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Human Factors bei der Ultraschall-Handprüfung von Radsatzwellen mit Längsbohrung in der Ausbildung
(2019)
Ziel dieser Arbeit war es, menschliche und organisatorische Einflussfaktoren auf die Ultraschall-Handprüfung von Radsatzwellen zu identifizieren, um Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung auszuarbeiten. Dazu, wurden prüfungsbezogene Risiken in der Praxis mittels Fehlzustandsart- und –auswirkungsanalyse (FMEA) analysiert sowie von den Prüfern empfundene Probleme während der Ausbildung und in der Praxis mittels Fragebogen identifiziert.
Die Ergebnisse der FMEA haben gezeigt, dass während der gesamten ZfP-Prozesses Fehler auftreten können, für die Gegenmaßnahmen getroffen und implementiert werden sollten. Zu den vorgeschlagenen Gegenmaßnahmen zählen: Optimierung der Organisation, Prüftechnik, Dokumentation, Ausbildung, Arbeitsbedingungen und des Prüfprozesses.
Die Auswertung der Fragebögen zeigte eine relativ große Zufriedenheit mit den zur Ausbildung bereitgestellten Prüfunterlagen. Hinsichtlich der Praxis tendierten die Antworten der Prüfer in Richtung Verbesserung der Prüfunterlagen, Arbeitsbedingungen vor Ort, Arbeitsvorbereitung im Werk und Anweisung/fachlichen Einweisung durch die Prüfaufsichten.
Aus den Hinweisen und Erkenntnissen wurden einige Empfehlungen zur Optimierung der Prüfunterlagen, Kompetenzen und des Prüfprozesses erarbeitet. Es wurde empfohlen, die Qualität der Prüfunterlagen systematisch zu untersuchen und zusammen mit den Prüfern zu verbessern, um Missverständnisse bei der Nutzung der Prüfunterlagen zu minimieren und somit Fehler bei der Prüfung zu vermeiden. Eine weitere Empfehlung betraf die Entwicklung und das Angebot neuer Ausbildungsmodule zur Weiterbildung von Prüfaufsichten und Führungskräften, um ein Grundverständnis über Einflüsse auf die Qualität der Zerstörungsfreien Prüfungen zu schaffen. Zur Optimierung des gesamten ZfP-Prüfprozesses wird empfohlen, die mittels FMEA erarbeitete Liste möglicher Gegenmaßnahmen in der Praxis umzusetzen. Diese Liste sollte den Verantwortlichen zur Verfügung gestellt werden, um potenziell auftretende Fehler zu erkennen und zu vermeiden.
Kegel-Phased-Array für die schnelle Ultraschallprüfung von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen
(2018)
Durch die Verwendung von Ultraschall - Phased Arrays lässt sich in vielen Fällen sowohl die Prüfgeschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit der Prüfung erhöhen. Für die Prüfung von Eisenbahnradsatzwellen ist die Phased Arraytechnik schon verbreitet, jedoch vor allem für die Prüfung von Vollwellen. Die Prüfung von längsgebohrten Eisenbahnrad¬satzwellen erfolgt typischerweise mit einer Anzahl von konventionellen Prüfköpfen, die rotierend durch die Längsbohrung bewegt werden. Dabei werden weder die Achsen und Räder noch die Bremsscheiben demontiert.
Ein neuer Ansatz für die Prüftechnik ist die Verwendung eines rotations-symmetrischen kegelförmigen Phased Arrays in Tauchtechnik. Die Abtastung in Umfangs-richtung erfolgt durch elektronische Rotation des Schallfeldes, was viel höhere Prüfge-schwindigkeiten ermöglicht und den mechanischen Aufwand des Prüfsystems erheblich reduziert. Nur die Bewegung des Sensorsystems in axialer Richtung innerhalb der Bohrung erfolgt mechanisch. Senkrecht zur Bauteilachse kann das Schallbündel durch die Phased Arraysteuerung in Umfangsrichtung exakt ausgerichtet und im Abstand der Prüfbereiche nahe der Außenoberfläche der Radsatzwelle fokussiert werden.
Die Konstruktionsparameter des Kegelarrays wurden speziell optimiert zum Auffinden von rissartigen Querfehlern in und in der Nähe der äußeren Oberfläche von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen. Die Fehlerfläche liegt dabei in der Querschnittsfläche des Bauteils. Im Beitrag werden der Prototyp des neuen Sensorsystems und erste Prüfergebnisse gezeigt. Die Arbeiten wurden durchgeführt im Rahmen des Europäischen Projektes “Whole Life Rail Axle Assessment and Improvement Using Ultrasonic Phased array and Corrosion Inspection Systems“ (RAAI).
Im Rahmen des Europäischen Projektes RAAI* wird speziell für längsgebohrte Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen eine Phased Array Technik angepasst, mit dem Ziel einer nahezu 100%igen Rissprüfung (Tiefe 2-3 mm) ohne die Demontage der Wellen und einer Prüfzeitreduzierung von 75%.
Die Technik arbeitet mit einem Phased Array, bei dem die Schwingerelemente auf einem Kegelstumpf angeordnet sind. Für die Abtastung in Umfangsrichtung erlaubt das Phased Array die schnelle Rotation und zusätzlich das Fokussieren und Schwenken des Schallbündels. In Richtung der Achse wird das Prüfkopfsystem mechanisch bewegt.
In vorangegangenen Projekten ist das Prinzip dieser Prüftechnik entwickelt und die Tauglichkeit gezeigt worden. Die jetzigen Arbeiten haben insbesondere die Optimierung der Sensortechnik an die o.g. Aufgabe zum Ziel. Wegen der ungewöhnlichen Geometrie des Arrays sind umfangreiche Simulationsrechnungen nötig, um die Auswirkung von zahlreichen Parametern auf die Schallfeldform und letztlich auf die Empfindlichkeit und die Ortsauflösung zu untersuchen und die Konstruktionsdaten zu bestimmen.
Zur Validierung der Prüftechnik werden Tests an typischen Eisenbahnradsatz-wellen durchgeführt. Der Einsatz von unterstützenden Signalverarbeitungsalgorith-men bei der Auswertung der Prüfergebnisse zur sichereren Fehlererkennung ist u.a. wegen des möglichen geringen Messpunktabstandes für diese Prüftechnik besonders vielversprechend. Der Stand der Entwicklung wird gezeigt.
Der einwandfreie Zustand der Radsätze von Schienenfahrzeugen ist von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb. Die Radsatzwellen werden durch eine große Zahl von Lastwechseln individuell unterschiedlich beansprucht. Dabei spielen viele Einflüsse wie äußere statische und dynamische Lasten, innere Lasten aufgrund von Unwuchten und inneren Spannungen und Umweltbedingungen entscheidende Rollen. Eine regelmäßige Prüfung ist daher obligatorisch.
BTD entwickelt im Rahmen eines MNPQ-Projektes in Kooperation mit der BAM eine Phased Array Technik zur automatisierten Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten
Zustand. Die schwierigen Ankoppelbedingungen aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit, der komplexen Geometrie und möglicherweise vorhandener Farbschichten und Schmutz
auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen,
werden neben optimierten Prüfköpfen, einer in die Wasservorlaufstrecke integrierten
akustischen Linse und einer speziellen Ankoppeltechnik auch Signalverarbeitungsalgorithmen
eingesetzt.
Die Darstellung der Signalverarbeitung ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mit Hilfe von Messdatensätzen präparierter Testwellen werden verschiedene Algorithmen
erprobt und hinsichtlich der Stabilität, dem Verhalten bezüglich der
Ankoppelschwankungen und veränderter Wellengeometrien und der Fähigkeit zur
automatischen Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen bewertet. Letztlich wird die
beste Lösung im entwickelten Prüfsystem eingesetzt.
Die Sicherheit von Radsatzwellen beruht gegenwärtig auf zwei Säulen: der Schwingfestigkeitsauslegung und periodischen Inspektionen. Ausgehend von einem Schadensfall, der gebrochenen ICE 3-Welle von Köln, 2008, werden ausgewählte Aspekte dieser beiden Säulen diskutiert und Vorschläge zur weiteren Verbesserung gemacht. Diese betreffen u. a. Fragen einer Betriebszeitbegrenzung, Veränderungen der Schwingfestigkeit während des Betriebs infolge von Korrosion und Steinschlag, den Einfluss von Korrosion auf Schwingrissinitiierung und -fortschritt, den potenziellen Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Schwingfestigkeit, die Möglichkeiten, sie im Rahmen der Qualitätssicherung zu detektieren, sowie Fragen der Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit zerstörungsfreier Schwingriss-Prüfverfahren im Rahmen eines Konzepts regelmäßiger Inspektionen.
Die Sicherheit von Radsatzwellen beruht gegenwärtig auf zwei Säulen: der Schwingfestigkeitsauslegung und periodischen Inspektionen. Ausgehend von einem Schadensfall, der gebrochenen ICE 3-Welle von Köln, 2008, sollen ausgewählte Aspekte beider Säulen diskutiert und Vorschläge zur weiteren Verbesserung gemacht werden. Diese betreffen u.a. Fragen einer Betriebszeitbegrenzung, Veränderungen der Schwingfestigkeit während des Betriebs infolge von Korrosion und Steinschlag, den Einfluss von Korrosion auf Schwingrissinitiierung und -fortschritt, den potentiellen Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Schwingfestigkeit, die Möglichkeiten sie im Rahmen der Qualitätssicherung zu detektieren sowie Fragen der Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit zerstörungsfreier Schwingriss-Prüfverfahren im Rahmen eines Konzepts regelmäßiger Inspektionen.
Die Verwendung von höherfesten, vergüteten Stählen für Radsatzwellen wird zurzeit kontrovers diskutiert. Für die zuverlässige Auslegung mit diesen Werkstoffen werden verlässliche mechanische und bruchmechanische Kennwerte benötigt. Zudem müssen die aus Prüfungen an Kleinproben und Bauteilen gewonnenen Werte konsistent sein. Das war bisher nicht immer der Fall.
In einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin im Auftrag des Verbandes der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) durchgeführten Forschungsvor- haben wurden Proben aus dem Werkstoff A5T (42CrMo4+QT), entnommen aus Original-Radsatzwellen und aus 1:1-Proben eines anderen Forschungsvorhabens, untersucht. Alle Proben haben für den Werkstoff A5T und seinem Wärmebehandlungszustand den gültigen Normen entsprechende Kennwerte im Rahmen der geforderten Eigenschaften gezeigt. Gefügefehler konnten an den vorliegenden Prüfstücken nicht nachgewiesen werden. Die vorgenommenen Wärmebehandlungen beeinflussen das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften in der erwarteten Weise.
Die wiederkehrende zerstörungsfreie Prüfung von längs gebohrten
Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall erfolgt im eingebauten Zustand aus der Wellenbohrung heraus. Neben den aufzufindenden Fehleranzeigen erzeugt aufgrund der geometrischen Bedingungen der Radsatzwelle hierbei jeder Querschnittsübergang eine umlaufende Formanzeige in der Ergebnisdarstellung. Durch den Prozess des Aufschrumpfens der Radscheiben auf die Sitze können weiterhin örtlich statistisch verteilte Bereiche im Sitz entstehen, die bei der Ultraschallprüfung Anzeigen hervorrufen, die so genannten Scheinanzeigen. Insbesondere in den Bereichen der Querschnittsübergänge ist zum einen die Prüfsituation sehr komplex, zum anderen ist hier die Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung am höchsten. Bei der Befundanalyse stößt die derzeit verwendete Prüftechnik in diesen Bereichen an ihre Grenzen, so dass nicht immer eine eindeutige Prüfaussage erfolgen kann. Im Bericht werden Lösungsansätze für Analyseverfahren vorgestellt, die auf Basis der Gruppenstrahlertechnik bzw. mit Fokusprüfköpfen in Verbindung mit dem Einsatz von Signalverarbeitung vielversprechende Ergebnisse zur Optimierung dieser Situation aufzeigen.