DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen Integration der Wirbelstromtechnik in Ultraschallprüfzüge

Ralf Casperson, Hans-Martin Thomas, Rainer Pohl; BAM Berlin
Kontakt: Dipl.-Ing. Ralf Casperson

Eisenbahnschienen sind betriebsbedingt hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Es ist notwendig, Schädigungen möglichst frühzeitig zu detektieren und hinsichtlich ihres Schädigungsgrades zu bewerten, um rechtzeitig Reparaturmaßnahmen einzuleiten.
Mit der bisher in Prüfzügen eingesetzten Ultraschalltechnik lassen sich Schädigungen im Schieneninneren gut nachweisen. Diese, meist herstellungsbedingten Schäden wie z.B. Nierenbrüche und Shelling, sind jedoch aufgrund verbesserter Herstellungsverfahren rückläufig.

Mit den hohen Geschwindigkeiten im Personenverkehr und großen Achslasten im Güterverkehr gewinnen Oberflächenschäden im Bereich der Fahrkante zunehmend an Bedeutung. Diese Oberflächenfehler lassen sich mit der bisher eingesetzten Ultraschalltechnik nur schwer detektieren. Eine Bewertung der Schädigungstiefe ist nicht möglich.

Werden Oberflächenschäden rechtzeitig detektiert, können diese durch gezielte Schienenbearbeitung (Schleifen, Fräsen) beseitigt werden. Da eine solche Bearbeitung nur bis zu einem Materialabtrag von ca. 2 mm wirtschaftlich durchgeführt werden kann, ist eine Bewertung der Schädigungstiefe unabdingbar.

Die Wirbelstromprüfung stellt als oberflächennahes Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung eine ideale Ergänzung zur volumenhaften Ultraschallprüfung dar.
Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, das eine Detektion und Tiefenbewertung von Oberflächenfehlern bei einer Prüfgeschwindigkeit von bis zu 100 km/h und einem Messpunktabstand von 1 mm ermöglicht. Dieses Prüfsystem besteht aus je vier Wirbelstromsonden, einem vierkanaligen Wirbelstromprüfgerät und einem Messrechner pro Schiene. Ein übergeordneter Steuerrechner übernimmt die Koordination der beiden Messseiten und dient als Bedienpult für das System. Die Anbindung des Wirbelstromsystems an den Prüfzug erfolgt über digitale Steuerleitungen und über LAN. Ein optionales GPS dient der Ortung der detektierten Schäden im Gleis. (Abb. 1)


Abb 1: Blockschaltbild des Wirbelstromsystems

Das Wirbelstromsystem wird vom Prüfzug mit einem Wegtakt zur Triggerung der Datenaufnahme und der Kilometrierung der Gleise zur Ortssynchronisation versorgt.
Eine Kopplung mit dem vorhandenen Ultraschallsystem ist ebenfalls vorgesehen. Diese beginnt mit der Übernahme der Dateinamen zur Speicherung der Messdaten, dem synchronen Start und Stopp der Messung bis hin zur gemeinsamen Darstellung der Prüfergebnisse (Abb. 2). Die unterschiedlichen Ultraschallsysteme der verschiedenen Prüfzüge erfordern hierzu eine flexible Konfigurierbarkeit der Schnittstelle.


Abb 2: Blockschaltbild des Gesamtsystems

Eine eigenständige Bedienung des Wirbelstromsystems ist nicht erforderlich. Es wird kein zusätzliches Prüfpersonal benötigt (Abb. 3). Alle wichtigen Statusinformationen des Wirbelstromsystems werden auf einem optionalen Statusmonitor am Ultraschallmessplatz angezeigt (Abb. 4).

Abb 3: Schienenprüfzug "UST 96" der Firma Eurailscout; unten rechts: Wirbelstromsystem ohne Bedienpersonal 19.05.2004 -11, Caspersonwww.bam.de19.05.2004
Abb 4: Schienenprüfzug "SPZ 2" der DB AG; links: Ultraschall-Bedienpult mit Wirbelstrom-Statusmonitor (obere Reihe, Mitte); rechts: 19"-Schrank mit der Wirbelstromtechnik

Im Gegensatz zur Ultraschallprüfung werden bei der Wirbelstromprüfung die gesamten Urdaten aufgezeichnet. Der enorme Umfang der Daten von ca. 64 MB/km erfordert es, die Auswertung der Wirbelstromdaten so weit wie möglich zu automatisieren. Es wurde eine Analysesoftware entwickelt, die in der Lage ist, die Messdaten bereits während der Messung mit geringem Zeitversatz automatisch auszuwerten. Als Ergebnis erhält der Prüfer Angaben über Lage, Art, Häufigkeit und Signalamplitude von Fehlern (Abb. 5). Bei den sog. HeadChecks, durch Rollkontaktermüdung induzierten Rissen in der Fahrkante, wird zusätzlich die Schädigungstiefe angegeben. Für andere Fehlerarten liegen derzeit noch keine ausreichenden Daten zur Tiefenkalibrierung vor. Wir erhoffen jedoch, mit Hilfe von Schienenschleifzügen, auch für andere Fehlerarten eine Kalibrierung durchführen zu können [1].
Nebenbei erkennt die Analysesoftware auch die Lage von Schweißnähten. Da Schweißnähte optisch gut zu erkennen sind, stellen sie eine wichtige Orientierungshilfe zum Auffinden von Fehlstellen im Gleis dar.

Abb 5: Automatisch generiertes Protokollblatt der Wirbelstromprüfung

Zur gemeinsamen Darstellung der Prüfergebnisse des Wirbelstrom- und Ultraschall systems wurde eine Schnittstelle zur Synchronisation über LAN implementiert, so dass in der Analysesoftware beider Systeme auf Wunsch automatisch derselbe Gleisabschnitt angezeigt wird.

Oberflächenschäden in der Mitte des Schienenkopfes führen bei der Ultraschallprüfung zu einem Bodenechoverlust und schwer interpretierbaren Anzeigen der 0°- und oft auch der 70°-Prüfköpfe. In vielen Fällen gelingt erst zusammen mit der synchronen Darstellung der Wirbelstromsignale eine Identifizierung der Schädigungsart. Dieses ist in Abb. 6 am Beispiel von Squats dargestellt.
Squats zeigen sich als muldenförmige Absenkung in der Schienenoberfläche. Unter der Oberfläche befindet sich ein weit verzweigter Riss, der typischer Weise V-förmig an die Oberfläche tritt (Abb. 7).

Abb 6: Synchrone Darstellung der Ultraschalldaten (Hintergrund) und Wirbelstromdaten (Einblendung vorne) am Beispiel von Squats (Foto rechts) Abb 7: Squat, eine muldenförmige Absenkung der Schienenoberfläche mit V-förmigem, weit verzweigtem Riss

Aluthermische Schweißnähte erzeugen ein ähnliches Ultraschallsignal wie ein einzelner Squat. Werden die vom Wirbelstromsystem detektierten Schweißnähte als Markierungen von der Ultraschallsoftware angezeigt, gibt diese Zusatzinformation dem Prüfer eine wichtige Hilfestellung bei der Auswertung der Ultraschalldaten (Abb. 8).

Abb 8: Anzeige einer vom Wirbelstromsystem detektierten Schweißnaht als Markierung "^TL" in der Ultraschallsoftware

Die Wirbelstromtechnik hat sich in den beiden Ultraschallprüfzügen "SPZ 2" der DB AG und "UST 96" der Firma Eurailscout bewährt. Oberflächenfehler lassen sich sehr gut detektieren, eine Bestimmung der Schädigungstiefe ist aufgrund mangeln der Kalibrierdaten derzeit jedoch nur bei HeadChecks möglich.
Mit Hilfe von Schienenschleifzügen soll auch für andere Fehlerarten (BelGroSpi's, Squats, ...) eine Kalibrierung durchgeführt werden, so dass zukünftig auch bei diesen Fehlern eine Bestimmung der Schädigungstiefe ermöglicht wird.

Demnächst sollen zwei weitere Schienenprüffahrzeuge mit der Wirbelstromtechnik ausgerüstet werden.

[1] Wirbelstromprüfung im Schienenschleifzug
R. Pohl, BAM, Berlin (D); R. Meierhofer, SPENO INTERNATIONAL SA, Genf (CH); R. Krull,
DB Systemtechnik, Kirchmöser (D); S. Rühe, PLR Prüftechnik Linke & Rühe, Magdeburg (D) DACH-Jahrestagung 2004, Salzbug (A); Vortrag 70, Sitzung G3)

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