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Aktuelle Entwicklungen der Wirbelstrom- und Ultraschallprüfung an verlegten Eisenbahnschienen
(2019)
Die kombinierte Schienenprüfung mit Wirbelstrom und Ultraschall ermöglicht eine ganzheitliche Detektion von Inhomogenitäten im Kopf und Steg der Schiene und gewährleistet das Auffinden sowohl von Volumen-als auch Oberflächeneffekten wie z. B. Head Checks. Für die verbesserte Detektion von Rollkontaktermüdung (rolling contact fatique, RCF) und den daraus resultierenden Schienenfehlern (Head-Checks, Squats, Riffel, …) wurde für die Wirbelstromprüfung der Prüfbereich auf die gesamte Rollkontaktfläche erweitert. Der Fokus liegt im Neudesign der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung und der damit verbundenen normgerechten Auslegung der Konstruktion für die fahrzeugspezifischen Gegebenheiten. Ferner wurde die Anwendersoftware des kombinierten Prüfsystems vereinheitlicht. Um die wirtschaftliche Effektivität unsere Prüftechnik zu steigern, wird die Multiplex-Gerätetechnologie in die automatisierte Schienenprüfung eingeführt. Damit wird der freizuhaltende Einbauraum innerhalb der Fahrzeuge sowie Kabelwege deutlich reduziert. Durch den Übergang zu der Multiplextechnologie wurde weiterhin die Stromaufnahme um mehr als 50% reduziert.
Bruchmechanische Untersuchungen werden zur Vorhersage der Lebensdauer und der Wartungszyklen benutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch Objekte ohne detektierte Anzeigen Materialfehler mit einer Reflektivität kleiner der Nachweisgrenze aufweisen können. Keine detektierte Anzeige bedeutet daher für Bauteilauslegung, dass sie eine konservative Annahme machen müssen: es wird angenommen, dass das Bauteil Materialfehler in Größe der Nachweisgrenze enthält. Dies macht die Nachweisgrenze zu dem die Lebensdauer limitierenden Faktor. Bei probabilistischen Methoden wird zusätzliches Wissen, wie Zuverlässigkeit und Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit in die Berechnung einbezogen, um zu konservative Annahmen zu vermeiden. Ziel ist es eine Model-Assisted-POD aufzubauen mit der die reale volumetrische Ultraschallprüfung großer Schmiedeteile nachgebildet werden kann. Die resultierende POD soll im Weiteren in bruchmechanischen Betrachtungen Verwendung finden. In vorangegangenen Arbeiten [Preißel2015] wurde dazu der Einfluss des Prüfrasters nach der DGZfP-Richtlinie US 07:2014 auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (parametrisch) simulativ betrachtet und die Simulationstechnik experimentell validiert. In diesem Paper werden die Ergebnisse von Preißel überprüft und um eine Prüfraster-Summen-POD, die das Szenario der realen Bauteilprüfung beschreibt, erweitert. Zudem wird eine experimentell validierte, simulative, nicht-parametrische POD für schrägliegende Defekte aufgebaut. Schließlich werden erste Untersuchungen zur Defektmorphologie vorgestellt. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Studenten-Stipendiums der DGZfP entstanden.
Human factors (HFs) are a frequently mentioned topic when talking about the reliability of non-destructive testing (NDT). However, probability of detection (POD), the commonly used measure of NDT reliability, only looks at the technical capability of an NDT system to detect a defect.
After several decades of research on the influence of HFs on NDT reliability, there is still no commonly accepted approach to rendering HFs visible in reliability assessment. This paper provides an overview of possible quantitative and qualitative methods for integrating HFs into the reliability assessment. It is concluded that reliability assessment is best carried out using both quantifiable and non-quantifiable approaches to HFs.
Menschliche Faktoren sind ein häufig genanntes Thema, wenn wir über
die Zuverlässigkeit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) sprechen. Die Probability of Detection (POD), das üblicherweise verwendete Maß für die Zuverlässigkeit der ZfP, betrachtet jedoch nur die technische Fähigkeit eines ZfP-Systems, einen Fehler zu entdecken. Nach mehreren Jahrzehnten der Erforschung des Einflusses der menschlichen Faktoren auf die Zuverlässigkeit der ZfP gibt es immer noch keinen allgemein akzeptierten Ansatz, um menschliche Faktoren in der Zuverlässigkeitsbewertung sichtbar zu machen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über verschiedene verfügbare Methoden zur Einbeziehung menschlicher Faktoren in die Zuverlässigkeitsbewertung. Das Thema ist ein essenzieller Bestandteil des laufenden WIPANO-Projekts "normPOD", das sich als Ziel gesetzt hat, die Standardisierung der Zuverlässigkeitsbewertung in Deutschland voranzutreiben und im Vergleich zu den schon bekannten internationalen Normen einen Fokus auf den Umgang mit den menschlichen Faktoren zu legen.
Matrix phased array probes are becoming more prominently used in industrial applications. The main drawbacks, using probes incorporating a very large number of transducer elements, are needed for an appropriate cabling and an ultrasonic device offering many parallel channels. Matrix arrays designed for extended functionality feature at least 64 or more elements. Typical arrangements are square matrices, e.g., 8 by 8 or 11 by 11 or rectangular matrixes, e.g., 8 by 16 or 10 by 12 to fit a 128-channel phased array system. In some phased array systems, the number of simultaneous active elements is limited to a certain number, e.g., 32 or 64. Those setups do not allow running the probe with all elements active, which may cause a significant change in the directivity pattern of the resulting sound beam. When only a subset of elements can be used during a single acquisition, different strategies may be applied to collect enough data for rebuilding the missing information from the echo signal. Omission of certain elements may be one approach, overlay of subsequent shots with different active areas may be another one. This paper presents the influence of a decreased number of active elements on the sound field and their distribution on the array. Solutions using subsets with different element activity patterns on matrix arrays and their advantages and disadvantages concerning the sound field are evaluated using semi-analytical simulation tools. Sound field criteria are discussed, which are significant for non-destructive testing results and for the system setup.
Matrix phased array probes become more and more prominent to be used in industrial applications. The main drawbacks, using probes incorporating a very large number of transducer elements, are the needs for an appropriate cabling and an ultrasonic device offering many parallel channels.
Matrix arrays designed for extended functionality feature at least 64 or more elements. Typical arrangements are square matrices, e.g. 10 by 10 or 11 by 11 or rectangular matrices, e.g. 8 by 16 or 10 by 12 to fit a 128-channel phased array system. In some phased array systems, the number of simultaneous active elements is limited to a certain number, e.g. 32 or 64. Those setups do not allow to run the probe with all elements active which may cause a significant change in the directivity pattern of the resulting sound beam.
When only a subset of elements is possible to use during a single acquisition, different strategies may be applied to collect enough data for rebuilding the missing information from the echo signal. Omission of certain elements may be one approach, overlay of subsequent shots with different active areas may be another one.
This paper presents the influence of decreased number of active elements on the sound field and their distribution on the array. An example for 16 active elements out of 121 is given in Figure 1. The sound field divergence and its shape basically remain the same, while the sensitivity is reduced and the amplitudes of the speckle-like side lobes increase significantly.
Solutions using subsets with different element activity patterns on matrix arrays and their advantages and disadvantages concerning the sound field are evaluated using semi-analytic simulation tools. Sound field criteria regarding the consequences for NDT test results and the system setup are discussed.
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.
Hollow axle inspection can be performed without demounting the axles and without dismantling the wheels and the brake discs by using the drilling for the scan. To increase inspection reliability and inspection speed, the application of phased array systems instead of conventional probes is a good choice. For solid shaft inspection phased array setups became standard in the recent years. Nevertheless, for hollow axle inspection typically a number of conventional probes rotating through the axles drilling are applied.
The new approach uses an electronically steered rotating sound field from a phased array for the circumferential scan. This is realized by a cone shaped phased array which operates in immersion technique. That allows a significant increase in inspection speed and a reduction of the mechanical effort of the inspection system. The inspection can be carried out by a linear movement of the probe setup along the axles drilling. Applying additional focal laws allows exact inclination and focusing of the sound beam in the plane vertical to the specimen axis to concentrate the sound in the zones close to the external surface. An additional focus in the plane of incidence increases overall resolution and sensitivity.
The cone type phased array probe has been optimized to detect transversal flaws in and close to the outer surface of the hollow axle with orientation in the radial-radial plane. The prototype probe system, sound field simulations and measurement results are presented.
For in-service inspections on wheelset axles with a hollow drilling, mechanized ultrasound inspection systems with single element probes are typically used. The ultrasonic testing in the zones close to the external surface of the railway axles can be realized from the inside of the bore hole, without demounting the wheelset and without dismantling the wheels and the brake discs. The testing system must be able to find flaws in the external surface of the hollow shafts, whose surface lies in the radial-radial plane, these are called transversal flaw. Presently testing systems are used, where scanning is realized in the circumferential direction by mechanical rotation of the probe system in the actual drilling. The phased array probe system, which is presented here, can carry out the rotation scan electronically. The scan can be carried out by simply moving the system forward and backwards through the drilling without mechanical rotation. Manipulation becomes simpler and the inspection time can be shortened considerably. The ultrasonic beam can be inclined exactly and be focused in the plane vertical to the specimen axis.
The probe is designed with help of indispensable simulations using especially designed software developed by BAM. The feasibility and the alignment between the simulated and experimental results were shown in earlier projects reported by Boehm et al. (2006) and Völz et al. (2012). The main task here is to optimize a probe for bore holes with a diameter of 65 mm with an increase in sensitivity and a high spatial resolution. This development will be carried out by use of extensive simulations and result in certain changes of the relevant probe parameters.