Zusammenfassung:

Die prinzipielle Möglichkeit der Tiefenbestimmung verdeckter Risse unter der Lauffläche von Eisenbahnrädern (Scheiben) mit dem Wirbelstrom-Prüfverfahren sollte geklärt werden.

Auf der Basis bestehender Erfahrungen und

1)	durch Beachtung der Prüfbedingungen,
2)	der daraus abgeleiteten Entwicklung von geeigneten Sensoren und Geräten,
3)	in Verbindung mit einer Gleichfeldmagnetisierung werden dem Wirbelstrom-Prüfverfahren Chancen zur Lösung der Aufgabe gegeben.

Die ersten hier vorliegenden Ergebnisse zeigen die Eignung des Wirbelstrom-Prüfverfahrens zur Ermittlung des Schädigungsgrades der Laufflächen von Radscheiben. Eine Zuordnung der Signalamplituden zur Größe künstlicher verdeckter Fehler ist vorhanden. Anhand weiterer Radscheiben, ungebrauchte und solche mit real tiefen Rissen, sollten die Versuche fortgesetzt werden. Durch Optimierung der Magnetisierungseinrichtung und der Sensor-Systeme unter Berücksichtigung des praxisbezogenen Einsatzes müssen der Einsatzbereich sowie seine Grenzen erarbeitet werden.

Einleitung:

Radscheiben, besonders die des ICE, sind hohen Belastungen im Bereich der Lauffläche unterworfen. Diese Belastungen führen im Laufe der Zeit zu Schäden, die - nicht rechtzeitig erkannt - ein hohes Sicherheitsrisiko darstellen. Aufgrund wirtschaftlicher Aspekte ist die Trennung von akzeptablen Fehlern und relevanten Schädigungen eine Hauptforderung des Wartungsbetriebes. Vor allem die Detektierung von verdeckten Fehlern im Bereich ab 2 mm unter der Oberfläche und deren weitere Ausdehnung ist für die sicherheitstechnische Beurteilung dominierend.

Situation:

Eine umfangsbezogene Rißdetektion in der Lauffläche wird zur Zeit in einer DB-eigenen Prüfstation in Hamburg mittels eines speziellen Ultraschall-Prüfverfahrens erkannt und dokumentiert. Das physikalische Prinzip dieses Ultraschallverfahrens ermöglicht eine befriedigende Identifizierung von Rissen an der Lauffläche des Rades; die Bestimmung der Fehlertiefe läßt jedoch Wünsche offen. Diese Tiefeninformation ist für die nachfolgende Behandlung des Rades von großer Bedeutung, um vorrangig die Sicherheit zu gewährleisten, aber auch um die Beseitigung relevanter Fehler effizient und somit wirtschaftlich zu ermöglichen.

Aufgabe:

Demnach sind, vereinfacht betrachtet, folgende Unterscheidungen notwendig:

1)	Rißtiefen, akzeptabel; die Scheibe kann ohne weitere Behandlung in den Fahrbetrieb gehen.
2)	Rißtiefen innerhalb eines Toleranzbandes; die Scheibe kann z. B. durch Abdrehen repariert werden.
3)	Rißtiefen außerhalb der Toleranz; eine Nacharbeit ist nicht mehr möglich.

Das Wirbelstrom-Prüfverfahren müßte bei Beachtung einer Reihe von Parametern die Beurteilung des Schädigungsgrades bzw. der Rißtiefe ermöglichen. In der Vergangenheit sind an Scheiben der Bundesbahn verschiedene Versuche mit handelsüblichen Geräten und Sensoren durchgeführt worden. Da den vorliegenden Prüfbedingungen keine bzw. nicht ausreichende Beachtung geschenkt wurde, sind die Ergebnisse negativ ausgefallen.

Lösungsweg:

Aufbauend auf der Erfahrung bei der Entwicklung von Geräten und Sensoren zur Detektierung verdeckter Fehler im Flugzeugwartungsbereich und in der chemischen Industrie stellte man Überlegungen zur Lösung der gestellten Aufgabe an. Im Bereich der Chemie wurde vor Jahren zur Prüfung von nicht ferromagnetischen Reformerrohren ein Sensor- und Gerätesystem entwickelt, um an hochlegierten, dickwandigen Reformerrohren Zeitstandsschäden rechtzeitig vor dem Zerbersten der Rohre zu erkennen.

Hier handelt es sich um rißartige Gefügezersetzungen, die von innen nach außen wachsen. Die Prüfung kann nur von außen durchgeführt werden. Die Prüfsituation ist der DB-Radscheibe hinsichtlich der verdeckten Lage der Risse ähnlich. Bei dieser Radscheibe kommt erschwerend hinzu, daß es sich hier um einen ferromagnetischen Werkstoff handelt, der für das induzierte Wirbelstromfeld nur eine minimale Eindringtiefe (unter praktikablen Gesichtspunkten) zuläßt.

In der Prüfpraxis werden jedoch ferromagnetische Rohre (DIN 54140 1 SEP1917, SEP1925) erfolgreich mit dem Wirbelstrom-Prüfverfahren z. B. auf Dichtigkeit geprüft. Um eine ausreichende Penetration des Wirbelstromfeldes in die Rohrwandung zu erreichen, werden die Rohre in Gleichfeld-Magnetisierungsjochen am Ort der Prüfung nahezu magnetisch gesättigt. Dieser Sättigungsvorgang ermöglicht das Eindringen des Wirbelstromfeldes und unterdrückt gleichzeitig unerwünschte Störmeßspannungen, die von magnetischen Inhomogenitäten (Eigenspannungen) erzeugt werden.

Mechanischer Aufbau:

Auf der Basis der Reformerrohrprüfung wurde ein Sensorsystem aufgebaut, das zwischen den Schenkeln eines Magnetisierungsjoches plaziert wurde. Das U-förmige Joch ist mit 2 Magnetisierungswicklungen versehen, die mit einem Gleichstrom gespeist werden. Die Einleitung des Gleichfeld-Magnetflusses in die Radscheibe erfolgt im Bereich der Lauffläche über formangepaßte Polschuhe. Wegen der enormen magnetischen Kraftwirkung Joch/Radscheibe wurden Stützrollen zur Lauffläche an den Polschuhen angebracht.

Die Radscheibe und das U-Joch sind auf einem Auflagetisch montiert, wobei die Scheibe mit entsprechender Lagerung und einem Getriebestellmotor (Drehzahl von 0,2 - 2,0 Umdrehungen/Minute) für die Versuche in Rotation gebracht werden kann. Die Versuche sind bei einer Drehzahl von 63 Sekunden/Umdrehung, entsprechend einer Prüfgeschwindigkeit von 3,7 Meter/Minute (entspricht 0,22 km/h), durchgeführt worden.

Meßtechnischer Aufbau:
Für die meßtechnische Seite stehen folgende Einrichtungen zur Verfügung bzw. wurden angeschafft:

1. Gleichstrom-Magnetisierungsgerät; 120 Volt/30 Ampere,
2. Magnetisierungsjoch mit 2 Gleichstrom-Magnetisierungsspulen und 2 formangepaßten Polschuhen,
3. Sinus-Leistungsverstärker zur Wirbelstromanregung; ca. 1 000 Watt,
4. Wirbelstrom-Prüfgerät, ELOTEST PL.E, 2-kanalig mit Digitalmemory,
5. Personalcomputer, Toshiba T4400/200DX/80486/TFT-Display mit Software zur Datenkommunikation und Dokumentation,
6. HP-Paintjet-Drucker zur Dokumentation,
7. Rhode & Schwarz X-Y-T-Schreiber,
8. HP-Digitaloszilloskop, 2/4-kanalig,
9. Tiede Feldstärken-Meßgerät.

Radscheibe: Einbringen künstlicher Fehler Über unsere Partnerfirma Fritz Düsseldorf in Freiburg wurde ein Rad von einem ICE für die Versuche zur Verfügung gestellt. Laut Angabe der Bundesbahn handelt es sich um eine Radscheibe, die zur Verschrottung vorgesehen ist. Auf der Lauffläche sind Risse, Ausbrüche und örtliche Brand- bzw. Überhitzungsspuren sichtbar. Das Vorhandensein von tiefen Rissen wird von der DB als wahrscheinlich beurteilt.

Die Registrierung zeigt einen um den Umfang verteilten Signalpegel/Störpegel. Da Fehlertiefenangaben von der DB nicht vorliegen und auch keine markanten Signale aus dem Störpegelbereich sichtbar sind, wurden zur Simulation 2 mm-Bohrungen von der Seite parallel zur Lauffläche mit verschiedenen Abständen zur Lauffläche eingebracht. Insgesamt sind 10 (später 12) Bohrungen in Umfangsrichtung hintereinander mit jeweils 80 mm Abstand zueinander in einer Stufung von ca. 2 mm zur Laufflächenoberfläche eingebracht. Die ausgemessenen Abstände zur Lauffläche sind: 2, 4, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 u. 21 mm

Ergebnisse:

Anhand dieser Bohrungen wurde eine Reihe verschiedener Versuche mit wechselnder/geän-derter Sensorik, variabler Magnetisierung und verschiedenen Geräteparametern durchgeführt, mit dem Ziel, möglichst viele der verschieden tief eingebrachten Bohrungen mit gutem Signal/Störer-Verhältnis nachzuweisen. Es ist zu erkennen, daß die vier ersten Bohrungen (bis zu einer Tiefe von 9 mm) gut erfaßt werden. Die folgenden Bohrungen werden vom Störpegel überdeckt. Diese Ergebnisse ergeben eine Zuordnung der Signalamplituden zu den Bohrungsabständen zur Oberfläche. Die visuellen Oberflächenfehler liegen aufgrund der Gestaltung der Sonde in ihrer Signalgröße unterhalb der Detektionsgrenze relevanter verdeckter Fehler.

Physikalische Einschränkungen:
Da bei dieser Prüfung mit einem überlagerten Gleichfeld gearbeitet wird, setzt sich die Prüfsignalspannung des Loches aus dem Signalanteil des Wirbelstromeffektes und einem Signalanteil aus dem Streuflußeffekt (sekundäre magnetische Wechselwirkung mit dem Sensor) zusammen. Die Signalamplitude des Streuflußeffektes ist in erster Näherung eine Funktion der Spaltbreite und Spalttiefe. Beim Wirbelstromsignal ist die Spaltbreite von untergeordneter Bedeutung; hier ist die Tiefenausdehnung für die Signalstärke maßgeblich. Da der reale Fehler erwartungsgemäß keine Spaltbreite aufweist, muß der Wirbelstromeffekt stärker beachtet werden. Um den Einfluß des Streuflußeffektes zum Wirbelstromeffekt abzuschätzen, wurden 2 weitere Bohrungen eingebracht - eine mit 5 mm Durchmesser und 5 mm Abstand zur Oberfläche und die zweite mit 8 mm Durchmesser und 8 mm Abstand zur Oberfläche.

Die Bohrungen wurden dann mit ferromagnetischen Zylinderstiften gestopft, um eine Spaltbreite nahe Null zu erhalten. Diese lassen den Schluß zu, daß schmale, flächenhafte Fehler in der Ausdehnung von 5 bis 8 mm Breite, jedoch mit einer Länge gleich/größer 40 mm, in einer Tiefe von 5 bis 8 mm unter der Oberfläche mit gutem Stör/Nutz-Verhältnis nachgewiesen werden können. Der Streuflußeffekt wird mit steigender Flußdichte aufgrund der fallenden Permeabilität immer geringer. Bei einer Permeabilität von 1 (Sättigungszustand) ist kein Streuflußeffekt mehr vorhanden. Dieser Zustand ist mit vertretbar technischen Mitteln nur annähernd zu erreichen. Im Falle der hier vorliegenden massiven Radscheibe ist die Problematik um ein Vielfaches größer als z. B. bei der Magnetisierung von Rohren. Ein erschwerender Faktor bei der ausreichenden Magnetisierung der Radscheibe ist das Eisenvolumen im Verhältnis zur verfügbaren Koppelfläche/Oberfläche, um eine ausreichende Überleitung (via Polschuhe) des magnetischen Flusses in das Eisenvolumen zu erreichen. Der permanent vorhandene Luftspalt zwischen Polschuh und Prüflingsoberfläche stellt einen sehr großen magnetischen Widerstand dar. Zudem ist die Kraftwirkung (Zugkräfte Polschuhe/Lauffläche) unter konstruktiven Gesichtspunkten zu berücksichtigen.

Als Richtwert für eine brauchbare Magnetisierung muß mit der 10-fachen Koppelfläche zum Magnetisierungsquerschnitt des Prüfobjektes gerechnet werden. Dieses sind Richtwerte und gelten größenordnungsmäßig bei der Verwendung von handelsüblichen, schwach kohlenstofflegierten Eisenwerkstoffen. Maßgeblich bei diesen Betrachtungen ist die maximal mögliche Induktion (Werkstoffcharakteristik) des Prüfobjektes. Diese kann jedoch allein schon aufgrund verschiedener Wärmebehandlungen oder der leichten Änderung von Legierungselementen (Silizium, Chrom) eine Änderung um eine Größenordnung verursachen.

Optimierungen:

Daher ist auf der Seite des Magnetisierungsjoches und der Polschuhe ein Werkstoff (z.B. Vacoflux, Fa. Vacuumschmelze, Hanau) zu wählen, der für den Einsatz als Magnetwerkstoff entwickelt wurde. So kann dann entsprechend dem Verhältnis der besseren magnetischen Eigenschaften die Koppelfläche und die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises verkleinert werden bzw. es werden höhere Flußdichten erreicht. Dieses bedeutet eine verhältnismäßige Anhebung des gewünschten Wirbelstromsignales zum Streuflußsignal, da die Permeabilität (in diesem Bereich der Flußdichte) fällt und gleichzeitig die Eindringtiefe für den Wirbelstrom steigt. Dies ermöglicht die Erhöhung der Prüffrequenz, welches eine Steigerung der Prüfgeschwindigkeit zuläßt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der praktischen Realisierung ist der entstehende Handlingsvorteil aufgrund der geringeren Größe, des Gewichtes und der Kraftwirkung des Magnetisierungsjoches. Zur Zeit sind bei den Herstellern von speziellen Magnetwerkstoffen (Vacuumschmelze, Hanau) standardmäßig keine geeigneten Materialabmessungen zur Herstellung optimierte Joche und Polschuhe vorhanden. Eine Sonderanfertigung kommt aus Kostengründen derzeit, ohne externe Projektunterstützung, nicht in Betracht.

18.08.1993
Autor: J. Rohmann
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Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit der Firma Fritz Düsseldorf, Freiburg, durchgeführt. August 1993