DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Die automatisierte Schienenprüfung mittels Ultraschall am Beispiel des Schienenprüfzuges der Deutsche Bahn Netz AG - gesetzliche Grundlagen, praktische Erfahrungen, Stand der Technik, Ultraschallprüfsystem SFB-100 der Firma Vogt Werkstoffprüfsysteme GmbH/ScanMaster Systems Ltd

Göran Vogt, Vogt Werkstoffprüfsysteme GmbH, Burgwedel;
Herbert Zück, DB Netz AG, Minden
Kontakt: Dipl.-Ing. Göran Vogt

Einleitung:

Die Ultraschall-Schienenprüfung wird durch die Bahn seit Jahrzehnten zur Sicherstellung des Personenverkehrs und des Güterverkehrs eingesetzt. Dabei wird neben der Handprüfung vorrangig die mechanisierte und halbautomatisierte Ultraschallprüfung mit Schienenprüfzügen genutzt.

Schienenfehler:

Schienenfehler entstehen bei der Herstellung, durch ungewöhnliche Beanspruchung im Betrieb sowie durch Erreichen des Lebensdauer Ende.
Als Fehlerarten sind zu nennen: Unregelmäßigkeiten im Gefüge (Einschlüsse, Schlacken), Längsfehler (Walz Fehler), Querfehler und Anrisse (Trennungen im Gefüge), Schweißfehler (herstellungsbedingt), Dauerbrüche sowie Sprödbrüche.
Headchecks, kleine, meistens in größerer Häufung auftretende schrägliegende Risse am oberen inneren Radius des Schienenkopfes werden durch eine zusätzliche Wirbelstromprüfung erfasst, da diese mit Ultraschall nicht sicher detektierbar sind.

Präventivmaßnahmen/gesetzliche Grundlage:

Um Fahrbetriebsbeeinflussung durch diese Fehler zu vermeiden, werden in regelmäßigen Abständen durch DB Richtlinien (RIL) fest definierte Inspektionen in den durchgehenden Hauptgleisen ausgeführt, abhängig von der maximalen zulässigen Fahrgeschwindigkeit für das entsprechende Gleis vier-monatlich bis zu dreißig-monatlich. Schnellfahrstrecken werden alle 4 Monate, ausnahmsweise alle 6 Monate geprüft. Auch sind bei Strecken mit gebündeltem S-Bahnverkehr, Strecken für den Transport von Flüssigeisen sowie S-Bahnstrecken regelmäßig Überprüfungen notwendig.

Es wird zwischen den Fehlergruppen 1, 2 und 3 unterschieden, wobei schwerwiegende Fehler zur Gruppe 1 gehören und unmittelbar nach Erkennen für die Weiterverfolgung gemeldet werden müssen (Bild 1).


Bild 1: Fehlergruppen der Bewertung von Ultraschallprüfungen des Schienennetzes gemäß Ril 821.2006.

Die Fehlerprüfung erfolgt sowohl im Schienenkopf, -steg als auch -fuß, wobei der Schienenfuß in der Stegverlängerung geprüft wird. (Bild 2).


Bild 2: Fehlerprüfung im Schienenkopf, -steg als auch -fuß

Ultraschalltechnik der beiden DB - Schienenprüfzüge:

Die Deutsche Bahn setzt hochwertige digitale Ultraschall- Prüfsysteme der Firma ScanMaster Systems Ltd / Vogt Werkstoffprüfsysteme GmbH ein, die speziell für komplexe und schnelle Prüfaufgaben mit Mehrkanaltechnik entwickelt wurden (Bild 3 u. 4). Sie bestehen aus 20 Kanälen (10 Kanäle je Seite) mit jeweils 15-16 zur Zeit genutzte, unabhängige Fehlererwartungsbereiche über die Höhe der Schiene sowie bei dem Senkrechtprüfkopf zwei weitere Erwartungsbereiche, zum einen für die Erfassung der Rückwandabschwächung durch vorgelagerte Fehler (so können auch schräg liegende Fehler erkannt werden, die kein direktes reflektiertes Signal abgeben) und zu anderen für die Ermittlung der aktuellen Schienenhöhe.

Bild 3: Ultraschallprüfstand der Firma Vogt Werkstoffprüfsysteme GmbH/ ScanMaster Systems Ltd im Schienenprüfzug der DB Netz AG
Bild 4: Systemaufbau der umfangreichen Ultraschallelektronik und Peripherie

Die einzelnen Fehlererwartungsbereiche (Blenden) zur Ultraschallanzeigenerfassung sind bezogen auf die Schienenhöhe frei in ihrer Position, bezogen auf "Schienen"Tiefe und Blendenlänge, sowie ihrer Amplitudenhöhenerfassung positionierbar. Eine in der Blende auftretende Ultraschallanzeige, die die Blende überschreitet, wird aufgezeichnet und gespeichert (Bild 5).


Bild 5: Alle Informationen der einzelnen Blenden und Prüfkanäle werden gespeichert, d.h. auftretende Ultraschallanzeigen, die die Auswerteschwelle überschreiten, werden somit alle aufgezeichnet

Zur Anwendung kommen zur Zeit Prüfköpfe für die Fehlererkennung mit den Winkeln 0 Grad, 35 Grad, 70 Grad, 70 Grad schräg und für die Schweißnahterkennung mit dem Winkel 20 Grad (Bild 6). Die Prüffrequenz beträgt 2 und 4 MHz.

Bild 6: USchienenprüfzug mit Prüfkopfträgerwagen und Darstellung der Prüfkopfanordnung

Alle Prüfköpfe werden im Impuls-Echobetrieb genutzt und arbeiten zeitparallel mit einer Pulsfolgefrequenz von nahezu 5.000 Hz.
Bei den 35 Grad Prüfköpfen erfolgt auch die Auswertung des Durchschallungsechos, dass zur Überwachung der Ankopplung als auch zur Fehlererkennung genutzt wird. Als Koppelmedium dient Fließwasser, wobei die Prüfköpfe direkt auf der Schienenoberfläche in Kontakt schleifen. Der Wasserverbrauch liegt bei ca. 2000 l/100 KM.

Stand der Technik

Die Prüftechnik entspricht dem neuesten Stand der Technik durch die Verwendung digitaler Mehrkanal-Ultraschallprüfsysteme, PC-basierend, vernetzt auf der Basis eines WINDOWS 2000 Betriebssystems. Durch die hohe Anzahl an Fehlerblenden (bis zu 20 frei positionierbare Signalerfassungsblenden sind je Kanal möglich) ist eine beste Auflösung auch untereinander liegender Fehler gewährleistet.
Fehlertiefenlagen werden durch die Nutzung einer Samplingrate von 100 MHz mit einer Auflösung <0,1 mm aufgenommen.

Durch schnelle online-Darstellungen während der Prüffahrten bietet das System die sofortige Bewertung der Prüfdaten.
Während der Prüffahrt können Fehlstellen durch eine umfangreiche Logikverknüpfung UND/ODER/NOR von Fehlerblenden und Prüfkanälen ortsgetreu bei Prüfgeschwindigkeiten von 100 KM/h markiert werden.
Über die Nutzung eines Touchpanels hat das Bedienpersonal den schnellen Zugriff auf alle Kanäle und kann über einfache "Bildtasten" Aktionen wie 6dB Erhöhung der Verstärkung, Kanalwechsel, etc schnellstens einleiten (Bild 7).
Alle Prüfdaten und Einstellparameter sind in einer Datenbank gespeichert und somit frei auf alle örtlichen Gegebenheiten variierbar.

Bild 7: USchienenprüfzug mit Prüfkopfträgerwagen und Darstellung der Prüfkopfanordnung
Bild 8: Auswertung beider Schienenseiten mit Anzeigeinformationen der verschiedenen Prüfköpfe, farblich abgesetzt, inkl. der Ortskoordinaten sowie Streckeninformationen wie Tunnel, Brücke, LZB-Knoten, etc

Die Auswertung zeigt beide Schienenseiten parallel auf dem Auswerte-PC mit Anzeigeinformationen der verschiedenen Prüfköpfe, farblich abgesetzt, inkl. der Ortskoordinaten sowie Streckeninformationen wie Tunnel, Brücke, LZB-Knoten, etc. Dabei werden die Ultraschallanzeigen ortsgetreu mit 1 mm Auflösung im Gleis und mit den entsprechenden Tiefenlagen sowie farblich kodierten Amplitudengrößen (durch die von der Ungänze reflektierte Schallenergie) dargestellt (Bild 8). Im oberen Bereich des Bildschirmes kann ein Ultraschall-A-Bildfenster eingeblendet werden, mit dem der Auswerter auch die Echodynamik einzelner Ultraschallanzeigen analysieren kann.

Durch automatisierte Auswertealgorithmen, z.B. das Überspringen von Gleisabschnitten ohne Ultraschallanzeigen einer durch den Auswerter definierte Mindestgröße oder das Eliminieren bekannter Formanzeigen, wird die Zeit für die Bearbeitung und Bewertung der Prüfdaten reduziert.

Die Mechanik des Prüfkopfträgerwagens ist der Art ausgeführt, dass die Prüfköpfe auch bei Überfahrt von Weichen auf der Schiene verbleiben. Somit sind ungeprüfte Schienenbereiche auf ein Minimum reduziert.
Die Prüfkopfhalter sind der Art ausgeführt, dass auch bei hohen Geschwindigkeiten von mehr als 25000 mm/s die Ankopplung in beide Fahrtrichtungen gesichert ist. Mit Kameras werden die Prüfkopfhalterungen auf der Schiene beobachtet. Die Wasserzufuhr für das Koppelmittel ist für Fahrten unter Null Grad Umgebungstemperatur beheizt, um ein Vereisen zu verhindern und die Ankopplung sicher zu stellen.
Kontrollinstrumente für die Durchflussmenge des Koppelmittels, Füllstandsanzeigen sowie mechanische Joysticks für die Positionierung der Prüfköpfe zentrisch zur Schiene als auch für den auf die jeweilige Schienenhöhe optimierten Abstand der beiden zueinander stehenden 35°-Prüfköpfe dienen der Optimierung der Prüfergebnisse.

Ausblick

Im Bereich der Gleisprüfung mit Schienenfahrzeugen ist ein hoher Standard sowie eine hohe Prüfsicherheit erreicht. Der Einsatz der Technologien des jetzigen Standes der Technik ist erfolgreich umgesetzt.
Mit hoher Prüfgenauigkeit und Reproduzierbarkeit wird das Gleisnetz weitestgehend durch die zwei bei der Deutschen Bahn AG eingesetzten Schienenprüfzüge geprüft, um einen sicheren Fahrbetrieb zu gewährleisten.

Weiteres Verbesserungspotenzial besteht im Wesentlichen in folgenden Bereichen:

  • Schutz der Prüfköpfe gegen Fremdpartikel, die sich während der Prüffahrten in die Gleitsohle des Prüfkopfes "einfressen" und damit den Prüfkopf zerstören oder in seiner Empfindlichkeit beeinflussen (das bedeutet zur Zeit Prüffahrtunterbrechung und Austausch des Prüfkopfes)
  • Einsatz eines zusätzlichen Prüfkopfpaares mit einem Einschallwinkel von 55°
  • Ersatz der 20° - Schweißnahterkennungsprüfköpfe durch einen Wirbelstromsensor
  • Reduzierung des Wasserverbrauches für die Ankopplung der Prüfköpfe
  • Optimierung der Prüfkopfschwinger- und -gehäusegrößen sowie der Prüfwinkel, bezogen auf die heute vorkommenden Schienenfehler
  • Kombination der Prüfdaten mit den Ortskoordinaten auf der Schiene durch Nutzung von GPS
  • Beschleunigung der Auswertung durch verbesserte und erweiterte automatisierte Bewertung der Form- und Fehleranzeigen
  • Automatische Empfindlichkeitsoptimierung jedes einzelnen Blendenbereiches als auch Prüfkanals während der Prüffahrten
  • Automatische Positionierung der 35°-Prüfköpfe für die Durchschallung bezogen auf die aktuelle Schienenhöhe (Eliminierung des hierfür notwendigen Joysticks und der subjektiven Bedienung durch das Personal)
  • Automatische Mittenzentrierung aller Prüfköpfe durch die online Bewertung der Ultraschalldaten und deren Optimierung (auch hier Eliminierung des zur Zeit eingesetzten Joysticks und der subjektiven Bedienung durch das Personal)

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