosonda

26

 

Riguardo la già citata " phased array", è una tecnologia nella quale vengono utilizzate sonde costituite da più elementi indipendenti, ossia programmabili separatamente (Fig. 28) [12]. Durante l'emissione, tali elementi sono sollecitati differentemente, in modo da poter modificare o ruotare il fascio ultrasonoro nella direzione voluta.

 Fig. 28 Sonda phased array

Durante la ricezione, il segnale ricevuto da ogni singolo elemento è digitalizzato ed elaborato. La tecnica phased array convenzionale (CPA) consiste in una singola scansione, in cui ogni elemento trasduttore è coinvolto nella trasmissione e nella ricezione. arr ay a campionamento (SPA), in cui ogni Un'evoluzione più recente è la tecnica  phased array

elemento, singolarmente, funziona da trasmettitore e, successivamente, tutti funzionano da ricevitori. Così, a rotazione, tutti quanti i trasduttori devono poter trasmettere e ricevere, dunque per N elementi si avranno N×N segnali ricevuti che possono essere elaborati in diagrammi C-scan, come in Fig. 29b.

 Fig. 29 Diagrammi C-scan di un assile pieno ispezionato con CPA (a), SPA (b) ed ed SPA con eliminazione del rumore di fondo (c)

27

 

2.2.3 Conclusioni

L'analisi ultrasonora è ampiamente utilizzata in quanto consente di rilevare discontinuità sia superficiali che interne all'assile, ma con curve di probabilità di rilevamento relativamente basse in base al metodo specifico utilizzato. Ciò è dovuto ad una serie di variabili che riducono l'efficacia del metodo tra cui: i rivestimenti spesso danneggiati e le corrosioni superficiali, la necessità di personale specializzato che possa interpretare al meglio i segnali provenienti da zone criccate differenziandoli dagli echi dovuti a variazioni geometriche o a false indicazioni.  Nonostante ciò, è ad oggi il metodo più utilizzato grazie ai principali vantaggi che lo riguardano: a)  la possibilità di effettuare il controllo dell'assile ancora montato, o in officina;  b)  la possibilità di effettuare controlli di lunghezze elevate, come nel caso dell'ispezione manuale far end ; c)  la sensibilità abbastanza elevata che permette di rilevare discontinuità dell'ordine del millimetro; d)  una buona precisione nella determinazione della posizione dei difetti interni, nella valutazione della loro forma ed orientamento; e)  la capacità di fornire immediatamente i risultati dell'ispezione con il corrispondente rilievo dei difetti. Questo permette un controllo rapido e rende il metodo adatto all'automazione; I possibili sviluppi devono mirare ad una maggiore automazione delle procedure applicate, diminuendo il ruolo rilevante del fattore umano, puntando a nuove tecnologie e aumentando costantemente costantemente la loro sensibilità senza, però, incrementare le false indicazioni.

28

 

3. MONITORAGGIO IN ESERCIZIO I metodi di ispezione citati per la valutazione dell'integrità strutturale degli assili richiedono molto spesso lo smontaggio degli stessi dal carrello ferroviario. Ciò comporta l'interruzione del servizio e dunque una spesa in termini sia economici che di tempo. Inoltre, durante lo smontaggio e la manutenzione, il componente può essere danneggiato, favorendo la successiva nascita di cricche [15]. Un eventuale controllo in esercizio ha come vantaggio quello di anticipare la rilevazione dei difetti e può essere un importante completamento dell'attuale concetto di sicurezza, aggiungendo un ulteriore livello ai due già esistenti ( safe-life  safe-life e damage tolerance) [5].

3.1 Ispezione con ultrasuoni: generazione laser e ricezione non a contatto Le cricche causate da fenomeni di fatica sugli assili ferroviari iniziano la loro lor o propagazione dalla superficie e continuano lungo la sezione trasversale, crescendo fino a dimensioni considerevoli prima di arrivare alla frattura. Ecco perché è importante, in accordo con la teoria di tolleranza al danneggiamento, rilevare cricche di elevate dimensioni con molta affidabilità [15]. Le tecniche ad ultrasuoni su cui è stata posta attenzione nel capitolo  precedente hanno lo svantaggio di dover utilizzare sonde a contatto e quindi richiedono lo smontaggio dell'assile dal carrello e dall'intera sala montata. Per far fronte a tali  problematiche, sono stati sviluppati nuovi approcci per la generazione di ultrasuoni senza contatto tramite laser e sistemi per la ricezione tramite trasduttori accoppiati in aria (Fig. 30). Il funzionamento consiste nel colpire la superficie tramite un laser ad impulsi con elevata energia, in grado di determinare un'espansione termica e quindi delle deformazioni localizzate, che danno vita ad onde ultrasonore. La generazione di queste può avvenire secondo due diversi meccanismi in base alla potenza incidente [11]. Si parla di regime termoelastico quando il laser lavora a basse potenze, producendo un rapido aumento della temperatura, localizzato in prossimità della superficie, con componenti di deformazione  parallele ad essa. Il campo ultrasonoro che ne deriva è costituito sia da onde longitudinali che trasversali e di Rayleigh. Con potenze maggiori, si rientra nel regime di ablazione, in cui parte del materiale superficiale viene vaporizzato a causa delle temperature elevate che vengono raggiunte, con conseguente formazione di plasma e componenti di sollecitazione ortogonali alla superficie. 29

 

 Fig. 30 Schema generale per un'ispezione tramite generazione laser e trasduttore accoppiato in aria [16]

Una tecnica promettente in fase di studio è quella che sfrutta le capacità di una sorgente laser pulsata, in grado di generare sulla superficie del pezzo onde superficiali di Rayleigh in regime termoelastico che vengono ricevute da trasduttori accoppiati in aria posizionati sull'assile. Tali onde vengono attenuate fortemente durante il percorso dalla sorgente al ricevitore, soprattutto se la loro posizione è tale da farle attraversare la zona di calettamento tra ruota e assile [15]. In Fig. 31 si osservano delle possibili configurazioni, in cui si segnalano le posizioni delle sorgenti laser con S e dei ricevitori con R.

 Fig. 31 Possibili configurazioni per il posizionamento di sorgenti laser e ricevitori

In particolar modo, R1 è posizionato nella parte finale del fusello, R2 dopo l'intaglio  precedente la zona di calettamento, R3 nell'interfaccia tra ruota e assile, R4 successivamente alla zona di calettamento e dopo l'intaglio, R5 ed R6 sulla superficie dell'assile. Ciò che effettivamente interessa è far si che, in corrispondenza delle variazioni di sezione dopo il fusello e nella zona di calettamento (sezioni che, come è stato visto, risultano estremamente critiche), l'energia ultrasonora sia la più alta possibile e le attenuazioni siano minime, in modo da poter facilmente rilevare le perturbazioni prodotte dai difetti durante l'attraversamento del fascio nell'assile. Un esempio è mostrato in Fig. 32 in cui si osserva l'evoluzione delle onde emanate al variare del tempo, durante l'interazione con un difetto profondo 10 mm, posizionato nella zona di calettamento. 30

 

 Fig. 32 Comparazione tra assile privo di difetto e criccato in corrispondenza della zona di calettamento calettamento

Il difetto ostacola il percorso delle onde dalla sorgente al ricevitore, producendo ulteriori onde rifratte visibili come archi di circonferenza. Un possibile setup per effettuare tali rilevazioni è quello mostrato in Fig. 33a, in cui il laser viene proiettato nella variazione geometrica precedente la zona di calettamento (S2 in Fig. 31) e acquisito tramite un trasduttore accoppiato in aria o tramite un array di sensori disposti in circonferenza sull'assile stesso (Fig. 33b). La catena d'ispezione che ne deriva è totalmente non a contatto, a partire dalla generazione fino al rilevamento degli ultrasuoni.

 Fig. 33 Esempio di una possibile soluzione per l'ispezione tramite laser-ricevitore accoppiato in aria (a) o laser-array circonferenziale di sensori (b)

31

 

In [17] viene effettuata un'analisi sperimentale di tale metodologia su di un assile Trenitalia, tramite un sistema costituito da un supporto in grado di ruotare per permettere l'ispezione dell'intera circonferenza circonferenza (Fig. 34). Il sistema laser è nello specifico un Nd:YAG, in grado di emettere onde ultrasonore in regime termoelastico con impulsi della durata di 12 ns. Queste vengono ricevute da un trasduttore piezoelettrico accoppiato in aria che lavora ad una frequenza di 1 MHz, con diametro di 8 mm (modello NCT210 di Ultran Group). Entrambi sono connessi solidalmente ad un braccio in grado di spostarsi longitudinalmente sull'assile.

 Fig. 34 Schematizzazione di un sistema sperimentale per il controllo ultrasonoro tramite laser

Il ricevitore è inclinato rispetto alla normale alla superficie dell'assile di 8 deg, angolo risultato ottimale sperimentalmente, in accordo con la legge di Snell. Il sistema è in grado di acquisire segnali consistenti anche con una distanza laser-ricevitore notevole, da 32 mm fino a 247 mm e risulta favorevole per il controllo di zone coperte, quali quelle in corrispondenza della ruota, senza quindi la necessità di doverla rimuovere. Un esempio si osserva in Fig. 35a, in cui sono rappresentati: la posizione reciproca tra laser e sonda ricevente, la distanza ed inclinazione di quest'ultima rispetto alla superficie dell'assile e la  posizione del difetto. In Fig. 35b e Fig. 35c si osservano i risultati dell'ispezione mediante un diagramma che relaziona l'ampiezza [V] del segnale ricevuto, proporzionale alla  pressione con cui l'onda raggiunge la sonda accoppiata in aria [16], col tempo [ s] ed un B-scan, in cui è evidente l'attenuazione delle onde di Rayleigh provocata dal difetto.

32

 

 Fig. 35 Risultati ispezione laser-sonda non a contatto. Setup (a), diagramma ampiezza-tempo (b), B-scan (c)

I risultati raggiunti in [15-17] dimostrano l'applicabilità del sistema discusso e il vantaggio rispetto alle tecniche tradizionali, che richiedono lo smontaggio delle ruote dall'assile a causa della forte attenuazione che le onde subiscono all'interfaccia. L'ottimizzazione della  potenza del laser, del trasduttore ricevente e della posizione reciproca portata avanti è  promettente e risulta adeguata per un eventuale monitoraggio degli assili durante il servizio, comportando un notevole guadagno in termini sia tempistici che economici ed un incremento in termini di sicurezza.

33

 

CONCLUSIONI Vengono trattati i principali metodi di ispezione per l'integrità strutturale di assili ferroviari.  Nel metodo a particelle magnetiche si evidenziano le tecniche specifiche per l'applicazione sull'assile e sono trattati i metodi innovativi ad oggi utilizzati. Grazie alle caratteristiche delle  particelle magnetiche utilizzate e ad una corretta illuminazione, è possibile individuare cricche sia superficiali che sotto-superficiali con curve POD che risultano molto elevate, con  probabilità di rilevamento del 95% per cricche cricche profonde 2 mm e del 100% a partire partire dai 5 mm. Tali curve sono estremamente variabili a causa del fattore umano, che risulta essere un  parametro critico di quest'ispezione. quest'ispezione. Il controllo ultrasonoro viene differenziato in base al tipo di assile, pieno o cavo. Per il primo, vengono esaminate le ispezioni manuali "far end" , "near end"   ed "high angle" . Tali metodi vengono confrontati in base alle rispettive curve POD, che rendono il metodo  far end  il   il più controverso, con probabilità probabilità di rilevamento ril evamento del 90% a partire da cricche di 13 mm, mentre per la scansione near end   ed high angle  si hanno curve più alte, con probabilità del 90% per cricche, rispettivamente, tra 3-8 mm ed 2.5 mm, variabili in base al tipo di sonda utilizzata.  Nel caso di assili assili cavi, la tecnica più utilizzata è quella tramite borosonda in bag bagno no d'olio. Con tale ispezione, si individuano con una probabilità del 90% cricche di dimensioni pari a 15 mm, variabile in base al tipo di sonda utilizzata. Viene anche discussa la tecnica "phased array" nella quale vengono utilizzate sonde costituite da più elementi indipendenti. L'analisi ultrasonora è il metodo più utilizzato in quanto consente di effettuare un controllo con elevate sensibilità nella rilevazione della dimensione, forma e orientamento dei difetti. Sono stati presi in considerazione possibili sviluppi per il monitoraggio in esercizio, riguardanti la generazione di ultrasuoni mediante laser in regime termoelastico e la ricezione tramite trasduttori non a contatto. I risultati di quest'ispezione sottolineano come tale setup è  promettente e può essere concretamen concretamente te utilizzato nell'ispezione degli assili, proponendos proponendosii anche come un metodo valido per il monitoraggio durante il servizio.

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INDICE DELLE FIGURE  Fig. 1 La sala montata _________________________________ ____________________________________________________________ ___________________________ 3  Fig. 2 Rappresentazione di un un assile cavo ____________________________ ____________________________________________ ________________ 4  Fig. 3 Composizione di un assile ferroviario _________________________________ __________________________________________ _________ 5  Fig. 4 Schema generico delle forze agenti sull'assile _______________________________ ____________________________________ _____ 6  Fig. 5 Rappresentazione del momento flettente ______________________________ ________________________________________ __________ 7  Fig. 6 Zone di calettamento delle ruote_______________________________ _______________________________________________ ________________ 7  Fig. 7 Diagramma di fatica. Fatica a basso numero di cicli (LCF), fatica ad alto numero di cicli (HCF), fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF) _____________________________________ 8  Fig. 8 Sezioni critiche __________________________________________________ ____________________________________________________________ __________ 9  Fig. 9 Incidente di Viareggio Viareggio __________________________________ _____________________________________________________ ___________________ 10  Fig. 10 Schema generale per la l a teoria di tolleranza al danneggiamento [6] __________________ 11  Fig. 11 Curve di probabilità di rilevamento in funzione della profondità di cricca ____________ 13  Fig. 12 CND con particelle magnetiche ______________________________ _____________________________________________ _______________ 13  Fig. 13 Ciclo d'isteresi magnetica __________________ __________________________________________________ ________________________________ 14  Fig. 14 Magnetizzazione circonferenziale (a) e longitudinale l ongitudinale (b) di assili ___________________ 15  Fig. 15 Utilizzo trasversale per cricche longitudinali (a) e longitudinale per cricche trasversali (b) di gioghi magnetici _______________________________ _______________________________________________________________ ________________________________ 16  Fig. 16 Sistema DEUTROFLUX UWS UWS ______________________________ _____________________________________________ _______________ 16  Fig. 17 Particelle magnetiche a contrasto di colore (a) e fluorescenti (b) ____________________ 17  Fig. 18 Modalità di propagazione _____________ ________________________________________________ _____________________________________ __ 19   Fig. 19 Riflessione e rifrazione di onde incidenti ______________________________________ ______________________________________ 20  Fig. 20 Schema generale di una sonda ad ultrasuoni _______________________________ ___________________________________ ____ 21  Fig. 21 Tecnica pulse-echo e relativi diagrammi A-scan senza difetto (a) e con difetto (b)______ 22  Fig. 22 Tecnica per trasmissione e relativi diagrammi A-scan senza difetto (a) e con difetto (b) _ 22  Fig. 23 Ispezioni manuali: scansione "far end" (a), (a) , scansione "near end" (b), scansione "high angle" (c) ______________________________ __________________________________________________________________ ____________________________________________ ________ 23  Fig. 24 Diagramma teorico di un' ispezione "far end" di assile integro _____________________ 24  Fig. 25 Sistema di controllo automatizzato per assili pieni _______________________________ 25  Fig. 26 Sistema di controllo (a) con borosonda (b) ___________________________________ _____________________________________ __ 26   Fig. 27 Diagramma B-scan (a) e C-scan (b) per un'ispezione con borosonda ________________ 26   

Fig. 28 phasedC-scan array _____________________________ _______________________________________________________ 27 Fig. 29 Sonda Diagrammi di un assile pieno ispezionato con__________________________ CPA (a), SPA (b) ed SPA con eliminazione del rumore di fondo (c) __________________________________ _______________________________________________ _____________ 27  Fig. 30 Schema generale per un'ispezione tramite generazione laser e trasduttore accoppiato in aria [16] _____________________________ _________________________________________________________________ ____________________________________________ ________ 30  Fig. 31 Possibili configurazioni per il posizionamento di sorgenti laser e ricevitori ___________ 30  Fig. 32 Comparazione tra assile privo di difetto e criccato in corrispondenza della zona di calettamento ___________________________________ __________________________________________________________________ _______________________________ 31  Fig. 33 Esempio di una possibile soluzione per l'ispezione tramite laser-ricevitore accoppiato in aria (a) o laser-array circonferenziale di sensori (b) ____________________________________ ____________________________________ 31  Fig. 34 Schematizzazione di un sistema sperimentale per il controllo ultrasonoro tramite laser __ 32  Fig. 35 Risultati ispezione laser-sonda non a contatto. Setup (a), diagramma ampiezza-tempo (b), B-scan (c) _____________________________ __________________________________________________________________ _______________________________________ __ 33 

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