Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige Ungänzen wie Head Checks, Squats und Belgrospis spielen bei der Gewährleistung der Sicherheit des Fahrbetriebes eine zunehmend wichtige Rolle. Diese Schäden können bei ungehindertem Wachstum zu Schienenbrüchen führen. In vorangegangenen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Wirbelstromprüfung für den Nachweis solcher Schädigungen erfolgreich und wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden kann. Derzeit werden Verfahren zur Risstiefenbestimmung entwickelt und erprobt. Hierbei müssen die teilweise sehr komplexen Signalstrukturen computergestützt ausgewertet werden. Gelingt eine zuverlässige Bewertung, kann man dadurch die Schadensentwicklung im Oberflächenbereich verfolgen, die Schadensbehebung optimal planen und ihren Erfolg kontrollieren. Es ist damit ein modernes Qualitätsmanagement an dem Schienennetz möglich und es können wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Planung von Gleisanlagen gewonnen werden.
Über die Entwicklung eines Wirbelstromprüfsystems für die Oberflächenprüfung von Schienen wurde bereits mehrfach berichtet [1..7]. Die jüngsten Entwicklungsarbeiten befassten sich mit Betriebsversuchen. Folgende Ziele wurden damit verfolgt:
Die Untersuchungen zur Erprobung des Systems wurden im Schienenprüfexpress der Bahn AG durchgeführt. Hiermit wurde Datenmaterial über verschiedene Streckenabschnitte mit einer Gesamtlänge von ca. 500 km gesammelt. Die Fahrgeschwindigkeit lag zumeist zwischen 50 und 80 km/h. Das entspricht einer Relativgeschwindigkeit zwischen Sonde und Schiene von ca. 14 bis 22 Meter pro Sekunde. Die Signale der Sonden werden mit einem PC-System aufgezeichnet. Der Ortstakt beträgt 1000 Werte pro Meter. Wegen der komplexen Signale werden pro Sonde zwei Signalkanäle benötigt. Es lässt sich leicht erkennen, dass mit mehreren Sonden extrem hohe Datenmengen erzeugt werden. Als Sondenträger wurde ein umgebauter Gleitschlitten für Ultraschallprüfköpfe benutzt. Gründe hierfür waren die Montagekompatibilität und das geringe Erprobungsrisiko. Abb. 1 zeigt einen Blick auf einen am Schienenprüfzug montierten Wirbelstromsondenträger. Problematisch wirkt sich beim Schlitten der undefinierte Luftspalt zwischen Sonde und Schienenoberfläche aus. Die damit verbundene stark schwankende Prüfempfindlichkeit verhindert derzeit noch die zuverlässige Bestimmung einer Schädigungstiefe. Davon abgesehen ist der Aussagewert schon jetzt von hohem Nutzen, weil praktisch alle vorkommenden Oberflächenschädigungen erkannt werden können. Darüber hinaus liefert das System Aussagen zum Vorhandensein von Schweißungen, Stößen und Schleifbearbeitungen.
Für die Erstellung von Signalmustern und die Klassierung der Anzeigen ist es erforderlich, dass eine unmittelbare Verifikation der erhaltenen Signale erfolgen kann. Daher wurde für diese Versuche eine handbetriebene Draisine (Abb. 2) eingesetzt. Das Mustersignal für eine Schweißnaht ist in Abb. 3 dargestellt. Derartige Muster wurden auch häufig mit dem Schienenprüfexpress gefunden, jedoch an einer Stelle mit einer auffälligen Besonderheit. Abb. 4 zeigt das Prüfergebnis für die linke und rechte Schiene. In der Signalmitte ist jeweils das Schweißnahtsignal zu erkennen. Das Schweißnahtsignal ist aber jeweils in eine ca. 700 mm lange "Aussparung" eingebettet. Hierbei handelt es sich offensichtlich um manuelle Schleifarbeiten, die zur Einebnung der Schweißnähte mit einer mobilen Schleifeinrichtung ausgeführt wurden (Abb. 5).
Abb 1: Gleitschlitten mit Wirbelstromsonden am Schienenprüfexpress der Bahn AG.
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Abb 2: Handbetriebene Draisine für die Wirbelstromprüfung von Schienen.
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Abb 3: Mustersignal einer Schweißnahtanzeige.
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Abb 4: Schweißnahtanzeigen und Anzeigen durch Beschleifen.
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Abb 5: Schleifmaschine zum Einebnen von Schweißungen.
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Abb 6: Schleifriefen vom Schienenschleifzug.
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Schleifarbeiten, die von Schienenschleifzügen durchgeführt werden, hinterlassen gelegentlich unerwünschte Spuren. Abb. 6 zeigt Schleifriefen, die durch Schwingungsvorgänge der Schleiftöpfe erzeugt werden können. Solche Riefenmuster spiegeln sich in periodischen Anzeigemustern der Wirbelstromprüfung wider, deren künstliche Herkunft leicht durch die Analyse des Ortsfrequenzenspektrums bestätigt werden kann (Abb. 7).
Abb 7: Oben: Anzeigen von Schleifriefen. Unten: Das Ortsfrequenzenspektrum zeigt periodische Anteile.
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Schienenfehler, wie Schleuderstellen (Abb. 8), Squats, Riffel und die im Zusammenhang mit Riffeln auftretenden BelGroSpis (Abb. 9) können ebenfalls gut nachgewiesen werden, wobei die Tiefenbewertung z. Z. noch nicht vorgenommen werden kann.
Abb 8: Anzeigen von Schleuderstellen.
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Abb 9: Anzeigen von BelGroSpi - Schäden.
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Mit höchster Priorität wurde bisher an der Tiefenbewertung von sog. Head Check Schädigungen gearbeitet. Dies sind schuppige Oberflächenrisse, die vorwiegend an den Fahrkanten von äußeren Schienenbögen auftreten (Abb. 10). Hierzu muss das Prüfsystem möglichst an natürlichen Schädigungen kalibriert werden. Diese Aufgabe wurde in einem Schienenausbesserungswerk im Zusammenhang mit dem manuellen Beschleifen von Schienen durchgeführt (Abb. 5). Wenn der Zusammenhang zwischen Schädigungstiefe und Anzeigenhöhe kalibriert wurde, können die Signale direkt in "Millimeter Schädigungstiefe" angezeigt werden (Abb.11). Der obere Signalverlauf zeigt die Anzeigen der Sonde HC10 direkt in die Schädigungstiefe umgerechnet. Diese Sonde kann für Risstiefen bis zu 10 mm eingesetzt werden. Allerdings ist die Ortsauflösung nicht immer ausreichend. Eine hochauflösende Sonde (unterer Signalverlauf) kann wiederum nicht zur Tiefenbestimmung eingesetzt werden. Die Anzeigen gehen schon bei sehr kleinen Risstiefen in die Sättigung (daher ist die Skalierung lediglich in Spannungswerten angegeben). Durch die Kombination beider Anzeigenverläufe lässt sich die Messunsicherheit verkleinern. Beispielsweise erkennt man leicht, dass die Anzeige bei ca. 180 mm durch eine Überlagerung von zwei Rissen überhöht ist, während die Anzeige bei ca. 70 mm offensichtlich zutreffend bewertet werden kann. Derzeit wird daran gearbeitet, automatische Auswerteverfahren zu entwickeln, die auch die Korrektur von Überlagerungsanzeigen vornehmen können.
Abb 10: Head Check - Risse an der Schienenfahrkante, schematische Darstellung.
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Abb 11: Tiefenbewertung von Head Check - Anzeigen.
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Nachweisbarkeit und Bewertungsaussichten sind für einige ausgesuchte Oberflächeneffekte in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:
| Typ | Nachweisbarkeit | Bewertung möglich |
| Schweißnaht | gut | nein |
| Head Checks | sehr gut | ja |
| Schleifriefen | sehr gut | ja |
| Schleuderstellen | sehr gut | nein |
| Squats | bedingt | nein |
| Riffel | gut | bedingt |
| BelGroSpi | gut | bedingt |
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