W wyniku prac modelowych prowadzonych przez IPPT PAN powstał prototyp skomputeryzowanego wózka diagnostycznego, umożliwiającego wykrywanie wad wewnętrznych w szynach kolejowych.
Wózek diagnostyczny, który zbudowano w firmie ZBM Ultra SA, przechodzi obecnie badania eksploatacyjne na testowych torach w Instytucie Kolejnictwa. Przewidywane jest dalsze wdrażanie opracowanej techniki diagnostycznej do rzeczywistej eksploatacji w następnych latach.
Projekt realizuje konsorcjum, w skład którego wchodzą:
- Instytut Kolejnictwa (lider Konsorcjum),
- IPPT PAN,
- ZBM Ultra SA, producent defektoskopów ultradźwiękowych (partner komercyjny w konsorcjum).
Badania w IPPT PAN prowadził zespół Pracowni Badań Nieniszczących Zakładu Mechaniki Doświadczalnej: dr Sławomir Mackiewicz, prof. Zbigniew Ranachowski (kierownik zespołu), mgr Tomasz Katz oraz mgr Tomasz Dębowski. Główne zadania realizowano w okresie od 1 października 2020 roku do 30 września 2021 roku.
Projekt: „Optymalizacja układu przetworników ultradźwiękowych do wykrywania wad wewnętrznych szyn kolejowych” (POIR.04.01.01-00-0011/17, NCBR)
Zleceniodawcą badań było przedsiębiorstwo PKP Polskie Linie Kolejowe SA (PLK), które pokryło 49% kosztów, tj. 879 133 zł. Łączny koszt projektu realizowanego ze wsparciem NCBiR wyniósł 2 028 399 zł.
Powodem rozpoczęcia badań była potrzeba unowocześnienia aparatury diagnostycznej eksploatowanej przez PLK. W ramach bieżącej diagnostyki stwierdzono, że wzrost liczby pociągów na szlakach kolejowych i wprowadzenie składów rozwijających wyższe prędkości skutkuje pojawianiem się wad nowych rodzajów, tj. tzw. kontaktowych wad zmęczeniowych w główkach eksploatowanych szyn (opisanych m. in w publikacji S. L. Grassie, Rolling contact fatigue on the British railway system: treatment; czasopismo Wear , 2005; 258 /7-8/, strony: 1310-1318). W wyniku rozwoju tego typu defektów mogą powstawać rozległe pęknięcia prowadzące do złamania szyny. Aparatura będąca w bieżącej eksploatacji PLK nie jest efektywna w zakresie diagnostyki wymienionych wad zmęczeniowych i szeregu wad do nich zbliżonych, ponieważ stosowany w tych urządzeniach układ głowic umożliwia generację wiązek ultradźwiękowych jedynie w centralnej części główki szyny. Stosowany układ głowic nie pozwala na uzyskanie echa ultradźwiękowego od pęknięcia pionowego, tj. usytuowanego blisko płaszczyzny przekroju poprzecznego główki szyny.
Zadanie realizowane przez zespół z IPPT PAN polegało na zaprojektowaniu optymalnej liczby przetworników ultradźwiękowych i zamodelowaniu ich charakterystyk roboczych w zakresie ich praktycznej realizacji w aparaturze nowego typu, która w kolejnym etapie pracy badawczej została wykonana przez konsorcjanta komercyjnego. Badania modelowe w IPPT PAN były prowadzone przy zastosowaniu oprogramowania BEAMTOOL9 firmy Eclipse do trójwymiarowej wizualizacji wiązki ultradźwiękowej propagującej się w obiekcie i jej interakcji z wadą strukturalną. Wspomniane oprogramowanie korzysta z techniki tzw. Ray Tracing, czyli odwzorowywania propagacji wiązki zgodnie z zasadami optyki geometrycznej.
W przypadku posłużenia się wyłącznie tą metodą, nie jest możliwe modelowanie detekcji niektórych defektów istniejących w objętości szyny, ponieważ w przypadku tych defektów wszystkie promienie wiązki ultradźwiękowej są odbijane od pęknięcia w kierunku, w którym nie można umieścić głowicy odbiorczej. W związku z tym, w Pracowni IPPT PAN zostało opracowane autorskie oprogramowanie umożliwiające obliczenie amplitudy echa ultradźwiękowego odbitego od defektu o dowolnie określonej wielkości i orientacji przy wykorzystaniu zachodzących efektów dyfrakcyjnych na brzegach omawianych defektów. Działanie oprogramowania przetestowano przy pomocy posiadanej aparatury i modelowych wad w odcinkach szyn. Następnie określono optymalną konfigurację diagnostyczną 16 głowic różnego typu, która umożliwiała diagnostykę całej objętości szyny. Po serii eksperymentów na rzeczywistych odcinkach toru i konsultacji z Polskimi Liniami Kolejowymi, zespół z IPPT PAN zarekomendował konfigurację 11 głowic pomiarowych umożliwiających diagnostykę pod obszarem szyny, na który oddziaływują koła przemieszczających się składów kolejowych. Wyniki prac modelowych oraz eksperymentów weryfikujących przyjęte założenia przekazano Zamawiającemu w postaci dwóch obszernych raportów, a także zaprezentowano podczas konferencji „13th International Conference Structural Materials 2021”, zorganizowanej przez Słowacką Akademię Nauk w dniu 26 listopada 2021 roku w Bratysławie.
