1 Einleitung und Aufgabenstellung

Im modernen Schienenverkehr sind die Radlaufflächen durch die zunehmende Steigerung der Geschwindigkeit und der Betriebsstunden hohen Belastungen ausgesetzt. Durch regelmäßige zerstörungsfreie Prüfungen wird das Entstehen rißartiger Fehler überwacht. Zur wiederkehrenden Prüfung der Laufflächen des ICE wird u.a. eine Technik zum schnellen Nachweis und zur Lokalisierung rissartiger Laufflächenfehler mit in der Radlauffläche umlaufenden Oberflächenwellen seit mehreren Jahren betrieblich eingesetzt (/1/). Eine zur Gewährleistung der Betriebssicherheit zuverlässige Aussage über die Tiefe eines nachgewiesenen Risses ist jedoch nur mit Einschränkungen möglich. Weiterhin liegt aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus ein bedeutendes Interesse an der Kenntnis der Fehlstellentiefe, da dadurch bei der Profilberichtigung die Spantiefe minimiert werden kann. Der somit verringerte Arbeitsaufwand und Materialverbrauch führen zu erheblichen Kosteneinsparungen. Untersuchungen zur Rißtiefenermittlung mit eingeführten US- und anderen Verfahren, die von der Lauffläche aus arbeiten, durch die DB erwiesen sich aus verschiedenen Gründen als nicht brauchbar. Es wurde daher die Entwicklung und Erprobung des im weiteren vorgestellten Verfahrens durchgeführt.

2. Methode

Ausgangspunkt der Methode ist die Impulsecho-Prüfung von der Radkranzstirnseite aus mit senkrecht eingeschallten linear polarisierten Transversalwellen.


Abb. 1 Prüfmethode

Wählt man die Polarisationsrichtung derart, daß die Welle, bezogen auf die Radlauffläche horizontal polarisiert ist, so erfolgt die Wellenausbreitung - je nach Prüfkopfposition entlang der radialen Koordinate - gleichermaßen streifend entlang der Oberfläche bzw. unterhalb der Oberfläche in das Volumen hinein. Befindet sich eine rißartige Fehlstelle, die sich parallel oder auch schräg zur Ausbreitungsrichtung der Welle erstreckt, innerhalb des Schallbündels, so verringert sich in signifikanter Weise d Amplitude der Rückwandechos der Fahrkante.

Abb. 2 demonstriert dies an Hand einer Testkörpermessung. Der Testkörper ist ähnlich ausgebildet wie ein Radreifen; in Abständen von 50 mm sind rißartige Fehler in Form von Sägeschnitten von 15, 12, 8 und 5 mm Tiefe eingebracht. Bewegt man den Prüfkopf in der angegebenen Richtung entlang der Rückseite des Testkörpers, so variiert d Amplitude des ersten Rückwandechos in der dargestellten Weise. Fährt der Prüfkopf a die Position eines rißartigen Fehlers zu, so nimmt die Amplitude zunächst leicht zu und fällt dann mehr oder minder stark ab, wenn der Prüfkopf mittig über der Rißposition steht. Die Stärke des Amplitudeneinbruchs hängt von dem Anteil des Prüfkopfschallfeldes ab, der mit der Fehlstelle wechselwirkt, d.h. von der Tiefe der Fehlstelle und der Prüfkopfposition relativ zur Laufkreisebene (Lauffläche). In dem dargestellten Beispiel befindet sich die Prüfkopfmitte 8 mm unter der Lauffläche; demzufolge verringert sich der Amplitudeneinbruch mit abnehmender Fehlertiefe. Bewegt sich der Prüfkopf vom Fehler weg, so steigt die Amplitude wieder an, zeigt ähnlich wie beim Zufahren eine Überhöhung, bevor sie auf den Normalpegel des ungestörten Rückwandechos zurückgeht.


Abb. 2: Amplitudenortskurven des ersten Rückwandechos am Testköper mit 4 Sägeschnitten von 15, 12, 8 und 5 mm Tiefe

Der Effekt beruht auf einer Umwandlung der senkrecht zu den Rißflanken schwingenden Transversalwelle in eine entlang der Rißflächen laufende Rayleigh-Welle. Diese Umwandlung bedingt, daß die unter 0° abgestrahlten Transversalwellenanteile verschwinden. Es entsteht ein Transversalwellen-Loch im Prüfkopfschallfeld. Durch Ausmessen dieses Effektes auf die Rückwandechoamplitude in Abhängigkeit von der radialen Prüfkopfposition wird unter Berücksichtigung der Schallbündelöffnung die maximale Tiefe der Fehlstelle bzw. deren Ausdehnung in Tiefenrichtung bestimmt.

Zur Absicherung dieser Vorstellungen wurde von der GH Kassel, FB 16, der dort entwickelte EFIT-Code zur mathematisch numerischen Modellierung des Effektes eingesetzt. Die theoretischen Ergebnisse beschreiben in guter übereinstimmung die experimentellen Resultate. Beispielhaft zeigt Abb. 3 eine berechnete Amplitudenortskurve für einen Einzelfehler (Prüfsituation wie in Abb. 2), deutlich erkennt man neben dem Amplitudeneinbruch senkrecht unter dem Prüfkopf die interferenzbedingten Überschwinger rechts und links der Fehlerposition. Diese treten neben dem Amplitudeneinbruch auch an den Testkörperendflächen auf, die ähnlich wie ein Riß wirken.

Berechnete Amplitudenortskurve des ersten Rückwandechos mittels EFFIT


Abb. 3: Modellierte Amplitudenortskurve des Rückwandechos für einen Einzelriß

Für die praktische Nutzung dieses Effektes werden elektromagnetische Prüfköpfe eingesetzt, mit denen ohne Koppelmittel die linear polarisierte Transversalwelle gesendet und empfangen werden kann. Mit solchen Prüfköpfen ist auch die notwendige Verschiebung des Prüfkopfes zur Ermittlung der Tiefe der Fehlstelle einfach zu bewältigen. Abb. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung den Prüfkopfaufbau. Mithilfe zweier gegensinnig magnetisierter Permanentmagnete, einem Weicheisenjoch und Flußleitstücken wird ein magnetisches Feld erzeugt, das die Sende- und Empfangsspulen senkrecht durchsetzt. Diese sind als Rechteck-Flachspulen ausgebildet und erzeugen in Verbindung mit dem anliegenden Magnetfeld das an.3gedeutete transversale Verschiebungsfeld. Die Prüfkopfgröße beträgt 41x32x45 mm (LxBxH) bei einer wirksamen Apertur von 20 x 20 mm2.


Abb. 4: Schematische Darstellung des elektromagnetischen Prüfkopfes für linear polarisierte Transversalwellen

3. Auswertemethoden

Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden an Teststücken mit Modellfehlern in Form von Sägeschnitten (und funkenerosiv hergestellten Nuten), an Radreifenstücken sowie Radsätzen mit realen Fehlstellen das Verfahren unter Auswertung der Amplitude des ersten Rückwandechos erfolgreich erprobt. Zur Absicherung dieser Ergebnisse wurden weitere Messungen an verschiedenen Radsätzen mit realen Fehlstellen durchgeführt. Es zeigte sich, daß zwar an rißbehafteteten Stellen das Verfahren wie beschrieben unter Verfolgung der Amplitudenänderung des ersten Rückwandechos auszuwerten war; jedoch wurden an mehreren Umfangspositionen, insbesondere an Treibrädern ebenfalls Amplitudenänderungen - in den meisten Fällen zwar < 10 dB - festgestellt, denen kein Riß zugrunde lag.

Dieses Ergebnis führte zu dem Schluß, daß eine lokale Messung der absoluten Amplitude des ersten Rückwandechos und deren Variation entlang der radialen Koordinate für die Anwendung des Verfahrens alleine nicht ausreichend ist.

Es war daher notwendig, eine Technik zu erarbeiten und zu erproben, mit der rißartige Fehler nach der beschriebenen Methode zuverlässig erkannt werden, um diese anschließend in ihrer Tiefe zu vermessen. Die hierfür am besten geeignete Technik beruht auf der Nutzung einer Differenztechnik auf der Basis der Amplituden des ersten und zweiten Rückwandechos. Wie aus Abbildung 3 zu ersehen, ist das Vorhandensein eines Risses durch eine typische Form der Amplitudenortskurve mit interferenzbedingten Überschwingern vor und nach einem steilen Abfall/Anstieg der Amplitude gekennzeichnet. Diese kennzeichnende Struktur ist auch in den Amplitudenortskurven der Folgeechos vorhanden, jedoch mit einer leichten Verbreiterung infolge der Schallfelddivergenz. Dieses ist in Abb. 5 für den Testkörper der Abb. 2 wiedergegeben.


Abb. 5: Amplitudenortskurven des ersten und zweiten Rückwandechos am Testköper mit 4 Sägeschnitten von 15, 12, 8 und 5 mm Tiefe

Deutlich erkennt man, daß die beschriebene charakteristische Form der Amplitudenortskurven des ersten Rückwandechos auch im zweiten Rückwandecho vorliegt. Neben einer geringeren Amplitude ist jedoch eine Verbreiterung der rißbedingten Struktur der Ortskurve des zweiten Rückwandechos vorhanden.

Diese Unterschiede wurden genutzt, um rißbedingte Änderungen der Amplitude zu erkennen und andere, durch Oberfläche und 'Ankopplung' bedingte Schwankungen der Rückwandechoamplitude zu eliminieren. Dies erfolgte durch Bildung der Differenz der Amplitudenwerte beider Rückwandechos. Als am effektivsten hat sich die auf den log₁₀ der Amplitude des zweiten Rückwandechos normierte Differenz des log₁₀ des ersten und des log₁₀ des zweiten Rückwandechos gezeigt.

4. Ergebnisse

An verschiedenen Radsätzen wurde dieses Differenzverfahren erprobt. Zur Durchführung der Messungen wurden die Radsätze auf einem Rollenbock mit Hilfe eines Treibrades gedreht. Der Prüfkopf wurde von einer Handhabungstechnik unterstützt mit einem leichten Federandruck an der Innenseite des Radkranzes aufgesetzt. Über einen an der Radachse angebrachten Weggeber wurde die Prüfkopfposition erfaßt. Es wurden pro Umdrehung ca. 2800 Meßpunkte aufgenommen. Dies entspricht einer Meßdichte von 8 Meßpunkten/Grad. Das Bogensegment/Grad hat bei den vorliegenden Raddurchmessern eine Länge von ca. 8 mm. Dies bedeutet, daß alle 1 mm ein Meßwert aufgenommen wurde. Abb. 6 zeigt als typisches Meßergebnis die Amplitudenortskurven des ersten und zweiten Rückwandechos eines rißbehafteten Rades (Radsatz 338). Der Riß befand sich an der Fahrkante; mittels Magnetpulverprüfung wurde eine Rißausdehnung von 11 mm in der Lauffläche festgestellt


Abb. 6 Amplitudenortskurven des ersten und zweiten Rückwandechos am Radsatz 338 mit einem fahrkantennahen Riß

Bei der Umfangsposition 2750 ist in beiden Amplitudenortskurven ein örtlich scharf ausgeprägtes Absinken der Amplitude bedingt durch den Riß festzustellen. Deutlich erkennt man auch die bereits erwähnten charakteristischen Überschwinger 'vor' und 'hinter' dem Riß. Ebenfalls zu erkennen ist, daß die Amplitudenortskurven im fehlerfreien Bereich keineswegs homogen sind; Schwankungen der Rückwandecho Amplituden bis zu 6 dB treten auf, die jedoch weitaus geringere örtliche Gradienten aufweisen als die infolge eines Risses.


Abb. 7: Normierte Differenz der Amplitudenortskuven des ersten und zweiten Rückwandechos

Führt man für dieses Meßbeispiel die erwähnte Differenzbildung durch, so hebt sich die Anzeige des Fehlers klar aus dem 'Untergrund' heraus. Dieser ist ansonsten trotz Schwankungen der Amplitudenortskurven der RWE's von bis zu 6 dB sehr homogen und nahezu gleich Null (Abb. 7).

Zum Abschluß der Untersuchungen wurde eine Radscheibe eines Triebfahrzeuges vermessen, in deren Lauffläche neben einer Vielzahl von kleinen um den Umfang verteilten Anrissen mehrere tiefere Risse vorhanden waren. Davon waren die tiefsten mit den Nr. 1-5 gekennzeichnet. Aufgabe war es, an dieser Radscheibe die entwickelten Auswerte-Methoden zu erproben und an anderen als den bereits gekennzeichneten Rissen die Tiefe zu vermessen.


Abb. 8 Normierte Differenz der Amplitudenortskuven des ersten und zweiten Rückwandechos

Abb. 8 zeigt die Amplitudenortskurve der normierten Differenzen der beiden ersten Rückwandechos für einen Abstand der Prüfkopfmitte von der Laufkreisebene von 12 mm. Es wurden insgesamt 8 tiefere Risse detektiert, von denen sich die Nr. 6 in dieser Darstellung nur noch schwach aus dem Untergrund abhebt. Die Ursache hierfür liegt vermutlich in der geringen Ausprägung des Riß-Effektes im 2. Rückwandecho. Die tieferen Risse 1-5 wurden bis zu einer radialen Prüfkopfposition von 35 mm in der normierten Differenz wiedergegeben.

Abb. 9: Bruchflächen der Risse 6-8; Gegenüberstellung zf-ermittelter und wahrer Rißtiefen
Riß-Nr. 8 WahreTiefe: 15 mm zf-ermittelte Tiefe: 15 mm	Riß-Nr. 6 WahreTiefe: 10 mm zf-ermittelte Tiefe: 11 mm	Riß-Nr. 7 WahreTiefe: 18 mm zf-ermittelte Tiefe: 18 mm

An den Rissen 6-8 wurde die Tiefe bestimmt. Hierzu wurde der Prüfkopf an der ermittelten Umfangsposition des Risses positioniert und in radialer Richtung zum Radmittelpunkt hin verschoben. Die Ausgangsposition wurde so gewählt, daß noch eine deutliche Amplitudenänderung der beiden Rückwandechos im Vergleich zu einer benachbarten - fehlerfreien - Umfangsposition vorhanden war. Der Prüfkopf wurde soweit in radialer Richtung bewegt, bis das erste Rückwandecho eine ähnliche hohe Amplitude hatte wie an einer benachbarten - fehlerfreien - Position. Zusätzlich wurde überprüft, ob sich bei Verschiebung des Prüfkopfes in Umfangsrichtung die Rückwandechoamplitude rechts und links vom Fehler erhöht ('Überschwanges'). Waren beide Kriterien erfüllt - Rückwandechoamplitude am Fehler und an benachbarter fehlerfreien Position ähnlich hoch und keine Überschwinger - wurde die entsprechende radiale Position der Prüfkopfmitte festgehalten. Dieser Wert wurde um einen aus der Schallbündelöffnung ermittelten Korrekturwert vermindert. Diese Differenz entspricht der Rißtiefe. Diese Risse wurden aufgebrochen und die wahre Rißtiefe ermittelt(Abb. 9).

5. Zusammenfassung

Es wurde ein neues Verfahren zum Nachweis und zur Tiefenbestimmung von Quer-Rissen in den Laufflächen von Eisenbahnrädern vorgestellt. Dieses arbeitet mit einem geringen gerätetechnischen Aufwand und koppelmittelfrei von der leicht zugänglichen Radkranzinnenseite her. Die Einsatzbereiche liegen sowohl in der Nachprüfung mit anderen Techniken aufgefundener Risse (Betriebswerken) als auch in den Ausbesserungswerken, wo die Kenntnis der Rißtiefe zur Minimierung der Spantiefe bei der Profilberichtigung genutz werden kann.

6. Literatur

/1/ Diagnoseverfahren zur zerstörungsfreien automatischen Erkennung von Schäden der Lauffläche FhG/lzfP-Bericht Nr. 850144-TW vom 01.08.85, Saarbrücken