DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ultraschallprüfeinrichtung für die Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern

F. Walte, B. Rockstroh, W. Kappes, S. Bessert, IZFP Saarbrücken; J. Montnacher,
TEG Stuttgart; G. Herbold, R. Dath, BVV Bochum
Kontakt: F. Walte

1 Zusammenfassung

Durch die Anforderungen der neuen europäischen Norm prEN 13262 [1] für die Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern nach der Fertigung entstand ein Bedarf an automatischer Ultraschall-Prüftechnik. Prüfobjekte sind Eisenbahnvollräder und Radreifen.

Die im Jahr 2000 im IZFP begonnene Entwicklung von Eisenbahnrad-Prüfanlangen vom Typ RWI (Rail Wheel Inspection) [2] wurde im Jahr 2001 konsequent fortgesetzt. Grundlage waren die erfolgreiche Einführung der automatischen Ultraschallrad-Prüfsysteme AURA zur US/WS-Prüfung von ausgebauten Eisenbahnradsätzen in den DB Werken Nürnberg, München, Neumünster, Wittenberge, Delitzsch und Paderborn, sowie die Inbetriebnahme der Unterflurprüfeinrichtungen UFPE zur US-Prüfung von Eisenbahnradsätzen in vier Werken der DB-AG. Die hierbei in der Praxis gemachten Prüferfahrungen wurden auf die US- Radprüfanlage RWI übertragen.

Eine erste US-Prüfanlage wurde im Radwalzwerk des Bochumer Vereins für Verkehrstechnik (BVV) in Bochum aufgebaut, erprobt und in Betrieb genommen [3,6,7].

Keywords:
ZfP, ZfP im Eisenbahnwesen, automatisierte Ultraschallprüfung, Eisenbahnradprüfung, Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern

2. Aufgabenstellung

Die Festlegungen in prEN 13262 sowie die betriebsinternen Forderungen führten zur Entwicklung einer Eisenbahnrad-Prüfanlage für Vollräder und Radreifen mit der zentralen Zielsetzung:

  • Nachweis von inneren Fehlern entsprechend einer Empfindlichkeit eines 1 mm Kreisscheibenreflektors (KSR)
  • Einhaltung einer toten Zone von £ 10 mm
  • Prüfzeit £ 2 Minuten
  • Taktzeiten (Boden zu Boden Zeit) von £ 4 Minuten
  • kein mechanisches Umrüsten bei Raddurchmessern von 690-1350 mm
  • automatische Prüfdatenauswertung, -dokumentation und -sicherung.

Der Prüfumfang nach Norm beinhaltet die Prüfung des Radkranzes mit radialer und axialer Einschallung, wobei die Anzahl der Prüfköpfe und Prüfspuren eine lückenlose Abdeckung des Radkranzquerschnittes mit Ausnahme der toten Zonen ermöglichen müssen (Abb. 1)

Abb 1: Prüfumfang und Prüfbereiche

3. Konzept

Um Forderungen des Auftraggebers zu erfüllen wurde folgendes Konzept realisiert (siehe Abb. 2) :

  • Prüfung in Tauchtechnik mit senkrecht eingeschallten Longitudinalwellen
  • vertikale Lagerung des Rades mit ca. 10 ° Schräglage zur Stabilisierung
  • 4 Prüfköpfe für die radiale Einschallung über die Lauffläche
  • 2 Prüfköpfe für die axiale Einschallung über die Stirnfläche
  • max. 8 Drehungen des Rades mit Verschiebung der Prüfköpfe in axialer Richtung
  • Prüfspurabstand von 5 mm

Abb 2: Prüfkonzept

Um die Forderung der Nachweisgrenze von KSR 1 mm zu erreichen wurde ein Prüfkopf mit einer Frequenz von 5 MHz (obere Frequenzgrenze nach Norm) gewählt.

Mit diesem Ultraschall-Prüfkopf erreicht man den Nachweis von Flachbodenbohrungen mit KSR 1 mm (Abb. 3).

Die Validierung der Fehlernachweisgrenze erfolgte an einem ebenen Testkörper aus Radstahl, sowie an dem spezifizierten Testrad. Der ebene Testkörper war mit Flachbodenbohrungen von 1 mm Durchmesser (KSR 1) versehen. Das Testrad enthielt entsprechend UIC [4] Flachbodenbohrungen, die im oberen Teil einen Durchmesser von 2 mm (KSR 2) hatten, sowie Referenzreflektoren nach der AAR-Norm [5].

Abb 3: Fehlernachweis Abb 4: Testkörper

Die Versuche an dem ebenen Testkörper mit 1 mm Flachbodenbohrungen und Messungen an dem spezifizierten Testrad (Abb. 4) mit 2 mm Flachbodenbohrungen zeigten ein ausreichendes Signalrauschverhältnis.

Durch das relativ schmale Schallbündel des o.g. Prüfkopfes ergibt sich an der engsten Stelle eine -6 dB Schallbündelbreite von 5 mm und damit auch ein Prüfspurabstand von 5 mm.

4 Sensormechanik

Um das nach [1] zu prüfende Radkranzvolumen 100% abzudecken, werden auf der Lauffläche vier und auf der Stirnfläche zwei Ultraschallsensoren platziert, die nach jeweils einer Raddrehung um den Prüfspurabstand verschoben werden.

Die Ankopplung erfolgt über eine Wasservorlaufstrecke von ca. 45 mm um zu vermeiden, dass das 2. Oberflächenecho in die Fehlerblende fällt. Um bei der Laufflächenprüfung immer senkrecht zur Oberfläche einzuschallen, muss die akustische Achse der Prüfköpfe exakt durch den Radmittelpunkt führen. Dies wird erreicht, indem die Prüfköpfe mittig zwischen zwei Rollenpaaren angeordnet werden. Durch dieses Design ist eine Senkrechteinschallung für alle Raddurchmesser gewährleistet.

5 Prüfdatenaufnahme und Auswertung

Die Ultraschallprüfelektronik besteht aus einer 12-kanaligen PCUS 40 Einheit, integriert in einen Industrie PC und eingebaut in einen Bedienschrank (Abb. 5).

Abb 5: RWI-Bedienschrank Abb. 6: Tauchbecken mit Sensormechanik

Die Datenaufnahme erfolgt mittels Blendentechnik (bis zu 4 Messblenden pro Takt) mit Echostartblende und einer automatischen Blendenanpassung bei unterschied-lichen Abmessungen des Prüfbereiches. Die Anzahl der notwendigen Prüfspuren für die einzelnen Prüfkopfpaare wird für die individuellen Radkranzdaten automatisch berechnet. Während der ersten Raddrehung wird die Radkranzbreite durch eine Ultraschalllaufzeitmessung bestimmt sowie auf einer Spur bei der Einschallung von der Stirnfläche die Schallschwächung gemessen.

Die Ergebnisse werden als

  • Kurzprotokoll
  • Balken C-Bild
  • Seitenansicht

dokumentiert, wobei zu Analysezwecken für jede Prüfspur eine Amplitudendynamik dargestellt werden kann, in der die einzelnen Ultraschallanzeigen vermessen werden können (Abb. 7).

Fig 7a: Fig 7b:
Abb. 7: Balken C-Bild (oben) und Amplitudendynamik (unten) mit Anzeigen aus dem Testrad

Die Ergebnisse (Kurzprotokoll, Balken C-Bild und Seitenbild) werden sowohl auf der Datenfestplatte des PC's als auch über eine IRMS- Datenbank-Software auf einen externen Server gesichert.

6 Gesamtsystem

Das Gesamtsystem RWI 004 besteht aus (Abb. 8):
Abb 8: Gesamtsystem

  • Spezialkran zum Aufnehmen, Transportieren und Absetzen der zu prüfenden Räder sowie des Testrades
  • Zu- und Abführeinrichtung der Räder
  • Tauchwanne mit Drehgestell und Sensormechanik
  • Mechanik-Steuerungen (SPS)
  • Bedienschrank mit PCUS 40 Elektronik und Leit-PC

7 Literatur

  1. prEN 13262, Entwurf August 1998, Bahnanwendungen, Radsätze und Drehgestelle, Räder, Produktanforderungen
  2. F. Walte, Automatisches Ultraschall-Prüfsystem RWI für die Einzelradprüfung Jahresbericht 2000, Fraunhofer-Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren
  3. F. Walte, W. Kappes, B. Rockstroh, R. Dath Modifizierte Radprüfsysteme für neue Eisenbahnräder und Radsätze für Schienenfahrzeuge. DGZfP Jahrestagung 2001, Berlin, Berichtsband
  4. UIC 812- 3 V Technische Lieferbedingungen für Vollräder aus gewalztem, unlegiertem Stahl für Triebfahrzeuge und Wagen, 1.1.1984
  5. AAR - Manual of Standards and Recommended Practices, Section G - Wheels and Axles, 1998
  6. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, G. Herbold u.a. Modifizierte Radprüfsysteme für neue Eisenbahnräder und Radsätze für Schienenfahrzeuge 5. Internationale Schienenfahrzeugtagung 20.-22.02.2002, HTW Dresden
  7. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, S. Bessert - Fraunhofer IZFP J. Montnacher - Fraunhofer TEG G. Herbold, R. Dath - Bochumer Verein Verkehrstechnik u.a. Stand der Entwicklung von mechanisierten Prüfeinrichtungen bei der Neufertigung von Radkomponenten auf der Grundlage der AURA-Erfahrungen 2. Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen 19.-21.03 2002, Wittenberge

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