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Betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige
Ungänzen wie Head Checks, Squats und Belgrospis spielen bei der Gewährleistung
der Sicherheit des Fahrbetriebes eine zunehmend wichtige Rolle. Bei ungehindertem
Wachstum können diese Schäden bis zum Schienenbruch führen. Um dies zu verhindern,
werden diese Oberflächenschädigungen im Anfangsstadium durch Abarbeiten
der Schienen beseitigt. Häufig werden hierfür Schienenschleifzüge eingesetzt. Für die
effektive Planung dieser Instandhaltungsmaßnahmen wurde ein Wirbelstromprüfsystem
entwickelt, welches in der Lage ist, speziell für den Fehlertyp Head Checks, eine
Risstiefenbestimmung durchzuführen. Dieses wird seit einiger Zeit bei der manuellen
Prüfung (WPG Wirbelstromprüfgerät) und bei der Prüfung mit Schienenprüfzügen
erfolgreich eingesetzt. Das Wirbelstromprüfsystem wurde so modifiziert, dass es in einem
Schleifzug der Firma SPENO INTERNATIONAL SA integriert werden konnte.
Hierüber wurde bereits berichtet (u.a. DACH-Tagung 2004 in Salzburg; ECNDT 2006
Berlin). Der Betrieb im Schleifzug ist für die Weiterentwicklung des Prüfsystems von
herausgehobener Bedeutung, da anhand des tatsächlich erzeugten Materialabtrages eine
laufende Verifikation der Prüfaussagen erfolgen kann. Für die Instandhaltungsmaßnahme
ergibt sich durch das integrierte Prüfsystem der Vorteil, während bzw. unmittelbar
nach Abschluss der Arbeiten eine objektive Dokumentation über das erzielte
Schleifergebnis erstellen zu können. Inzwischen sind einige Schleifzüge mit dem System
ausgerüstet worden. Anhand von Ergebnissen ausgewählter Schleifeinsätze werden
die Aspekte für die Optimierung der Schieneninstandhaltungsmaßnahmen, sowie auch
für die Weiterentwicklung des Prüfsystems selbst vorgestellt.
Infolge der Betriebsbeanspruchung unterliegen Eisenbahnschienen an
ihrer Fahrkante sog. Rollkontakt-Ermüdung. Diese entsteht bevorzugt in Bögen
durch eine Kaltverformung des Schienenstahls und zeigt sich anfänglich in einer erhöhten
Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs. Im weiteren
Verlauf entstehen zahlreiche, flach in das Schieneninnere verlaufende Risse sog.
Head Checks. Diese Risse neigen ab einem gewissen Stadium dazu, in das Innere
der Schiene abzukippen, was im Endstadium zu einem Schienenbruch führen kann.
Seit einigen Jahren wird in Deutschland bei der DB AG das Wirbelstromverfahren
erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung der Schädigungstiefe von Head Checks
eingesetzt. Hiermit wurde u. A. angestrebt, zuverlässige Planungsgrößen für den
Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz
ein weiteres Risswachstum wirkungsvoll unterbunden werden kann. Bereits bei einem
der ersten systematischen Einsätze der Wirbelstromprüfung an einer Bogenstrecke
mit hohem Betriebsaufkommen wurde auffällig, dass die Ermüdungsrisse
nicht gleichmäßig entlang des Bogens verteilt auftraten, sondern sich auf kurze Distanzen
Anhäufungen von Rissbefall mit intakten, unbefallenen Abschnitten abwechselten.
Solch wellenförmiges Auftreten von Head Checks wurde auch in den nachfolgenden
Prüfergebnissen der Wirbelstromprüfung vielerorts beobachtet. Aus der
Literatur war bekannt, dass sich die Ermüdungsrisse bevorzugt in verfestigten Materialzonen
bilden. Mit Hilfe von Härtemessungen konnte an verlegten und befahrenen
Schienen gezeigt werden, dass die unbefallenen Zonen etwa die Grundhärte des
Schienenwerkstoffes aufwiesen, während die mit Ermüdungsrissen befallenen Zonen
um ca. 10 25% erhöhte Härtewerte aufwiesen. Die Wirbelstromprüfung reagiert
sehr empfindlich auf Veränderungen der Materialeigenschaften. Somit lassen
sich Verfestigungen der o. g. Art leicht auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen
bereits nachweisen. Im Zuge einer längerfristigen Beobachtung einer
neu gebauten Strecke konnte herausgefunden werden, dass sich nach einer gewissen
Betriebszeit wellenförmig verteilte Zonen mit Prüfsignalen, die auf Verfestigungen
schließen lassen auftraten. Im weiteren zeitlichen Ablauf bildeten sich Ermüdungsrisse
tatsächlich in den vorher bestimmten Stellen mit Verfestigung, während die
Zonen ohne diese Prüfsignale weitgehend rissfrei blieben. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung
von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen - Integration der Wirbelstromtechnik in Ultraschallprüfzüge
(2004)
Kurzfassung
Es wurde eine Prüftechnologie basierend auf dem Wirbelstromverfahren entwickelt, mit der es möglich ist, oberflächennahe Fehler in Schienen zu detektieren und zu bewerten.
Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass Fahrkantenfehler (Head Checks) mit Risstiefen bis zu 10 mm bewertet werden können. Darüber hinaus werden weitere Inhomogenitäten und Fehler wie z. B. Schleuderstellen, Belgrospi's und Squats detektiert.
Für die Anwendung der Prüftechnologie kommen 4 Anwendungsgebiete in Frage:
Ausrüstung von Schienenprüfzügen,
Manuelle Schienenprüfung,
Ausrüstung von Schienenschleifzügen,
Ausrüstung von stationären Schienenprüfständen.
Die Prüftechnik befindet sich zur Zeit in der Erprobungsphase. Der Schienenprüfzug der Deutschen Bahn AG wird in Kürze mit einem achtkanaligen Prüfsystem ausgerüstet.
Ebenfalls im Erprobungseinsatz befindet sich ein Handprüfsystem zur manuellen Schienenprüfung.
Die Betriebsüberwachung der Radscheiben von Schienenfahrzeugen kann besonders wirt-schaftlich durchgeführt werden, wenn die Prüfung im eingebauten Zustand erfolgen kann. Hierzu kann z. B. eine Oberflächenprüfung nach dem Wirbelstromverfahren eingesetzt werden. Als Optimierungskriterien für die Sondenkonstruktion werden eine sehr hohe Prüfempfindlichkeit gegenüber kleinen Rissfehlern und eine gute Handhabbarkeit bei erschwerter Zugänglichkeit der Prüffläche gefordert. Hierzu wurde eine neuartige Wirbel-stromprüfsonde entwickelt. Die Besonderheit besteht darin, dass der Nachweis von sehr kurzen Rissen bei einer gleichzeitig großen Sensorspurbreite möglich ist. Der Zeitaufwand für die Radscheibenprüfung wird damit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik um 2/3 reduziert.
Eine berührungslose Abtastung ist bei hoher Prüfgeschwindigkeit unabdingbar. Nur so kann ein Verschleiß der Wirbelstromsonde durch Abrieb verhindert werden.
Gleichzeitig wird eine Beschädigung der zu prüfenden Oberfläche vermieden.
Das Wirbelstromverfahren reagiert empfindlich auf Abstandsänderungen zwischen Wirbelstromsonde und Prüfoberfläche. Eine Trennung des Nutzsignals von dem stö-renden Abstandseffekt gelingt mit Hilfe der Phasenselektion in der Regel nur unzu-reichend. Dieses führt insbesondere bei unebenen Oberflächen zu einer Reduzie-rung der Prüfempfindlichkeit.
Abhilfe schafft eine geregelte Sondenführung, bei der der Abstand konstant gehalten wird.
Es wurden spezielle Sondenhalter nach zwei verschiedenen Verfahren der Ab-standsregelung entwickelt: Ein selbstregelndes System nach dem Luftkissenprinzip sowie ein elektrodynamischer Sondenhalter, angesteuert von einem elektronischen Regler.
Erst durch den Einsatz der geregelten Sondenführung wurde die Detektion kleinster Inhomogenitäten (Ø = 100 µm) innerhalb von Mulden möglich.
Die Wirbelstromprüftechnik ist eine hochempfindliche Prüfmethode, mit der kleinste Materialschäden in metallischen Prüfkörpern nachgewiesen werden können. Die Prüfung kann berührungslos und bei sehr hohen Prüfgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Dies sind beste Voraussetzungen für den Einsatz in automatischen Produktionsanlagen. Die Wirbelstromprüfung kann vielfach direkt in die Produktionslinie von Halbzeugen integriert werden. Zur Abdeckung der gewünschten Prüffläche werden je nach geforderter Prüfempfindlichkeit Durchlaufsensoren, Anordnungen von mehreren Tastsonden oder rotierende Sensoren eingesetzt. Die Entscheidung über das Vorhandensein einer unzulässigen Inhomogenität wird durch das Überschreiten einer festgelegten Signalschwelle festgestellt, wonach eine Aussortierung ausgelöst werden kann. Dieses einfache Kriterium versagt jedoch, wenn durch das Prüfteil Anzeigen hervorgerufen werden, die nach ihrer Herkunft unterschieden werden müssen. Beispielsweise könnte eine Prüfaufgabe so gestellt sein, daß in einem Prüfteil Poren geduldet werden, während rißartige Inhomogenitäten unzulässig sind. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie durch den Einsatz von speziellen Computeralgorithmen an flächenhaft gewonnenen Wirbelstrombildern eine Unterscheidung der Anzeigentypen durchgeführt werden kann.
Zusammenfassung
Inhomogenitäten in supraleitenden Hohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers führen beim Betrieb zu einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) und begrenzen dadurch die maximale Leistung des Beschleunigers. Es wurde ein Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung der Niob-Bleche entwickelt, aus denen die Resonatoren gefertigt werden. Die Bleche werden mit dem Wirbelstromverfahren berührungslos abgetastet, wobei ein in der BAM entwickelter Sondenhalter nach dem Luftkissenprinzip verwendet wird. Mit dem Prüfsystem lassen sich Poren und Verun-reinigungen mit einer Ausdehnung ab ca. 80 µm sowohl an der Oberfläche als auch verdeckt nachweisen.