Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Für die Instandhaltungswerke der Deutschen Bahn AG wurde in den letzten Jahren eine neue Generation von Prüfständen zur Rissprüfung an Eisenbahnrädern entwickelt und beschafft. Diese Strategie wird mit der Entwicklung und Beschaffung von Prüfständen zur Rissprüfung von Radsatzvollwellen und Radsatzwellen mit Längsbohrung kontinuierlich fortgeführt.
Die Forderung nach einer Mechanisierung der Prüftechnik resultiert aus der stetig wachsenden Verkehrsdichte, den steigenden Geschwindigkeiten im Personen- und Güterverkehr, den hohen dynamischen Beanspruchungen des rollenden Materials sowie aus den verkürzten Prüfintervallen.
Der vorliegende Beitrag zeigt den Stand der Entwicklung und der Einführung von mechanisierten Prüfeinrichtungen in den Instandhaltungswerken der Deutsche Bahn AG auf. Weiterhin werden Erfahrungen bei der Einführung dieser Prüfeinrichtungen und zukünftige Entwicklungstendenzen erläutert.
Bei der Deutschen Reichsbahn und bei der Deutschen Bundesbahn wurden bereits in den siebziger Jahren mechanisierte Prüfeinrichtungen eingesetzt.
In den Werken Delitzsch, Wittenberge und Neumünster erfolgte die Ultraschallprüfung der Radkränze mit mechanisierten Anlagen (Abbildung 1). Die Vollwellenprüfung mit dem Ultraschallverfahren wurde in den Werken Wittenberge und Darmstadt mechanisiert durchgeführt.
Weiterhin wurden Anlagen zur Laufflächenprüfung mit dem Wirbelstromverfahren und zur Radscheibenprüfung mit dem Magnetpulververfahren eingesetzt.
Abb 1: Radsatzprüfung im Werk Wittenberge.
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Diese Anlagen, welche im Forschungs- und Technologiezentrum der Deutschen Bahn AG und in der Industrie entwickelt und gefertigt wurden, entsprachen nicht dem gegenwärtig geforderten Prüfumfang.
Die mechanisierten Prüfeinrichtungen zur Prüfung von ausgebauten Eisenbahnrädern bestehen hauptsächlich aus einer Ein- und Ausrollvorrichtung zur Bereitstellung der Radsätze, aus einem Rollstand zum Durchdrehen der Radsätze, aus einem Portal für die Zuführung der Medienleitungen sowie den Prüfkopfträgern, einer SPS - Steuerung und einem Wasserkreislaufsystem für das Koppelmittel.
Zur zerstörungsfreien Prüfung der Radsätze werden piezoelektrische-, elektromagnetische- und Wirbelstromprüfköpfe eingesetzt. Die Prüfung der Eisenbahnräder erfolgt mit einem mehrkanaligen Prüfsystem und einer dazugehörigen Auswertesoftware.
Diese mechanisierten Prüfeinrichtungen werden momentan in den Werken Nürnberg, München - Neuaubing und Neumünster der DB Reise & Touristik AG, in den Werken Wittenberge und Delitzsch der DB Regio AG und im Werk Paderborn der DB Cargo AG (Abbildung 2) eingesetzt. Zwei weitere Prüfstände sind für den Einsatz in den Werken Krefeld und Eberswalde geplant.
Abb 2: Radprüfung im Werk Paderborn.
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Der Anwendernutzen der mechanisierten Prüfeinrichtungen für Eisenbahnräder liegt in der Erhöhung der Prüfsicherheit, der Reduzierung der Prüfzeiten, der Kostensenkung und in der lückenlosen Dokumentation der Prüfergebnisse.
Dieser Anwendernutzen trifft auf die nachfolgend beschriebenen mechanisierten Prüfeinrichtungen zu.
Aufgrund von komplizierten Fahrzeugkonstruktionen und einem daraus resultierenden zeit- und kostenaufwändigen Ausbau von Radsätzen entstand die Forderung nach mechanisierten Prüfeinrichtungen zur Prüfung von Eisenbahnrädern im eingebauten Zustand.
Diese Prüfeinrichtungen, welche die Bezeichnung Unterflur - Prüfeinrichtung tragen, wurden unter der Federführung des Forschungs- und Technologiezentrums der Deutschen Bahn AG mit Partnern aus Instituten und aus der Industrie in einem relativ kurzen Zeitraum entwickelt, gefertigt und unter Betriebsbedingungen erprobt.
Die Unterflur - Prüfeinrichtung besteht hauptsächlich aus einer Scherenhubbühne zum Verfahren der Prüfeinrichtung unter dem stehenden Fahrzeug, einer Radsatzhub- und -durchdreheinrichtung, einer Anfahrmechanik zum Positionieren der Prüfkopfträger und einem Wasserkreislaufsystem.
Zur zerstörungsfreien, vollvolumigen Prüfung der Radsätze werden piezoelektrische Ultraschallprüfköpfe eingesetzt, welche in der V - Durchschallung, im IE - Betrieb und im SE - Betrieb arbeiten. Die Prüfung der Eisenbahnräder erfolgt mit einem mehrkanaligen Prüfsystem und einer dazugehörigen Auswertesoftware, die eine Blenden- und TD - Bilddarstellung der Prüfergebnisse ermöglicht. Zur Ultraschallprüfung der Räder eines ICE 3 - Radsatzes werden 42 Prüfköpfe benötigt.
Nach einem umfangreichen Probebetrieb mit einem Erprobungsmuster (Abbildung 3), bei dem alle ICE mit Neigetechnik geprüft wurden, wurden von der DB Reise & Touristik AG 4 Unterflur - Prüfeinrichtungen für die ICE - Werke München, Frankfurt, Berlin und Hamburg bestellt. Die erste Anlage wurde am 08.06.2001 im ICE - Werk München - Hauptbahnhof abgenommen.
Abb 3: Unterflur - Prüfeinrichtung im ICE - Werk München - Hauptbahnhof.
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Bei der Entwicklung einer Prüfeinrichtung für Vollwellen wurde erstmals bei der Deutsche Bahn AG auf den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik gesetzt.
Die mechanisierte Prüfeinrichtung zur Prüfung von Vollwellen besteht hauptsächlich aus einer Ein- und Ausrollvorrichtung zur Bereitstellung der Radsätze, aus einem Rollstand zum Durchdrehen der Radsätze, aus einem Portal für die Zuführung der Medienleitungen sowie den Prüfkopfträgern, einer SPS - Steuerung und einem Wasserkreislaufsystem für das Koppelmittel. Weiterhin ist der Prüfeinrichtung eine Reinigungseinrichtung zur Optimierung der Prüfoberflächen vorgeschaltet.
Zur zerstörungsfreien Prüfung der Vollwellen werden Gruppenstrahlerprüfköpfe eingesetzt. Bei Vollwellen ohne Wellenbremsscheiben werden 2 Gruppenstrahlerprüfköpfe benötigt. Zur Prüfung von Vollwellen mit 2 bzw. 3 Wellenbremsscheiben kommen 4 Gruppenstrahlerprüfköpfe zum Einsatz, wobei die inneren Prüfköpfe zur Prüfung des mittleren Bremsscheibensitzes um 180° gedreht werden.
Die Prüfung der Vollwellen erfolgt mit Gruppenstrahler - Prüfsystem und einer dazugehörigen Auswertesoftware, die TD - Bilddarstellung der Prüfergebnisse ermöglicht.
Die erste Anlage dieser neuen Generation von Prüfeinrichtungen befindet sich zur Zeit im Werk Paderborn der DB Cargo AG im Probebetrieb (Abbildung 4). Weitere Anlagen sind für die Werke Wittenberge, Delitzsch, Krefeld und Eberswalde geplant.
Abb 4: Vollwellenprüfung im Werk Paderborn.
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Die Ultraschallprüfung von Radsatzwellen mit Längsbohrung erfolgt nicht wie die Vollwellenprüfung von der äußeren Oberfläche der Welle, sondern von der inneren Bohrungsfläche. Bei der Deutsche Bahn AG kommen Radsatzwellen mit Längsbohrung mit Innenbohrungen von 30 - 90 mm zum Einsatz.
Die Anlage kann bei der Prüfung von aus- und eingebauten Wellen eingesetzt werden.
Die Prüfeinrichtung besteht hauptsächlich aus einem fahrbaren Hubwagen, welcher die Anlage vor der zu prüfenden Radsatzwelle positioniert, aus einer Positioniervorrichtung zum Andocken der Prüfeinrichtung an der zu prüfenden Welle, aus einem Prüfkopfträger mit einem Teleskop und aus einem geschlossenen Ölkreislaufsystem.
Zur zerstörungsfreien Prüfung der Radsatzwellen mit Längsbohrung werden piezoelektrische Ultraschallprüfköpfe eingesetzt. Die Prüfung der Wellen erfolgt mit einem mehrkanaligen Prüfsystem und einer dazugehörigen Auswertesoftware, die eine Blenden- und TD - Bilddarstellung der Prüfergebnisse ermöglicht. Zur Ultraschallprüfung der Wellen werden 8 Prüfköpfe benötigt.
Abb 5: Prüfung von Radsatzwellen mit Längsbohrung
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Die erste mechanisierte Prüfeinrichtung für Radsatzwellen mit Längsbohrung wird im Juli 2001 im ICE - Werk Hamburg - Eidelstedt in Betrieb genommen. Dort werden die Wellen der ICE 1 - und ICE 2 - Triebköpfe (80 mm Durchmesser) und der E - Lokomotive der Baureihe 101 (90 mm Durchmesser) geprüft.
Die entscheidenden Vorteile dieser Prüfeinrichtung (Abbildung 5) sind die Verkürzung der Prüfzeit von zur Zeit ca. 2 Stunden bei der Handprüfung auf etwa 10 Minuten und die lückenlose Dokumentation der Prüfergebnisse.
Die Überrolltechnik kommt bei der Deutschen Bahn AG seit etwa 10 Jahren zum Einsatz. Mit sogenannten ULM - Anlagen werden die Räder von Schienenfahrzeugen einer geometrischen Vermessung (Durchmesser, Unrundheit, Flachstellen u.a.) unterzogen. Gleichzeitig werden die Laufflächen der Räder mit Rayleighwellen auf Anrisse überprüft. Die Ergebnisse dieser Messungen bilden die Grundlage für die Reprofilierung der Räder.
Eine Weiterentwicklung der Überrolltechnik ist die Ultraschallprüfung der Radkränze bei der Überfahrt (Abbildung 6). Hier koppelt bei der Überfahrt eines Fahrzeuges mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 km/h ein Prüfschlitten mit den entsprechenden Ultraschallprüfköpfen an die Räder an und prüft diese bei einer Umdrehung. Der Prototyp dieser Anlage wurde gemeinsam mit der Brandenburger Firma bip entwickelt, im Technikum des Forschungs- und Technologiezentrums der Deutsche Bahn AG erfolgreich getestet und wird gegenwärtig für den Betriebseinsatz vorbereitet.
Abb 6: Überrolltechnik zur Prüfung von Radkränzen.
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In der Entwicklung befindet sich zur Zeit eine neue Generation der Überrolltechnik mit der die Räder eines Radsatzes bei einer überfahrgeschwindigkeit von 3 - 5 km/h vollvolumig geprüft werden sollen. Diese Prüfeinrichtung wird aus einer schienenintegrierten und/oder einer ankoppelnden Prüfkopfanordnung, einem Prüfgerät und der dazugehörigen Prüf- und Auswertesoftware bestehen. Ein Erprobungsmuster wird in den nächsten Jahren gefertigt und getestet.
Diese Prüfeinrichtungen sind in den Instandhaltungswerken eingeführt und werden kontinuierlich weiterentwickelt.
Ansatzpunkte für weitere Entwicklungen sind die Ertüchtigung der Unterflur - Prüfeinrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Rädern der Triebwagen der DB Regio AG und von E - Lokomotiven der DB Cargo AG sowie die Prüfung von Vollwellen im eingebauten Zustand.
Weiterhin rüsten sich die Radsatzhersteller in der Zukunft mit mechanisierten Prüfeinrichtungen aus. Somit werden die in den Bahnnormen und in den Technischen Lieferbedingungen der Deutsche Bahn AG geforderten Spezifikationen umgesetzt.
Mit der Einführung dieser Prüfeinrichtungen in den Instandhaltungswerken wurde der gewünschte Anwendernutzen erzielt. Im Vergleich zu den bisher durchgeführten Handprüfungen traten aber auch Probleme auf. Das Prüfpersonal in den Instandhaltungswerken musste für die gestiegenen Anforderungen bei der überführung der Anlagen in den Routinebetrieb sensibilisiert werden. Der Umgang mit einem modernen mehrkanaligen Ultraschallprüfgerät und der dazugehörigen Auswertesoftware brachte erhebliche Anlaufschwierigkeiten mit sich.
Gemeinsam mit den Herstellern der mechanisierten Prüfeinrichtungen und dem Forschungs- und Technologiezentrum der Deutsche Bahn AG werden diese Anlaufschwierigkeiten in einer relativ kurzen Zeit überwunden und die Anlagen können in den Routinebetrieb überführt werden.
So wird in den nächsten Jahren ein nahezu lückenloses Prüfkonzept für Radsätze in Abhängigkeit von Instandhaltungskonzepten für ein- oder ausgebaute Radsätze zur Verfügung stehen, das den Personalaufwand reduziert und eine lückenlose Dokumentation der Prüfergebnisse in einer umfassenden Radsatzdatenbank ermöglicht.
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