Dieser Artikel beschreibt, daß die angewandte (in Betrieb oder Versuchsbetrieb?) Fa. Hegenscheidt Anlage (Ultraschalloberflächenwellenmethode) zu unzuverlässig arbeitet, um mögliche Risse am Radkranz wirksam zu erkennen. Aus diesem Grunde wurden Maßnahme ergriffen [1]. Umarbeiten an der Diagnoseanlage Hamburg-Eidelsted erfolgten und die Erprobung wird vorbereitet.
Unsere Fragen: Sind diese in April 1997 eingeleiteten Untersuchungen erfolgt?
Wurden Maßnahmen zur regelmäßigen Anwendung ergriffen?
Neu eingehende Hintergründe und Klärungen können im Ultrasonic Testing Forum diskutiert werden.

Zusammenfassung

Radlaufflächen scheibengebremster Fahrzeuge des Hochgeschwindigkeitsverkehrs unterliegen einer sehr hohen Beanspruchung durch Längs- und Quergleitvorgänge zwischen Rad und Schiene. Dies führt zu charakteristischen Laufflächenschäden, dessen Entstehung und Entwicklung untersucht wird.

Mit den Methoden der zerstörungsfreien Prüfung lassen sich Materialveränderungen nachweisen. Aus den Ergebnissen ergeben sich Erkenntnisse für die Bewertung von Laufflächenschäden an scheibengebremsten Radsätzen, insbesondere von schnellfahrenden Triebzügen. Außerdem können Schlußfolgerungen zur Instandhaltungsstrategie für derartige Radsätze gezogen werden.

Inhalt
1. Einleitung
2. Zerstörungsfreie Prüfverfahren
   • Visuelle Kontrolle
   • Oberflächenkontrolle mit magnetinduktiven Wirbelströmen
   • Ultraschallprüfung mit Oberflächenwellen
3. Beurteilung der Oberflächen scheibengebremster Räder
4. Umsetzung des Verfahren
5. Fazit
Rolf Diederichs' questions prompted Further Discussion

1. Einleitung

Die Funktionstüchtigkeit des Rad-Schiene-Systems hat nicht nur in Hinblick auf die erzielbaren Höchstgeschwindigkeiten, sondern auch zur Gewährleistung eines reibungslosen und sicheren Eisenbahnbetriebes eine große Bedeutung. An dieses System müssen besondere Forderungen nach einer optimalen Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung gestellt werden. Die Methoden der zerstörungsfreien Prüfung haben in diesem Prozeß einen festen Platz. Unter Beachtung der zu überwachenden Parameter, des zu prüfenden Umfangs und der technischen Machbarkeit werden Methoden der technischen Diagnose zur Ermittlung und Bewertung von Bauteilzuständen entwickelt, erprobt und eingeführt.

Es kommt verstärkt darauf an, möglichst exakte Informationen zum Bauteilzustand mit einer Beurteilung der Schädigung zu erhalten, um mit den Erkenntnissen aus der Schadensforschung und werkstoffkundlichen Berechnungen, Restlebensdauerabschätzungen an sicherheitsrelevanten Bauteile vornehmen zu können. Eine Hauptvoraussetzung dazu ist der effektive Einsatz der zerstörungsfreien Bauteilprüfung als Diagnoseverfahren im Rahmen der turnusmäßigen Instandsetzung von Fahrzeug- und Anlagenteilen.

2. Zerstörungsfreie Prüfverfahren

Zur Erkennung von Laufflächenschäden an scheibengebremsten Rädern stehen grundsätzlich verschiedene Meß- und Prüfmethoden zur Verfügung. Nach umfang reichen Voruntersuchungen unter Beachtung der Machbarkeit während der Instandhaltung der Fahrzeuge wurden zwei Prüfmethoden ausgewählt. Mit diesen beiden Verfahren sind Betriebsversuche an insgesamt 34 ausgewählten Radsätzen aus zwei Erprobungstriebzügen durchgeführt worden.

Vergleichsweise wurden die Laufflächen auch einer visuellen Begutachtung und einer Härteprüfung unterzogen. Durchgeführt wurden die Prüfungen im Ausgangszustand, nach 240, 360 und 480 Tkm Laufleistung. Einzelne Räder sind nach Abschluß der Versuche zerstörend untersucht worden.

Bild 1: Lage der geschädigten Zonen in der Lauffläche

2.1 Visuelle Kontrolle
Alle Laufflächen der überwachten Radsätze zeigten bereits nach einer Laufleistung von 60 Tkm mehr oder weniger stark ausgeprägte Oberflächenschäden. Typisch dabei ist die Ausbildung von zwei Schädigungszonen, die sich relativ gleichmäßig um den gesamten Umfang ausbilden (Bild 1). Die stärker ausgeprägte Zone liegt zwischen ca. 30 bis 60 mm und die zweite wesentlich schmalere Zone ca. 80 bis 90 mm von der äußeren Stirnfläche des Rades entfernt. Die Oberflächenschäden sind in der Anfangsphase teilweise nur mit Hilfsmittel, wie Lupe oder nach entsprechender Oberflächenbehandlung mit chemischen Mitteln erkennbar. Das feine Rißnetz ist in der Schädigungszone 1 überwiegend quer orientiert. In Schädigungszone 2 ist keine deutliche Vorzugsrichtung der Risse erkennbar. Nach 360 Tkm haben sich die Schädigungszonen in der Breite etwa verdoppelt und sind klar ohne Hilfsmittel sichtbar.

Nach 480 Tkm waren schon einige der überwachten Radsätze wegen verschiedener Schäden ausgesetzt. Bei den restlichen Rädern haben sich die Schädigungszonen nur noch unwesentlich verändert. Die Anzahl und Größe der Ausbröcklungen hat deutlich zugenommen.

2.2 Oberflächenkontrolle mit magnetinduktiven Wirbelströmen
Die Kontrolle von Oberflächen mit magnetinduktiven Wirbelströmen basiert auf den Nachweis von Veränderungen der magnetischen Induktionströme im Bauteil, hervorgerufen durch Veränderungen der Materialeigenschaflen und/oder durch Oberflächenrisse. Die Größe der Veränderung liefert ein Maß für die Schädigung. Deutlich wird dies bei der Justierung des Prüfsystems an einem Kontrollkörper mit Testschnitten unterschiedlicher Tiefe.

Bild 2: Anordnung der Wirbelstromsonden

Benutzt für die Betriebsversuche wurde ein mehrkanaliges Prüfgerät mit vier Tastsonden. Diese Tastsonden sind in einer Kombination eingebaut und beschreiben beim Durchdrehen des Rades feste Prüfbahnen. Die Tastsonden sind im Abstand von 10 mm, 47 mm und 85 mm von der äußeren Stirnfläche gemessen angeordnet. Die vierte Tastsonde erfaßt den Spurkranz (vgl. Bild 2). Diese Prüfmethode wird bei der Bahn seit ca. 10 Jahren zum Nachweis von Querrissen im Radkranz klotzgebremster Räder in Radsatzprüfständen benutzt.

Die Ausgangsmessungen haben die relative Gleichmäßigkeit der Werkstoffeigenschaften nachgewiesen. Permeabilitätsveränderungen oder Schwankungen um den Umfang konnten nicht festgestellt werden. Nach 240, 360 und 480 Tkm Laufleistung weisen die Meßschriebe in y-t- Darstellung der Tastsonden 2 und 3 einen charakteristischen Rauschpegel auf, dessen Höhe ein Maß der Schädigung ist. Die Rauschpegelhöhe ist laufwegabhängig, hat seine größten Zunahmen zwischen 240 und 360 Tkm. Sehr hohe Störpegel mit entsprechenden Einzelanzeigen sind nach 360 und 480 Tkm festgestellt worden.

2.3 Ultraschallprüfung mit Oberflächenwellen
Bei der Ultraschallprüfung mit Oberflächenwellen werden mit elektrodynamischen Wandlern auf der Basis von Permanentmagneten Ultraschalloberflächenwellen (Rayleighwellen) im Radmaterial erzeugt (vgl. Bild 3). Diese breiten sich vom Wandler ausgehend beidseitig auf der Lauffläche des Rades aus. Am Auswertebildschirm erkennt man mehrere Umlaufechoanzeigen, wobei durch Streuung und Absorption die Echohöhe abnimmt. Querrisse sind als Einzelanzeigen zwischen dem ersten und zweiten Umlaufecho erkennbar. Dies setzt voraus, daß keine wesentliche Schallabsorption durch sonstige Schädigung auftreten darf. An einem Rad ohne sonstige Oberflächenschäden, wie starke Kaltverfestigung oder Ausbröcklungen, ist ein 3 mm tiefer und 30 mm breiter Testschnitt nachweisbar.


Bild 3: Prinzip der elektromagnetischen Ultraschallerzeugung

Der gleiche Testfehler ist nicht mehr nachweisbar, wenn sich das Schallfeld in der geschädigten Zone ausbreiten muß. Der Schall wird vollständig absorbiert und es kommt zu keinem Umlaufecho. Diesen Effekt ausnutzend, kann über die Abnahme der Umlaufechohöhe eine Aussage zum Schädigungsgrad der Lauffläche in der Fehlerzone 1 gemacht werden

Bild 4: Zusammenhang zwischen den Meßergebnissen der Ultraschall- und Wirbelstromprüfung

Alle 34 Radsätze wurden einer Ausgangsmessung unterzogen und dabei der Verstärkungswert ermittelt, der notwendig ist, um das 1. Umlaufecho auf 80% Bildschirmhöhe einzustellen. Bei den Zwischenmessungen nach 240, 360 und 480 Tkm Laufleistung wurde auch dieser Verstärkungswert ermittelt und als Ergebnis ausgewertet. Dabei konnte festgestellt, daß die Verstärkungswerte bis zu einer Laufleistung von 360 Tkm zunehmen; danach keine wesentliche Änderung mehr eintritt. Den Zusammenhang zwischen der Wirbelstromprüfung und der Verstärkung zeigt Bild 4.

3. Beurteilung der Oberflächen scheibengebremster Räder

Laufflächen scheibengebremster Räder von nicht angetriebenen Fahrzeugen werden durch lauftechnischen Vorgänge zwischen Rad und Schiene beansprucht. Dabei kommt es besonders bei Bremsvorgängen und beim Durchfahren von Kurven zu Längs- und Quergleitvorgängen zwischen Rad und Schiene, die verbunden mit deutlicher Temperaturerhöhung zu einer überwalzungsartigen Materialverdrückung führen. Diese Materialveränderungen lassen sich in der ersten Phase als Kaltverfestigung der Oberfläche nachweisen. In der weiteren Entwicklung entstehen Materialverquetschungen und schließlich reißt diese Oberfläche ein. Es kommt zur Ausbildung typischer Schädigungszonen mit Rißfeldern, deren Orientierung von der örtlichen Beanspruchung abhängig ist. Bei der Gefügeuntersuchung sind typische Verdrückungsrichtungen erkennbar.

4. Umsetzung des Verfahrens

Die Auswertung der eingesekten Prüfmethoden im Rahmen der Versuchsmessungen zeigen, daß es mit zerstörungsfreien Verfahren möglich ist, den vorliegenden Schadenstyp qualitativ und quantitativ laufwegabhängig zu bestimmen. Zur Durchführung der Messungen unter dem Triebzug bedarf es eines hohen Zeitaufwandes und es besteht die Gefahr, daß auf Grund der festgelegten Prüfzyklen der Zeitpunkt der Schädigungsentstehung und der Verlauf der Entwicklung nicht erfaßt wird. Ziel muß es deshalb sein, die Laufflächenkontrolle in das Instandsetzungssystem der Fahrzeuge einzubeziehen. Dazu bietet sich die visuelle Begutachtung der sichtbaren Laufflächenabschnitte durch den Nachschauschlosser oder die Nutzung der Komponente Ultraschall der Radsatzdiagnoseanlage an. Bei der visuellen Kontrolle ist je nach Stellung des Fahrzeuges nur ein Teil der Lauffläche sichtbar und eine Aussage zur Schädigungstiefe ist nur bedingt möglich. Diese Art der Kontrolle ist sehr subjektiv und scheidet daher aus.

Für die kontinuierliche Laufflächendiagnose an schnellfahrenden Triebzügen wurde im Auftrag der DB in den achtziger Jahren die Radsatzdiagnoseanlage ULM entwickelt. Mit dieser Diagnoseanlage steht die Lauffläche des Rades als systembedingtes Hauptverschleißteil an Schienenfahrzeugen ständig unter Überwachung, um Sicherheit, Komfort und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. In der Regel fährt jeder überwachte Zug alle 3 bis 5 Tage über eine derartige Anlage.

Zwei Diagnoseanlagen zur Laufflächenkontrolle sind gegenwärtig bei der DB AG in Betrieb. 1992 wurde die erste Anlage im ICE-Werk Hamburg-Eidelstedt und 1994 die zweite baugleiche Anlage im ICE-Werk München Hbf in Betreib genommen.

Neben der Erfassung von Verschleißparametern des Radprofiles und der Ermittlung der Rundlaufabweichung der einzelnen Räder ist auch eine Komponente zur Ermittlung von Oberflächenrissen vorhanden. Der Modul Riß wurde mit der Zielstellung entwickelt, gefährliche Querrisse und Ausbröckelungen zu erkennen. Dazu werden von EMUS-Prüfköpfen (elektromagnetische Ultraschallerzeugung) rayleighsche Oberflächenwellen erzeugt. Diese Oberflächenwelle hat eine Eindringtiefe von 7 mm und eine Frequenz von 410 kHz. Die Welle breitet sich in zwei Richtungen aus. Zur Übertragung der Welle vom Prüfkopf ins Bauteil und zurück wird kein Koppelmittel benötigt. Die Komponente U entspricht in ihrem Aufbau der Versuchsmeßeinrichtung Ultraschall.

Im Meßgleis der Diagnoseanlage ULM sind in jeder Schiene je zwei um 600 mm versetzte Ultraschallprüfköpfe angeordnet, die durch entsprechende Triggerung beim Überrollen des Rades je ein Ultraschallsignal erzeugen, das als Oberflächenwelle den Umfang des Rades in beiden Richtungen mehrmals durchläuft (Bild 5). Bei einer durchschnittlichen Meßaufnahmezeit von ca. 4 ms werden mindestens drei Umläufe des Ultraschall-lmpulses aufgezeichnet. Das Rad hat sich in dieser Zeit etwa um 11 mm bewegt. Der Zug muß dabei die Anlage mit einer Geschwindigkeit von 1,5 bis 8 km/h durchfahren.

Das Prüfsystem wurde auf das Erkennen von einzelnen Querrissen ausgerichtet und entsprechend justiert. Es wurden umfangreiche Versuche durchgeführt, bei denen mit Hilfe von Testfehlern die Tiefe, Länge und Lage von Fehlern variiert wurden. Ebenso wird das Umlaufecho betrachtet. Hat dieses Umlaufecho eine bestimmte Höhe nicht erreicht, konnte man auf Zerrüttung der Lauffläche schließen. Zur Bewertung der Fehler sind die Fehlerklassen 1 bis 3 und der Zustand "Zerrüttung" eingeführt.

Die Erfahrungen beim Betrieb der beiden Anlagen haben aber gezeigt, daß die ursprüngliche Auslegung des Moduls Ultraschall für die sich einstellenden Oberflächenverändenungen an scheibengebremsten Rädem nicht optimal ist. Nach relativ geringer Laufleistung hat die sich einstellende Kaltverfestigung und die sich anschließend bildenden Fehlerzonen zu einer sehr hohen Schallschwächung geführt. Der umlaufende Schallimpuls wird dabei derart geschwächt, daß er nicht mehr als Umlaufecho aufgenommen werden kann. Auch Echos von möglichen Querrissen gehen unter. Dies führte dazu, daß die Komponente Ultraschall nach einem entsprechenden Laufweg viele Räder mit Oberflächenzerrüttung ermittelt. Eine weitere Beurteilung ist nicht möglich.

Bild 5: Funktionsaufbau der Komponente Ultraschall

Mit den Erkenntnissen der Betriebsversuche, der Schadenentwicklung und der Schadensanalyse konnte die Komponente U zielgerichtet verändert werden. Diese Anlage muß sowohl in der Lage sein, die Entwicklung von Oberflächenschäden zu erkennen und deren Tiefe als geschädigte Zone abzuschätzen als auch weiterhin einzelne Querfehler nachzuweisen.

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-lnstitut für zerstörungsfreie Prüfverfahren in Saarbrücken wurde nach Möglichkeiten zur Umgestaltung der Komponente U gesucht. Nach umfangreichen Laborversuchen an Rädern mit und ohne typischer Schäden, der Auswertung der Versuchsergebnisse von den Erprobungstriebzügen und der Schadenuntersuchung wurden folgende Veränderungen durchgeführt:

• Prüfkopflage, so daß ein Teil des Prüfkopfes immer im unbeschädigten Bereich arbeitet
• Einsatz von Prüfköpfen mit einer Sende- und zwei Empfangsspulen
• Erhöhung der Induktionsströme
• Veränderung der Prüfkopfkonstruktion (metallischer Spulenträger)

Im Ergebnis der Voruntersuchungen mit den genannten Veränderung wurde ein 3 mm tiefer Querfehler (Testschnitt) in einem geschädigtem Rad mit Fehler- und Umlaufsignal eindeutig nachgewiesen. Zwischenzeitlich wurden die technischen Veränderungen in der ULM Hamburg realisiert und die Erprobung wird vorbereitet.

5. Fazit

In Auswertung der Messungen und Untersuchungen an geschädigten, scheibengebremsten Rädern wird eine Diagnosemethode eingeführt, mit der der Laufflächenzustand an diesen Rädern erkannt und auch bewertet werden kann. Gezielte Untersuchungen zur Vermeidung derartiger Schäden müssen sich anschließen. Dazu sollten werkstofftechnische Veränderungen, Modellierung der Werkstoffkennwerte, aber auch über Veränderungen am Laufflächenprofii muß nachgedacht werden.

Further Discussion

Die anschließende Diskussion nutzte Rolf Diederichs für Fragen an Herrn Hintze welche wir hiermit zusammenfassen:

Kann die vorgestellte Prüfmethode der Oberflächenwellentechnik (Rayleigh-Wellen) alle verdächtigen Fehler finden? Die Antwort war sehr einfach - Ja!
Diederichs warf jedoch ein, daß in einigen DB Werkstätten konventionelle Ultraschall Pulse Echo Prüftechnik [2] erfolgreich installiert ist und von Herstellern wie z.B. Inspection Research Technology (IRT) oder Krautkramer immer noch angeboten wird. Beispielsweise stehen Anlagen bei der Deutschen Bahn AG in Neumuenster (IRT) und der österreichischen Eisenbahn.
Bedeutet dies somit, daß diese wesentlich aufwendigere Art der Anwendung (Abbau der Fahrgestells usw.), entfallen kann?
"Es gibt immer noch einige Typen von Fehlern welche die alten etablierten Prüfmethoden benötigen" so Herr Hintze.

Weiterhin erwähnte Herr Hintze den neuen online Hochgeschwindigkeits-Schienenprüfzug (SPE Schienenprüfexpress) welcher mit 100 km/h die Ultraschallprüfung an Schienen ausführt. Die hochentwickelte UT-Elektronik war von IRT geliefert worden. Das Thema ist hochaktuell und neu, d.h. wir werden darüber später noch berichten.

Weitere Themen:
1. H.-J. Salzburger, Saarbrücken; H. Hintze, Kirchmöser Tiefenbestimmung von Laufflächenfehlern an Eisenbahnrädern unter Nutzung linear polarisierter Transversalwellen - Verfahrens-Optimierung und -Erprobung. DGZfP Jahrestagung 1996. (Die Grundlagen zu den hier angesprochenen eingeleiteten Verbesserungen)
2. Railway testing in the Ultrasonic Testing Encyclopaedia

Author

Dipl. Ing Hartmunt Hintze
Since 1993 Head of Department Nondestructive Testing at
Deutsche Bahn AG,
Kirchmöser, Brandenburg

The paper was presented at the German-French Workshop in Aachen in April '97. Published in Berichtsband 57 ISBN 3-931381-13-7: Vorträge 2. Deutsch-Französisches Seminar Automatisierung und Modellierung für die Zerstörungsfreie Prüfung. Page 105 - 112. DGZfP Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfeie Prüfung e.V. Berlin 1997.