DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Neue Prüfsysteme für die Eisenbahnradprüfung und Radsatzwellenprüfung

Wolfgang Kappes, Bernd Rockstroh, Friedhelm Walte, Steffen Bessert, Werner Bähr, Fraunhofer IZFP, Saarbrücken;
Achim Montnacher, Jürgen Goetz, Thomas Bartsch, Fraunhofer TEG, Stuttgart;
Silvia Schuhmacher, Uwe Börner, DB Systemtechnik, Kirchmöser; Anton Erhard, BAM, Berlin;
Otto-Alfred Barbian, NDT Systems & Services AG, Stutensee;
Wolfgang W. Herrmann, Deutsche Bahn AG, Werk Krefeld;
Hans-Jürgen Schatto, Bahntechnik Kaiserslautern GmbH
Kontakt: Dipl.-Phys. Wolfgang Kappes

Einleitung

Seit mehr als 5 Jahren haben sich Radsatzprüfanlagen vom Typ AURA im harten Prüfbetrieb in den Instandhaltungswerken der Deutschen Bahn AG bewährt. Die Unterflurprüfeinrichtungen, UFPE, sind seit Frühjahr 2001 in mehreren ICE-Werken der DB AG erfolgreich im Einsatz 1-3. Alle Anlagen sind mit der vom IZFP entwickelten Mehrkanal-Prüfelektronik PCUS 40 ausgestattet, die als PC-integriertes modulares System in 19" Industrierechnern eingesetzt wird, wobei für die Radsatzprüfsysteme bis zu 68 Prüfkanäle realisiert wurden. Neue Anforderungen bei neu zu beschaffenden stationären und Unterflurprüfeinrichtungen haben zur Entwicklung einer miniaturisierten Frontend-Ultraschallprüfelektronik geführt, die völlig neue Möglichkeiten für die Auslegung dieser Prüfsysteme und den Prüfservice bietet.

Die Frontend-Elektronik kann auch für die technische Realisierung der schienenintegrierten Ultraschall-Überrollprüfanlage SUPRA zur Anwendung kommen, mit der die Räder von Hochgeschwindigkeitszügen bei Überfahrgeschwindigkeiten von 3 bis 5 km/h mit bis zu 1000 Ultraschallprüfköpfen geprüft werden sollen.

Auch für den Bereich der fertigungsintegrierten Prüfung von Neurädern musste ein neues Konzept für die Ultraschallelektronik realisiert werden. Hier waren erhöhte Anforderungen an die Taktzeit die Motivation für eine Weiterentwicklung der einkanaligen Ultraschallkarte PCUS11 zu einem modularen Mehrkanalsystem mit der Möglichkeit zum Parallelbetrieb von US-Prüfkanälen.

Miniaturisierte Industrie-Frontend-Ultraschallelektronik


Bild 1:
Industrie-US-Frontend-Elektronik

Das neu entwickelte Industrie-Frontend basiert auf den 32-kanaligen Baugruppen, die erfolgreich für die Pipelineprüfung mit Ultraschallprüfmolchen 4 eingesetzt werden. Aufgrund von zusätzlichen Anforderungen, die auf allgemeine Prüfanwendungen hinzielen, wurde die Funktionalität der Molch-Elektronik erweitert, u.a. durch eine Baugruppe für den Tiefenausgleich und zusätzlich zum für die Pipeline-Prüfung genutzten ALOK-Verfahren weitere Datenaufnahmeverfahren implementiert (Blendentechnik und pixeliertes A-Bild). Die Kanalzahl wurde auf 16 reduziert. Die Elektronikbaugruppe ist in Bild 1 dargestellt. Die Ethernet Schnittstelle (Protokollstruktur TCP/IP) gestattet unter industriellen Umgebungsbedingungen eine sichere Vernetzung mehrerer Frontend-Module und den Datenaustausch mit übergeordneten Rechnersystemen für die Prüfplanung, Messdatenerfassung, Ergebnisauswertung, -darstellung und Dokumentation. Die ersten Anwendungen der neuen Elektronik werden im Folgenden beschrieben.

Stationäre Ultraschallprüfeinrichtung für Treibradsätze

Im Werk Krefeld der DB AG wird zusätzlich zur bestehenden AURA-Anlage ein weiteres Anlagenmodul installiert, mit dem die Ultraschallprüfung von Antriebsrädern von ICE-Zügen im ausgebauten Zustand erfolgen wird. Das Prüfkopfsystem zur Radkranz- und Scheibenprüfung besteht aus zwei festen Modulen, die für alle zu prüfenden Radsatzbauarten benötigt werden und Wechselmodulen, die spezifisch für unterschiedliche Typen von Treibradsätzen ausgelegt sind.

Für jedes Fest- und Wechselmodul wird ein eigenes Ultraschall-Frontend eingesetzt, das sich in unmittelbarer Nähe des Prüfkopfmoduls befindet, bei dem Wechselmodul sogar direkter Bestandteil dieses Moduls ist. Abhängig von der zu prüfenden Radbauart wird das passende Modul einschließlich der US-Elektronik von der Handhabungseinheit aus einer Aufnahmevorrichtung gegriffen und gemeinsam mit den Festmodulen am zu prüfenden Rad positioniert. Die erforderliche Medienversorgung (Koppelwasser, Strom) und die Übertragung der digitalen Ultraschallsignale per Ethernet erfolgt über eine automatische Wechselvorrichtung. Der Austausch der Prüfkopfsysteme ist somit ohne zeitaufwändige manuelle Umrüstarbeiten möglich. Die Prüfung beider Räder eines Radsatzes erfolgt in zwei Teilprüfungen, wobei der gesamte Sensorträger für die zweite Teilprüfung um 180° gedreht werden muss. Die Ultraschallprüfung von Radkranz und Radscheiben erfolgt auch hier mit der bei den AURA- und Unterflurprüfanlagen bewährten vom IZFP entwickelten Prüfsoftware, die durch eine übersichtliche Prüfergebnisdarstellung den Prüfer bei der Bewertung der Prüfergebnisse in hohen Maße unterstützt und eine vollständige Dokumentation der Prüfergebnisse gestattet. Die langfristige Archivierung der Prüfergebnisse und deren statistische Auswertung erfolgen mit der datenbankgestützten IRMS-Software.

In den Bildern 2 bis 4 ist der Prüfstand mit der neuen Frontend-Elektronik schematisch dargestellt - ein modulares System zur Prüfung unterschiedlicher Typen von Treibradsätzen.


Bild 2:
Schematische Darstellung des AURA-Prüfstandes zur Prüfung von Treibradsätzen

Bild 3:
AURA-Prüfstand - Detailansicht

Bild 4:
Prüfkopfsystemträger mit Wechselmodul für unterschiedliche Radsatzbauarten

Kombinierte Ultraschall- und Wirbelstromprüfeinrichtung zur Prüfung von Rädern und Radsatzwellen ohne Längsbohrung

Im Werk der Bahntechnik Kaiserslautern GmbH entsteht derzeit eine Radsatzwerkstatt für die Aufarbeitung von Radsätzen des Eisenbahngüterverkehrs. In die Produktionsstrecke wird eine US/WS-Prüfanlage integriert, mit der in einer Prüfstation sowohl die Radkranzprüfung als auch die Prüfung der Radsatzwelle durchgeführt werden sollen.

Die Radkranzprüfung einschließlich des Übergangsbereiches zum Steg erfolgt mittels Ultraschall mit konventionellen Prüfköpfen. Zur Prüfung der Lauffläche auf Oberflächenrisse wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Die Ultraschallprüfung der Vollwellen erfolgt mittels Gruppenstrahlerprüfköpfen. Die Prüfung von Radkranz und Vollwelle wird in einem Durchgang abgearbeitet. Für die Radkranzprüfung werden zwei 16-Kanal US-Frontend-Module eingesetzt sowie ein 8-kanaliges Wirbelstrom-Frontend, das ebenfalls vom IZFP entwickelt wurde. Die Frontend-Module werden unmittelbar am Sensorträger montiert. Auch bei dieser Prüfanlage sind die US- und WS-Module per Ethernet vernetzt.

Zur US-Prüfung der Vollwelle wird ein 64-kanaliges Gruppenstrahlergerät COMPAS von GE Inspection Technologies eingesetzt, das sich bereits in Vollwellen-Prüfständen in den DB Werken Wittenberge und Neumünster bewährt hat. Die Bedienung der Ultraschall- und Wirbelstromtechnik erfolgt über einen Leitrechner, der unter Windows 2000 läuft. Die Eingabe der Radsatzkenndaten, die Ergebnisdarstellung und die Ergebnisdokumentation erfolgen in einer gemeinsamen Bediener-Oberfläche. Der prinzipielle Aufbau der kombinierten Anlage für die Radkranz- und Vollwellenprüfung ist aus Bild 5 zu ersehen.

Bild 5: Prinzipieller Aufbau des kombinierten Prüfstandes für die Radkranz- und Vollwellenprüfung

Neues Konzept für die Unterflurprüfung von Treibradsätzen

Die ersten Generationen der Unterflurprüfeinrichtung, UFPE, wurden in Zusammenarbeit von DB-Systemtechnik, BAM, IZFP und TEG entwickelt. Sie kommen in mehreren ICE-Instandhaltungswerken der Deutschen Bahn zum Einsatz.

Im Hinblick auf eine weitere Reduktion der Prüfzeit und die Optimierung der Handhabung, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit wurde gemeinsam mit TEG und dem IZFP-Gerätebau ein neues Konzept für die Unterflurprüfeinrichtung erarbeitet. Wesentliche Neuerungen sind u.a. ein neuer, kompakter Prüfkopfsystemträger, der die Zustellung der Prüfköpfe an die im Zug eingebauten Radsätze erleichtert (Bild 6) und die Unterbringung der Ultraschallelektronik in unmittelbarer Nähe der Prüfkopfsystemträger, was durch die Nutzung der Frontend-Technik möglich wurde.


Bild 6:
Sensorträger zur Prüfung von Treibradsätzen - Größen-vergleich alte und neue Ausführung

Bild 7:
UFPE in Grundstellung mit abgeklappten Prüfkopfsystem-trägern

Bild 8:
Systemkomponenten der UFPE; der gesamte Datentransfer und die Bedienung erfolgen kabellos über Funkstrecken

Die wesentlich kompaktere Gestaltung des Gesamtsystems (Bild 7), der Wegfall der kostenintensiven und störanfälligen Kabelverbindungen, die bei der bisher eingesetzten UFPE vom Prüfkopfanschlusskasten zur neben dem Gleis platzierten US-Elektronik führten, sowie der Prüfdatentransfer über ein Funknetzwerk (Bild 8), ergeben die oben genannten Vorteile in der Handhabung und dem Service und damit letztendlich eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Zugbetriebs.

Auch die neue US-Elektronik gestattet die Aufzeichnung von pixelierten A-Bildern, um bei der Prüfung des Scheibenbereiches angetriebener Radsätze mögliche Risse von Formanzeigen trennen zu können.

Schienenintegrierte Überrollprüftechnik (SUPRA)

Um die Prüfung der Radsätze von Hochgeschwindigkeitszügen nicht wie bisher kosten- und zeitaufwändig bei Stillstand des Zuges oder an ausgebauten Radsätzen durchführen zu müssen, besteht das Ziel, die regelmäßig geforderten Prüfungen im Überrollbetrieb durchzuführen. Dabei soll der Zug mit geringer Geschwindigkeit (ca. 3 bis 5 km/h) über eine Prüfstrecke fahren. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu diesem System, genannt SUPRA, werden vom bmb+f gefördert. In diesem Projekt arbeiten in einem Forschungsverbund Fraunhofer IZFP, Fraunhofer TEG, IntelligeNDT und die BAM, Berlin, mit der DB Systemtechnik in Kirchmöser zusammen. In 5 und 6 sind die Ziele von SUPRA und die unterschiedlichen Ansätze dargestellt, die im Rahmen der F&E-Arbeiten verfolgt werden. Ein von IZFP und TEG verfolgter Ansatz ist die sogenannte schienenintegrierte Lösung, bei der in einem Tauchbecken je Schiene ca. 500 Ultraschallprüfköpfe in einem Tauchbecken in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind (s. Bild 9).

Bild 9: Prinzip der Radkranzprüfung mit einer linearen Anordnung von Ultraschallprüfköpfen in einem Tauchbecken

Bei der Bewegung des Zuges über die Prüfstrecke werden unter Nutzung der Brechung von Schallstrahlen, die die Radoberfläche nicht senkrecht treffen, unterschiedliche Einschallwinkel realisiert und so bei der Einschallung von der Lauffläche die relevanten Volumenbereiche im Radkranz erreicht. Mit weiteren Prüfstrecken, die auch die Einschallung von der inneren Stirnfläche ermöglichen, könnten auch die Prüfung der Radscheibe und des Spurkranzes erfolgen.

An die Ultraschallelektronik werden bei dieser Anwendung hohe Anforderungen gestellt, die einerseits durch die erforderliche hohe Kanalzahl bedingt sind, andererseits durch Anforderungen hinsichtlich Störsicherheit gegen EMV-Einflüsse, die beim fahrenden Zug durch die Antriebsaggregate auftreten. Es ist daher wichtig, die US-Elektronik so nahe wie möglich an die Prüfstrecke zu bringen, um durch kurze Kabelstrecken die Störeinstreuung so gering wie möglich zu halten. Diese Anforderungen erfüllt die miniaturisierte Frontend-Elektronik, die direkt an der Prüfstrecke angeordnet wird. Die Messdaten werden wie in den oben genannten Anwendungsfällen störungssicher über Ethernet zum Datenaufnahme- und Auswertesystem übertragen. Durch das modulare Konzept sind auch die geforderten hohen Kanalzahlen realisierbar, wobei durch Fertigung hoher Stückzahlen eine kostengünstige Realisierung der US-Elektronik erfolgen kann. Vorteilhaft ist weiter der schnelle und einfache Service durch einfachen Austausch von kompletten US-Hardware-Modulen.

Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern

Gestiegene Anforderungen an Prüfeinrichtungen für die Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern 7,8 führten dazu, dass die neue Generation der RWI-Prüfanlagen (RWI: Rail Wheel Inspection) für kürzere Taktzeiten (£ 1 Minute für die Radkranzprüfung) ausgelegt werden musste und zusätzlich zur Radkranzprüfung auch die Prüfung von Radscheibe und Nabe sicherzustellen war. Es können je nach Anforderungen des Kunden an den Prüfumfang unterschiedliche Varianten der Prüfeinrichtung realisiert werden, z.B. Scheiben- und Nabenprüfung nur von einer Seite oder beidseitig, zusätzliche Prüfung des Spurkranzes und Schrägeinschallung von der inneren Stirnfläche. Je nach Ausführung werden dazu bis zu 13 Tauchtechnikprüfköpfe eingesetzt, zu deren Betrieb einschließlich Reservekanälen eine 16-kanalige Ultraschallelektronik genutzt wird. Die höchste einstellbare Prüfempfindlichkeit entspricht 1 mm Kreisscheibe. Zur Abarbeitung des geforderten Prüfumfangs muss das Rad mehrmals gedreht werden, wobei bezogen auf den Messkreis Bahngeschwindigkeiten bis ca. 750 mm/s erreicht werden müssen.

Bild 10: Ausführung der RWI-Prüfanlage für die Ultraschallprüfung von Radkranz sowie beidseitige Prüfung von Radscheibe und Nabe
Bild 11:
PCUS11-Einsteck-Ultraschallkarte

Bild 10 zeigt die Ausführung einer Anlage für die Radkranzprüfung und für die Prüfung von Scheibe und Nabe von beiden Seiten. Aufgrund der hohen Prüfgeschwindigkeit wird eine Prüfelektronik eingesetzt, in der die einzelnen Prüfkanäle in einem definiert einstellbaren Taktschema abgearbeitet werden. Dadurch können, soweit schalltechnisch möglich, Prüfköpfe auch parallel angesteuert werden. In einem Serversystem werden dazu 16 PCUS11 Ultraschalleinsteckkarten eingesetzt (Bild 11).

Ein Client-PC, der mit dem Server über Ethernet verbunden ist, dient als Leitrechner. Falls bei steigenden Systemanforderungen notwendig, können mehrere Server mit dem Client verbunden werden. Auch der Signalaustausch mit der komplexen Steuerelektronik für die Mechanikfunktionen erfolgt über Ethernet.

Zur Erzielung einer Taktzeit von lediglich einer Minute (ohne Scheibenprüfung) wurde für einen Kunden in Russland ein Doppelsystem installiert, bei dem zwei Prüfbecken vorhanden sind. Zwei parallel agierende Transporteinheiten befördern die Räder zu einem freien Prüfbecken und wieder zurück in die Fertigungslinie. Die Verfahrstrategie der beiden Transportsysteme musste über eine anspruchsvolle Steuerungstechnik optimiert werden, um die vom Kunden geforderte Taktzeit zu erreichen. Bild 12 zeigt die RWI-Doppelprüfanlage während der Erprobung bei TEG in Stuttgart.

Bild 12: Probeaufbau einer RWI-Doppelprüfanlage mit zwei Prüfbecken und zwei Transportsystemen für Taktzeiten von einer Minute

References

  1. B. Rockstroh, W. Kappes, F. Walte, J. Montnacher, R. Seitz, H. Hintze, R. Ettlich Automatisierte Ultraschallprüfung an Radsätzen Eisenbahningenieur, Heft 7/2001
  2. B. Rockstroh, W. Kappes, J. Götz, J. Montnacher, M. Schüßler, R. Ettlich Unterflurprüfeinrichtung für ICE-Radsätze Eisenbahningenieur, Heft 10/2003
  3. W. Kappes, M. Schüßler Unterflurprüfeinrichtung für ICE-Radsätze Handbuch "Automatische Ultraschall-Prüfsysteme" Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V., Berlin DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1. Auflage, Berlin 2003
  4. K. Reber, M. Beller, H. Willems, O.A. Barbian A new Generation of Ultrasonic In-Line Inspection Tools for Detecting, Sizing and Locating Metal Loss and Cracks in Transmission Pipelines IEEE International Symposium on Ultrasonics, Munich 2002
  5. G. Engl, R. Meier, S. Schuhmacher, H. Hintze, A. Erhard, F. Walte, B. Rockstroh, J. Montnacher Online Ultraschall-Prüfung am rollenden Hochgeschwindigkeitszug DGZfP-Jahrestagung, zfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung, Weimar, 6.-8. Mai 2002
  6. B. Rockstroh, F. Walte, W. Kappes, S. Schuhmacher, H. Maly, J. Montnacher, A. Erhard ICE-Radsätze zerstörungsfrei und schnell prüfen Neues Überrollsystem für Eisenbahnräder Materialprüfung, Jahrgang 46 (2004) 1-2, Seiten 36 - 39
  7. F. Walte, B. Rockstroh, W. Kappes, S. Bessert, J. Montnacher, G. Herbold, R. Dath Ultraschallprüfeinrichtung für die Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern DGZfP-Jahrestagung, zfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung, Weimar, 6.-8. Mai 2002
  8. B. Rockstroh, W. Kappes, F. Walte, S. Kraus, J. Montnacher, Th. Bartsch, R. Seitz, H. Hintze, W. Schmidt, G. Engl, G. Herbold, R. Dath Prüfsysteme für neue Eisenbahnräder und Radsätze von Schienenfahrzeugen, Defektoskopie 2002, 10.-13. September 2002, St. Petersburg, Russland

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net