Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Abb 1: Das Rad-Schiene-System.
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Das Rad-Schiene-System verlangt ein zuverlässiges Zusammenwirken der Elemente Schiene - Laufwerk - Fahrzeug. Deshalb müssen sowohl bei der Herstellung als auch bei der Wartung sicher-heitsrelevante Teile zerstörungsfrei geprüft werden.
Bei volumetrisch zu prüfenden Komponenten bieten sich dazu Ultraschall-Prüftechniken an.
Besonders Schienen und Radsätze sind betroffen; denn sie müssen die transportierte Last auf-nehmen, sie müssen das Fahrzeug in der Spur halten und auch noch Antriebs- und Bremskräfte übertragen (Bild 1). Da diese Elemente nicht redundant vorhanden sind, führt ein Versagen immer zu großen Schäden. Entsprechend zuverlässig und vollständig müssen deshalb die Prüfungen durchgeführt werden, von der Herstellung bis zum Ausserbetriebsetzen.
Wegen der relativ starren Verbindung Schiene - Rad- Antrieb, bzw. Bremsscheibe, wirken sich im Betrieb Unregelmäßigkeiten bei einer Komponente immer auch schnell auf die anderen Partner aus.
Beim Prüfen von neuen Eisenbahnschienen auf innere Inhomogenitäten kommt natürlich eine manuelle Prüfung nicht in Frage. Automatisierte Einrichtungen prüfen die neue Schiene im Kopf, im Steg und im Fuß. Die Ankopplung kann dabei sowohl über Wasserstrahlen, wie im Bild 2, als auch im Direktkontakt erfolgen, wie im Bild 3 gezeigt wird. Zur Prüfung von Neuschienen existieren internationale Normen, die den Nachweis bestimmter Testreflektoren verlangen. Der Anzahl der Testreflektoren entsprechend werden mehrkanalige Prüfanlagen oder Gruppenstrahler eingesetzt. Ein Beispiel der mehrkanaligen Auswertung zeigt das Bild 4.
 Abb 2: Schienenprüfung - Wasserstrahlankopplung. |  Abb 3: Direktkontakt. |  Abb 4: Mehrkanalige Dokumentation. |
Abb 5: Prüfung von neuen Vollrädern.
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Die Vielzahl der zumeist nationalen Bahngesellschaften hat zu vielfältigen Radformen bei Eisenbahnen geführt. Eine Ultraschallprüfung beim Hersteller erfordert deshalb eine automatisierte Prüfeinrichtung, die schnell an die wechselnden Vorgaben angepasst werden kann. Bild 5 zeigt die Prüfung eines Vollrades mit Gruppenstrahlern.
Geprüft wird nach unterschiedlichen Regelwerken, z.B. nach UIC-Spezifikationen, nach ISO-Normen oder amerikanischen Vorschriften.
Hauptstrecken mit stark befahrenen Gleisen werden durch den Schienenprüfzug ultraschallgeprüft. Bei kleinere Baumaßnahmen und in Weichenbereichen ist aber weiterhin die manuelle Prüfung mit dem Schienenprüfgerät SPG gefragt. Die Bilder 6 und 7 zeigen das neue SPG 2, Bauart Deutsche Bahn AG, eine Weiterentwicklung unseres bewährten Schienenprüfgerätes SPG 80.
Das stabile Stahlrohr-Rahmengestell wurde verkürzt und wesentlich leichter gebaut. Die Prüfkopfhalterungen sind zur Gewichtsverminderung aus Aluminium gefertigt. Beide Prüfkopfhalterungen laufen jetzt an Schlepphebeln.
|  Abb 6: oben: SPG 2 - Prüfkopfaufhängung Senkrechteinschallung Schrägeinschallung. Abb 7: links: Schienenprüfgerät SPG 2 mit Ultraschallgerät USM 25. |
Für die digitalen Prüfgeräte USN 52 und USM 25 wurden neue, vielseitig verstellbare Halterungen entwickelt, die an jede Betrachtungsposition angepasst werden können.
Die Wasserversorgung zur Ankopplung wurde ebenfalls verbessert. Sie ist jetzt feiner dosierbar und kann schnell unterbrochen und wieder geöffnet werden.
Mit dem SPG 2 lassen sich alle Prüfungen von Schienen und Weichenbauteilen nach der Richtlinie Ril 907.0501 der DB AG durchführen.
Wegen der großen Anzahl zu prüfender Objekte, empfiehlt sich auch bei der Instandhaltungsprüfung von Radsatzwellen und von Rädern eine automatisierte Prüftechnik. Bild 8 zeigt schematisch die Prüfkopfanordnung in einer Prüfanlage, die wir in Zusammenarbeit mit der BAM, Berlin für die Deutsche Bahn AG ent-wickelt haben.
Abb 8: Automatisierte Prüfung einer Radsatzwelle durch Gruppenstrahler und Winkelprüfköpfe.
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Abb 9: B-Bild-Darstellung der Prüfung des Rad und Lagersitzes durch einen Gruppenstrahler.
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Sie setzt sowohl Gruppenstrahler ein zum Schwenken des Schallbündels im Radsitz und Wellenschenkel als auch Winkelprüfköpfe mit festem Einschallwinkel zur Prüfung der Bremsscheibensitze.
Die bei der Drehung der Welle erzeugten A-Bilder werden zu einem B-Bild verarbeitet, in dem horizontal die Laufzeit, d.h. hier der Abstand vom Prüfkopf in axialer Richtung, aufgetragen ist und senkrecht dazu die Position auf dem Wellenumfang (in Grad).Die Echohöhe ist durch Farbwerte kodiert. Man erkennt die durchgehend horizontal verlaufenden Anzeigen der Wellenabsätze, aber auch die isolierte Anzeige des Testreflektors 6a.
Schweissnähte in Schienen und Weichen lassen sich mit dem Schienenprüfgerät SPG prüfen. Aber auch in Fahrzeugen gibt es Schweissnähte, die wiederholt zu prüfen sind.
Hier handelt es sich aber zumeist um Verbindungen von Blechen und Profilen, die mit den herkömmlichen Prüftechniken der Ultraschallprüfung überwacht werden können. Bei Fahrzeugen in Leichtbauweise sind aber zunehmend Verbindungen von Teilen aus Aluminium statt Stahl zu prüfen.
Natürlich hat die Bahn auch viele Stahlbauwerke, deren Sicherheit, d.h. deren Verbindungen, überwacht werden müssen. Auch dies gelingt mit den bekannten Techniken der Ultraschall-Schweissnahtprüfung.
Die meisten Bahnen werden als Staatsbahnen auf nationalem Gebiet betrieben, erst langsam entstehen auch private Betreibergesellschaften, während bei der Fertigung von Fahrzeugen und Zubehör schon längst ein harter, globaler Ausleseprozess stattfindet.
Demzufolge ist auf der Herstellerseite der Druck zu allseits anerkannten technischen Regeln viel höher als bei der Instandhaltung bei den nationalen Bahnbetreibern. Für Schienen und rollendes Material werden Normen weltweit harmonisiert (ISO), zumindest aber in Europa (CEN). Auf der Instandhaltungsseite gelten dagegen vorerst meist noch die unter eigener Verantwortung erstellten Regeln der Bahnbetreiber. Aber auch private Betreiber oder sogar die Fahrzeughersteller (Leihfahrzeuge) benutzen heute die gleichen Serienfahrzeuge wie die großen Bahngesellschaften. Entsprechend vielfältig muss die Instandhaltungsprüfung organisiert werden: Durch eigenes Personal, oder durch Dienstleister, oder sogar durch den Hersteller.
Abb 10:Prüfköpfe für die Prüfung von Radsatzwellen. |
Die Deutsche Bahn AG z.B. hat eine konzerneigene Richtlinien-sammlung zur zerstörungsfreien Prüfung bei der Instandhaltung, die Modulfamilie 907.xxxx, bei der sich allein 23 mit der Ultraschallprüfung der unterschiedlichesten Objekte befassen: Von der Schiene über Radsatzwellen und Räder bis zur Zugstange. Für diese Prüfaufgaben sind oft spezielle Prüfköpfe oder Anpass-Stücke erforderlich, die den Abmessungen der Radsätze entsprechen müssen. Bild 10 zeigt einige von ihnen.
Die Laufwerke bei Strassen- und U-Bahnen sind wegen der häufigen Weichen und Kreuzungen sowie der engen Kurvenradien erheblichen Spitzenbelastungen ausgesetzt. Auch hier hat sich durch Brüche gezeigt, dass die Betriebssicherheit nur durch wiederkehrende zerstörungsfreie Prüfungen zu erreichen ist. Diese können aber nur im eingebauten Zustand erfolgen, wenn kurze Prüfintervalle eingehalten werden müssen.
Zusammen mit der BAM, Berlin als Gutachter haben wir bei der Rheinischen Bahn AG in Düsseldorf nach umfangreichen Versuchen ein Prüfkonzept entwickelt, bei dem an den eingebauten Treibradsatzwellen der gesamte Bereich bis zu den Bremsscheibensitzen, bzw. Kupplungen, allein von den Stirnseiten aus ultraschallgeprüft wird.
Abb 11: Radsatzwelle eines Glieder-Triebwagens.
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Die Prüfergebnisse werden mit 720 A-Bildern pro Umdrehung gespeichert und als B-Bilder ausgegeben.
Die Radsatzwellen von Straßenbahnen sind meistens innengelagert, d.h. das Rad sitzt unmittelbar am Ende der Welle. Die Lagerringe sitzen innen.
Abb 10:Prüfkopf mit Halterung an der Radsatzwelle. |
Die beiden Enden der Radsatz-Welle A und B sind unterschiedlich gestaltet: An einer Stirnseite wird der Erdungskontakt angeschraubt, an das andere Ende eine Tachometerwelle. Die Prüfkopfhalterungen müssen entsprechend unterschiedlich gestaltet werden. Durch die umfangreichen Versuche konnte geklärt werden, dass eine Schrägeinschallung an diesen Wellentypen immer hohe Signale von den aufgesetzten Komponenten (Lagerringen, Labyrinthringen) erzeugt, die von Umfangsrissen, die in den gleichen Gebieten entstehen nicht zu unterscheiden sind. Deshalb wird die Einschallung senkrecht zu Stirnfläche vorgenommen, d.h. parallel zur Wellenachse. Das Schallbündel erreicht so gerade die Umfangsfläche der Welle. Risse erzeugen dabei um so höhere Anzeigen, je tiefer sie in die Welle reichen, im Unterschied zur Schrägeinschallung, die schnell in den Sättigungsbereich gerät. Das Bild 12 zeigt den Prüfkopf in der drehbaren Halterung, die in der Bohrung der Welle zentriert ist. Der Antrieb erfolgt mit einer computerunterstützten Schrittmotorsteuerung über eine Welle mit Federelementen.
Um auf dem B-Bild ein ausreichendes Auflösungsvermögen zu haben, werden von jedem Wellenende aus zwei Aufnahmen gemacht: Die erste im Bereich zwischen 100 mm bis 350 mm; die zweite von 350 mm bis 600 mm Abstand von der Stirnfläche.
Das Bild 13 zeigt die Anzeigen von Sägeschnitten, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind, im inneren (hinteren) Prüfbereich zwischen 350 mm und 600 mm Abstand.Bild 14 zeigt einen unzulässigen Befund an einer Radsatzwelle.
Abb 13: B-Bild von Sägeschnitten.
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Abb 14: B-Bild mit unzulässiger Anzeige.
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Abb 15: Prüfung eines Gliedertriebfahrzeugs mit 4 Drehgestellen.
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Die gesamte Prüfeinrichtung ist auf einem Transportwagen untergebracht, der an den Längsseiten des Fahrzeugs von Radsatz zu Radsatz gefahren wird.
Die aufgenommenen digitalisierten A-Bilder werden mit Datum unter der Fahrzeugnummer und der Nummer der Radsatzwelle gespeichert, (4 Datensätze pro Radsatzwelle) und für spätere überprüfungen archiviert. Es ist also später nicht nur die B-Bild-Graphik, sondern jedes einzelne A-Bild in HF-Darstellung wieder aufzurufen.
Nach der Prüfung aller Radsatzwellen werden die Schutzanstriche an den Stirnflächen wieder aufgetragen und die Anbauteile wieder angeschraubt. Nach dem Absenken der Hubbühne verläßt das Fahrzeug mit eigenem Antrieb die Bühne.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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