MACHINE VISION FOR AUTOMATICVISUAL INSPECTION OF WOODENRAILWAY SLEEPERS USING UNSUPERVISED NEURAL NETWORKS

The motivation for this thesis work is the need for improving reliability of equipment and quality of service to railway passengers as well as a requirement for cost-effective and efficient condition maintenance management for rail transportation. This thesis work develops a fusion of various machine vision analysis methods to achieve high performance in automation of wooden rail track inspection.The condition monitoring in rail transport is done manually by a human operator where people rely on inference systems and assumptions to develop conclusions. The use of conditional monitoring allows maintenance to be scheduled, or other actions to be taken to avoid the consequences of failure, before the failure occurs. Manual or automated condition monitoring of materials in fields of public transportation like railway, aerial navigation, traffic safety, etc, where safety is of prior importance needs non-destructive testing (NDT).In general, wooden railway sleeper inspection is done manually by a human operator, by moving along the rail sleeper and gathering information by visual and sound analysis for examining the presence of cracks. Human inspectors working on lines visually inspect wooden rails to judge the quality of rail sleeper. In this project work the machine vision system is developed based on the manual visual analysis system, which uses digital cameras and image processing software to perform similar manual inspections. As the manual inspection requires much effort and is expected to be error prone sometimes and also appears difficult to discriminate even for a human operator by the frequent changes in inspected material. The machine vision system developed classifies the condition of material by examining individual pixels of images, processing them and attempting to develop conclusions with the assistance of knowledge bases and features.A pattern recognition approach is developed based on the methodological knowledge from manual procedure. The pattern recognition approach for this thesis work was developed and achieved by a non destructive testing method to identify the flaws in manually done condition monitoring of sleepers.In this method, a test vehicle is designed to capture sleeper images similar to visual inspection by human operator and the raw data for pattern recognition approach is provided from the captured images of the wooden sleepers. The data from the NDT method were further processed and appropriate features were extracted.The collection of data by the NDT method is to achieve high accuracy in reliable classification results. A key idea is to use the non supervised classifier based on the features extracted from the method to discriminate the condition of wooden sleepers in to either good or bad. Self organising map is used as classifier for the wooden sleeper classification.In order to achieve greater integration, the data collected by the machine vision system was made to interface with one another by a strategy called fusion. Data fusion was looked in at two different levels namely sensor-level fusion, feature- level fusion. As the goal was to reduce the accuracy of the human error on the rail sleeper classification as good or bad the results obtained by the feature-level fusion compared to that of the results of actual classification were satisfactory.

Behaviour of Surface Defects in Wire Rod Rolling

Defects are often present in rolled products, such as wire rod. The markets demand for wire rod without any defects has increased. In the final wire rod products, defects originating from the steel making, casting, pre-rolling of billets and during the wire rod rolling can appear. In this work, artificial V-shaped longitudinal surface cracks has been analysed experimentally and by means of FEM. The results indicate that the experiments and FEM calculations show the same tendency except in two cases, where instability due to a fairly “round” false round bars disturbed the experiment. FE studies in combination with practical experiments are necessary in order to understand the behaviour of the material flows in the groove and to explain whether the crack will open up as a V-shape or if it will be closed as an I-shape.

Evolution of artificial defects during shape rolling

Very often defects are present in rolled products. For wire rods, defects are very deleterious since the wire rods are generally used directly in various applications. For this reason, the market nowadays requires wire rods to be completely defect-free. Any wire with defects must be rejected as scrap which is very costly for the production mill. Thus, it is very important to study the formation and evolution of defects during wire rod rolling in order to better understand and minimize the problem, at the same time improving quality of the wire rods and reducing production costs. The present work is focused on the evolution of artificial defects during rolling. Longitudinal surface defects are studied during shape rolling of an AISI M2 high speed steel and a longitudinal central inner defect is studied in an AISI 304L austenitic stainless steel during ultra-high-speed wire rod rolling. Experimental studies are carried out by rolling short rods prepared with arteficial defects. The evolution of the defects is characterised and compared to numerical analyses. The comparison shows that surface defects generally reduce quicker in the experiments than predicted by the simulations whereas a good agreement is generally obtained for the central defect.

Mechanical and tribological properties of PVD-coated cemented carbide as evaluated by a new multi-pass scratch testing method

A new test method based on multipass scratch testing has been developed for evaluating the mechanical and tribological properties of thin, hard coatings. The proposed test method uses a pin-on-disc tribometer and during testing a Rockwell C diamond stylus is used as the “pin” and loaded against the rotating coated sample. The influence of normal load on the number of cycles to coating damage is investigated and the resulting coating damage mechanisms are evaluated by posttest scanning electron microscopy. The present study presents the test method by evaluating the performance of Ti0.86Si0.14N, Ti0.34Al0.66N, and (Al0.7Cr0.3)2O3 coatings deposited by cathodic arc evaporation on cemented carbide inserts. The results show that the test method is quick, simple, and reproducible and can preferably be used to obtain relevant data concerning the fatigue, wear, chipping, and spalling characteristics of different coating-substrate composites. The test method can be used as a virtually nondestructive test and, for example, be used to evaluate the fatigue and wear resistance as well as the cohesive and adhesive interfacial strength of coated cemented carbide inserts prior to cutting tests.

Microstructural, Mechanical and Tribological Characterisation of CVD and PVD Coatings for Metal Cutting Applications

The present thesis focuses on characterisation of microstructure and the resulting mechanical and tribological properties of CVD and PVD coatings used in metal cutting applications. These thin and hard coatings are designed to improve the tribological performance of cutting tools which in metal cutting operations may result in improved cutting performance, lower energy consumption, lower production costs and lower impact on the environment.  In order to increase the understanding of the tribological behaviour of the coating systems a number of friction and wear tests have been performed and evaluated by post-test microscopy and surface analysis. Much of the work has focused on coating cohesive and adhesive strength, surface fatigue resistance, abrasive wear resistance and friction and wear behaviour under sliding contact and metal cutting conditions. The results show that the CVD deposition of accurate crystallographic phases, e.g. α-Al2O3 rather than κ-Al2O3, textures and multilayer structures can increase the wear resistance of Al2O3. However, the characteristics of the interfaces, e.g. topography as well as interfacial porosity, have a strong impact on coating adhesion and consequently on the resulting properties.  Through the deposition of well designed bonding and template layer structures the above problems may be eliminated. Also, the presence of macro-particles in PVD coatings may have a significant impact on the interfacial adhesive strength, increasing the tendency to coating spalling and lowering the surface fatigue resistance, as well as increasing the friction in sliding contacts. Finally, the CVD-Al2O3 coating topography influences the contact conditions in sliding as well as in metal cutting. In summary, the work illuminates the importance of understanding the relationships between deposition process parameters, composition and microstructure, resulting properties and tribological performance of CVD and PVD coatings and how this knowledge can be used to develop the coating materials of tomorrow.

Terapia das construções de concreto : metodologia de avaliação de sistemas epoxi destinadas a injeção de fissuras passivas das estruturas de concreto

A perda do desempenho de uma edificação está associada ao aparecimento de patologias. A escolha de uma adequada terapia para os problemas encantrados, depende de um diagnóstico preciso do caso. A fissuração do concreto é alvo deste trabalho, por ser ela uma das manifestacoes patológicas mais incidentes nas edificacões, tanto a nível nacional como mundial. Nesse trabaho os diversos tipos de fissuras verificadas no concreto são agrupadas em ativas e passivas. Apresenta-se,H ainda, os materiais e técnicas de recuperacão para corrigir as fissuras dos dois grupos. Entre as soluções mais adotadas para recuperar as problemas patológicos, as que utilizam sistemas de base epóxi possuem destaque. O trabalho faz uma discussão sobre os fatores que influenciam o desempenho de sistemas epóxi destinados à injeção de fiissuras passivas do concreto e apresenta ensaios que podem ser realizados para garantir o sucesso da técnica. Ao final, apresenta um exemplo de avaliação de sistemas epóxi, encontradas no mercado nacional, destinados à injecão de fissuras e uma análise dos resultados obtidos.

Um modelo elasto-viscoplástico para análise de peças de concreto estrutural, submetidas a estados planos de tensão, através do método dos elementos finitos

O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo computacional, baseado no método dos elementos finitos, para o estudo de peças de concreto armado e protendido submetidas a estados planos de tensão. O estudo abrange situações de carga de curta e longa duração, onde consideram-se fluência e retração do concreto e relaxação do aço. São utilizados modelos constitutivos elasto-viscoplásticos para descrever o comportamento dos materiais. Implementou-se um modelo de camadas superpostas para melhor representar o comportamento do concreto, onde o material é composto de diversas camadas que sofrem a mesma deformação. Cada camada possui diferentes características materiais e a tensão total é obtida pela soma das diferentes contribuições de cada camada. Para a fissuração da concreto, utilizou-se um modelo de fissuras distribuídas, que leva em conta a contribuição do concreto entre fissuras. Tanto a amadura passiva como a de pratensão são introduzidas no modelo como uma linha de material mais rígido dentro do elemento de concreto. Os deslocamentos ao longo da armadura são referenciados aos deslocamentos nodais do elemento de concreto. Deste modo, obtém-se uma matriz de rigidez para a armadura com as mesmas dimensões que a matriz de rigidez do elemento de concreto, A matriz de rigidez do elemento concreto-aço é a soma das duas matrizes. Considera-se aderência perfeita entre o concreto e o aço. Os resultados obtidos com esse programa computacionai são comparados com valores experimentais disponíveis.

Levantamento de problemas em fundações correntes no estado do Rio Grande do Sul

Os resultados de um levantamento de 548 casos patológicos em fundações ocorridos no Estado do Rio Grande do Sul são apresentados com o objetivo de identificar as causas mais freqüentes de problemas, o tipo de fundação mais afetado e a gravidade dos danos. O mecanismo de formação de fissuras e a manifestação típica de fissuramentos causados por movimentação das fundações são descritos. Com o objetivo de auxiliar na prevenção de problemas, as causas patológicas mais freqüentes encontradas na literatura e no levantamento são descritas e separadas de acordo com a etapa da obra e da vida da edificação em que podem ocorrer. É feita uma revisão do comportamento dos solos voltada às fundações, tendo em vista a necessidade do seu conhecimento para o entendimento mais completo dos problemas. Procura-se neste trabalho esclarecer e alertar o meio técnico sobre as principais causas de problemas em fundações, devido ao grande número de edificações afetadas, mas principalmente devido à gravidade dos danos gerados.

Estudo da estabilidade termodinâmica de filmes ultrafinos de HfO/sub 2/ sobre Si

O presente estudo relata a composição, transporte atômico, estabilidade termodinâmica e as reações químicas durante tratamentos térmicos em atmosfera de argônio e oxigênio, de filmes ultrafinos de HfO2 depositados pelo método de deposição química de organometálicos na fase vapor (MOCVD) sobre Si, contendo uma camada interfacial oxinitretada em NO (óxido nítrico). A caracterização foi realizada utilizando-se técnicas de análise por feixes de íons e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS). Também foram realizadas medidas elétricas sobre os filmes. Os estudos indicaram que esta estrutura é essencialmente estável aos tratamentos térmicos quando é feito um pré-tratamento térmico em atmosfera inerte de argônio, antes de tratamento em atmosfera reativa de oxigênio, exibindo uma maior resistência à incorporação de oxigênio do que quando foi diretamente exposta à atmosfera de oxigênio. Tal estabilidade é atribuída a um sinergismo entre as propriedades do sistema HfO2/Si e a barreira à difusão de oxigênio constituída pela camada interfacial oxinitretada. A composição química dos filmes após os tratamentos térmicos é bastante complexa, indicando que a interface entre o filme e o substrato tem uma composição do tipo HfSixOyNz. Foi observada a migração de Hf para dentro do substrato de Si, podendo esta ser a causa de degradação das características elétricas do filme.

Modificação estrutural de bentonitas nacionais : caracterização e estudos de adsorção

São apresentados os aspectos teóricos, práticos e bibliográficos envolvidos no desenvolvimento da tese de doutorado intitulada Modificação estrutural de bentonitas nacionais: caracterização e estudos de adsorção. O trabalho consistiu no desenvolvimento de um material adsorvente a partir de bentonitas, do tipo montmorilonitas, modificadas estruturalmente com o objetivo de aumentar sua capacidade de adsorção de poluentes, orgânicos e inorgânicos. O estudo visa incrementar o valor agregado deste recurso mineral e insere-se na área de tratamento de efluentes líquidos usando adsorventes não tradicionais, eficientes e de baixo custo em substituição ao carvão ativado ou às resinas de troca iônica. Foram estudadas as propriedades físicas e químicas; distribuição de tamanho de partículas, área superficial, potenciais eletrocinéticos, capacidade de troca catiônica, composição mineralógica, morfologia superficial e espaçamento basal, bem como as propriedades adsorptivas dos argilominerais não tratados e modificados, não modificadas e pilarizadas respectivamente. Também são discutidos os mecanismos de adsorção envolvidos e o desenvolvimento de um reator contínuo (adsorção em flocos) e de separação sólido/líquido. As modificações estruturais dos argilominerais foram realizadas via homoionização com cloreto de cálcio e posterior intercalação com compostos orgânicos com ação quelante de metais. A FENAN, bentonita obtida pela intercalação com Orto Fenantrolina (OF), foi a que apresentou melhor viabilidade técnica em termos de adsorção, adsorção/dessorção, floculação e de acumulação de poluentes na forma floculada e não floculada. Adicionalmente os estudos de reversibilidade da intercalação revelaram a alta estabilidade da OF na FENAN, em soluções fortemente ácidas, onde aproximadamente 90% da OF permanece ligada à superfície da argila. A quantidade de OF adsorvida na forma de unidades micelares foi de 112 mg por grama de bentonita a pH 8,5 ± 0,5. A caracterização das bentonitas, via difração de Raios X, análise térmica, microscopia eletrônica de varredura e por microscopia de força atômica, revelou que as FENAN possuem um comportamento estrutural muito estável ao longo da seqüência de adsorção/dessorção e que após a adsorção de poluentes inorgânicos, o quelato metálico formado apresenta alta estabilidade dentro da estrutura da organobentonita. A capacidade de acumulação alcançada nas FENAN foi de 110 mg de Cu/g de bentonita, valor superior à de diversos materiais adsorventes alternativos propostos em outros trabalhos similares. Os estudos de acumulação das FENAN floculadas – FENANFLOC, indicaram que a presença de floculante, na quantidade utilizada, não afeta significativamente a capacidade de remoção das bentonitas modificadas. Este comportamento apresentado, permitiu o desenvolvimento do Reator Expandido de Flocos Adsorventes (REFA), cujas características e parâmetros operacionais são discutidos em detalhe. Finalmente, os resultados são discutidos em termos dos fenômenos interfaciais envolvidos e dos potenciais práticos deste novo adsorvente e da nova técnica de adsorção em flocos no REFA.

Efeitos da transferência de massa na relação matemática entre espessuras real e aparente em fase livre de gasolina com etanol nas contaminações subterrâneas

Esta tese trata da relação matemática entre as espessuras real e aparente em contaminações subterrâneas com gasolina e com gasolina e etanol. Foi testada a hipótese de que a relação entre as espessuras dos dois tipos de gasolinas pode ser descrita pela mesma relação matemática desde que esta relação incorpore as tensões interfaciais entre a água e a gasolina e gasolina e o ar que ocorrem no meio poroso. É proposta uma relação matemática hidrostática para o equilíbrio considerando o contato entre o poço de monitoramento e o meio poroso e a tensão interfacial responsável pelos efeitos capilares no meio poroso e a densidade dos fluidos. Os experimentos conduzidos em meio poroso e colunas acrílicas mostraram um ajuste estatisticamente melhor da equação matemática proposta para a gasolina pura e um ajuste que apresentou menor representatividade estatística para a gasolina com etanol. Esta discrepância está relacionada ao fato da transferência de massa do etanol presente na gasolina para a água não ser um fenômeno desprezível, causar grande influência no sistema e não estar contemplada na relação matemática proposta. Outro fenômeno observado em gotas de fluidos em experimentos para medir a tensão interfacial pode ser responsável pelo ajuste menos representativo da equação que é a presença de instabilidades na interface de contato entre a gasolina e a água. Estas instabilidades que são chamadas na literatura de Efeito Marangoni produzem variações na interface entre água e gasolina e são também responsáveis pela diferença no ajuste da equação.

Transparência, a resposta institucional à pressão social: o caso do Tribunal de Contas do Estado do Rio de Janeiro

The present work aims to identify emerging organizational changes in the Court of Accounts of the State of Rio de Janeiro - TCE/RJ that are happening in the contemporary scenery known as the Age of Information. The search for the comprehension of the institutional dynamics is oriented by concepts originated from the theory of complexity, which believe that the public services external control system can be understood in a political, technical and legal environment with growing levels of learning and innovation. While chasing the possible causes of these changes, we try to prove the hypothesis that the TCE/RJ is turning into a more transparent organization. For this purpose, we define the outlines and reaches of the principle of transparency, based in bibliographical and documental researches, and analyze the phenomenon perceived in a explanation research through semi-structured interviews performed with two groups: a sample representing the universe under jurisdiction entities top level directors and the other obtained in the universe of formal and informal leaderships existing in the educational body of the institution. The conclusion of the present work confirms the initial questions, indicating that the organization is really becoming more and more transparent. The social-technical changes that are happening today at the TCE/RJ are caused by the growing social pressure for more effective results in the control of public expenditures. Under the systemic point of view, we observe cracks in the protective bell-glass that evolves the institution - previously hermetic to the external contingencies and that works today as a SAC - Adaptive Complex System. Aspects such as organization structural changes, the introduction of strategic planning and the growing democratization of the decision process are producing a new organizational culture. The seniority of the Technical Headcount contributes to establish the pre-conditions for the development of a administration where the participation of the TCE/RJ technical employees adds importance to its development as an institution that generates republican effects in the society from its less hermetic decision process.

Modificação química de polietileno linear de baixa densidade e aplicação em blendas com poli (tereftalato de etileno)

No presente trabalho foi realizado um estudo da modificação química do polietileno linear de baixa densidade (PELBD) com anidrido maleico (MA) e metacrilato de glicidila (GMA), que, posteriormente, foram utilizados como agentes de compatibilização interfacial em blendas de PELBD com poli(tereftalato de etileno) (PET). As funcionalizações foram realizadas em câmara de mistura e extrusora reativa, através de reações radicalares em estado fundido, utilizando peróxido de dicumila (DCP) como iniciador. Nos estudos de funcionalização do PELBD com MA foram utilizados planejamentos fatoriais com objetivo de otimizar o índice de incorporação do monômero, estabelecendo-se assim, as melhores condições de reação em câmara de mistura. As reações de modificação produziram extensão ou reticulação do polímero, verificando ser adequada a utilização de baixa velocidade de rotação e tempo reacional de 10 minutos. Foi observado um limite máximo de incorporação de MA às cadeias de polietileno Na funcionalização do PELBD com GMA obteve-se maiores teores de incorporação do que quando foi utilizado MA. Com MA a conversão média da reação foi de 25% enquanto os valores obtidos para GMA alcançaram 59%, sendo que neste caso pode ter ocorrido a homopolimerização . O uso do estireno como monômero auxiliar aumentou a incorporação do monômero (MA ou GMA) à cadeia de PELBD, reduzindo as reações de degradação. Os polímeros modificados com MA (PE-MA) ou GMA (PE-GMA) foram utilizados como compatibilizantes em blendas de PELBD/PET, na proporção de 5 e 10 %. Para um estudo comparativo, as blendas foram preparadas variando-se a concentração de PET e os teores de incorporação do PE-MA e do PE-GMA. As blendas foram caracterizadas por calorimetria diferencial de varredura, microscopia eletrônica de varredura e análise das propriedades mecânicas e dinâmico mecânicas. Verificou-se que a utilização dos agentes compatibilizantes reduziu significativamente o tamanho e a distribuição das partículas da fase dispersa de PET na matriz de PELBD. Os resultados indicaram que o PE-MA mostrou melhor efeito compatibilizante nos sistemas estudados.

Controle da porosidade em fases vítreas formadas pela ação de fundentes em cerâmicas gresificadas

O presente trabalho teve como objetivo investigar os fenômenos que controlam a porosidade em corpos cerâmicos com fases vítreas, formadas pela ação de fundentes, e associá-los com sua microestrutura final. Foram selecionados os fundentes albita, feldspato alcalino, wollastonita e espodumênio, representativos daqueles comercializados no setor cerâmico, a partir de critérios como teor e tipo de álcali, e teor em SiO2 e Al2O3 na composição química. Estes fundentes foram formulados com cada uma das seguintes matérias-primas e combinações destas: quartzo, caulim e talco. As composições foram formuladas com o objetivo de obter-se uma gama de diferentes microestruturas, variando porosidade, e a presença de fases vítreas ou cristalinas. Os corpos cerâmicos foram obtidos em fornos elétricos, tipo mufla, variando-se a temperatura entre 1140 e 1260°C, conforme a formulação investigada. Foram determinadas as propriedades dos corpos cerâmicos, como porosidade aparente, absorção de água e retração linear. Os resultados obtidos foram associados com sua microestrutura e formulação. Para tanto, fez-se uso de microscopia eletrônica de varredura e difratometria de raios-X. Em especial, a porosidade foi avaliada quanto sua distribuição, morfologia e tamanho, e sua influência na definição da microestrutura final, e relação com propriedades dos corpos cerâmicos investigados. Os resultados obtidos indicaram que o comportamento dos fundentes em massas cerâmicas define decisivamente a formação da porosidade em função da composição química do fundente e da combinação desta com a dos outros constituintes da massa cerâmica. O espodumênio forma fase vítrea reagindo basicamente com o quartzo em baixas temperaturas, retendo a porosidade principalmente junto às trincas de contração do mesmo. A albita propicia na expansão da porosidade e interconexão da mesma. O feldspato alcalino forma um líquido de maior viscosidade mantendo a menor porosidade e de maneira mais isolada. A wollastonita reage de modo diferenciado dos demais no que diz respeito à sílica presente, reagindo melhor na presença do alumínio e do magnésio.

Obtenção de polipropileno modificado com metacrilato de glicidila e anidrido maleico e sua aplicação na compatibilização de blendas de polipropileno/poli(tereftalato de etileno)

Neste trabalho foi feita uma avaliação da modificação de polipropileno (PP) com metacrilato de glicidila (GMA) e anidrido maleico (MA), e a aplicação destes compostos como agentes de compatibilização interfacial em blendas de polipropileno/poli (tereftalato de etileno). O PP foi modificado através de reações radicalares em estado fundido utilizando o peróxido de dicumila (DCP) como iniciador, em câmara de mistura e extrusora. O PP foi modificado com GMA em câmara de mistura, avaliando-se a influência da temperatura, da velocidade de rotação dos rotores e dos teores de monômero e iniciador na incorporação e no índice de fluidez dos produtos finais. Foi verificado que para se obter PP-GMA com máxima incorporação e com degradação de cadeia controlada, é adequado utilizar baixas velocidades de rotação, sem efeito significativo da temperatura. Podem ser utilizados diferentes teores de GMA e DCP conforme a necessidade da aplicação, mas concentrações muito altas podem favorecer a quebra de cadeia. As reações em extrusora permitiram obter PP modificado com GMA e MA, utilizando estireno como segundo monômero. Observou-se que o aumento dos teores de monômero e iniciador favoreceu a incorporação e provocou aumento do índice de fluidez. O uso do estireno como monômero auxiliar aumentou muito a incorporação do monômero principal à cadeia do PP, assim como reduziu as reações de degradação do polímero. Os polímeros modificados com GMA ou MA foram utilizados como compatibilizantes em blendas de PP/PET. Verificou-se que a utilização dos agentes de compatibilização interfacial reduziu significativamente o tamanho e a distribuição de tamanho das partículas da fase dispersa de PET na matriz de PP, aumentando a adesão interfacial. Apesar disso, não se observou alteração significativa nas propriedades mecânicas e dinâmico-mecânicas das blendas compatibilizadas. O PP-GMA foi mais efetivo como agente interfacial do que o PP-MA, provavelmente devido à sua estrutura química.