DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Beiträge: Vorträge: Eisenbahnwesen:

Mechanisierte Prüfung von DB-Cargo-Radsätzen - Erfahrungen mit einer innovativen Kombi-Prüfanlage

G. Engl, R. Geldner, R. Meier, intelligeNDT, Erlangen
D.Gramatte, DB Cargo Paderborn
H. Hintze, DB FTZ Kirchmöser
B. Rockstroh, IzfP/FhG, Saarbrücken

1 Einleitung, Generelle Anforderungen

Im Rahmen der Instandhaltung von Radsätzen nimmt die zerstörungsfreie Prüfung der Radkränze, Radscheiben und Wellen einen hohen Stellenwert ein. Dieser Stellenwert resultiert einerseits aus der sicherheitstechnisch wichtigen Aussage zur Integrität dieser Teilbereiche des Radsatzes. Andererseits spielt der Zeitbedarf dieser Prüfungen eine wichtige Rolle unter dem Aspekt einer angestrebten minimalen Durchsatzzeit als wesentlichen Beitrag zu einem rationellen Ablauf der gesamten Instandhaltungsarbeiten.
Die mechanisierte Prüfung trägt beiden Aspekten Rechnung:

• Der Zuverlässigkeit der Prüfaussage wird gesteigert durch weitestgehende Automatisierung und Eigenkontrolle des Prüfablaufes, damit der Ausschaltung beeinträchtigender menschlicher Einflussfaktoren.
• Der Zeitbedarf für die Prüfdurchführung verringert sich durch Kombination verschiedener Prüftechniken, die ansonsten nur hintereinander in der manuellen Durchführung anzuwenden wären. Diese Prüftechniken werden in Vielfach-Prüfkopfsysteme (für Radkranz und -scheibe) oder durch die Gruppenstrahlertechnik in wenige Prüfköpfe (für die Prüfung der Vollwellen) zusammengefasst.

Dieses Konzept stellt höchste Anforderungen an die Mechanik, die Steuerung, die Sensorik, die Gerätetechnik und die Software dieser Kombi-Prüfanlage im Hinblick auf Präzision, Verschleissfestigkeit, Zuverlässigkeit, Aussagefähigkeit sowie Bedienungs- und Servicefreundlichkeit. Dazu gehört auch die Möglichkeit der Ferndiagnose und Fehlerbehebung durch Experten aus der Ferne.
Siemens NDT im Konsortium mit IzfP-FhG erhielt den Auftrag der DB auf Erstellung, Lieferung und Erprobung einer solchen kombinierten Prüfanlage für das Werk Paderborn im August 2000.
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Implementierung der ersten automatisierten Anlage für die Vollwellenprüfung unter Optimierung und Einsatz der Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik.

2 Spezifische Aufgabenstellung für die Vollwellenprüfung

Die oben angeführten Anforderungen bedeuten für diese spezifische Prüfaufgabe folgende spezifische Aufgabenstellung:
• Die kurze Prüfzeit erlaubt keine Abtastung in axialer Richtung, jeweils eine Prüfspur über den Umfang soll genügen
• Dies erfordert für den relativ großen zugeordneten Prüfbereich einen Vielwinkelansatz und führt fast zwangsläufig zum Einsatz der Gruppenstrahlertechnik
• Ergebnisse prüftechnischer Voruntersuchungen waren zu überprüfen und gegebenenfalls abzuändern - was sich ja auch als notwendig herausstellte, um die geforderte Prüfempfindlichkeit von 1 mm tiefen Nuten zu erreichen
• Zugleich sollten Formanzeigen möglichst unterdrückt oder minimiert werden
• Kurze Dauer und verläßliche Aussagefähigkeit der Prüfung erfordern optimale Hard- und Software-Unterstützung
Diese Anforderungen gelten für verschiedenen Wellentypen mit unterschiedlicher Geometrie, wie herausgegriffene Beispiele zeigen:

Abb 1: Beispiele unterschiedlicher Wellentypen

3 Realisierung

3.1 Grundansatz
Für die Erfassung des gesamten Wellenendes, das heißt Radsitz, Notlaufschenkel und Radlagerschenkel sollte die Gruppenstrahlertechnik durch einen Transversalwinkelschwenk von 25° bis 75°, ergänzt durch 0°Longitudinal als Prüfempfindlichkeitsbezug, alles in einem Prüfkopf, realisiert werden. Dieser Grundansatz, der sich durch reine Geometrieüberlegungen ergibt, mußte nun noch in bezug auf Realisierung der geforderten Prüfempfindlichkeit und auf Minimierung der Formanzeigen optimiert werden.

Abb 2: Prüfgeometrie mit erforderlichen Einschallwinkeln

3.2 Erste Untersuchungen
Die ersten experimentellen Untersuchungen erfolgten an

• ebenen Testkörpern gleicher Wanddicke, aber ohne Originalkontur mit Nuten verschiedener Tiefe
• einem selbst gedrehten Testkörper mit gleicher Geometrie wie die "Kirchmöser-Welle" mit 1, 2 und 3 mm Nuten
• einer Originalwelle aus Paderborn mit ebenfalls 1, 2, 3 mm Nuten
Die Resultate zeigten klar, daß der ursprünglich in der Anfrage spezifizierte 4 MHz-Prüfkopf das geforderte Nachweisvermögen nicht erbringen kann und die ideale Prüffrequenz zwischen 2 und 3 MHz liegt, insbesondere auch unter Berücksichtigung realer Oberflächenunebenheiten. Mit diesem Erfahrungshintergrund erfolgte eine Messung an der Original-"Kirchmöser-Welle" bei FTZ Kirchmöser, wobei vorgeschuhte Prüfköpfe mit 2 und mit 3 MHz eingesetzt wurden.

Abb 3: Prüfergebnis von "Kirchmöser-Welle" mit 2 MHz-GRST-Prüfkopf

3.3 Präzisierung des Ansatzes
Die nachfolgende Optimierung der Prüftechnik stand unter den folgenden Prämissen:

• Insgesamt ist ein hoher Signalrauschabstand im gesamten Schwenkbereich anzustreben
• Eng benachbarte Fehler- und Formechos sollen noch möglichst deutlich aufgelöst werden
• Im Zusammenhang damit ist die jeweilige Winkelauswahl innerhalb des Winkelbereichs, der der jeweiligen Position im Prüfbereich entspricht, sehr fein zu optimieren, so daß amplitudenmäßig die Fehlerechos maximiert und die Formechos minimiert werden.
• Zur Erzielung eines möglichst engen Ausblendungsbereiches der Formechos sollen sich diese möglichst scharf abbilden.
Unter diesen Aspekten wurden systematische experimentelle Untersuchungen zur Festlegung der Prüffrequenz durchgeführt.

Abb 4: Typische Ergebnisse bei 2 und 3 MHz

3.4 Endgültige Festlegungen
Aufgrund dieser weiteren experimentellen Untersuchungen wurden folgende Festlegungen zur Optimierung der Prüf- und Auswertetechnik getroffen:

• Zwei Gruppenstrahlerprüfköpfe mit 3 MHz Prüffrequenz und optimierter Gesamtschwingerabmessung, unterteilt in 16 Einzelelemente, werden eingesetzt, jeweils einer für ein Wellenende
• Das Ultraschallgerät Saphirplus ist mit 4 Gruppenstrahlerkanälen zu je 16 Kanalen ausgestattet, eine Erweiterung auf 4 Gruppensrahlerprüfköpfe ist daher jederzeit möglich.
• Die angepaßte Software gestattet einen sehr hohen Atomatisierungsgrad:
  • Für die erste Bewertung werden beide Wellenenden simultan dargestellt
  • Die Kontureinblendung im B-Bild gestattet eine exakte Zuordnung einer Anzeige zu ihrer Position in der Kontur
  • Die zwei Hauptdarstellungsfarben Grau und Rot mit Schattierungen gestatten den sofortigen Überblick über vorhandene Anzeigen über der Registriergrenze
  • Die Konturechos können wahlweise dargestellt oder ausgeblendet werden (der Ausblendebereich ist durch einen hellgrauen Balken markiert)

  Abb 1: Wellenprüfanlage im Werk

• Die Positionierung erfolgt mittels eines Portalmanipulators mit 2 vertikal zustellbaren Prüfarmen samt Steuerung mit Radsatzdatenübernahme von der vorgeschalteten Radprüfanlage AURA

In der folgenden Abbildung sind die Ergebnisse der Justierwelle mit Ausblendung der Konturechos dargestellt. Die Anzeigendubletten der Justierfehler rühren von der Erfassung von Fehlern einmal mit dem Zentralstrahl, einmal mit einem Seitenstrahl im Bündel des nächsten Prüfwinkels, während die Anzeige bezogen auf den Zentralstrahl projiziert dargestellt wird. Diese Redundanz durch Bündeldivergenz von benachbarten Schwenkwinkeln ist ein willkommenes Phänomen im Interesse der Nachweissicherheit.

Abb 6: Anzeigen von der Justierwelle (C-Bilder), Konturechos ausgeblendet

Für die Darstellung mit Kontureinblendung im B-Bild (Querschnittsprojektion im unteren Teil) gelten auch die Überlegungen zu den Randstrahlen, so daß eine Parallaxe in bezug auf den Anzeigenort relativ zur Kontur entsteht.
In dieser Art der Abbildung sind die Formechos nicht ausgeblendet.

4 Zusammenfassung

Insgesamt stellten die Erstellung und die Inbetriebsetzung dieser Vollwellenprüfanlage eine bemerkenswerte Herausforderung in mehrerlei Hinsicht dar:
Die geforderte hohe Prüfempfindlichkeit, die drastisch beschränkte Prüfzeit, die nur eine axiale Prüfkopfposition in einem Umlauf gestattet, die Komplexität der Prüfgeometrie und ihre Varianz für verschiedene Radsatztypen erfordern den Einsatz modernster Ultraschallmethodik im Zusammenhang mit optimierter Auswertesoftware, um einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen. Zu diesem Zweck mußte die Prüftechnik mit großem Aufwand optimiert werden.
Die Kooperation mit IzfP-FhG war sehr gut, die Synergien mit dem Radprüfmodul AURA wurden genutzt. Die Datenverdichtung mittels ALOK-Technik hat sich bewährt, pro Welle beträgt die Datenmenge der Urdaten ca. 5 MByte.
Die reine Prüffahrt dauert weniger als eine Minute, die Ergebnisdarstellung liegt binnen 20 Sekunden nach Abschluß der Prüffahrt vor.
Die Abnahme des Prüfsystems ist in der 19./20. Kalenderwoche erfolgt, der Probebetrieb abgeschlossen. Die Boden-Boden-Zeit je Radsatz liegt mit weniger als 4 Minuten im Zielkorridor.

Literaturverzeichnis

F. Mohr, R. Meier, G.Engl, Siemens NDT, Anwendung von Gruppenstrahlern in der Ultraschallprüfung 3. Französisch-deutsches Seminar, Forbach (1999)

G. Engl, W.Rathgeb, Siemens NDT; Schnell genau im Bild, SAPHIR liefert hohe Ergebnisqualität bei kurzen Prüfzeiten , Siemens Power Journal 12/99

R. Meier, K. Gemmer-Berkbilek, J. Achtzehn, Siemens NDT, Umfassende Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern unter Berücksichtigung der geometrischen Besonderheiten der Antriebsräder , DGzfP-Jahrestagung Celle, 10.-12.05.1999

F. Walte, B. Rockstroh, W. Kappes, R. Weiß, M. Kröning, IZFP Saarbrücken; R. Ettlich, H. Hintze, Deutsche Bahn Kirchmöser; R. Seitz, Deutsche Bahn Nürnberg: US-Radsatzprüfung an Fahrzeugen des Reiseverkehrs der DB , DGZFP Jahrestagung Innsbruck (2000)

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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