DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Online Ultraschall-Prüfung am rollenden Hochgeschwindigkeitszug

G. Engl, R.Meier; intelligeNDT Systems & Services, Erlangen;
Dr. S. Schuhmacher, H. Hintze; DB AG, FTZ Kirchmöser; Dr. A. Erhard, BAM Berlin;
F.Walte, B. Rockstroh; IzfP-FhG Saarbrücken; J. Montnacher; TEG-FhG Stuttgart
Kontakt: F. Walte, G. Engl

Zusammenfassung :

In Anbetracht der hohen dynamischen Belastungen an den Rädern der Hochgeschwindigkeitszüge werden die Radsätze turnusmäßig im eingebauten Zustand bei Stillstand des Zuges oder in ausgebautem Zustand, zumeist nach der Reprofilierung, überprüft. Die mit beträchtlichen Entwicklungsanstrengungen in die Praxis eingeführten Prüfsysteme zeichnen sich durch hohes Leistungsvermögen, aber auch hohen prüftechnischen Aufwand, verkörpert durch eine große Zahl von Sensoren, aus. Diese Prüfungen bedeuten jedoch, daß der Zug dem Verkehr für einen längeren Zeitraum fehlt.

Will man die prüfbedingten Zugstandzeiten deutlich reduzieren, indem z.B. der Zug eine Prüfstrecke langsam überrollt und nach einer halben Stunde alle Räder komplett geprüft sind, so erfordert dies einen höchst innovativen Ansatz. Dabei besteht die Option, diese Prüfung mittels an- und abklappbarer Prüfschlitten, die eine Umfangslänge an jedem Rad nacheinander mit dem Zug mitfahren, oder mittels einer komplexen Sensorikstrecke in der Schiene, die überrollt wird, zu verwirklichen. Eine Kombination der beiden Methoden stellt eine Möglichkeit dar, in der das größte Lösungspotenzial zu liegen scheint.

Unter diesen Aspekten müssen zur Realisierung die Potenziale, die sich der Ultraschall- und Wirbelstromprüfung aus Sicht der Physik, der Elektronik, der Datenverarbeitung und der Robotik bieten, voll ausgeschöpft werden, um eine zuverlässig arbeitende und aussagefähige Prüfanlage zu schaffen, die einen vertretbaren Aufwand relativ zum Gewinn an Zugverfügbarkeit bedeutet.

Dazu bedarf es kompakter Prüfkopfsysteme durch Integration mehrerer Prüffunktionen in einem Prüfkopf und deren Beitrag zu einem vereinfachten Prüfablauf. Dies ist von vornherein eine Herausforderung, die mittels der Möglichkeiten der Gruppenstrahlertechnik für die Schlittenlösung oder einer optimal strukturierten Vielkopfanordnung für die schienenintegrierte Lösung beherrschbar erscheint. In allen Fällen ist eine optimierte Kompaktierung der Sensorik gefragt.

Der Beitrag stellt neben den erwähnten Randbedingungen die prüf- und systemtechnischen Überlegungen für ein solches innovatives System dar, das in einem vom BMBF geförderten Vorhaben entwickelt werden soll.

Keywords :
Mechanisierte Ultraschallprüfung, Radsatzprüfung, Radkranzprüfung, Überrollprüftechnik, Schienenintegrierte Sensorik, Schlittenprüftechnik, Gruppenstrahlertechnik, online Prüfung, kombinierte Ultraschall- und Wirbelstromprüfung.

1 Einleitung

1.1 Ausgangssituation
Abbildung 1: Prüfstrategie-Elemente
Im Rahmen ihrer Aufgabenstellung und der hohen Verkehrsdichte in Deutschland fördert die DB gezielt Maßnahmen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit des Schienenverkehrs. Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung an Rädern, Radsatzwellen und Schienen beeinflusst den gesamten Lebensdauerzyklus dieser Bahnkomponenten beginnend bei ihrer Auslegung, Konstruktion über Fertigung bis zu ihrer Instandhaltung.

Um die Betriebs- und Verkehrssicherheit von Schienenfahrzeugen zu gewährleisten, sind zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen von Rädern und Radsatzwellen im Zuge der Fertigung und während des Betriebes in festgelegten Wartungsintervallen vorgeschrieben. Die Prüfstrategie für Radsätze der Deutschen Bahn unterscheidet nachfolgende Prüfzyklen, nach Zyklusdauer aufsteigend geordnet:

  • Prüfung der Räder während des Überrollens (ULM)
  • Prüfung im Stillstand der Fahrzeuge (eingebauter Zustand) mit der Unterflurprüfeinrichtung UFPE und transportablen Wellenprüfstände für Radsatzwellen
  • Prüfung des ausgebauten Radsatzes nach der Reprofilierung der Räder (AURA Modul 1 für Radkranz und Scheibe, AURA Modul 2 für Vollwelle).
  • Die on-line Radsatzüberwachung ist zur Zeit noch eine visionäre Lösung, an deren Entwicklung jedoch schon im Ansatz gearbeitet wird.

1.2 Problemstellung
Bedingt durch die hohen dynamischen Beanspruchungen im Fahrbetrieb können an den Rädern moderner Schienenfahrzeuge Veränderungen des Werkstoffzustandes bis hin zu Schädigungen auftreten. Die Räder werden deshalb zur Gewährleistung ihrer Einsatzzuverlässigkeit und Betriebssicherheit in den Instandhaltungswerken der DB AG turnusmäßig entweder im ausgebauten Zustand oder im eingebauten Zustand bei Stillstand des Zuges überprüft. Trotz des Einsatzes neuer, automatisierter Verfahren, welche von der DB AG in den letzten Jahren in Zusammenarbeit mit führenden Instituten der Angewandten Forschung und der Industrie entwickelt wurden, erfordern diese Prüfungen erheblichen Aufwand, während dessen die Züge über einen längeren Zeitraum dem Verkehr nicht zur Verfügung stehen. Eine weitere wesentliche Reduzierung des Prüfaufwandes und der prüfungsbedingten Zugstandzeiten ist allerdings auf der Basis applikationsnaher Entwicklungen nicht möglich; die Realisierung dieses Ziels setzt vielmehr grundlegende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und die Einführung neuartiger Sensorik- und Elektroniksysteme voraus.

1.3 Forschungsförderungsvorhaben SUPRA, Zielsetzung
In einem beim BMBF beantragten Forschungsförderungsvorhaben SUPRA (Schienenintegrierte Ultraschall-Prüfanlage) sollen die Grundlagen für ein die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Radprüfung wesentlich erhöhendes, innovatives Radprüfsystem geschaffen werden. Ziel ist es, die Prüfaufgaben nicht wie bisher im Stillstand des Zuges, sondern beim Überrollen über eine in die Schiene integrierte oder schienennah mitfahrende intelligente Sensorik durchzuführen.

Dies erfordert einen höchst innovativen Ansatz. Dabei besteht die Option, diese Prüfung mittels an- und abklappbarer Prüfschlitten, die eine Umfangslänge an jedem Rad nacheinander mit dem Zug mitfahren, oder mittels einer komplexen Sensorikstrecke in der Schiene, die überrollt wird, zu verwirklichen. Eine Kombination der beiden Methoden stellt ebenso eine Möglichkeit dar, in der eventuell das größte Lösungspotenzial zu liegen scheint.

Unter diesen Aspekten müssen zur Realisierung die Potenziale, die sich der Ultraschall- und Wirbelstromprüfung aus Sicht der Physik, der Elektronik, der Datenverar- beitung und der Robotik bieten, voll ausgeschöpft werden, um eine zuverlässig arbeitende und aussagefähige Prüfanlage zu schaffen, die einen vertretbaren Aufwand relativ zum Gewinn an Zugverfügbarkeit bedeutet.

1.4 Forschungsförderungsvorhaben SUPRA, Partner
Die Verbundpartner in diesem Vorhaben sind:

  • DB AG Systemtechnik, Kirchmöser
  • IntelligeNDT Systems & Services; Erlangen
  • Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren der FhG, Saarbrücken
  • Technische Entwicklungsgruppe der FhG, Stuttgart
  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

2 Anforderungen an das Prüfsystem

2.1 Übergeordnete Anforderungen
Während der Überrollzeit des Zuges bei Geschwindigkeiten zwischen ca. 2 bis 5 km/h soll der effektive Nachweis und die zuverlässige Analyse von eventuellen Schädigungen im gesamten Radvolumen und auf der Oberfläche vollautomatisch, schnell, mit einer on-line Auswertung und unter Betriebsbedingungen erfolgen, indem z.B. der Zug eine Prüfstrecke langsam überrollt und nach einer halben Stunde alle Räder komplett geprüft sind.

Ausgangspunkt für die Prüftechnik und die Prüfempfindlichkeit sowie die Zulässigkeitsgrenzen ist das Leistungsvermögen der AURA bzw. der UFPE, lediglich sind hier die Randbedingungen wesentlich verschärft, und zwar durch die relativ hohe Abtastgeschwindigkeit, die für die Schlittenlösung eingeschränkte Zugänglichkeit, gerade unter dem Aspekt des exakten Manövrierens des Prüfkopfsystems beim An- und Abklappen. Abhängig von der Laufleistung des Rades nach der Fertigung bzw. der jeweils zuletzt erfolgten Reprofilierung des Rades ist die Lauffläche in einem unterschiedlichen Zustand des Verschleißes und damit der Abweichung von der idealen Schalleinleitung.

Für die Schienenlösung ist zudem die Anordnung in dem - damit nicht über die gesamte Erstreckung vorhandenen - Gleisquerschnitt einschneidend.

Der Erfüllungsgrad der technischen Anforderungen kann auch einen Einfluß auf die Festlegung der Prüfintervalle für den SUPRA-Einsatz am individuellen Zug sein.

Das gesamte Prüfsystem unter Voraussetzung seines harten und nahezu kontinuierlichem Einsatzes unter realen Bedingungen muß sich nach scharfen Kriterien der Wirtschaftlichkeit bewähren.

Dabei fallen das gesamte Investment und Instandhaltung für das Prüfsystem ebenso wie das erforderliche Personal und die gesamte notwendige Infrastruktur ins Gewicht und müssen durch die deutlich reduzierte Prüfdauer, damit gesteigerte Verfügbarkeit der Zuggarnituren, aufgewogen werden.

Die Zeitvorstellung ist die, dass eine erste SUPRA-Anlage in 3 Jahren in Betrieb gehen können sollte. Für eine zügige effektive Realisierung ist die Nutzung der bisherigen praktischen Erfahrungen unerlässlich.

2.2 Exkurs: Anforderungen an die AURA
Abbildung 2: Prüftechniken der AURA
Wie schon ausgeführt, ist die prüftechnische Leistungsfähigkeit der AURA Ausgangspunkt für die Überlegungen zur Konzipierung der Prüftechnik für die SUPRA. Im folgenden sollen daher diese Anforderungen kurz dargestellt werden.

Die Justierfehler in den Testrädern dienen nicht nur der definierten Empfindlichkeitseinstellung, sondern stellen auch durch den Nachweis der geforderten Prüfempfindlichkeit (mit mindest zu erreichendem Signalrauschabstand zum jeweiligen Bezugsreflektor) einen Bezug zum Leistungsvermögen der Prüftechnik insgesamt dar.

Die schematisch dargestellten Prüftechniken der AURA sind der Ausgangspunkt sowohl für die Übersetzung in die Vielsensortechnik der Schienenlösung als auch für die Kompaktierung der Prüftechniken für die Schlittenlösung. Dazu gilt es, sich Rechenschaft über die Lösungspotenziale der einzelnen, auch innovativen Prüftechniken zu legen.

3 Lösungspotenziale

3.1 Berührungslos bzw. koppelfrei arbeitende Sensorik
3.1.1 Wirbelstromtechnik
Die Wirbelstromtechnik hat den Vorteil des weitgehenden Nachweisvermögens der Fehler ausgehend von den Oberflächen und dicht unter den Oberflächen in nahezu allen Orientierungen, einschränkend wirken sich die geringe Eindringtiefe und die Abhängigkeit vom Oberflächenzustand aus.

Die Sensoren benötigen keine Berührung mit der Bauteiloberfläche, keinerlei Koppelmittel und haben eine geringe Baugröße (ca. 10 mm Durchmesser) . Die Abstän- de der Sensoren zur Oberfläche sollten jedoch nicht größer als ca. 1 mm sein, da mit größerem Abstand die eingekoppelte Energie sinkt. Es lassen sich aber auch lineare WS- Sensoren mit Längen von ca. 200 mm und Breiten von ca. 50 mm herstellen, so dass eine Array- Strecke zur Abdeckung von 360° der Lauffläche ca. 20 lineare WS- Sensoren erfordert.

Einsatzbereiche sind sowohl die oberflächennahen Bereiche der Lauf- als auch eventuell der Stirnfläche.

3.1.2 EMUS-Technik
EMUS- Wandler arbeiten berührungslos wie die WS- Sensoren und benötigen keinerlei Koppelmedium. Der Abstand zur Oberfläche unterliegt den gleichen Bedingungen wie bei den WS- Sonden. Im Gegensatz zu den WS- Sonden benötigen sie außer den elektrischen Spulen noch Magnete zur Anregung der US- Wellen und haben deshalb eine größere Bauform, das Nachweisvermögen ist ebenfalls abhängig vom Oberflächenzustand.

Die Fähigkeit, gezielt Rayleigh-, Oberflächenwellen und freie, polarisierte Transversalwellen mit spezifischen Wellenausbreitungsmechanismen und Interaktionen mit den Fehlstellen zu erzeugen, prädestinieren diese Technik für die Prüfung der Radscheibe.

3.1.3 Luft-Ultraschallwandler
Diese Wandler arbeiten mit speziellen piezoelektrischen Composite- Ultraschallwandlern und vorgeschalteten Druckluftsäulen. So gelingt es, Ultraschall durch die Luft bei Abständen im cm Bereich in Stahl einzukoppeln. Luftschallwandler arbeiten im niederfrequenten Ultraschallbereich < 1 MHz und haben z.Z. noch eine große Bauform (ca. 30 mm Durchmesser).

Für diese Sensorik liegt noch zu wenig Erfahrung vor, um die Entwicklungsarbeiten für eine fristgerechte Einsetzbarkeit abschätzen zu können.

3.2 Flüssigkeitsgekoppelte Sensorik
3.2.1 Ultraschall-Einzelprüfkopf
Sie arbeiten mit piezoelektrischer Anregung, sind von relativ geringer Baugröße und technisch seit Jahrzehnten voll ausgereift. Nachteil ist, dass sich der Schallstrahl nur schwenken lässt, wenn man den Wandler mechanisch dreht. Damit bieten sie ungünstige Voraussetzungen für den Einbau in ein kompaktes Prüfsystem

3.2.2 Linear-Gruppenstrahler-Prüfkopf
Prüfköpfe bestehen aus einem piezoelektrischen US- Wandler, der in einer Richtung in einzelne Streifen unterteilt wird. Diese Art der Sensorik ist bereits seit 15 Jahren im Einsatz und unterstützt die Kompaktierung des Prüfkopfsystems durch die Möglichkeit, verschiedene vertikale oder horizontale Schwenkwinkel jeweils in einen Prüfkopf zusammenzufassen. Auch können mittels der vertikal schwenkenden Prüfköpfe zusätzlich verschiedene Prüftechniken wie LLT- (Wellenumwandlungs-)Technik realisiert werden.

Diese Sensorik ist für den Einsatz in der Schlittenlösung besonders geeignet.

3.2.3 Matrix- Gruppenstrahler-Prüfkopf
Diese Prüfköpfe bestehen aus einem piezoelektrischen US- Wandler, der in zwei gekreuzten Richtungen in Streifen unterteilt wird. Durch geeignete Beaufschlagung der einzelnen Elemente mit einem bestimmten Verzögerungsmuster kann man den Schall unter nahezu beliebigem Winkel in den Halbraum unter dem Prüfkopf senden und empfangen. Gegenüber der Lösung mit Einzel- Prüfköpfen ist ein lineares 3D Phased Array aufwendig durch die Vielzahl von Einzelelementen und Kabeln.

Der Nutzen für SUPRA ist noch nicht absehbar.

4 Grundlegende Konzeptvarianten

Die beiden Lösungsansätze können alternativ oder aber komplementär betrachtet werden.

4.1 Stationär in der Schiene oder schienennah integrierte Sensorik (Schienenlösung)
Wesentlicher Grundbaustein ist eine in die Schiene integrierte Sensoranordnung. Die Anordnung entspricht in ihrer Längsausdehnung dem Abrollumfang eines Rades, durch sukzessive Aktivierung der Sensoren kann das Rad während des Überrollens geprüft werden. Als Sensoren kommen hauptsächlich phased-array basierte Ultraschall-, EMUS- und Wirbelstromsensoren sowie konventionelle Anordnungen der genannten Sensoren in Betracht. Besonders schwierig gestaltet sich die Prüfdatenaufnahme aufgrund der sehr eingeschränkten Ankoppelfläche (Berührungsfläche Sensor/Rad) und der zu realisierenden hohen Prüfgeschwindigkeit.

Abbildung 3: Schienen- und Schlittenlösung

4.2 Schienennah installierte, mitbewegte (dynamische) Sensorik (Schlittenlösung)
Die Grundidee hierbei ist, die Sensorik in Schlitten oder Backen anzuordnen und mit dem zu prüfenden Rad an die Lauffläche und/oder die innere Stirnfläche anzukoppeln, über eine dem Radumfang entsprechende Länge mitzuführen und dabei einen Radumfang vollständig abzuscannen. Nachher werden die Prüfschlitten abgeklappt und stehen nach der Rückkehr in die Ausgangslage für die Prüfung des nächsten Rades bereit. Ein Prüfsystem nach diesem Konzept kann selbstständig eine vollständige Prüfung des Radkranzes und der Radscheibe emöglichen. Wie nachfolgende Überlegungen und Diskussionen ergeben haben, ist es auch in Kombination mit der schienenbasierten Prüftechnik einsetzbar.

Diese Lösung scheint auf den ersten Blick ohne große Entwicklungsanstrengung realisierbar, jedoch ist der zugängliche Teil des Radumfanges sehr eingeschränkt, so daß eine schon erwähnte konsequente Kompaktierung des Prüfkopfsystems und eine hochpräzise, mit der Zugbewegung synchronisierte Zustellung der Backen erforderlich ist. Als wesentlich erschwerende Randbedingung tritt die Ankoppelproblematik hinzu, d.h. Senden und Empfangen der Prüfsignale muß auch bei Ankopplung der Sensorik an verschlissene Radoberflächen, wie sie sich aus dem normalen Bahnbetrieb ergeben, bei den geforderten hohen Prüfgeschwindigkeiten gewährleistet sein.

5 Stationär in der Schiene oder schienennah integrierte Sensorik - Schienenlösung

Das Konzept der Schienenlösung hat sich aus der ULM entwickelt. Der Übergang von der Prüfaufgabe, die Lauffläche auf Oberflächenfehler zu prüfen, zu der Forderung, das gesamte Radkranzvolumern zu erfassen, bedeutet naturgemäß eine deutliche Steigerung der Komplexität der Sensorik.

5.1 Möglichkeiten der Sensoranordnung für die Ankopplung an der Lauffläche
Im Folgenden sollen daher einige grundlegende Überlegungen zur physikalischen Realisierbarkeit und zur Praktikabilität der sich bietenden Möglichkeiten demonstriert werden.

5.1.1 Realisierungsmöglichkeiten mittels der Piezo-Ultraschall-Techniken:
Hier stehen zwei Möglichkeiten der Ankopplung zur Verfügung:

  • Kontakttechnik mit einem minimalen Wasserfilm zwischen Prüfling und Prüfkopfsohle
  • Tauchtechnik mit einer größeren Wasservorlaufstrecke zwischen Prüfling und Prüfkopfsohle

Für die Sensoranordnung selbst bieten sich drei Möglichkeiten:

  • Anordnung von Einzelsensoren
  • Linienarray
  • Matrixarray

5.1.2 Anordnung von Einzelsensoren
Um die gewünschten Schallbündeleigenschaften zu erreichen, liegt der Durchmesser jedes einzelnen Sensors in der Größenordnung von ca. 25 mm. Bei Betrachtung der Verhältnisse in der Laufrichtung ist damit zwangsläufig der Verzicht auf die kontinuierliche Abdeckung des Volumens mit konstanten Winkeln einzugehen. Betrachtet man dieses 25mm-Raster in Zusammenhang mit der Krümmung des Rades, so ist zu untersuchen, wie die Variation der Einschallwinkel von ±10° innerhalb der Rasterlä n- ge den vorher erwähnten Verzicht kompensieren kann. Zudem ändern sich diese Verhältnisse kontinuierlich mit dem aktuellen Raddurchmesser.

Abbildung 4: Sensor-Einzelanordnung Abbildung 5: Linienarray

Eine Sensorkette in Laufrichtung bedeutet damit maximal ca. 160 Einzelsensoren. Nun muß auch noch die Querrichtung betrachtet werden: Die Breite der Lauffläche erfordert mit der erwünschten Überlappung 6 Sensoren. Dies bedeutet für eine Prüfebene im Radkranz eine Sensorzahl von 960 Sensoren. Um alle Prüfrichtungen abzusichern, wären damit ca. 12.000 Sensoren erforderlich. Durch die Entwicklung von Breitstrahlern ließe sich diese Zahl auf ca. 2.200 Sensoren reduzieren.

5.1.3 Linienarray
Für das Linienarray wird eine Einzelelementabmessung von 2,5mm zugrundegelegt. Aufgrund der bekannten Steuerungsmöglichkeiten der Einschallrichtungen mittels der Phased Array-Technik kann eine kontunierliche Abdeckung des Volumens mit konstanten Einschallwinkeln erreicht werden. Zur Ergänzung können noch mit dem Abtastraster variierende Einschallwinkel herangezogen werden. Diese ergänzenden Winkel variieren wie schon oben erwähnt kontinuierlich mit dem Raddurchmesser.

Die Ergebnisse zu den Sensorzahlen, die in 5.1.2 dargestellt sind, müssen, da der Elementabstand ein Zehntel der Einzelsensoren beträgt, mit dem Faktor 10 multipliziert werden, so dass sich folgende Kennzahlen ergeben: Die Sensorzahl pro Kette in der Meßstrecke beträgt 1.600, Die Gesamtzahl von Sensoren unter Voraussetzung der Einsetzbarkeit von Breitstrahlern beträgt ca. 22.000.

5.1.4 Matrixarray
Die hohen Sensorzahlen, die sich schon im vorigen Kapitel ergaben, und die hier noch mit einem Faktor von ca. 40 zu multiplizieren sind, lassen die Realisierung von Matrixarrays nach derzeitigem Stand als völlig unrealistisch erscheinen.

5.1.5 Realisierungsmöglichkeiten mittels der EMUS-Array-Technik:
Für die EMUS-Technik wird eine Einzelelementabmessung von ca. 5mm zugrunde gelegt. Jeweils 8 Elemente werden in eine Gruppe zusammengefasst. Mittels der Gruppenstrahleransteuerung kann eine kontunierliche Abdeckung des Volumens mit konstanten Einschallwinkeln erreicht werden. Zur Ergänzung können noch mit dem Abtastraster variierende Einschallwinkel herangezogen werden. Diese ergänzenden Winkel variieren wie schon oben erwähnt kontinuierlich mit dem Raddurchmesser.

Eine Sensorkette in Laufrichtung bedeutet damit maximal ca. 800 Einzelelemente. Wegen der Wandlerbreite ist eventuell nur eine Sensorkette erforderlich, ansonsten beträgt die Gesamtzahl der Sensoren 1.600.

5.1.6 Realisierungsmöglichkeiten mittels der Wirbelstrom-Array-Technik:
Aufgrund der Erfahrungen mit anderen Anwendungen werden Vielfachelementmodule aufgebaut, die sich über die gesamte Laufflächenbreite erstrecken und in Umfangsrichtung 200mm abdecken. Insgesamt werden 20 solcher Module eingesetzt.

5.2 Möglichkeiten der Sensoranordnung für die Ankopplung an der inneren Stirnfläche
Hier gelten die für die Lauffläche dargestellten Überlegungen anlog bis hin den Abschätzungen der Zahlen der erforderlichen Sensoren. Die Aussagen, die oben für die innerhalb des Rasters auftretenden Winkelvariationen in der Einschallebene getroffen wurden, gelten hier nicht, da die Koppelfläche gerade ist. Dafür ergibt sich eine zusätzliche Komplexität wegen der schrägradialaxialen Einschallrichtungen, die krümmungsabhängigen Variationen unterliegen. Diese Abschätzungen müssen noch vertiefter durchgeführt werden, falls nicht diese Prüfung von der Stirnfläche von vornherein der Schlittenlösung, für die hier einfachere Randbedingungen gelten, überantwortet wird.

5.3 Systemdimensionierung
Abbildung 6: Systemdimensionierung
Aufgrund dieser gesamten Betrachtungen kann man nun ein Prüfsystem unter den alternativen Randbedingungen

  • Fahren auf Spurkranz
  • Fahren auf (geschwächter) Schiene

dimensionieren.

5.3.1 Fahren auf Spurkranz
Damit können sämtliche 6 Sensoren, die in Querrichtung erforderlich sind, nebeneinander angeordnet werden. Diese Lösung erfordert ein komplexeres Halterungssystem und die simultane Aktivierung der doppelten Kanalzahl, dafür ist eine kürzere Meßstrecke einzurichten.

5.3.2 Fahren auf (geschwächtem) Gleis
Hier sind nur jeweils 3 der 6 erforderlichen Sensoren in zwei Kaskaden unterzubringen. Diese Lösung bedeutet einen höheren Meßstrecken-Basisaufwand und ein größere Prüflänge.

5.4 Zusammenfassung für die Schienenlösung
Insgesamt ergeben sich für die drei generellen Lösungen folgende Gesamtzahlen:

  • Einzel- Prüfköpfe: 38 (25) Arraystrecken mit 6.080 (4.000) Prüfköpfen
  • 2D- Array : 26 (20) Arraystrecken mit 105.000 (82.000) Elementen
  • 3D- Array : 4 Arraystrecken mit 1.121.600 Elementen

Die Werte in Klammern gelten für den Einsatz von Breitstrahlern.

Abbildung 7: Schienenlösung, Zusammenfassende Darstellung

Der abgeschätzte Aufwand ist nicht nur für die Sensorik sehr hoch und kostenträchtig, sondern auch für die nachgeschaltete Elektronik, falls für jedes einzelne Sensorelement je eine Sender-, eine Empfänger- und Vorverstärkerschaltung zu installieren ist. Zwecks deutlicher Reduzierung der Kosten soll ein Multiplexer nur die jeweils 12 aktiven Kanäle beaufschlagen. Nur für diese ist dann der erwähnte elektronische Aufwand zu treiben. Der zu entwickelnde Multiplexer muß aber die

Überleitung einer höheren Senderspannung erlauben und rauscharm sein, da ja der Vorverstärker erst nachgeschaltet ist und das Multiplexer-Rauschen mitverstärkt.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die "Schienenbasierte Technologie" als Lösung für eine innovative Überrolltechnik grundsätzlich für realisierbar gehalten wird. Bei den verschiedenen Varianten gibt es jedoch große Unterschiede hinsichtlich Komplexität, Wirtschaftlichkeit und Kosten. Zusammenfassend können folgende Aussagen gemacht werden:

  • Generell wird empfohlen, den piezoelektrischen Ultraschall einzusetzen. Der EMUS- Ultraschall könnte für die Einschallung in die Scheibe eingesetzt werden. Die Wirbelstromprüfung kann für die oberflächennahe Zone unterhalb der Radlauffläche eingesetzt werden, wenn dieser Bereich nicht mit Ultraschall erreicht werden kann.
  • Der Einsatz von Phased Array- Prüfkopfstrecken, ob in 2D oder in 3D in der Schiene ist wegen der extrem hohen notwendigen Zahl von Piezo-Wandler- Elementen und Vorort- Elektroniken zu aufwendig und zu teuer.
  • Vorgeschlagen wird eine Prüfstrecke aus linear hintereinander angeordneten piezoelektrischen Prüfköpfen. Realisiert man sowohl die Laufflächen- als auch die Stirnflächeneinschallung mit dieser Lösung, so sind 6 Meßanordnungen mit einer Gesamtlänge von ca. 24 m notwendig.

6 Schienennah installierte, mitbewegte (dynamische) Sensorik - Schlittenlösung

6.1 Randbedingungen für die Sensoranordnung
Gegenüber der schienenbasierten Lösung ist hier die relativ zum Radumfang gegebene eingeschränkte Zugänglichkeit (z.B. durch Besandungsrohr, Wirbelstrombremse, INDUSI etc. und Schiene selbst) für die temporäre Anbringung eines Prüfschlittens zu berücksichtigen. Gemäß der Aufgabenstellung geht man für die schlittenbasierte Prüftechnik von dem Leistungsvermögen der AURA-Prüfanlage aus, das mit einer Vielzahl von herkömmlichen Ultraschallprüfköpfen und Wirbelstromsonden erreicht wird. So wird von vornherein deutlich, daß das AURA-Prüfsystem nicht direkt auf diese Randbedingungen übertragbar ist. Die drastisch beschränkte Anzahl der Prüfköpfe, die in einem realisierbaren Prüfschlitten untergebracht werden können, erfordert die Zusammenfassung möglichst vieler Prüffunktionen in einem Prüfkopf, zumindest in einem Prüfkopfgehäuse. Diese notwendige Zusammenfassung führt nach heutigem Stand der Technik fast zwangsläufig zum Einsatz der Ultraschall- Gruppenstrahlertechnik bzw. Multielementanordnung bei Einsatz der Wirbelstromtechnik.

Abbildung 8: Prüfbereiche im Radkranz

Hier besteht nicht die einschränkende Notwendigkeit des Einbaus der Sensorik in eine Vielfachanordnung mit der Notwendigkeit eines möglichst dichten Abstandsrasters der Sensoren: Bei der Schlittenlösung sind die Sensoren einzeln bzw. in Kollektiven von Gruppenstrahlerelementen angeordnet und erfüllen durch zyklisches Beaufschlagen derselben Prüffunktion relativ zur veränderlichen Radumfangsposition ihre Prüfaufgabe der Abtastung des Prüfvolumens, das der jeweiligen Prüffunktion zugewiesen ist.

1.1 Mögliche Prüftechniken für die Radprüfung
Im folgenden werden die möglichen Prüftechniken für die Erfassung der einzelnen Prüfbereiche diskutiert, wobei weitgehend von dem prüftechnischen Ansatz der AURA-Anlage ausgegangen wurde. Die Möglichkeit der zusammenfassenden Realisierung der Prüffunktionen in Gruppenstrahler-Prüfköpfen ist dabei dargestellt. Der gesamte Prüfbereich (gesamter Radkranz und Radscheibe) ist dazu in Einzelbereiche unterteilt, die jeweils (einer) bestimmten Prüftechnik(en) zugeordnet sind.

Um den Rahmen dieses Beitrages nicht zu sprengen, werden im Folgenden diese prüftechnischen Konzepte nur für ausgewählte Bereiche dargestellt, aus denen die Zusammenfassung mehrerer Prüftechniken mittels Grupenstrahlertechnik hervorgeht.

6.1.1 Prüfbereiche A und B
Prüfbereich A: Radial orientierte Fehler in/unter der Lauffläche

  • Eine prüftechnische Lösung, die vom Materialzustand der Lauffläche weitgehend unabhängig ist, ist die Prüfung mittels LLT-Technik in nahezu streifendem Einfall. Die von dem vertikal schwenkenden Gruppenstrahlerprüfkopf Pk1S bzw. Pk2S an der inneren Stirnfläche parallel zur Lauffläche einfallende steile Longitudinalwelle wird an der äußeren Stirnfläche reflektiert. Falls nun das Schallbündel auf einen senkrecht zur Lauffläche und senkrecht zur Umfangsrichtung orientierten Fehler trifft, wandelt sich die Longitudinalwelle in eine Transversalwelle um, die von dem Sender-Prüfkopf unter einem definierten Winkel empfangen wird. Einschneidende Randbedingung ist, daß die Wellenumwandlung erst für Fehlerabmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge voll funktioniert.

Abbildung 9: zur Lauffläche und Prüfbereich A, LLT-Technik.

Zu dieser Prüftechnik bestehen zwei Alternativen mit Ankopplung an der Lauffläche:

  • Ultraschallprüfung mittels ADEPT-Technik in 4 parallel angeordneten Prüfköpfen. Die Einschallung in den beiden Umfangsrichtungen ist jeweils in jedes der 4 Prüfkopfgehäuse integriert. Diese Realisierung bedeutet eine Verteilung der Prüfemp- findlichkeit quer zur Lauffläche wie die Zinken einer Gabel und würden zum sicheren Fehlernachweis relativ große Längsabmessungen der Fehler bedeuten.
  • Abbildung 10: Prüfbereich A, ADEPT-Technik oder WS-Sonden.
  • Wirbelstromprüfung mittels Multielementanordnung, entweder in Einzelsondenanordnung mit ebenfalls zinkenförmiger Empfindlichkeitsverteilung oder in einer langen Sensoranordnung mit Überlappung der Empfindlichkeitsverteilung quer zur Lauffläche, falls der Abhebeeffekt bei Laufflächenunebenheiten in Querrichtung nicht zu sehr durchschlägt. Kompromißlösungen mit einzelnen etwas gelängten Sonden mit überlappender Empfindlichkeit sind denkbar. Von Nachteil ist die relativ zu den Ultraschallprüftechniken geringe Eindringtiefe.
  • Abbildung 11: Prüfbereich B, 3-D-Winkelspiegel.

Prüfbereich B: Fehler radial orientiert in der Fase

  • Hier werden dieselben Prüfköpfe wie für Prüfbereich A eingesetzt, allerdings mit ca. 45° im Winkelspiegel.

6.1.2 Prüfbereiche C,D und E
Prüfbereich C: Fehler radial orientiert in der äußeren Stirnfläche

  • Die Abdeckung der Stirnfläche mit ca. 45° im Winkelspiegel über ihre gesamte Höhe erfordert horizontal schwenkende Gruppenstrahlerprüfköpfe. Der laterale Abfall der Prüfempfindlichkeit ist durch geeignete Parameterwahl auch im Hinblick auf die anderen zugeordneten Prüfbereiche zu minimieren und letztendlich experimentell zu bestimmen.

    Abbildung 12: Prüfbereich C.

Prüfbereich D: Fehler radial orientiert in der Unterkante der äußeren Stirnfläche

  • Hier werden dieselben Prüfköpfe wie für Prüfbereich C eingesetzt, mit einem angepaßten lateralen Einschallwinkel für einen räumlichen Winkelspiegel

    Abbildung 13: Prüfbereiche D und E.

Prüfbereich E: Fehler radial orientiert im Übergang zur Radscheibe

  • Für diese Prüfaufgabe werden dieselben Prüfköpfe wie für Prüfbereich C eingesetzt, mit einem angepaßten lateralen Einschallwinkel für ca. 45° Winkelspiegel
  • Alternativ dazu kann dieser Bereich auch von der Lauffläche aus mit einem horizontal schwenkenden Gruppenstrahlerprüfkopf Pk3L bzw. Pk4L im Winkelspiegel erfaßt werden

6.2 Systemdimensionierung
Im Zusammenhang zur Schlittenlösung ist Systemdimensionierung mehr unter dem Aspekt des Zusammenspiels der physikalischen Randbedingungen und der Möglichkeiten, die die Ultraschallelektronik bietet, zu sehen.

Bei der schlittenbasierten Lösung werden nicht hintereinander dieselben Prüffunktionen aktiviert, also eine Prüffunktion je Sekunde, sondern ein Kollektiv verschiedener Prüftechniken mit unterschiedlichen Schallwegen und damit Zeitintervallen (Takten) innerhalb eines Zyklus, dessen Zeitdauer die Summe der Taktzeiten der unterschiedlichen Prüftechniken darstellt. Das für die Abfrage aller Prüffunktionen verfügbare Zeitintervall (Zyklusdauer) hängt bei festem Taktschema direkt von der Zuggeschwindigkeit ab.

Die Untersuchung dieses Kriteriums wurde unter folge rnden Voraussetzungen durchgeführt:

  • Die geforderte Fahrgeschwindigkeit des Zuges ist zwischen 2 und 5 km/h
  • Die Schußfolge von 1 mm ist beizubehalten
  • Die Prüffunktionen können nicht simultan aktiviert werden
  • Eine Kombination mit der schienenbasierten Lösung wird nicht realisiert

Zu dem zweiten Kriterium kann aus der prüftechnischen Erfahrung in der Anwendung festgestellt werden, daß 2 bis 3 mm Schußfolge hinreichend sind. Daher kann man für die einzelnen Prüftechniken den Einfluß der Schußfolge untersuchen und dann eine fundierte Entscheidung treffen.

Das dritte Kriterium kann schon bei der heute verfügbaren Gerätegeneration überwunden werden. Es gibt die Möglichkeit, mindestens zwei Prüffunktionen simultan zu beaufschlagen.

Unter diesen Voraussetzungen ist die sich ergebende Zykluszeit mit einer modernen Ultraschall-Elektronik einzuhalten (für 2 km/h).

Die Kombination mit der schienenbasierten Technik wird später untersucht; die von der schienenbasierten Lösung übernommenen Prüffunktionen erleichtern naturgemäß ebenfalls den Zykluszeitbedarf.

Insgesamt sind diese Kriterien auch unter dem Aspekt der speicherbaren und verarbeitbaren Datenrate zu betrachten. Die Datenrate ist keine physikalische Grenze, sollte jedoch zumindest in diesem Zusammenhang erwähnt werden.

6.3 Prüf- und Gerätetechnik. Zusammenfassung
Die Ankopplung auf der Stirnfläche erfordert 8 Prüfköpfe, davon sind 6 Gruppenstrahler-Prüfköpfe.

Die Ankopplung auf der Lauffläche erfordert mindestens 4 Prüfköpfe, alle davon GRST. Falls für Zone A die Adept- oder die Wirbelstromtechnik erforderlich ist, werden mindestens 8 Prüfköpfe notwendig sein.

Damit ergeben sich ca. 75 Prüfkanäle (Anzeigenerwartungsbereiche).

Mit dieser Kombination sind alle Prüfaufgaben abzudecken.

Bei einer Schußfolge von 2,5 mm ergibt sich mit Hilfe der bewährten ALOK- Datenverdichtung eine Gesamt-Datenrate von 2,4 Mbyte/sec.

Bei der simultanen Prüfung der 4 Räder eines Drehgestelles sind diese Zahlen zu vervierfachen.

6.4 Mechanik
Aus Sicht der Mechanik gliedert sich der Prüfablauf in folgende Schritte:

  • Das erste Drehgestell des zu prüfenden Zuges nähert sich, der Prüfschlitten paßt die Prüfarmabstände an den Zugtyp bzw. das Drehgestell an und beschleunigt bis zum Gleichlauf und der Positionssynchronisierung mit den Rädern, deren Daten eingelesen werden.
  • Die Prüfarme mit den Backen klappen an, die Prüfung läuft unter Zufluß von Koppelmittel binnen ca. sechs Sekunden ab.
  • Die Prüfarme mit den Backen klappen ab
  • Der Prüfschlitten wird verzögert, läuft je nach verfügbarem Zeitintervall zurück.
  • Der Prüfschlitten beschleunigt wieder bis zum Gleichlauf mit dem nächsten Drehgestell

Abbildung 14: Schlittenlösung, Mitfahr-schritte.

Abbildung 15: Typische Zugänglichkeitssituation.

Trägt man nun diesen Vorgang in einem Ort/Zeitdiagramm beispielhaft für den ICE 1 auf, so zeigt sich, daß beim Triebwagenkopf mit einem Drehgestellabstand von ca. 11,5 m der Prüfschlitten vor dem Herannahen des nächsten Drehgestells die Ausgangsposition nicht mehr erreichen kann. Bei den Wagen mit Abstand von 17 m ist dies mit relativ erheblichen Verzögerungen und Beschleunigungen möglich. Bei 2 km/h kehrt der Prüfschlitten nach der Prüfung eines Drehgestelles und der etwas versetzten Prüfung des zweiten während der Vorbeifahrt der Wagenmitte ohne große Belastungen in die Ausgangsposition zurück.

Die schon eingangs erwähnten Einschränkungen der Zugänglichkeit insbesondere für die Ankopplung auf der Lauffläche gehen beispielhaft aus der Abbildung 16 hervor. Hier wird die Blockierung der Schlitteneinbringung von einer Seite durch die Besandung deutlich.

Für die Ankopplung auf der inneren Stirnfläche bestehen Einschränkungen der Zugänglichkeit in diesem Ausmass nicht.

7 Mögliche Kombination von Schlitten- und Schienenlösung

Die Entscheidung, welche Lösung in welchem Ausmaß und in welcher Kombination mit der anderen zum Einsatz kommt, wird aufgrund der Kriterien der Wirtschaftlichkeit und des prüftechnischen Leistungsvermögens zu treffen sein.

Aus heutiger Sicht der Prüftechnik gelten folgende Überlegungen:

  • Die Überlegungen zur optimierten Kombination der schienen- und der schlittenbasierten Technologie sollten berücksichtigen, daß die schlittenbasierte Prüftechnik eine kontinuierliche Abtastung mit konstanten Einschallwinkeln realisiert, während die schienenbasierte Lösung durch die Quantelung in einzelne dicht ge- setzte Prüfköpfe eine periodisch lokal variierende Einschallung einsetzt. Dieser Umstand ist für einzelne Prüftechniken kein Nachteil, besonders dort, wo größere Laufwege und breitere Schallbündel auftreten. Hier können erst experimentelle Ergebnisse eine endgültige Aussage stützen.
  • Generell bietet sich aufgrund des bisherigen Standes der Untersuchungen und aus den Überlegungen zur Vereinfachung der Mechanik für die Schlittenlösung die Lösung an, die Schienenlösung für die Prüfaufgaben mit Ankopplung an der Lauffläche und die Schlittenlösung für die Prüfaufgaben mit Ankopplung an der inneren Stirnfläche einzusetzen. Die schlittenbasierte Lösung deckt nämlich alle Prüfbereiche bis auf die Prüfbereiche F und G ab, zusätzlich einen bestimmten Orientierungsspielraum im Prüfbereich K.
  • Falls, wie schon oben ausgeführt, auf die V-Durchschallung für die Radscheibe nicht verzichtet werden kann, müßte die Schlittenlösung in dieser Richtung erweitert werden.

8 Wirtschaftlichkeit

Die Kriterien der Wirtschaftlichkeit haben das größte Gewicht für die Entscheidung, in welchem technischen Rahmen das Anlagenkonzept SUPRA realisiert werden wird. Dabei spielen zusammen:

  • Die prüfbedingte Ausfallzeit je geprüftem Zug, die geplante Größe ist ca. eine halbe Stunde; die bisher eingesetzten Systeme erforderten ein deutlich größeres Zeitintervall, z.B. die UFPE ca. einen Tag, die AURA ist verbunden mit dem Ausbau des Radsatzes
  • Der Preis pro geprüftem Radsatz, dieser wird beeinflußt von den Kosten der Systementwicklung, den Kosten des Systems selbst, der Zeit bis zum industriellen Einsatz (time to market), den Personalkosten, den Infrastrukturkosten und der Anlagenzahl

9 Zusammenfassung

SUPRA ist ein typisches Beispiel für ein Projekt, das alle wichtigen Charakteristika für einen interessanten ZfP-Lösungsansatz aufweist:

Es beinhaltet eine herausfordernde technische Aufgabenstellung, da unter erschwerten zeitlichen, räumlichen und prüftechnischen Randbedingungen ein dauerhaft zuverlässiges weitgehend automatisiert arbeitendes ZfP-System zu schaffen ist.

Dieses Ziel erfordert eine aufwendige Entwicklung, die in Partnerschaft zwischen Industrie, Spezialfirmen und Instituten geleistet wird. Dazu ist der Einsatz innovativer Lösungskonzepte erforderlich, die ihrerseits in die Forschungs- und Entwicklungsdomäne reichen.

Der schon erwähnte große Aufwand der Entwicklung ist nur dann gerechtferitigt, wenn eine strenge Orientierung an den Kriterien der Wirtschaftlichkeit vorherrscht.

Nur dann wird die SUPRA den geplanten Einsatz finden und ihren Beitrag zu einem zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb der Hochgeschwindigkeitszüge leisten können.

10 Literatur

  1. F. Walte, B. Rockstroh, W. Kappes, R. Weiß, M. Kröning; R. Ettlich, H. Hintze; R. Seitz: US-Radsatzprüfung an Fahrzeugen des Reiseverkehrs der DB, DGZFP Jahrestagung Innsbruck (2000)
  2. T. Hauser, E.Schulz, H. Wüstenberg, H. Hintze, M. Schüßler; Ultraschallkonzept zur Prüfung von Eisenbahnrädern im eingebauten Zustand, DGZFP Jahrestagung Innsbruck (2000)
  3. M. Schüßler, H. Hintze, R. Ettlich, Deutsche Bahn Kirchmöser: Stand der Mechanisierung der Prüfeinrichtungen für Radsätze von Schienenfahrzeugen- Entwicklungstendenzen und Erfahrungen, DGZFP Jahrestagung Berlin (2001)
  4. H.J. Salzburger, G. Hübschen, A. Wilbrand, M. Kröning: Weiterentwicklung und praktische Anwendung der EMUS-Technik, DGZFP Jahrestagung Luzern (1991), S. 498
  5. B. Rockstroh, W. Kappes, F. Walte, J. Montnacher, R. Seitz, H. Hintze, R. Ettlich: Auto- matisierte Ultraschallprüfung an Radsätzen. Der Eisenbahningenieur, Int. Z. f. Schienenverkehr und Technik, Juli 2001.
  6. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, R. Seitz, H. Hintze, J. Montnacher, G. Engl : AURA Radsatzprüfsystem für die Prüfung des Radkranzes, der Radscheibe und der Voll- bzw. Hohlwelle. Betrieberfahrung und Weiterentwicklung. XVII Konferenz für zerstörungsfreie Ultraschallprüftechnik von Metallkomponenten; 06.-08.06.2001, St. Petersburg, Russland.
  7. D. Gramatte, G. Engl, R. Meier, B. Rockstroh, F. Walte, J. Montnacher: Mechanisierte Prüfung von DB-Cargo Radsätzen - Erfahrung mit einer innovativen Kombi-Prüfanlage, DGZFP-Jahrestagung 2001, Berlin

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