DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ultraschallprüfung von Radsatzwellen mit Gruppenstrahlern - erste praktische Erfahrungen

Gottfried Schenk, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin;
Wolfgang Hansen, Agfa NDT, Hürth;
Hartmut Hintze, Deutsche Bahn, Kirchmöser;
Reinhard Fischer, Deutsche Bahn, Wittenberge.
Kontakt: G. Schenk

Zusammenfassung

Bei der laufenden Instandhaltung der Schienenfahrzeuge werden die Radsätze auf Fehlerfreiheit geprüft. Dabei werden sowohl die Laufräder wie auch die Radsatzwellen einer zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall unterzogen.

Im Werk Wittenberge der DB Regio AG wurde im Jahre 2001 die bisher eingesetzte Handprüfung bzw. eine teilmechanisierte Prüfung mit konventioneller Technik durch eine mechanisierte automatische Prüfung mit Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik abgelöst. Die bisherige individuelle Befundbewertung durch A-Bilder wurde durch eine numerische Rekonstruktion der Prüfdaten mit bildhafter Darstellung ersetzt. Dabei konnte die Prüfaussage signifikant verbessert und die Prüfzeit von bisher bis zu 30 Minuten auf 5 Minuten reduziert werden.

Ziel bei der Prüfung von Radsatzvollwellen ist es, die Rad- und Bremsscheibensitze sowie sämtliche Querschnittsübergänge auf radiale Fehler, d.h. auf quer zur Längsachse liegende Risse, zu überprüfen. Die eingeschränkte Zugänglichkeit der Prüforte hätte beim Einsatz von konventioneller Technik eine Vielzahl von Winkelprüfköpfen erforderlich gemacht, was in der Praxis einen schwer zu bewältigenden Aufwand allein auf Seiten der Prüfmechanik mit sich gebracht hätte. Die Technik der laufzeitgesteuerten Gruppenstrahler ermöglicht es, sämtliche geforderten Prüfbereiche mit 4 Prüfköpfen zu erfassen.

Keywords
Ultraschall Gruppenstrahler; Prüfung von Radsatzvollwellen; bildhafte Auswertetechnik.

Aufgabenstellung

Radsatzvollwellen mit unterschiedlichen Geometrien (10 verschiedene Bauarten) sind auf radiale Fehler (Oberflächenrisse) zu untersuchen. Dabei müssen Fehler ab einer Tiefe von 2 mm und einer Ausdehnung von 20 mm mit einem Rauschabstand von mindestens 6 dB nachgewiesen werden können. Die Prüfzeit soll bei einer befundfreien Prüfung nicht länger als 5 min betragen [1].

Bild 1: Zur Prüfung vorgesehene Radsätze der DB

Bild 2: Prüfbereiche einer Radsatzvollwelle mit 3 Bremsscheiben

Als Prüfbereiche gelten sämtliche Querschnittsübergänge der Welle, insbesondere die Radsitze, die Bremsscheibensitze (soweit vorhanden), der Notlauf und der radsitznahe Bereich der Wellenschenkel. Die Prüfung beschränkt sich auf den oberflächennahen Bereich, d.h. die Wellen sind auf dort liegende, radial zur Wellenmitte verlaufende Fehler zu untersuchen.

Als Prüfflächen, d.h. die Bereiche, an denen die Prüfköpfe aufgesetzt werden können, wurden die Wellenschaftbereiche zwischen den Prüfbereichen definiert. Darunter sind die Mantelflächen des Wellenschaftes zwischen Radsitz und erstem Bremsscheibensitz sowie die Bereiche zwischen den Bremsscheibensitzen zu verstehen (soweit vorhanden).

Als Prüfzeit für eine befundfreie Prüfung wurden 5 Minuten vorgegeben. In dieser Zeit ist der Radsatz in der Prüfanlage zu positionieren, die Prüfkopfmechanik gemäß der zu untersuchenden Bauart zu verfahren, eine Benetzungsfahrt durchzuführen, die Prüffahrt an der Radsatzwelle vorzunehmen und der Prüfbefund zu erstellen.

Vor dem Einbringen der Radsatzwelle in den Prüfstand müssen die Prüfflächen mit Hilfe einer geeigneten automatischen Reinigungseinrichtung für die Prüffahrt vorbereitet werden. Dabei sind Schmutzschichten, Bitumenreste und eventuell vorhandene inhomogene Farbschichten ohne Beschädigung der Radsatzwelle zu entfernen.

Prüfkonzept

Das Prüfkonzept, das in der Anlage im Werk Wittenberge der DB Regio AG eingesetzt wird, basiert auf der Technik der laufzeitgesteuerten Gruppenstrahler [2], [3], [4]. Es ermöglicht ein elektronisch gesteuertes, stufenloses Schwenken und Fokussieren des Schallbündels. Damit ist, wie gefordert, die Prüfung der Radsatzwellen von lediglich 4 bzw. 6 festen Einschallorten aus möglich.

Bild 3: Prüfkonzept mit 4 GRST-Prüfköpfen

Es kommen 4 identische Gruppenstrahlerprüfköpfe zum Einsatz. Die Prüfköpfe Pk 1 und Pk 2 decken die beiden Radsitze sowie den Notlauf und die Wellenschenkel ab, während Pk 3 und Pk 4 die äußeren Bremsscheibensitze bis zu den Radsitzen erfassen. Bei Radsatzwellen mit einem dritten Radscheibensitz müssen die beiden inneren Prüfköpfe Pk 3 und Pk 4 um 180° gedreht und an diesen heran verfahren werden. Die jeweiligen Ankoppelbereiche sind schraffiert gekennzeichnet. Bei einem Schwenkwinkelbereich von 25° bis 74° können somit von den markierten Positionen aus alle geforderten Prüfbereiche erfasst werden [5].

Es werden lineare Schwingeranordnungen mit 14 Elementen und einer Schwingerfrequenz von 3 MHz Transversalwelle eingesetzt. Als Schwingermaterial wird Compositwerkstoff verwendet. Zur Optimierung der Prüfkopfparameter und Anpassung des Prüfkopfs an die Wellengeometrie ist ein Vorsatzkeil vorgesehen, der einen Mittenwinkel von 58° vorgibt.

Als Ankoppelmedium dient Wasser, das einem geschlossenen Kreislauf entnommen wird. Speziell angepasste, austauschbare Gleitkufen ("Schleißsohlen") sorgen für eine sichere Ankopplung und schützen die Prüfköpfe vor Abnutzung.

Aufbau der Prüfanlage

Die Prüfanlage besteht aus einem Reinigungsstand, einem Manipulatorsystem ("SPS"), der Ultraschallanlage, dem Leitrechnerstand und den Prüfköpfen. Ein an einem Schwenkarm montierter, zusätzlicher Monitor erlaubt die online-Überwachung des Prüfablaufs.

Bild 4: Prüfanlage mit Testradsatz

Das Spektrum der zu prüfenden Bauarten reicht von Radsatzvollwellen ohne Bremsscheiben (klotzgebremste Züge) bis zu Radsatzvollwellen mit 2 bzw. 3 Bremsscheiben. Es treten auch Bauarten mit Sondergeometrien zwischen Radsitz und erstem Bremsscheibensitz auf. Diese zeichnen sich durch einen deutlich kürzeren zylindrischen Wellenschaft oder eine durchgehende Torusform aus. Hier müssen die Prüfköpfe mit einer speziell angepassten Sohle ausgestattet werden. Damit der Prüfkopfwechsel, wie gefordert, einfach handhabbar und ohne signifikante Verlängerung der Prüfzeit durchgeführt werden kann, kommt eine Umklappmechanik zum Einsatz, die von der SPS gesteuert wird.

Prüfablauf

Die Prüfung beginnt mit der Eingabe der Radsatzbauartdaten am Leitrechner. Anschließend wird eine Benetzungsfahrt durchgeführt. Die Ankoppelflächen aller zum Einsatz kommenden Prüfköpfe werden über Düsen mit Wasser benetzt. Im Anschluss daran erfolgt die Messfahrt.In Abständen von 1° wird entlang der Umfangsposition ein Winkelschwenk von 25° bis 74° in 1°-Schritten durchfahren.

Zusätzlich wird an jeder Umlaufposition die 0°-Einstellung für die Empfindlichkeitsmessung durchgeführt. Eine dabei mitlaufende Formechomessung dient der online-überwachung. Die dabei aufgenommenen Messdaten werden, prüfkopfzugeordnet, in Form von TD-Bildern online auf dem überwachungsmonitor dargestellt. Sie ermöglichen dem Prüfpersonal eine sichere Kontrolle des Prüfablaufs und des Prüfsystems.

Der Versatz der Welle erfolgt mit Hilfe eines Hydraulikmotors. Die Drehzahl beträgt 0,5 bis 2 Umdrehungen pro Minute. Er ist im Rollstand integriert, der den Radsatz während der Prüfung aufnimmt.

Erstellung des Prüfbefunds

Bild 5: Rekonstruktionsbild einer befundfreien Welle

Nach dem Ende der Messfahrt erfolgt die numerische Rekonstruktion der Messdaten. Sie wird auf dem Leitrechner durchgeführt. Es wird die Technik der Abwicklungs(AW)-Bilder eingesetzt. Diese stellen eine Sonderform des TD-Bildes dar und entsprechen einem über die Wellenoberfläche aufgespannten C-Bild. Parallel dazu finden, soweit erforderlich, die Positionierung der Prüfköpfe Pk 5 und Pk 6 zur Prüfung des 3. Bremsscheibensitzes, und die hierzu erforderliche Benetzungsfahrt statt.

Während der, bei Radsatzwellen mit einem inneren Bremsscheibensitz erforderlichen, 2. Messfahrt werden die Befundbilder der linken Wellenseite ("Wellenseite A") und der rechten Wellenseite ("Wellenseite B") auf dem Leitrechner-Monitor dargestellt. Anschließend werden sie durch das Befundbild des inneren Bremsscheibensitzes ergänzt ("Wellenmitte"). Nun kann vom Prüfpersonal der Prüfbefund erstellt werden, der gespeichert und in einer Datenbank abgelegt wird.

Reinigungsanlage

Bild 6: Unterflur-Reinigungsanlage

Dem Prüfstand ist eine Reinigungsanlage vorgeschaltet, in der die Ankoppelflächen von inhomogenen Farbschichten, Verschmutzungen und eventuell vorhandenen Bitumenschichten befreit werden. Es kommt ein neuartiges Unterflur-Reinigungssystem zum Einsatz, das auf der Basis eines Unterdruck-Strahlverfahrens arbeitet.

Das Strahlmittel - Hochofenschlacke mit einer Körnung von 0,23 bis 0,9 mm - wird über 4 Düsen auf die zu reinigenden Flächen aufgebracht. über Keramiklanzen, die mit den Saugrohren an die Welle angepresst werden, werden das Reinigungsmittel sowie die abgelösten Partikel abgesaugt.

Neben der Einsparung von Platz - das Unterflurreinigungssystem benötigt keine Kabine - bietet das Verfahren den Vorteil, dass genau an den Stellen gereinigt wird, wo es durch die Geometrie der jeweiligen Bauart erforderlich ist. Denn mit der Eingabe der Radsatzbauart werden die Saugrohre von der SPS exakt an den Ankoppelflächen der Welle positioniert.

Überwachung der Prüfanlage

Zur Gewährleistung einer sicheren Funktion des Prüfsystems wird die Anlage in regelmäßigen Abständen einem Testlauf unterzogen. Zu diesem Zweck wird ein Testradsatz in den Prüfstand eingebracht, der mit einer Reihe von definierten Testfehlern versehen ist. Das dabei ermittelte Befundbild ("Testbild") wird vom Prüfpersonal mit einem abgespeicherten "Referenzbild" verglichen.

Bild 7: Gegenüberstellung von Testbild (oben) und Referenzbild (unten), aufgenommen von der linken Wellenseite der Testwelle

Bild 8: Radsatzvollwelle (BA 018) mit Testfehlern (2 mm Sägeschnitte)

Ausblick

Die im Werk Wittenberge der DB Regio AG installierte Prüfanlage zur automatisierten mechanisierten Prüfung von Radsatzvollwellen ist seit Oktober 2001 im Betrieb. Es wurden mehr als 7000 Wellen geprüft. Die mittlere Taktzeit betrug, wie gefordert, 5 Minuten, wodurch die Prüfzeit drastisch reduziert werden konnte. Durch den Einsatz eines Bild gebenden Verfahrens wurde darüber hinaus die Prüfaussage signifikant verbessert.

Die Umstellung auf verschiedene Wellengeometrien erfolgt automatisch über die Eingabe der jeweiligen Radsatzbauart. Durch die Eingabemöglichkeit von Prüfparametern ist es sehr einfach, das Prüfsystem auf neue Radsatzbauarten umzustellen. Die Anpassung an Wellen mit Sondergeometrien wird mit Hilfe einer Umklappmechanik durchgeführt, die je 3 Prüfköpfe mit unterschiedlichen Sohlen enthält.

Als besondere Herausforderung hat sich die automatische Empfindlichkeitseinstellung herausgestellt. Denn wenn Empfindlichkeitsschwankungen von mehr als 6 dB auftreten, müssen diese mit Hilfe einer Verstärkungsanpassung kompensiert werden. Prüfkopfbedingte konstante Ankoppelverluste werden zusätzlich individuell durch einen prüfkopfspezifischen Verstärkungskorrekturwert ausgeglichen.

Eine Befundbewertung per Software ist geplant. Diese würde einen vollautomatischen Betrieb der Prüfanlage ermöglichen, mit dem Vorteil, dass subjektive Fehler durch den Prüfer bei der Befunderstellung vermieden werden könnten. Die dafür erforderliche Bilderkennungssoftware ist jedoch sehr anspruchsvoll und zur Zeit noch nicht verfügbar.

Literatur

  1. R. Ettlich, M. Schüßler: Technische Anforderungen (Lastenheft) an eine Ultraschallprüfeinrichtung zur Prüfung von Radsatzwellen (Vollwellen) im Werk Wittenberge der DB Regio AG; FTZ 72 Brandenburg-Kirchmöser, unveröffentlicht.
  2. W. Gebhardt, F. Bonitz: Das Phased Array als neuer elektronisch steuerbarer Prüfkopf in der Werkstoffprüfung; !. Europäische Tagung für ZfP, Mainz 1978; Nr. 58, Tagungsband S. 507 - 515.
  3. A. Erhard, H. Wüstenberg, U. Haufe, W. Möhrle: Berechnung und Bau von Gruppenstrahlerprüfköpfen; 3rd European Conference on Nondestructive Testing, Florence 1984, Tagungsband S. 156 - 170.
  4. A. Erhard, G. Schenk, W. Möhrle, H. Wüstenberg, W. Rathgeb: Beitrag der Gruppenstrahlertechnik zur Automatisierung in der Ultraschallprüfung; DGZfP-Seminar Automatisierung in der Ultraschallprüfung - Stand der Technik, Entwicklungstendenzen bei mobilen Prüfanlagen; Berlin 1988, Berichtsband 17, S. 150 -158.
  5. H. Hintze, M. Schüßler, R. Ettlich, N. Bertus: Anwendung der Gruppenstrahlertechnik bei der automatisierten Ultraschallprüfung von Vollwellen im Rahmen der Instandhaltung von Radsätzen bei der Deutschen Bahn; ZfP in der Anlagenüberwachung, Querschnittsseminar der DGZfP, Berlin 2000, Berichtsband 74, S. 23 - 30.

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