DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wirbelstromprüfung im Schienenschleifzug

Pohl, Rainer, BAM, Berlin;
Krull, Ronald, Deutsche Bahn, Kirchmöser;
Meierhofer, Roger, SPENO, Genf; Rühe, Sven, Prüftechnik Linke&Rühe, Magdeburg
Kontakt: Dipl.-Ing. Rainer Pohl

Hohe Zuggeschwindigkeiten, große Achslasten und hohe Zugfolgefrequenzen haben die dynamischen Belastungen der Schienen in den letzten Jahrzehnten stark erhöht. Deshalb spielen betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige Ungänzen wie Head Checks und Belgrospis bei der Gewährleistung der Sicherheit des Fahrbetriebes für die internationalen Bahnbetreiber eine zunehmend wichtige Rolle. Bei ungehindertem Wachstum können diese Schäden zum Schienenbruch führen. Um dies zu verhindern, werden diese Oberflächenschädigungen im Anfangsstadium durch Abarbeiten der Schienen beseitigt.

Für die effektive Planung dieser Instandhaltungsmaßnahme wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, welches in der Lage ist, speziell für den Fehlertyp Head Checks, eine Bestimmung der Schädigungstiefe durchzuführen. Über die verschiedenen Entwicklungsstufen dieses Prüfsystems wurde bereits mehrfach berichtet [1-4]. Zur Zeit wird es bei der Handprüfung mit Draisinen und in Schienenprüfzügen eingesetzt.

Als wichtige Instandhaltungsmaßnahme für das Schienennetz ist das Bearbeiten der Schienen mit Schleifzügen weit verbreitet. Diese werden auch zur oben erwähnten Abarbeitung von Oberflächenschäden im Anfangsstadium genutzt. Ein Wirbelstromprüfsystem wurde so modifiziert, dass es in einen Schleifzug der Firma SPENO INTERNATIONAL SA integriert werden konnte. Mit diesem integrierten System wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Das Prüfsystem wird vorgestellt und über die Ergebnisse der Versuche wird berichtet.

1. Aufgabenstellung

Head Checks sind durch Rollkontaktermüdung entstehende Risse an den Fahrkanten von Schienen, die vorzugsweise in den äußeren Schienen von Bögen auftreten. Sie verlaufen unter einem Winkel ins Werkstoffinnere und ihre Abstände an der Oberfläche betragen 2...7 mm.


Abb 1: Schliffbild und Magnetpulveranzeigen von Head Checks

Unter der Voraussetzung eines konstanten Einlaufwinkels der Risse, kann das Wirbelstrommesssystem die Tiefe der Schädigung messen [1-4]. Die Kennlinienaufnahme der einzelnen Sensoren wird zur Zeit mit Hilfe künstlicher Testfehler durchgeführt. Durch einzelne Schliffbilder und Versuche mit einem Handschleifgerät erfolgte eine Verifizierung der Kalibrierung des Gesamtsystems. Hauptziel der mit dem Schleifzug durchgeführten Versuche war eine zuverlässige Verifizierung der Tiefenaussage über lange Messstrecken und an verschieden belasteten Gleisabschnitten. Wenn notwendig, sollte eine Modifikation der Kalibrierung vorgenommen werden. Des Weiteren sollten die Bedienbarkeit des Messsystems beim Schleifeinsatz, die Möglichkeiten der Protokollierung des Schleifergebnisses und das Verhalten des Systems an anderen Schädigungsarten getestet werden.

2. Eingesetztes Messsystem


Abb 2:
Wirbelstrommesssystem am Schienenschleifzug

Um die Untersuchungen schnell und kostengünstig durchführen zu können, wurde ein Messsystem aus der Handprüfung mit Draisinen entsprechend modifiziert. Die Erweiterung des Systems um ein zweites Sondenpaar und eines mit vier Sonden arbeitenden Wirbelstromgerätes ermöglichte es, wahlweise das linke oder das rechte Gleis zu prüfen. Das Wirbelstromgerät befindet sich in einem beheizbaren Elektroschrank unter dem Zug in der Nähe der Sensoren. Ein leistungsstarker PC im 19"-Gehäuse ersetzte den Laptop der Handprüfung und ermöglicht die schnelle Verarbeitung großer Datenmengen. Der PC dient auch als Benutzerschnittstelle und befindet sich in der Führerkabine des Zuges. Die Kommunikation mit dem Prüfgerät erfolgt über eine LAN-Verbindung. Ein Touchscreen an einem Schwenkarm erleichtert die Bedienung des Systems. Ein am Zug vorhandener Messträgerwagen konnte für die Montage der für den Schleifzug neu konstruierten Sondenführung genutzt werden. Die Sonden werden vor der Messung von Hand auf den erwarteten Schädigungsbereich positioniert. Die Sondenführung wird pneumatisch auf die Schiene abgesenkt und angehoben.

3. Verifizierung der Messung an Head Checks

Zur Verifizierung der Messung an Head Checks wurden bei jeder Schleifüberfahrt die Wirbelstromdaten aufgezeichnet. Da sich das Messsystem an der Lok befindet, wird nur mit jeder zweiten Messung ein veränderter Schienenzustand erfasst. Diese Veränderung umfasst jeweils zwei Schleifüberfahrten (Abb. 3). Der Abtrag pro Schleifüberfahrt war bei den Versuchen gering, so dass auch mit der Messung jeder zweiten Überfahrt eine ausreichend feine Stufung der Abträge erreicht wurde. Eine Messung des Materialabtrages an der Fahrkante erfolgte an definierten Messpunkten mit Hilfe eines speziellen Querprofilmessgerätes (DQM).

Abb 3: Zuordnung Nummer der Messung → Anzahl der Schleifüberfahrten
Abb 4: Automatische Auswertung einer Messkampagne im Raum Hannover

Das System bietet die Möglichkeit, Streckenabschnitte bis zu 1000 m automatisch auszuwerten. Hierbei werden Abschnitte von 1 m Länge auf die maximale Schädigungstiefe und die Anzahl der Einzelrisse analysiert. Das Ergebnis wird grafisch dargestellt. In Abb. 4 werden die Ergebnisse der automatischen Auswertung einer Null- und einer Schlussmessung im Raum Hannover gegenübergestellt. Geschliffen und gemessen wurde ein Streckenabschnitt von 900 m Länge. Er befand sich etwa zwischen den Streckenkilometern 28,5 und 29,4. Die roten Balken zeigen die maximale Schädigungstiefe innerhalb des ausgewerteten Meterabschnittes. Die blauen Balken zeigen die Anzahl der Head Checks pro Meter. In der Nullmessung ist zu erkennen, dass die mittlere Schädigungstiefe zwischen 1 und 1,5 mm liegt. Eine geringe Anzahl Anzeigen erreicht oder überschreitet die Grenze von 2 mm. Einige dieser Anzeigen werden durch Schweißnähte, Schienenstöße oder ähnliche Störsignale erzeugt und können deshalb vernachlässigt werden. Bei Head-Check-Schädigungungen tiefer als 2 mm erreicht das System seine Sättigungsgrenze, weshalb hier keine weitere Differenzierung vorgenommen wird.
Im Verlauf der einzelnen Schleifüberfahrten konnte beobachtet werden, wie die Schädigungstiefe entsprechend dem Materialabtrag abnahm. Nach 18 Überfahrten mit einem Gesamtabtrag von 1,7 mm waren die Anzeigen bis auf Eine beseitigt. Der Schleifprozess konnte somit erfolgreich abgeschlossen werden.

Bei der Betrachtung der Signale an der einzelnen Schädigungsstelle (Abb. 5) erkennt man, dass es sich hier tatsächlich um nicht vollständig beseitigte Head Checks handelt.

Abb 5: Signale von nicht vollständig beseitigten Head Checks bei km 28,767

Bei einem anderen Versuch im Raum Recklinghausen konnte das Schleifen nicht mehr zu einer schädigungsfreien Schiene führen. Die Ergebnisse der automatischen Auswertung sind in Abb. 6 dargestellt. Geschliffen und gemessen wurde hier eine Strecke von 220 m zwischen den Streckenkilometern 3,762 und 3,982. In der Nullmessung ist zu sehen, dass es mehrere zusammenhängende Streckenabschnitte gab, welche die Messgrenze von 2 mm Schädigungstiefe überschreiten. In der durch die Sperrpause vorgegebenen Zeit konnte in 16 Schleifüberfahrten 1,1 mm Material an der Fahrkante abgetragen werden. In der Schlussmessung sieht man, dass die meisten der Anzeigen über 2 mm weiterhin vorhanden sind. Die Anzeigen im Tiefenbereich von 1 mm wurden zum großen Teil beseitigt. An vergleichbar stark geschädigten Stellen könnte in Zukunft durch eine vorherige Messung gleich entschieden werden, dass Schleifen hier nicht mehr zum Erfolg führen wird.

Abb 6: Automatische Auswertung einer Messkampagne im Raum Recklinghausen
Abb 7: Signalbeispiel aus der Messkampagne in Recklinghausen


Abb 8:
Vergleich Wirbelstrommessung-Magnetpulverprüfung

Die Aussagen der automatischen Auswertung werden in Abb. 7 durch ein Signalbeispiel bestätigt. Gezeigt werden die Signale über eine Strecke von 1 m. Die Skalierung erfolgt auf gemessene Schädigungstiefe in Millimeter. Die Signale im Tiefenbereich bis 1 mm wurden bis auf vereinzelte Ausnahmen beseitigt, größere Anzeigen wurden nicht oder nur teilweise verringert. Die vereinzelt auftretenden Vergrößerungen von Anzeigen sind auf Ausbröckelungen zurückzuführen, die durch das Schleifen an der stark geschädigten Schiene hervorgerufenen wurden.

Bei einem Versuch im Raum Hannover wurden neben den Abtragsmessungen auch Magnetpulverprüfungen an den Abtragsmesspunkten durchgeführt. In Abb. 8 werden die Wirbelstromsignale am Messpunkt 1 den Bildern der Magnetpulverprüfung gegenübergestellt. Da die Head Checks hier sehr dicht lagen, bestehen die Wirbelstromsignale aus den Überlagerungen verschiedener Rissanzeigen. Somit ist keine exakte Zuordnung einzelner Risse zu den Signalen möglich. Die Abbildungen geben aber einen guten qualitativen Überblick von der Reduzierung der Risse an der Schienenoberfläche und der Abnahme der Wirbelstromsignale. Am deutlichsten wird dies beim Vergleich des Zustandes vor der Bearbeitung und des Endzustandes.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Tiefenbestimmung bei Schädigungen bis zu 1 mm zuverlässige Ergebnisse liefert. Bei schwereren Schädigungen werden die Tiefen eher unterbewertet. Ob dies nur auf die Qualität der Kalibrierkurven, oder auch auf andere Effekte, wie z.B. sich ändernde Risswinkel bei unterschiedlichen Risstiefen zurückzuführen ist, muss in anderen Versuchen geklärt werden.
Um die Messungenauigkeit weiter zu verringern ist eine Korrektur der Kalibrierkurven notwendig. Das bisher aufgezeichnete Datenmaterial ist hierfür jedoch noch nicht ausreichend. Deshalb sind weitere Versuche mit Schleifzügen geplant.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Tiefenaussage bis zu Schädigungstiefen von 1 mm relativ genau stimmt. Für tiefere Fehler erfolgt eher eine Unterbewertung der Schädigungstiefe. Ob diese Unterbewertung auf eine fehlerhafte Kalibrierkurve, oder auf sich ändernde Winkellagen bei tieferen Fehlern zurückzuführen sind, ist in weiteren Untersuchungen zu klären. Um eine größere Messgenauigkeit zu erreichen, müssen die Kalibrierkurven angepasst werden. Das gesammelte Datenmaterial aus den bisher durchgeführten Versuchen reicht hierzu noch nicht aus. Es werden weitere Versuche gleicher Art geplant.

4. Messung an Belgrospi`s

Die kombinierten Schleif- und Messeinsätze zu organisieren war schwierig, da das gezielte Schleifen zum Beseitigen von Head Checks zur Zeit selten durchgeführt wird. Deshalb wurde auch ein Versuch am Fehlertyp Belgrospi durchgeführt. Hierbei handelt es sich um in Verbindung mit Riffeln auftretende Rissnester. Sie treten periodisch im Abstand der Riffelberge auf und haben eine Oberflächenausdehnung von 5-15 mm. Die Abstände der einzelnen Risse sind so gering, dass die eingesetzten Wirbelstromsensoren die Risse nicht mehr auflösen können. Es wird ein Überlagerungssignal gebildet (Abb. 9), dessen Amplitude sowohl von der Oberflächenausdehnung des Rissnestes, als auch von der Schädigungstiefe abhängt.

Abb 9: Labormessung an Belgrospi's; oben Wirbelstromsignal, unten Magnetpulveranzeige

Abbildung 10 zeigt ein Ergebnis des Schleifversuches mit Belgrospi's. Da für diese Fehlerart keine Kalibrierung vorliegt, konnte weder die automatische Auswertung noch die Darstellung der Signale im Schädigungstiefenmaßstab erfolgen. Dargestellt werden die unbewerteten Spannungsamplituden über einen Abschnitt von 2 m Länge. Jede bei der Nullmessung auftretende Signalspitze ist einem Rissnest zuzuordnen. Bereits nach 4 Schleifüberfahrten und einem Abtrag von 0,35 mm waren diese Belgrospi's beseitigt.

Abb 10: Wirbelstrommessung und Schleifversuch an Belgrospi's im Raum Würzburg

5. Eignung des verwendeten Wirbelstrommesssystems für den Schleifeinsatz

Die Versuche haben gezeigt, dass sich das Wirbelstrommesssystem im Schleifzug sinnvoll einsetzen lässt. Für spezielle Untersuchungen, welche durch eine spezialisierte zusätzliche Person durchgeführt werden, ist das Messsystem voll einsatzfähig. Für den serienmäßigen Einsatz im Schleifzug ist das, für die Handmessung konzipierte, System jedoch ungeeignet. Es wird deshalb eine Neuentwicklung angestrebt, welche speziell auf die Bedienung durch das Zugpersonal während des Schleifeinsatzes angepasst wird. Hierbei wären als Schwerpunkte anzusehen:

  • An bereits vorhandene Messsysteme angepasste Bedienphilosophie
  • Anbindung an vorhandene Steuersignale und -daten (z.B. Fahrtrichtung; Ortsmarkierungen, Protokolldaten)
  • Echtzeitanalyse der Messung
  • Geeignete Protokollierung der Ergebnisse

Um auf das manuelle Einstellen der Prüfspur verzichten zu können, sollten mehrere Sensoren, ähnlich wie bei Prüfzügen, auf die Schienenoberfläche gebracht werden.

6. Zusammenfassung und Ausblick

In fünf Schleifschichten wurde das an den Schleifzug angepasste Wirbelstrommesssystem B3 Head Checker eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Wirbelstromprüfung für den Einsatz beim Schienenschleifen gut eignet. Die Protokollierung des Schleiferfolges ist für verschiedene Typen von Oberflächenschädigungen sehr gut möglich. Die Messungen der Schädigungstiefe von Head Checks waren in der Tendenz richtig, jedoch, insbesondere bei tiefen Schädigungen, noch nicht hinreichend genau.

Die angestrebte Korrektur der Kalibrierkurven konnte nicht vorgenommen werden, da dass Datenmaterial hierfür nicht geeignet oder nicht ausreichend ist. Die an den Messungen gewonnen Erfahrungen führen zu Überlegungen, ob es bei der Vermessung von Head Checks nicht sinnvoll wäre, die Auswertealgorithmen nicht auf den einzelnen Riss, sondern über statistische Daten auf ganze Rissfelder anzuwenden. Mit Hilfe solcher Daten könnte auch die Ermittlung der Schädigungstiefe für andere Fehlertypen möglich sein. Mit dem Einsatz der Messtechnik in Schleifzügen lässt sich die Gewinnung der statistischen Daten am schnellsten und sichersten betreiben. Deshalb planen die an den Versuchen beteiligten Partner, ein speziell für den Einsatz beim Schienenschleifen angepasstes Messsystem zu entwickeln. Mit diesem kann dann das Zugpersonal selbstständig entsprechende Messungen vornehmen.

Wesentliche Fragen für den künftigen Einsatz der Messsysteme in Schleifzügen sind:

  • Wird eine Protokollierung des Schleifergebnisses gewünscht?
  • Muss rissfrei geschliffen werden oder können Restschädigungen bis zum nächsten Schleifen stehen bleiben?
Damit solche Vorgaben von den verschiedenen Netzbetreibern erstellt werden können, ist eine weitere Sammlung und systematische Auswertung von Ergebnissen der verschiedenen Wirbelstrommesssysteme notwendig. Hierbei würden Ergebnisse von Messsystemen auf Schleifzügen besonders wertvolle Erkenntnisse liefern. Auf der Basis dieser Ergebnisse können Instandhaltungsstrategien im Sinne einer Reduzierung der Life Cycle Cost des Gleises erstellt werden.

7. Literatur

  1. Junger, Martin; 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
  2. Thomas, Hans-Martin; Junger, Martin; Krull, Ronald; Rühe, Sven: Erste Erfahrungen beim Einsatz der Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen; DACH-Jahrestagung 2000; ZfP im Übergang zum 3. Jahrtausend; Innsbruck 29.-31.05.2000
  3. Thomas, Hans-Martin; Pohl, Rainer: Bewertung von Oberflächenschädigungen an Schienen mittels Wirbelstromverfahren; DGZfP-Jahrestagung 2001: ZfP in Anwen-dung, Entwicklung und Forschung; Berlin, 21.-23.05.2001
  4. Krull, Ronald; Hintze, Hartmut; Thomas, Hans-Martin; Pohl, Rainer; Rühe, Sven; Erfahrungen beim Einsatz der Wirbelstromprüfung an Schienen; DGZfP-Jahrestagung 2002; ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung; Weimar

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