DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Dynamisches und Schienenintegriertes Überrollprüfsystem für den Hochgeschwindigkeitsverkehr

S. Schuhmacher, H. Maly, R. Ettlich, Deutsche Bahn AG, Brandenburg-KM,
G. Engl, R. Meier, intelligeNDT Systems & Services, Erlangen,
B. Rockstroh, F. Walte, Fraunhofer IZFP, Saarbrücken,
J. Montnacher, Fraunhofer TEG, Stuttgart
A. Erhard, Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berlin

Kontakt: Dr. Silvia Schuhmacher

1 Zusammenfassung

Seit einigen Jahren wird bei der Deutschen Bahn AG schrittweise die mechanisierte Prüfung von Radsätzen im eingebauten Zustand für Züge des Hochgeschwindig-keitsverkehrs eingeführt. Eine natürliche Weiterentwicklung dieses Konzeptes stellt die Prüfung der Radsätze im Überrollbetrieb dar. Zur Realisierung dieses Ziels wurden in einem grundlegenden Projekt zwei unterschiedliche technologische Ansätze verfolgt. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert, die Verantwortung für den Inhalt des Artikels liegt bei den Autoren.
Im ersten Ansatz, dem sogenannten roboterbasierten Überrollprüfsystem, ist die Sensorik auf Schlitten angeordnet. Sie wird dem zu prüfenden Rad über eine dem Radumfang entsprechende Länge mittels mitfahrenden Roboters während des Überrollens des Zuges zugeführt. Ergebnisse der ersten Projektphase sind die Lösung der Problematik der beschränkten Radzugänglichkeit am fahrenden Zug durch die ingenieurmässige Realisierung eines miniaturisierten Prüfsystems mit Hilfe von Gruppenstrahlertechnik und dessen Kombination mit einem Robotersystem. Am Labormuster wurde im statischen Betrieb an drehenden Rädern die prinzipielle Prüfbarkeit der Lauf- und Treibräder der ICE-Flotte durch dieses miniaturisierte Prüfsystem mit hohem Nachweisvermögen und erforderlicher Prüfgenauigkeit gezeigt. Die erforderliche Realisierung der Dynamik des Systems bei fahrendem Zug würde die Prüfung der Radsätze eines einzelnen Drehgestelles in ca. 1 Minute, die Prüfung eines kompletten ICE3 in weniger als einer Stunde ermöglichen.
Der zweite Ansatz basiert auf der Idee eines stationär in ein schienenähnliches System integrierten Sensoranordnung, wobei durch sukzessive Aktivierung der Sensoren das Rad während des Überrollens geprüft werden kann. Für diese Methode wurde ein Simulationsprüfstand aufgebaut und definierte Vergleichsfehler im äusseren und mittleren Spurkranzbereich für den Laufradsatz Bauart 014 nachgewiesen. Die Ausweitung auf weitere Fehlerlagen und andere Radsatzbauarten ist vorgesehen. Da bei dieser Technik die Sensoren in ein Wasserbad eingelassen sind und deshalb nicht in direktem Kontakt zur Radoberfläche stehen, ist sie als besonders verschleissarm anzusehen. Aufgrund ihrer Neuartigkeit ist die Realisierung in einem Langfristkonzept vorgesehen.

2 Einleitung

Bedingt durch die hohen dynamischen Beanspruchungen im Fahrbetrieb können an den Rädern moderner Schienenfahrzeuge Veränderungen des Werkstoffzustandes bis hin zu Schädigungen auftreten. Die Räder werden deshalb zur Gewährleistung ihrer Einsatzzuverlässigkeit und Betriebssicherheit in den Instandhaltungswerken der DB AG turnusmässig überprüft. Hierzu werden zur Zeit zwei unterschiedliche Varianten eingesetzt (Abb.1):

  • Radprüfung im ausgebauten Zustand nach Reprofilierung (AURA-System)
  • Radprüfung im eingebauten Zustand während Zugstillstand (UFPE-System)

Das AURA-System [1] in seiner jetzigen Ausführung benötigt zur Prüfung eines Radsatzes 4 Minuten. Da diese Variante aber den Ausbau der Räder erfordert, stellt sie keine Alternative zur Radprüfung im eingebauten Zustand dar.
Das UFPE-System [1] erlaubt die Radprüfung im eingebauten Zustand. Hierbei muss jeder einzelne Radsatz mittels einer Hubvorrichtung angehoben und mittels einer Durchdreheinrichtung an der Prüfsensorik vorbeigedreht werden.

Abb 1: AURA- (links) und UFPE-System (rechts) wie sie zur Zeit in den Instandhaltungswerken der DB AG eingesetzt werden

3 Innovative Konzepte für Überrollprüfsysteme

Eine natürliche Weiterentwicklung dieser Systeme stellen quasistationäre Anlagen für die Radprüfung am langsam fahrenden Zug dar. Ziel ist die Prüfung der Radsätze mit mindestens derselben Nachweisempfindlichkeit, aber wesentliche kürzerer Prüfdauer als bei Einsatz konventioneller Systeme. Angestrebt wird eine Prüfdauer inklusive Prüfdatenauswertung von weniger als einer Stunde für einen ICE 3.
Dieses Ziel ist aber auf der Basis applikationsnaher Entwicklungen nicht errreichbar, sondern erfordert langfristige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Die DB AG hat sich deshalb mit namhaften Partnern der Industrie und der angewandten Forschung zu einem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektverbund zusammengeschlossen, um gemeinsam die Grundlagen für innovative Überollprüfsysteme zu legen. Die Partner sind:

  • Deutsche Bahn AG
  • Fraunhofer Gesellschaft (FHG) mit IZFP und TEG
  • IntelligeNDT Systems&Services
  • Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung
Zwei Grundkonzepte wurden untersucht [2]:
  • Ein vollständig stationäres System mit in der Schiene integrierten Sensoren
  • Ein dynamisches System, welches sich auf einem Schlitten mit dem überrollenden Zug mitbewegt

4 Das Dynamische System

Das Konzept des dynamischen Systems erlaubt die Prüfung des Radkranzes und der Radscheibe am langsam fahrenden Zug (ca. 1 km/h). Die Realisierung erfolgt durch einen Basisschlitten, welcher sich in der Instandhaltungsgrube über eine Länge von ca. 25 m bewegt. Der Schlitten trägt das Prüfmodul und beschleunigt auf die Geschwindigkeit des darüberrollenden Zuges, synchronisiert mit dessen Bewegung und koppelt das Prüfmodul an die Radlauffläche und die innere Radstirnfläche an (Abb. 2). Das System bewegt sich mit dem Zug während zweier Radumdrehungen mit, wobei das Prüfmodul zweimal den gesamten Radumfang überstreicht. Hierauf koppelt das Prüfmodul wieder ab und der Schlitten bewegt sich zum Ausgangspunkt zurück um den nächsten Radsatz zu erwarten.

Abb 2: Prinzip des Dynamischen Systems

4.1 Das kompakte Prüfsystem
Abb 3: Prinzip der Gruppenstrahlertechnik

Eine wesentliche Herausforderung stellte die beschränkte Radzugänglichkeit am fahrenden Zug dar. Strukturelle Bauteile in der engen Radumgebung, wie z.B. die Besandungsanlage oder der Antennenträger sollten für die Radprüfung nicht abgebaut werden müssen.
Der unter diesen Bedingungen zur Verfügung stehende Freiraum wurde für die gesamte ICE-Flotte ermittelt. Die Einhaltung dieser Freiraumbedingung erforderte eine deutlich kompaktere Anordnung der Prüfsensorik als dies in den bisherigen Prüfsystemen der Fall war. Aussicht auf Erfolg bot hier einzig der Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ohne Qualitätseinbußen der Prüfaussage zu erhalten. Im Gegenteil, hierdurch war eine verbesserte Detektion zu erwarten.
Bei der Gruppenstrahlertechnik (Abb. 3) ist die Schwingerfläche in sehr viele Einzelelemente unterteilt. Die zeitverzögerte Ansteuerung der Einzelelemente ermöglicht ein stufenloses Schwenken des Schallbündels. Diese Technik erlaubt deshalb den Ersatz mehrere konventioneller Winkelprüfköpfe durch einen einzigen Prüfkopf und liefert so die Voraussetzung zur Kompaktierung des Prüfsystems.

Die Entwicklung des kompakten Prüfsystems wurde durch mathematische Modellierung der Schallbündel und des Reflexionsverhaltens der Reflektoren unterstützt. Da das Basis-Konzept des Prüfsystems für alle ICE-Radtypen einsetzbar sein sollte, wurde auch der Transfer des Prüfsystems auf andere Radtypen modelliert, was eine beträchtliche Anzahl von Parametern der Radgeometrien und Einschallwinkel erforderte.

Das nächste Bild zeigt den Vergleich des bislang zur Prüfung des Spurkranzes und der Radscheibe von ICE 3 Treibradsätzen verwendeten Ultraschallprüfsystems (Ankopplung von der Lauffläche) mit einer Länge von ca. 650 mm mit dem Konzept des neuen Systems (ca. 330 mm).


Abb 4: Vergleich des konventionellen (oben) und des neuen Prüfsystems (unten)

Zwei Punkte sind offensichtlich: Die drastische Reduzierung der Systemlänge (welche allen Zugangsbeschränkungen genügt) und die reduzierte Anzahl der Sensoren (wodurch die Kabelhandhabung und die Wasserzufuhr erleichtert wird). Dennoch hat dieses System mindestens dieselbe Nachweisempfindlichkeit wie das konventionelle, da es diskrete Einschallwinkel durch ihre kontinuierliche Variation ersetzt. Die Prüfung der Radscheibe umfasst zwei Aufgaben:
  • Zum einen die Prüfung auf Fehler in tangentialer Orientierung, welche in der sogenannten V-Durchschallung erfolgt [3]. Das mögliche Vorliegen von Fehlern in unterschiedlichen radialen Tiefenlagen erfordert mehrere in V-Geometrie angeordnete Winkelpaare. Es ist offensichtlich, dass das konventionelle Prüfsystem zur Abdeckung der gesamten Tiefenzone mehrere Prüfkopfpaare benötigt (typischerweise drei) (Abb. 5), während das neue, gruppenstrahlerbasierte System dies mit einer Anordnung leistet (Abb. 6). Zum Abdecken der Dicke der Radscheibe benötigen beide Systeme zwei Anordnungen in V-Geometrie mit unterschiedlichen Schielwinkeln.

  • Abb 5: Konventionelles Prüfsystem, V-Durchschallung

  • Die zweite Aufgabe ist die Prüfung auf Fehler in radialer Orientierung unter Einsatz der Puls-Echo-Technik. Auch für diese Prüfung sind zwei unterschiedliche Schielwinkel notwendig (Abb. 7). Bei Einsatz der konventionellen Prüftechnik erfordert diese Aufgabe zusätzliche Prüfköpfe mit unterschiedlichen Schielwinkeln.

Abb 6: Neues, gruppenstrahlerbasiertes Prüfsystem, V-Durchschallung


Abb 7: Neues, gruppenstrahlerbasiertes Prüfsystem, Pulse-Echo-Technik

Für beide Aufgaben stellen die Bohrungen in der Radscheibe zusätzliche Erschwernisse dar.

4.2 Der Manipulator

In der Konzeptphase wurde, als Antwort auf die Variationsbreite der ICE-Radsatz-bauarten (Abb. 8) und ihrer unterschiedlichen Profil und Oberflächenzustände eine individuelle Prüfsystemkategorie für jeden Radsatztyp entworfen. Das bedeutete eine beträchtliche Vielzahl an Prüfmodulen mit unterschiedlichen Axial und Schielwinkeln. Als Alternative wurde eine geringere Anzahl von Prüfmodulen mit der Möglichkeit zur Verschiebung der Axialen und Schielwinkelposition für jedes einzelne Modul konstruiert.


Abb 8: Variationsbreite der Lauf und Treibradsätze der ICE-Flotte

Zur Ankopplung des Prüfmoduls an die Radoberfläche wurde ein industrieller Roboter als Verbindung zwischen Basisschlitten und Prüfmodul gewählt. Diese Lösung hat den Vorteil eines industriell erprobten zuverlässigen Werkzeuges mit standardisierten Operationen, Wartung und einfacher Programmierung ebenso wie Flexibilität hinsichtlich weiterer Manipulator-Erfordernisse in unterschiedlichen Anwendungen.
Es wurden grundlegende Betrachtungen hinsichtlich der Synchronisation des Basisschlittens mit der Zugbewegung und der Positionierung an den Radsatz durchgeführt.

4.3 Der Teststand

Abb 9:
Teststand und Prüfsystem

Zur Simulation der Drehbewegung des Radsatzes mit einer Rotationsgeschwindigkeit von ca. 0.8 km/h wurde von FHG-TEG ein Teststand aufgebaut.
Die DB AG stellte eine Anzahl von Testradsätzen mit eingebrachten Testfehlern zur Verfügung und brachte das Know-How der UFPE-Prüfsysteme ein.
IntelligeNDT stellte einen industriellen Roboter inklusive der erforderlichen Software zur Verfügung und konstruierte einen Prüfkopfträger für die kombinierte Prüfung von der Radlauffläche und der inneren Stirnfläche aus. Dieser Prüfkopfträger erlaubt die Variation der Anordnung der Prüfköpfe hinsichtlich ihrer Axialen- und Schielwinkel-position und -einstellung. Zusätzlich stellte INDT das Ultraschallequipment Saphir Plus zur Verfügung.
Die Prüfmodule wurden unter Einsatz von Computermodellen von INDT und der BAM wie oben erläutert entworfen und konstruiert.

Diese Ausstattung (Abb. 9) ermöglichte die Simulation des vollständigen Prüfablaufes mit Ausnahme des Basisschlittens und dessen Bewegung als dynamischem Teil des Systems. Die hieraus resultierenden Problemstellungen wurden auf der Grundlage vorliegender Erfahrungen theoretisch abgeschätzt.

4.3 Experimentelle Ergebnisse

Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer die gesamte Typenvielfalt der ICE-Flotte abdeckenden Anzahl von Radsätzen durchgeführt.

Zwei exemplarische Ergebnisse werden im folgenden präsentiert:
  1. ICE 1 Treibradsatz, Tomografie-Darstellung der V-Technik für eine Schielwinkelanordnung für die äussere Radscheibenseite (Abb. 10). Da die anderen Fehler sich auf der anderen Seite der Radscheibe oder in radialer Position befinden, ist es offensichtlich, dass diese sich in den Prüfergebnissen nicht zeigen. Dagegen sind die Bohrungen, begleitet von Artefakten, deutlich zu sehen.
  2. ICE 1 Treibradsatz, Tomografie-Darstellung und Seitenansicht der Pulse-Echo-Gruppenstrahlertechnik für Fehler auf der äusseren Oberfläche des Radkranzes (Abb. 11). Im oberen Bildteil ist das Prüfmodul für diese Prüfung, welches an die innere Radkranzstirnfläche ankoppelt, zu sehen. Die Tiefenzone enthält, wie in der Seitenansicht zu sehen, das Ende einer seitlich eingebrachten Testbohrung. Diese ebenso wie die Fehler in den Ecken sind deutlich und in korrekter Position zu erkennen.


Abb 10:
Experimentelle Ergebnisse der gruppenstrahlerbasierten V-Durchschallung

Abb 11:
Experimentelle Ergebnisse der gruppenstrahlerbasierten Pulse-Echo-Technik

Fasst man die Ergebnisse aller durchgeführten Experimente zusammen, so kommt man zu folgender Schlußfolgerung:

  • Das entwickelte Prüfsystem genügt allen Zugangsbeschränkungen
  • Alle Testfehler in den unterschiedlichen Radsatzbauarten der ICE-Flotte konnten gefunden und deutlich dargestellt werden
  • Die optimierte Wahl der Parameter gemeinsam mit der durch Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ermöglichten Variation der Einschallwinkel ermöglicht die Abdeckung der gesamten Breite der Profil- und Laufflächenzustände der Radsätze
4.4 Dynamisches System: Schlussfolgerung und Ausblick

Ausgehend von diesen positiven Ergebnissen der Machbarkeitsstudie wurde das Konzept und die Strategie für die weitere Entwicklung des Systems entworfen (Abb. 12).


Abb 12: Konzept des Dynamischen Systems

Aus Gründen der Massenbeschleunigung und -verzögerung wurde eine simultane Prüfung der vier Räder bzw. der zwei Radsätze eines Drehgestells zur Erreichung der benötigten Prüfgeschwindigkeit als Methode der Wahl bestimmt. Dies bedeutet die Positionierung von vier Robotern mit je einem Prüfmodul auf dem Basisschlitten, der auch gleichzeitig vier Ultraschallequipments trägt. Die Positionierung der Prüfmodule durch die Roboter erfolgt in synchronisierter Bewegung.

Eine typische Schrittfolge zur Prüfung eines Drehgestells ergibt sich folgendermassen:

  • Beschleunigung und Synchronisation mit Drehgestell 3,6 sec 0,7 m
  • Ankopplung der 4 Prüfmodule 5,0 sec 1,1 m
  • Erste komplette Prüfumdrehung 13,0 sec 2,9 m
  • Zweite komplette Prüfumdrehung 13,0 sec 2,9 m
  • Abkopplung der 4 Prüfmodule
    und Abbremsung des Schlittens
    3,6 sec 0,7 m
  • Rückkehr zum nächsten Drehgestell
    - im selben Wagen 24,5 sec 5,4m
    - zwischen 2 Wagen 10,7 sec 2,4m

    Diese Abschätzung liefert für die Prüfung eines Drehgestells 63 sec als Maximum und 49 sec als Minimum entsprechend einer Grubenlänge von 14 m bzw. 11 m. Aus Konstruktionsgründen wird eine Grubenlänge von 25 m gewählt. Einschließlich der für die Prüfdatenbewertung und das Datenmanagement benötigten Auswertezeit ergibt sich für einen kompletten ICE 1 eine Gesamtprüfzeit von weniger als einer Stunde.

    Als nächste Schritte stehen die weitere Optimierung des Systems hinsichtlich der Zusammenfassung der unterschiedlichen Prüfmodule in einem einzigen Modul an sowie die Optimierung der Software für ein schnelles und effektives Datenhandling. Der Hauptpunkt besteht aber in der Realisierung der dynamischen Bewegung des Systems mit bewegten Radsätzen und Drehgestellen und der Realisierung am rollenden Zug. Die Entwicklungszeit bis zu einem voll funktionsfähigen Demonstrator wird auf 2 Jahre geschätzt. Eine Testgrube hierfür steht bereit z.B. auf Vorschlag des Werkes Berlin-Rummelsburg.

    Abschliessend kann man festhalten, dass in der ersten Projektphase das Problem der beschränkten Radzugänglichkeit am rollenden Zug gelöst werden konnte durch Entwicklung eines kompaktierten Prüfsystems mit mindestens der gleichen Nachweisempfindlichkeit wie bei konventioneller Prüftechnik. Die Geschwindigkeit von 0,8 km/h kann vom mechanischen Standpunkt ebenso wie vom Standpunkt der Datenpunktdichte während des relativ schnellen Scannens erreicht werden. Das Prüfsystem deckt auch unterschiedliche Profilierungs- und Laufflächenzustände ab. Die Realisierung des dynamischen Aspektes des Prüfprozesses stellt die Hauptheraus-forderung des nächsten Entwicklungsschrittes dar.

    5 Schienenintegriertes System

    Das grundlegende Prinzip des schienenintegrierten Ansatzes zur schnellen Ultraschallprüfung beim Überrollen der kompletten Radsätze eines Zuges (SUPRA- Technik) geht auf die in Australien 1979 eingesetzte Methode zur Anregung von Ultraschalloberflächenwellen in Eisenbahnräder beim Überrollen zurück.
    Diese Methode arbeitet mit zwei geneigten piezoelektrischen Tauchtechnikprüf-köpfen, kann aber nur Oberflächenanrisse durch umlaufende Oberflächenwellen nachweisen. Bei dieser Anordnung wird die Oberflächenwelle nur an einem Punkt der Radlauffläche angeregt.
    Ein ähnlicher Ansatz besteht im Ersatz der piezoelektrischen Ultraschallprüfköpfe durch einen EMUS- Prüfkopf, der koppelmittelfrei Ultraschallwellen in der Oberfläche des zu prüfenden Rades erzeugt [4]. Auch hier beschränkt sich der Fehlernachweis auf Oberflächen- und oberflächennahe Fehler.

    Ein wesentlicher Grundbaustein der SUPRA ist eine in die Schiene integrierte Sensorkette (Abb. 13). Die Anordnung entspricht in ihrer Längsausdehnung dem Abrollumfang eines Rades, durch sukzessive Aktivierung der Sensoren kann das Rad während des Überrollens geprüft werden. Als Sensoren kommen hauptsächlich in einer Linie angeordnete Ultraschallsensoren (Prüfkopf- Array) in Betracht [5,6].


    Abb 13: Konzept des Prüfkopf-Arrays im Wasserbad

    Durch Ausnutzung der natürlichen Krümmung der Eisenbahnräder kann man bei einer senkrecht durch ein Wasserbad eingeschallten longitudinalen Ultraschallwelle im Radkranz und der Radscheibe senkrechte Longitudinalwellen (L- Welle) und schräg eingeschallte Transversalwellen (T- Welle) realisieren. Abb. 14 zeigt das Prinzip. Bei fünf gleichzeitig aktiven Ultraschallprüfköpfen kann man die, bei einer konventionellen Prüfung realisierten Einschallrichtungen von 0° L- Welle, +/- 45° T- Welle und +/- 30° T- Welle, ebenfalls realisieren. Mit diesem Prinzip konnten in Laborversuchen alle relevanten Referenzfehler in einem Testradsatz nachgewiesen werden.
    Auch die Prüfung der Radscheibe auf umfangsorientierte Fehler durch eine V- Durchschallung lässt sich mit der o.g. Methode durchführen (Abb. 15).


    Abb 14:
    Ausnutzung der Radkrümmung

    Abb 15:
    Prinzip der V-Durchschallung

    Zum Nachweis von Fehlern, welche nur bei Einschallung von der Radstirnfläche aufzufinden sind, lässt sich ebenfalls eine lineare Prüfkopfkette dicht vor der Radstirnfläche anordnen.


    Abb 16:
    Experimentelle Ergebnisse der V-Durchschallung

    Abb 17:
    Prinzip und experimentelle Ergebnisse bei Einschallung von der Stirnfläche

    Der Vorteil des schienenintegrierten Ansatzes liegt in der relativ einfachen, wartungsarmen Sensormechanik. Das System benötigt jedoch sehr viele Ultraschallprüfköpfe und eine Realisierung ist nur langfristig möglich. Eine detaillierte Veröffentlichung der bisherigen Ergebnisse dieses Ansatzes folgt in nächster Zeit.

    Literatur

    1. B. Rockstroh, W. Kappes, J. Montnacher, R. Seitz, H. Hintze, R. Ettlich: US-Prüfung an Radsätzen, Eisenbahningenieur (7) 2001
    2. G. Engl, R. Meier, S. Schuhmacher, H. Hintze, A. Erhard, F. Walte, B. Rockstroh, J. Montnacher: Online Ultraschallprüfung am rollenden Hochgeschwindigkeitszug, DGZFP-Jahrestagung, Weimar Mai 2002
    3. A. Erhard, H. Hintze, R. Meier: Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Fehlern mittels Ultraschall, Patent DE (199432/5) 1999
    4. S. Salzburger, W. Repplinger: Automatic inmotion Inspection of the tread of Railway Wheels by EMA excited Rayleigh Waves, Ultrasonic International 83, Conference Proceedings, Butterworth 1983
    5. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, S. Schuhmacher, H. Maly, J. Montnacher, A. Erhard: Neues Überrollsystem für Eisenbahnräder "SUPRA", DVM-Tag, Berlin Mai 2003
    6. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, S. Schuhmacher, H. Maly, J. Montnacher, A. Erhard: ICE-Radsätze zerstörungsfrei und schnell prüfen, MP Materialprüfung (46) 2004

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