DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Erfahrungen beim Einsatz der Wirbelstromprüfung an Schienen

Krull, Ronald, DB AG, Kirchmöser; Hintze, Hartmut, DB AG, Kirchmöser;
Thomas, Hans-Martin, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin; Pohl, Rainer,
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin; Rühe, Sven,
Prüftechnik Linke & Rühe, Magdeburg
Kontakt: R. Krull

Kurzfassung

Es wurde eine Prüftechnologie basierend auf dem Wirbelstromverfahren entwickelt, mit der es möglich ist, oberflächennahe Fehler in Schienen zu detektieren und zu bewerten.

Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass Fahrkantenfehler (Head Checks) mit Risstiefen bis zu 10 mm bewertet werden können. Darüber hinaus werden weitere Inhomogenitäten und Fehler wie z. B. Schleuderstellen, Belgrospi's und Squats detektiert.

Für die Anwendung der Prüftechnologie kommen 4 Anwendungsgebiete in Frage:

  1. Ausrüstung von Schienenprüfzügen,
  2. Manuelle Schienenprüfung,
  3. Ausrüstung von Schienenschleifzügen,
  4. Ausrüstung von stationären Schienenprüfständen.
Die Prüftechnik befindet sich zur Zeit in der Erprobungsphase. Der Schienenprüfzug der Deutschen Bahn AG wird in Kürze mit einem achtkanaligen Prüfsystem ausgerüstet.

Ebenfalls im Erprobungseinsatz befindet sich ein Handprüfsystem zur manuellen Schienenprüfung.

1 Einleitung

Schienen werden während der Betriebsdauer im eingebauten Zustand durch den Rollkontakt mit den Rädern von Schienenfahrzeugen sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Besonders durch den Rad-Schiene-Kontakt kann es zu oberflächennahen Fehlern in der Fahrkante von Schienen kommen. Diese als Head Checks bezeichneten Risse können bei einem Wachstum die Schienenbruchgefahr deutlich erhöhen. Deshalb ist es notwendig, diese Fehler möglichst frühzeitig zu detektieren und hinsichtlich ihrer Schädigungstiefe zu bewerten, um sie somit gezielt durch eine Schienenbearbeitung (z. B. Schleifen, Hobeln, Fräsen) beseitigen zu können.

Mit der bisher für die Schienenprüfung eingesetzten Ultraschallprüftechnik sind die oben beschriebenen Fehler nur sehr schwer zu detektieren bzw. nur ungenau zu bewerten. Aus diesem Grund ist die hier vorgestellte Prüftechnologie entwickelt worden, die es gestattet, Head Checks mit Risstiefen bis zu 10 mm zu bewerten. Hauptziel war dabei die Ausrüstung von Schienenprüfzügen für eine Inspektion bei Geschwindigkeiten bis zu 100 km/h. Diese Technik kann auch in Schienenschleifzüge eingebaut werden, um einerseits vor der Bearbeitung Aussagen über den Zustand der Schienen treffen zu können und andererseits einen Qualitätsnachweis nach vollendeter Bearbeitung zu erbringen. Parallel dazu ist ein Handprüfsystem für eine manuelle Schienenprüfung entwickelt worden.

2 Eigenschaften oberflächennaher Fehler in Schienen

Oberflächennahe Fehler in Schienen haben in der jüngeren Vergangenheit eine immer größere Bedeutung erlangt. Besonders durch neue Schienenwerkstoffe, die sehr hohe Güten und damit eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen, reicht der Materialabtrag durch den Fahrbetrieb nicht mehr aus, um entstehende Risse durch den natürlichen Verschleiß zu beseitigen.

Bild 1: Head Checks an einer Schiene

Head Checks sind oberflächennahe Fehler in der Fahrkante von Schienen, die in einem definierten Abstand schräg zur Fahrtrichtung in die Schiene einlaufen (siehe Bild 1). Sie treten meist in den Außenschienen von Schienenbögen auf. Der Winkel, mit dem die Risse in das Schieneninnere einlaufen, liegt zwischen 15 und 30°. Im Bild 2 ist ein solcher typischer Verlauf dargestellt. An dieser Stelle sei auf eine Begriffsdefinition hinsichtlich der Riss- und Schädigungstiefe hingewiesen, die ebenfalls im Bild 2 dargestellt ist.

Bild 2: Längsschliff durch einen Head Check

Bei einem weiteren Risswachstum kann es an der Fahrkante zu einer Vereinigung der Risse kommen, die zu Materialausbröckelungen führen kann. bei einem fortschreitenden Risswachstum neigen die Head Checks dann zu einer Querrissbildung, die zu einem Schienenbruch führen kann.

3 Kalibrierung des Prüfsystems

Bild 3: Schleifen der Kalibrierschiene

Für die Bewertung von Head Checks ist eine Kalibrierung der Prüftechnik unumgänglich. Da sich derartige Risse aufgrund ihrer Größe, Geometrie und Orientierung in der Schiene mit herkömmlichen Mitteln nur sehr schwer simulieren lassen, hat man eine erste Kalibrierung mit Hilfe von real geschädigten Schienen durchgeführt. Dazu wurden diese Schienen in kleinen Schritten abgeschliffen (siehe Bild 3). Nach jedem Schleifgang wurde eine Wirbelstrommessung durchgeführt. Somit erhielt man nach der Beseitigung des für die Messung benutzten Risses eine Kalibrierkurve, wie sie im Bild 4 dargestellt ist.

Bild 4: Aufgenommene Kalibrierkurve

Wichtig ist bei der Anwendung von Kalibrierkurven, die auf diese Weise aufgenommen wurden, dass sie bei der Ermittlung der Schädigungstiefe nur für einen entsprechenden Einlaufwinkel gültig sind. Andernfalls kommt es zu Abweichungen. Ziel ist es deshalb, bei den weiteren Untersuchungen allgemeingültige Kalibrierkurven zu erhalten bzw. durch die Kenntnis der Einlaufwinkel die genauen Schädigungstiefen ermitteln zu können.

4 Ausrüstung von Schienenprüfzügen mit der Wirbelstromtechnik

Die größten Anforderungen an die Prüftechnik werden bei der automatisierten Schienenprüfung gestellt. Dabei sind Prüfgeschwindigkeiten bis zu 100 km/h zu realisieren, bei denen die heute im Betrieb stehenden Schienenprüfzüge Ultraschallprüfungen durchführen.

Voraussetzung für eine auswertbare Wirbelstromprüfung bei derart hohen Geschwindigkeiten ist eine sehr genaue Sondenführung. über verschiedene Versuchstadien ist man zu der im Bild 5 dargestellten Sondenführung gelangt. Diese Führung gestattet es, mit 4 Wirbelstromsonden den Fahrkantenbereich der Schienen zu prüfen.

Bild 5: Sondenaufhängung für 4 Sonden.

Auf dem Bild 6 ist sehr gut zu erkennen, wie die Sonden um die Fahrkante angeordnet sind, so dass sie einen Bereich von ca. 24 mm prüfen können. Durch die Sondenführung wird ein Luftspalt von 0,5 mm realisiert, der durch eine Rollenführung und deren Anpressung auf die Schienenoberfläche konstant gehalten wird. Die ebenfalls im Bild 6 sichtbare "Schienenführung" sorgt für ein sicheres Gleiten der Sondenführung in Weichenbereichen, so dass die Führung nicht in Weichenlücken fallen kann und beschädigt wird.

Bild 6: Sondenpositionierung.

Das Prüfsystem für die Aufnahme und die Vorauswertung der Messdaten besteht aus den im Bild 7 dargestellten Hauptkomponenten:

Bild 7: Wirbelstromprüftechnik für den SPZ.

2 vierkanaligen Wirbelstromgeräten, 2 Computern für die Datenaufnahme,

1 Computer für die Verarbeitung und Auswertung der Daten.

Bild 8 zeigt das gesamte Prüfsystem als Blockschaltbild. Zur Bestimmung der Ortskoordinaten wird neben der zugeigenen Triggerung ein GPS-System eingesetzt, durch das besonders bei einer Nachortung mit dem manuell zu bedienenden Prüfsystem Fehler sehr schnell wiedergefunden werden können.

Bild 8: Blockschaltbild der Prüftechnik.

Die überwachung des Prüfprozesses erfolgt über einen Monitor, auf dem die wesentlichen Prüfparameter abgebildet sind (siehe Bild 9). Hier sind neben den y/t-Darstellungen für jeden Prüfkanal zusätzlich die x/y-Darstellungen für jede Sonde abrufbar, um eventuell auftretende Abweichungen sofort zu erkennen.

Bild 9: Bildschirm zur überwachung des Prüfprozesses Bild 10: Benutzeroberfläche zur Auswertung der Prüfdaten

Die Analyse der aufgenommenen Daten kann bereits auf dem Schienenprüfzug erfolgen. Dazu dient die im Bild 10 dargestellte Benutzeroberfläche. Für die Auswertung werden zwei Parameter der Head Checks herangezogen: Zum Einen wird die Ausdehnung der Risse über die Anzahl der Sonden, die den Riss erfasst haben, ausgegeben. Im oberen Teil des Bildes 10 sind die vier Kanäle einer Schiene sichtbar. Hier ist durch die hohe Ortsauflösung neben den einzeln abgebildeten Rissen auch die Orientierung der Risse auf der Schienenoberfläche zu erkennen. Als zweites Kriterium dient die Bestimmung der Risstiefe über die Amplituden der Messsignale, die durch den Einsatz eines bestimmten Risseinlaufwinkels in die entsprechende Schädigungstiefe umgerechnet werden kann.

Der Schienenprüfzug der DB Netz AG wird in diesem Jahr mit der neuen Prüftechnologie ausgerüstet werden, so dass neben der herkömmlichen Ultraschallprüfung auch Untersuchungen der oberflächennahen Bereiche der Schienen mittels Wirbelstrom durchgeführt werden können.

5 Manuelle Wirbelstromprüfung

Neben der im Kapitel 4 vorgestellten automatisierten Prüfung ist es notwendig, auch Untersuchungen außerhalb der Regelinspektion durchführen zu können bzw. bereits detektierte Fehler nachzuprüfen. Hierzu dient die im folgenden vorgestellte Wirbelstromdraisine.

Bei der hier vorgestellten Draisine (siehe Bild 11) handelt es sich um ein Prüfsystem, dass von einer Person bedient werden kann. Zur Anwendung kommt ein zweikanaliges Wirbelstromgerät B300. Die Datenaufnahme und -auswertung erfolgen mit Hilfe eines Notebooks, das per Netzwerkkabel mit dem B300 verbunden ist. Die beiden zum Einsatz kommenden Wirbelstromsonden laufen in einer Spur. Hintergrund dieser Anordnung ist die Benutzung von zwei verschiedenen Sonden, wobei eine Sonde eine sehr große Eindringtiefe besitzt (bis zu 10 mm) und die zweite Sonde eine sehr gute Ortsauflösung gewährleistet, um auch noch Risse mit sehr geringen Abständen einzeln abbilden zu können.

Analog zur Sondenführung am Schienenprüfzug muss die Vorrichtung an der Draisine ebenfalls einen konstanten Luftspalt realisieren können. Auch hierzu wird eine Rollenführung verwendet (siehe Bild 12). Mit Hilfe dieser Führung können 14 verschiedene Spuren auf der Schienenoberfläche geprüft werden, die sich vom Fahrkantenbereich bis in die Mitte der Fahrfläche erstrecken. Des weiteren ist die Sondenhalterung über einen Drehkopf mit der Draisine verbunden, so dass die Sonden unabhängig von der Bewegung der Draisine konstant in der gewählten Spur geführt werden können.

Bild 11: Wirbelstromdraisine. Bild 12: Sondenführung

Die Auswertung der aufgenommenen Messsignale hinsichtlich der Schädigungstiefe kann während der Prüfung erfolgen. Sie lässt sich in einer y/t-Darstellung im oberen Teil des Bildschirms direkt ablesen (siehe Bild 13). Vorraussetzung ist dabei jedoch die Kenntnis des Einlaufwinkels der Head Checks, um aus der Risstiefe die Schädigungstiefe berechnen zu können. Für die überwachung der Datenaufnahme stehen weitere Anzeigen zur Verfügung wie zum Beispiel die x/y-Darstellungen für jeden Kanal, die gemessene Strecke und die momentane Prüfgeschwindigkeit am oberen Rand des Bildschirms sowie überwachungsanzeigen für das GPS, die Sonden usw. im linken Teil des Bildschirms.

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Bild 13: Benutzeroberfläche zur manuellen Aufnahme und Vorauswertung der Prüfdaten

Für weitere Auswertemethoden steht eine detaillierte Software "EC-PLAY" zur Verfügung, die es gestattet, neben der Schädigungstiefe beispielsweise eine Häufigkeitsverteilung der Head Checks zu ermitteln. Des weiteren lassen sich Algorithmen wie z. B. Fourier-Transformationen durchführen, um Störsignale bzw. weitere Anzeigen aus den auszuwertenden Signalen herauszufiltern.

6 Messergebnisse

Bild 14: Vergleich zwischen manueller (oben) und automatisierter Prüfung

Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die entwickelte Wirbelstromprüftechnologie in der Lage ist, bei der Kenntnis der Einlaufwinkel die Schädigungstiefe der Head Checks sehr genau zu bestimmen. über diese Ergebnisse ist in vergangenen Veröffentlichungen bereits berichtet worden. Als Beispiel sei hier nochmals auf die präzise Reproduzierbarkeit der Signalanzeigen bei der manuellen und automatisierten Prüfung hingewiesen. Betrachtet man die beiden Messsignale im Bild14, so erkennt man, dass die Anzeigen der einzelnen Risse in Abstand und Signalamplitude nahezu identisch sind. Die Anzeigen sind mit der derzeit aktuellen Software, die neben der automatisierten Prüfung auch für die manuelle Prüfung anwendbar ist, aufgenommen worden.

Die bisher durchgeführten Wirbelstromprüfungen zeigen, dass die Prüftechnik in der Lage ist, neben den bisher primär untersuchten Head Checks auch weitere Oberflächenschädigungen bzw. Inhomogenitäten zu detektieren. Im Folgenden soll auf eine dieser Fehlerarten eingegangen werden.

Bild 15: Rissnest mit beginnendem Squat.

Rissnester, die auch als "Belgrospi's" bezeichnet werden, treten im Zusammenhang mit Riffeln auf der Fahrfläche von Schienen in relativ kurzen Abständen auf. Im Bild15 ist ein derartiges Rissnest dargestellt. Zusätzlich ist auf dieser Abbildung ein beginnender squatartiger Fehler zu erkennen. Dabei handelt es sich um eine zur Oberfläche parallele Materialtrennung in einer Tiefe von wenigen Millimetern. Auch derartige Fehler lassen sich mit der Wirbelstromprüftechnik sehr gut nachweisen. Im Bild 16 zeigt weist jede Signalanzeige auf einen solchen Fehler in der Schienenoberfläche hin. Untersuchungen für eine Kalibrierung des Prüfsystems zur Bewertung dieser Fehler sind jedoch noch nicht durchgeführt worden.

Bild 16: Detektion der Rissnester

Zusätzlich zu den hier vorgestellten Messsignalen ist bei den bisherigen Untersuchungen eine Vielzahl von weiteren Signale aufgetreten, die in Zukunft charakterisiert werden müssen. Dies zeigt jedoch das große Potenzial der Prüftechnik, um neben den ursprünglich zu bewertenden Head Checks auch andere oberflächennahe Fehler und Inhomogenitäten zu detektieren und zu bewerten.

7 Zusammenfassung und Ausblick

Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die entwickelte Wirbelstromprüftechnologie neben Head Checks durchaus in der Lage ist, auch andere Fehler zu finden und somit ein großes Potenzial bei der Detektion und Bewertung oberflächennaher Fehler in Schienen besitzt.

Noch in diesem Jahr wird der Schienenprüfzug 2 der DB Netz AG mit der Wirbelstromprüftechnik ausgerüstet, um im Rahmen der Regelinspektion von Schienen auch oberflächennahe Fehler detektieren und bewerten zu können. Diese Prüfzugtechnik lässt sich ebenfalls in Schienenschleifzüge integrieren.

Die Wirbelstromdraisine zur manuellen Prüfung wird in diesem Jahr ebenfalls die Serienreife erlangen. Parallel dazu werden mit diesem Gerät weitere Untersuchungen durchgeführt, um in Zukunft auch die Vielzahl der bisher nicht bekannten Signalanzeigen interpretieren zu können. Das Ergebnis dieser Prüfungen wird ein Signalfehlerkatalog sein, mit dessen Hilfe während der Auswertung die Anzeigen schnell und zuverlässig bewertet werden können.

Ein vierter Anwendungsfall der Wirbelstromprüfung von Schienen liegt in der Ausrüstung stationärer Prüfstände mit dieser Technik. Dabei werden Schienen vor der Aufarbeitung einer Prüfung unterzogen, um festzustellen, ob die Schienen weiterhin nutzbar sind, bzw. ob eine Bearbeitung der Oberfläche (z. B. durch Schleifen, Fräsen Hobeln) rentabel ist.

8 Literaturverzeichnis

  1. Krull, R.*(Vortr.); Hintze, H.*; Luke, M.* (*Deutsche Bahn AG, Kirchmöser); Thomas,H.-M.**; Pohl,R.** (**BAM Berlin) und Rühe,S. (PLR, Magdeburg): Eddy-current Detection of Head Checks on the Gauge Corners of Rails: Recent Results WCRR 2001 Köln, 25. bis 29. November 2001;
    http://www.ndt.net/article/v07n06/thomas/thomas.htm
  2. Rühe, S. (Vortr.); Thomas, H.-M.; Pohl, R. und Krull, R.: Weiterentwicklung der Wirbelstrom-Handprüftechnik für Schienenfehler DGZfP-Jahrestagung: ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21. bis 23. Mai 2001
  3. Krull, Ronald (Vortr.); Hintze, Hartmut; Thomas, Hans-Martin: Moderne Methoden der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung im Oberbau. Internationales Symposium "Schienenfehler" Fachhochschule Brandenburg, 16./17.11.2000
  4. Junger, Martin (Rohmann GmbH); Thomas, Hans-Martin; Krull, Ronald: Wirbelstromprüfung betriebsbedingter Schädigungen an Eisenbahnschienen Stahl und Eisen, S. 107-110, Verlag Stahl Eisen GmbH Düsseldorf, 15.12.1999
  5. Junger, Martin (Vortr.); Thomas, Hans-Martin; Krull, Ronald: Das Wirbelstrom-Verfahren auf die Schiene gebracht: Prüfung betriebsbedingter Schädigungen an Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom-Verfahren. DGZfP-Jahrestagung 1999: ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Celle, 10.-12.05.1999

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