Nedestruktivní zkoušky v SKF

Nedestruktivní zkoušky v SKF

Skupina SKF využívá nejrůznější nedestruktivní zkušební postupy, aby zachovala stejně vysokou úroveň kvality podle vlastních specifikací.

Autor:
Jonas Hallbäck, specialista na nedestruktivní zkoušky, Quality Technology – SKF Group Technology Development, Göteborg, Švédsko

Simulace a teorie

Souhrn

SKF usiluje o zajištění kvality výroby a repasování prostřednictvím vysoce spolehlivých kontrolních postupů prováděných v průběhu výrobních procesů. Nedestruktivní zkoušky představují důležitý základní kontrolní proces, o jehož zkvalitnění, standardizaci a zrychlení SKF usiluje. K vyšší spolehlivosti nedestruktivních zkoušek v závodech SKF přispívá zajištění správného a vhodného zařízení, vyškolených a kvalifikovaných operátorů a vysokého stupně automatizace. Společnost SKF je rovněž připravena využít nové příležitosti, které nabízí využití digitálních a dostupných naměřených dat získaných při nedestruktivních zkouškách v průběhu výroby ložisek SKF.

V současné době provádí SKF moderní nedestruktivní zkoušky v rámci výrobní a provozní kontroly a kontroly při repasování. Jejich cílem je zajistit neporušenost a spolehlivost výrobků, kontrolovat výrobní procesy, snížit výrobní náklady a udržet trvalou kvalitu výroby v souladu s vlastními specifikacemi.

Quality Technology (QT) je centralizovaná skupina, která je součástí skupiny technologického rozvoje SKF Group Technology Development (GTD). Zaměřuje se na standardizaci a vývoj veškerých postupů kontroly kvality ve výrobních závodech SKF. Nedestruktivní zkoušky (NDT) představují jednu z důležitých oblastí, v níž SKF usiluje o zavedení standardizace.

Obr. 1

Obr. 1: Základní principy ultrazvukové zkoušky

Nedestruktivní zkoušky
Nedestruktivní zkoušky mohou být definovány jako proces kontroly, testování či vyhodnocování materiálů a dílů, nebo zjišťování nepravidelností či odchylek v materiálových charakteristikách bez negativního dopadu na provozuschopnost dílu. Jinými slovy: po dokončení kontroly nebo testu může být součást nadále používána.

Nedestruktivní zkoušky využívají fyzikální jevy, jako například vyzařování elektromagnetického pole, šíření zvuku a základní vlastnosti materiálu ke zkoumání pevných vzorků, například dílů ložisek. Používá se mnoho typů nedestruktivních zkoušek. Nejběžnější z nich jsou uvedeny dále:

  • ultrazvuková zkouška
  • elektromagnetická zkouška
  • magnetická prášková zkouška (zkouška vířivými proudy)
  • radiografická zkouška
  • penetrační zkouška
  • vizuální zkouška
  • zkouška akustickou emisí
  • termografická/infračervená zkouška

Ve výrobě ložisek jsou nejčastěji používány dvě z uvedených zkoušek – ultrazvuková zkouška a zkouška vířivými proudy. Tyto zkoušky jsou podrobně popsány níže.

Obr. 2

Obr. 2: Ultrazvukový vysílač, jeho základní části a rozložení výsledného pole akustického tlaku ve vodě. A: Pouzdro vysílače, B: Piezoelektrický krystal, C: Rychle opotřebitelná deska nebo čočka.

Ultrazvuková zkouška
Ultrazvukovou zkoušku (UT) tvoří řada nedestruktivních zkušebních postupů, které jsou založeny na šíření ultrazvukových vln ve zkoumaném předmětu nebo materiálu. Při provádění většiny běžných ultrazvukových zkoušek jsou do materiálu vysílány ultrazvukové vlny ve formě velmi krátkých impulsů se středovou frekvencí v rozsahu od 0,1 do 20 MHz, které umožní zjistit vnitřní vady nebo určit vlastnosti materiálu.

V praxi je energie ultrazvuku vyslána do testovaného dílu vysílačem, který se dotýká dílu a je připojený k diagnostickému zařízení. Základní součástí tohoto vysílače je piezokrystal, který převádí elektrickou energii na mechanickou ve formě zvukových impulsů vysílaných do materiálu [1].

Impulsy se odrážejí na vnitřních vadách v materiálu, jako například vměstcích a dutinách, které vznikly při výrobě oceli (obr. 1).

Obr. 2 ukazuje základní součásti vysílače a výsledné zvukové pole – zde je představuje pole akustického tlaku vln, které se šíří ve vodě.

Obr. 3

Obr. 3: Princip zkoušky vířivými proudy

Zkouška vířivými proudy
Zkouška vířivými proudy (ET) je jedním z mnoha elektromagnetických zkušebních postupů používaných k nedestruktivnímu testování. Využívá elektromagnetickou indukci ke zjištění a určení povrchových a podpovrchových vad ve vodivých materiálech, například v oceli a hliníku.

Princip zkoušky vířivými proudy představuje obr. 3. Vířivé proudy jsou vyvolány jevem, který se nazývá elektromagnetická indukce. Jestliže do vodiče – například měděného drátu – přivedeme střídavý proud, vytvoří se kolem něho magnetické pole (a). Pole se zvětšuje tak, jak proud roste k maximální hodnotě, a zmenšuje se, když proud klesá k nule. Jestliže vložíme do tohoto pole další elektrický vodič, je v něm indukován proud. Vířivé proudy jsou indukované elektrické proudy, které tečou po kruhové dráze (b).

Změny elektrické vodivosti a magnetické permeability v testovaném předmětu a přítomnost vad vyvolávají změnu vířivého proudu a odpovídající změnu fáze a amplitudy. Tyto změny zachytí přístroj připojený ke snímači (c).

Na různých stupních výrobních procesů využívá SKF metodu vířivých proudů ke zjišťování materiálových vlastností hotových dílů ložisek a jejich polotovarů a dále k detekci vad, které se nacházejí blízko pod povrchem, například trhlin a poškození způsobených teplem při obrábění.

Obr. 4

Obr. 4: Inline stroj pro automatické ultrazvukové zkoušení Testování ložisek železničních dvojkolí a nápravových skříní

Nedestruktivní zkoušení ve výrobních závodech SKF
Úsilí společnosti SKF o zajištění kvality začíná u surovin. Společnost SKF spolupracuje s dodavateli, aby zajistila, že veškeré nakupované suroviny budou splňovat její požadavky. Automatické 100procentní in-line nedestruktivní zkoušky tvoří důležitou součást těchto požadavků.

Převážná část nedestruktivních zkoušek se provádí ve výrobních závodech SKF v průběhu výrobního procesu. SKF dodržuje veškeré významné průmyslové normy, jejichž splnění požadují odvětví, v nichž jsou ložiska SKF používána, jako jsou železniční nebo letecký průmysl. Obr. 4 ukazuje stroje na 100procentní in-line zkoušení ložisek pro dvojkolí a nápravové skříně železničních vozů.

Na základě požadavků zákazníků na zvýšení spolehlivosti jsou nedestruktivní zkoušky stále více vyžadovány i v jiných průmyslových odvětvích, například v automobilovém průmyslu a průmyslu obnovitelných energií.

SKF posuzuje ložiska používaná ve větrných turbínách podle vlastních kritérií.

Obr. 5

Obr. 5: Ultrazvukové zobrazení C (vlevo) oběžné dráhy ložiska zachycuje ultrazvukovou energii odraženou od podpovrchových vad. Na základě zkoumání podpovrchových trhlin v odříznuté části ložiska pod mikroskopem lze korelovat ultrazvukové signály podle výsledků zjištěných optickým mikroskopem (vpravo).

Repasování a pokročilé zkoušky ložisek vrácených z provozu
Ložiska, která již byla používána, nebo ložiska, která byla podrobena únavové zkoušce na zkušebním zařízení, mohou být zkoumána různými nedestruktivními metodami. Takovým způsobem lze získat více informací o prvotní příčině selhání ložiska a mechanismu degradace ložiska. V případě ložiska zaslaného k repasování je možné zjistit podpovrchové poškození a ověřit, zda díly ložiska mohou být dále používány.

SKF využívá ultrazvukové zkoušky ke zjišťování podpovrchových únavových trhlin při stanovení příčin selhání. Obr. 5 (vlevo) ukazuje ultrazvukové zobrazení C, které zachycuje ultrazvukovou energii odraženou od podpovrchové trhliny, jež se vytvořila po obvodu oběžné dráhy ložiska. Na základě prozkoumání odříznuté části ložiska pod mikroskopem lze korelovat ultrazvukové signály podle zjištěného skutečného podpovrchového poškození, které zachycuje obr. 5 (vpravo).

Automatické a ruční nedestruktivní zkoušky
SKF usiluje o zavedení vysokého stupně automatizace nedestruktivních zkoušek ve výrobním procesu. Hlavním důvodem je vyšší spolehlivost při provádění přiděleného kontrolního úkolu. Několik studií prokázalo, že i když jsou postupy přesně popsány a pracovníci mají potřebnou kvalifikaci, ruční kontrola má vlivem lidského faktoru nižší kvalitu [3, 4, 5].

Všechny nedestruktivní zkoušky jsou ze své povahy statistické a jejich schopnost zjistit vady musí být popsána pravděpodobnostně. V důsledku toho nedestruktivní zkoušky nezaručují, že vada bude nalezena s naprostou jistotou, nýbrž pouze s určitou mírou pravděpodobnosti. Kromě pravděpodobnosti, že bude zjištěna skutečná vada, je třeba vzít v úvahu i pravděpodobnost vzniku příznaků vady i tam, kde se žádná vada nevyskytovala (tzn. falešné vyřazení), a dále pravděpodobnost, že skutečná vada nebude zjištěna (tzn. falešné převzetí) [6].

Spolehlivost nedestruktivní zkoušky může být vyjádřena jako kvantitativní statistická míra schopnosti zjistit za daných okolností vady určité velikosti v definovaném dílu. Spolehlivost nedestruktivní zkoušky závisí na velkém počtu faktorů, například na tom, zda je prováděna ručně nebo automaticky, na parametrech zařízení a kvalifikaci ­operátorů. Spolehlivost nedestruktivní zkoušky ve výrobě lze vyjádřit tzv. křivkou pravděpodobnosti detekce (POD). Obr. 6 uvádí principy pravděpodobnosti takové křivky. Obr. 7 ukazuje záměr SKF zlepšit POD a spolehlivost nedestruktivních zkoušek zavedením automatické kontroly, přesně popsaných postupů a vhodného zařízení a dále nasazením vyškolených a kvalifikovaných operátorů.

Digitalizace
Pojem digitalizace označuje proces převádění do digitálního formátu všeho, co lze digitalizovat, a vlastní převod informací do digitálního formátu. V rámci výrobních procesů SKF tvoří digitalizace součást transformace průmyslu, která se nazývá průmysl 4.0. Tato transformace zahrnuje rovněž digitalizaci kontrolních dat z nedestruktivních zkoušek prováděných v průběhu výrobního procesu.

Data NDE (nedestruktivní vyhodnocení) jsou často běžně ztracena v okamžiku ukončení testu, a tedy není možné zjistit, jak se mění stav dílu v průběhu času. I v případě, že data jsou uložena, často chybí vzájemné souvislosti, a tedy je omezena možnost integrace do holistické reprezentace dílu [7] a přijetí účelných opatření v rámci výrobního procesu na základě poznatků získaných z těchto dat. Digitální a vzájemně související data zjištěná při zkoušce nabízejí nové možnosti pro výrobu ložisek, například umožňují zajistit rychlou zpětnou odezvu a řízení výrobních procesů.

Obr. 8

Obr. 8: Rozložení akustického tlaku v ložiskovém kroužku, který je kontrolován ultrazvukem

Modelování
Společnost SKF se zaměřuje na využití analytických nástrojů a simulací pro nedestruktivní zkoušky, aby urychlila vývoj a omezila fyzické testování, které je náročné na zdroje i čas. Obr. 8 ukazuje příklad výsledků modelování pole akustického tlaku v ložiskovém kroužku.

Spolupráce SKF s nejlepšími partnery
Společnost SKF neustále vyhodnocuje příležitosti ke spolupráci s nejlepšími universitami, ústavy a dodavateli, aby měla zajištěný přístup k výsledkům nejnovějšího vývoje v oblasti nedestruktivních zkoušek.

Jednou z iniciativ, které SKF sponzoruje, je RCNDE [8] – Research Consortium in Non-Destructive Evaluation (Výzkumné konsorcium pro nedestruktivní vyhodnocení). Konsorcium je výsledkem úspěšné spolupráce průmyslu s akademickou sférou. Na finanční podpoře konsorcia se podílí také britský výbor pro výzkum v technických a fyzikálních vědách Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). Členy konsorcia jsou mezinárodní společnosti, které zastupují ropný a plynárenský průmysl, letecký průmysl, výrobu jaderné energie a výrobní podniky, jakož i britské university včetně University of Manchester, Imperial College of London, University of Nottingham, University of Warwick, University of Strathclyde a University of Bristol. Univerzity provádějí základní výzkum zaměřený na řešení společných základních problémů v průmyslu a dále pracují na specificky zaměřených výzkumných projektech podle požadavků SKF.

Společnost SKF rovněž nedávno podepsala dohodu o členství s ARTC – Advanced Remanufacturing and Technology Centre (Centrum pro pokročilé repasování a technologie) v Singapuru [9]. Centrum poskytuje podporu SKF při vývoji technologií repasování a výrobních technologií na stupnici úrovně připravenosti technologie (TRL) mezi 4 a 6. To znamená, že nové technologie jsou předváděny v příslušném prostředí. Vývoj nedestruktivních technologií pro ověřování repasovaných dílů a výrobní kontrolu patří k silným stránkám tohoto centra.

SKF je také členem Jernkontoret, organizační pobočky švédského ocelářského průmyslu [10]. Jedna z komisí pro výzkum v Jernkontoretu je zaměřena na nedestruktivní zkoušky. Úkolem komise je inicializovat a řídit výzkumné projekty zaměřené na nedestruktivní zkoušky. Tyto projekty jsou financovány švédskými vládními agenturami a výzkum probíhá na univerzitách a v ústavech ve Švédsku.

Odkazy
[1] ASNT Handbook Non-destructive testing Volume 7 – Ultrasonic testing, 2007
[2] ASNT Non-destructive testing Handbook Volume 5 – Electromagnetic testing, 2004
[3] Marija Bertovic Human Factors Approach to the Acquisition and Evaluation of NDT Data, 18th World Conference on Non-destructive Testing, 16-20 duben 2012, Durban, Jižní Afrika.
[4] Harris, D. H. a Chaney, F. B. Human Factors in Quality Assurance. (1969). New York, John Wiley and Sons.
[5] Drury, C. G. a Fox, J. G. Human Reliability in Quality Control. (1975). Londýn, Taylor & Francis, Ltd.
[6] Guidelines to Minimize Manufacturing Induced Anomalies in Critical Rotating Parts, DOT/FAA/AR-06/3 – AIA Rotor Manufacturing Project (RoMan) Report 24. října, 2006.
[7] S. Holland, E. Gregory, T. Lesthaeghe Toward Automated Interpretation of Integrated Information: Managing “Big Data” for NDE, ASNT Research Symposium 24. března 2014.
[8] Research Centre in Non-Destructive Evaluation. https://www.rcnde.ac.uk/
[9] Advanced Remanufacturing & Technology Centre, Singapore. https://www.a-star.edu.sg/artc.
[10] Jernkontoret http://www.jernkontoret.se/en/research–education/.

Související obsah