DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Oberflächenrißprüfung mittels Wirbelstrom an Schienenköpfen zur Feststellung von Abrollermüdung (head checks)

R. Meixner, Mittli KG; J. Hansen, Hocking NDT Ltd, St. Albans
Kontakt: Rudolf Meixner

Mit diesem Vortrag soll gezeigt werden, wie die Wirbelstrom Prüfmethode in Verbindung mit bestehenden zerstörungsfreien Verfahren für die Schienenprüfung eingesetzt werden kann.
Als Reaktion auf Presseberichte seit der Zugsentgleisung in Hatfield, Oktober 2000, haben Hocking viele Anfragen von britischen und anderen ausländischen Bahngesellschaften erreicht, die die Durchführbarkeit einer Wirbelstromprüfung auf head checks zum Inhalt hatten.


Fig 1: Long-Term Trend of Broken and Defective Rails Removed

Diese Graphik zeigt einen Langzeittrend über gebrochene und defekte Schienen, die ausgetauscht werden mußten.
Wie bei allen Statistiken gibt es unterschiedliche und widersprüchliche Interpretationen.
In jüngster Zeit sind sowohl die Beschädigungen als auch die Brüche gestiegen. Über den Daumen gesehen kommen auf 10 Beschädigungen 1 Bruch.
Über eine lange Periode hinweg haben sich die Defekte verachtfacht, während die Brüche gleichgeblieben sind.
Ein Grund dafür ist, daß das Auffinden von Defekten auf Grund des zunehmenden Schienenverkehrs und der dadurch geringer werdender Prüfzeitraum, immer schwieriger wird.
Daher wurde vorgeschlagen, die manuelle Ultraschallprüfung durch eine automatische zu ersetzen.
Es sollten bestehende Prüftechniken mit anderen zerstörungsfreien Methoden verglichen werden, um die optimale Fehlerfindungs- und Beurteilungs - Strategie festlegen zu können.
Unsere Überzeugung ist, daß die Wirbelstromprüfung eher geeignet ist, die typischen Fehler, die durch Abrollermüdung entstehen, zu finden und auch als ein Filter gelten kann, betroffene Flächen zu orten, um sie danach einer genaueren Untersuchung zu unterziehen.
Die Wirbelstromprüfung ist, historisch gesehen, bei der Schienenprüfung stark vernachlässigt worden.
Bei zwei Einsatzbereichen hat sie sich als wertvolles Werkzeug erwiesen:

  • Innenrohrprüfung: Bei der Innenrohrprüfung, wie z.B. an Wärmetauscherrohren erzielen wir ausgezeichnete Ergebnisse, das bei hoher Geschwindigkeit. Nachkontrollen mit wesentlich langsameren Verfahren, wie UT und Endoskopie bestätigten die Ergebnisse
  • Bohrlochprüfung: im Nietbereich, Korossionen an Flugzeugstrukturen, Felgenprüfung und die Kühlbohrungen an Turbinenscheiben sind typische Einsatzgebiete in der Luftfahrt.

Wirbelstrom und Ultraschall ergänzen sich großteils.

An Hand dieser Aufstellung werden Hauptvor- und Nachteile verglichen.
Zuerst stand die Suche nach alternativen Lösungen im Vordergrund (einschließlich Mehrspulen Arrays)
Ziele waren:

  • gleichmäßige Empfindlichkeit über die gesamte Prüffläche
  • gute Empfindlichkeit sowohl für Längs - als auch für Querfehler
  • um Oberflächenunebenheiten auszugleichen ist eine gute lift off - Charakteristik notwendig
  • das Spulensystem muß robust sein
  • es sollte an unterschiedliche Schienenprofile anpassbar sein

Nach der Festlegung verschiedener Strategien wurde an eine Spule gedacht, welche die notwendigen Eigenschaften aufwies und vor allem extrem einfach in der Anwendung sein sollte. Sie wurde Wide Scan Rail getauft.
Ein typisches Wirbelstromspulenelement ist max. 25mm breit, normalerweise aber ca. 1 - 2mm.
Um die ganze Lauffläche abdecken zu können, würden daher mehrere Spulen gemeinsam mit einem Multiplexer zu betreiben sein, was zu komplizierten Daten und großem Geräteaufwand führt.
Um eine praktikable Lösung zu finden, wurde die Wide Scan Rail entwickelt.

Sie besteht nur aus einer Spule, welche die Möglichkeit bietet, in einem Durchlauf orientierte Fehler zu finden und ein Signal zu liefern, welches im Verhältnis zur Oberflächenlänge und Tiefe des Fehlers steht.

Die aktive Oberfläche der Spule kann leicht an die Form unterschiedlicher Schienenköpfe angepasst und auch so ausgeführt werden, um auch andere Applikationen abdecken zu können.
Die Ergebnisse, die mit dieser Spule erzielt wurden zeigen die ausgezeichnete Empfindlichkeit, die erreicht werden konnte.
Die Wide Scan Rail - Spule wurde an künstlichen und natürlichen Fehlern unterschiedlicher Größe und Richtung als auch unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit erprobt.
Daraus entspringen die Empfindlichkeitsstufen, die auf den Spulen angeführt sind.


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Um die Eigenschaften der Spule ermitteln zu können, wurde ein ebenes Prüfstück gefertigt (Stahlplatte) und mit künstlichen Fehlern versehen.
Es wurde eine Rechtecknut und eine Segmentnut eingebracht.
Die Fehlergröße und -länge wurde auf Basis britischer Prüfvorschriften gewählt.

Fehlerempfindlichkeit:

Die erste Aussage ist die, daß es zu einer 150° Phasenabspaltung kommt, wenn das Wirbelstromsignal auf einen Längsfehler trifft (parallel zur Scanachse), verglichen mit einem Querfehler (im rechten Winkel zur Scanachse)
Das führt zu 2 Prüfaussagen:

  • Querfehler > wo das Feld unterbrochen wird
  • Längsfehler> wo das Feld verzerrt wird
  • Bei Querfehlern ist die Amplitude proportional zur Fehlerlänge
Bei Längsfehlern ist die Amplitude proportional zur Fehlerfläche (das gilt bis zu einer Fehlerlänge von ca. 14mm)


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Eine Erhöhung des Spulenabstandes (lift off effekt) ergibt eine Verkleinerung der Amplitude.
Das betrifft nicht sich grundsätzlich ändernde Abstände, die z.B. durch Führungsrollen ausgeglichen werden, sondern Abstandsänderungen, die z.B. durch Abnutzung entstehen.
Der gemessene Wert beträgt ca. 3dB/mm. Verglichen mit anderen Wirbelstromspulen, wie

  • Spitzprüfsonde = 30dB/mm
  • Schweißnahtaster = 8dB/mm

Daher ist die Wide Scan Rail sehr unempfindlich auf Abstandsänderungen


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Es gibt eine 160° Phasendrehung zwischen Fehlern, die um 90° getrennt sind. Die Phasendrehung erfolgt rasch um den unempfindlichsten Punkt (Knoten). Die Knotenlage wird durch die Fehlerlänge und der Werkstückgeometrie bestimmt.

Die maximale Prüfgeschwindigkeit eines Wirbelstrom - Prüfsystems hängt von folgenden Einflüssen ab:

  1. Die Prüffrequenz muß höher als die Abtastrate des Prüfsystems sein
  2. Die Abtastrate muß 10 x höher als die Tiefpass - Reaktion des Prüfsystems sein, welches einen Puls immer wieder aufbauen muß
  3. Tiefpass - Reaktion des Prüfsystems
  4. Form und Größe der Spule


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Diese Geräte, verbunden mit der Wide Scan Rail und einem einfachen Prüfwagen, sichern eine schnelle, manuelle Prüfung.

  • Hocking versucht in GB die technische Zulassung zu erreichen
  • Die Spulen wurden um einen zweiten Satz erweitert, um auch an der Breitseite prüfen zu können.
  • Wide Scan Rail bietet eine extrem effiziente und kostengünstige Lösung zur Prüfung auf head checks
  • Auch andere Einsatzgebiete sind denkbar:
    • im Eisenbahn Prüf- und Meßwagen
    • im Eisenbahn Service
  • Kann genauso so zur Prüfung von Rädern und Achsen eingesetzt werden

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net