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Die regelmäßige Überprüfung von Eisenbahnradsatzwellen auf betriebsbedingte Schädigungen ist ein fester Bestandteil des Instandhaltungskonzeptes von Eisenbahnfahrzeugen. Insbesondere bei hohen Achslasten und hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist eine detaillierte regelmäßige Prüfung notwendig. In den letzten Jahren wurden für diese Prüfaufgabe mechanisierte Ultraschallprüfsysteme entwickelt, erfolgreich eingeführt und etabliert. Für eine Weiterentwicklung dieser Technologie stehen die Themen Erhöhung der Auflösung, Reduzierung von Oberflächen- und Störeinflüssen, Verkürzung von Prüfzeiten, Verbesserung der POD, Verlängerung von Inspektionsintervallen, Vereinfachung der Auswertung und die Möglichkeit der Durchführung von Analyseprüfungen im Vordergrund. Es werden Ansätze und neue Konzepte zur Lösung dieser Herausforderungen vorgestellt.
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 sowie Farbschichten und Schmutz auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Zu deren Bewältigung 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.
Reliability analysis of the ultrasonic inspection system for the inspection of hollow railway axles
(2016)
Axles are safety critical train components that are subjected to significant cyclic loading during operation. If the crack is initiated in the axle, cyclic loading will lead to crack propagation. To maintain structural integrity, axles must be periodically inspected for fatigue cracks in the material. Deutsche Bahn uses mechanized ultrasonic inspection system to inspect hollow railway axles. The inspections are performed from the bore surface, using several conventional transducers with different incident angles, inspecting the axle along the entire length. As with the every safety critical system, the reliability of these inspections must be determined with regard to their flaw detection capabilities. Traditionally this is done according to the relevant standards for railway vehicles. To investigate the capability of the NDT system more thoroughly, we want to evaluate the capability of the inspection system to detect flaws by means of probability of detection (POD) curves. It will be shown that other parameters, beside the size of the crack, for example crack position in the axle, influence the detection of the crack. The influence of these parameters was evaluated using ultrasonic simulation. The evaluation served as an input for the manufacturing of the flaws in the real scale axle. Once these axles are inspected and the data evaluated, using data from both measurement and simulation, we will express the POD of the crack as function of influencing parameters using the multiparameter POD model.
A discussion is provided on the relation between non-destructive testing (NDT) and fracture mechanics. The basic tasks behind this are to guarantee the safety of a component at a potential hazard loading event, to specify inspection intervals or, alternatively, of demands on NDT for a fixed inspection regime, to plan accompanying measures for cases of temporary continued operation of structures in which cracks have been detected, and, finally, fatigue strength considerations which take into account initial defects.
Applications of fibre reinforced plastic (FRP) composites in modern industries are increasing due to their considerable advantages such as light weight and excellent mechanical properties. Accordingly, importance of operational safety of modern structures made of advanced composites by ensuring the material quality has led to increasing demands for development of non-destructive evaluation (NDE) systems. In the context of a European project entitled “Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications” (VITCEA), the aim is to develop and validate traceable procedures for novel NDE techniques with contrasting damage detection capabilities in energy related applications such as wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers. Accordingly, VITCEA focuses on optimization of ultrasonic tests (UTs) for quantitative defect detection and quality characterization of FRP structures. In this context, the present study describes the ultrasound field in heterogeneous composite materials. The theoretical predictions are compared with simulation results obtained from CIVA a software package dedicated to NDT simulations based on the asymptotic ray theory.
Der vorliegende Fachartikel stellt die wichtigsten zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Qualitätssicherung von dünnen Strukturklebungen vor. Auf diese Weise wird ersichtlich, welche Methoden neben der zerstörenden Prüfung von dünnen Strukturklebungen eingesetzt werden können, um einen Haftfestigkeitsverlust zu detektieren. Steigende Leichtbau- und Dämpfungsanforderungen an großflächige Blechbauteile sorgen trotz erhöhter Kosten für einen zunehmenden Einsatz von modernen hybriden Schichtverbundwerkstoffen in zahlreichen Konstruktionsanwendungen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie gehören solche Werkstoffe seit geraumer Zeit zum aktuellen Stand der Technik, wohingegen diese Werkstoffkonzepte in der mobilen Großserie derzeit nur selten zum Einsatz kommen. Neben dem Materialversagen der einzelnen Schichten von Schichtverbundwerkstoffen spielt das interlaminare Versagen der Schichten untereinander eine entscheidende Rolle. In der Umformtechnik ist es möglich, dass die polymere Zwischenschicht und das Deckblech nach der Umformung noch in Kontakt stehen, obwohl die Scherfestigkeit bereits überschritten wurde. Dieser Kraftschluss der beiden Fügepartner resultiert aus den schwachen Van-der-Waals-Kräften, die eine eindeutige Detektion mit Hilfe von zerstörungsfreier Prüfung erschweren. Die vorliegende Publikation soll die Eignung diverser zerstörungsfreier Prüfverfahren auf die Detektion von sogenannten „kissing bonds“ (schwaches Anhaften der Schichten nach Versagen der Verbindung) überprüfen.
Die zerstörungsfreie Prüfung von Eisenbahnschienen wird mit Schienenprüfzügen durchgeführt. In den Prüfsystemen liegen alle Messdaten und Ortskoordinaten in digitaler Form vor. Mithilfe einer automatisierten Auswertung und Standardisierung der Datenformate ist eine Einbindung der Prüfergebnisse in Instandhaltungskonzepte möglich, die auf den Ideen von Industrie 4.0 bzw. Bahn 4.0 basieren. Für die Erhöhung der passiven Sicherheit der Komponente Schiene durch die automatisierte Klassifizierung von Anzeigen, deren Bewertung und Verortung kann eine moderne zerstörungsfreie Prüfung einen signifikanten Beitrag leisten. Dieser Grundgedanke wurde bereits bei der technischen Auslegung der Prüfsysteme in den Schienenprüfzügen berücksichtigt. In diesem Vortrag wird dargestellt, welche Möglichkeiten die installierte Technik bereits heute bereitstellt und welche Synergien mit einer automatisierten auf bildgebenden Methoden basierenden Bewertung in Zukunft möglich sind.
High speed ultrasonic axle inspection using a phased array with an electronically rotated beam
(2016)
The ultrasonic testing of the railway axes with a hollow drilling can be realized from the inside of the drill hole without demounting the axes and without dismantling the wheels and the brake discs. Flaws in the outer surface of the hollow shafts, whose orientation lies in the radial-radial plane have to be detected. Common testing systems use scanning in the circumferential direction by mechanical rotation of the probe system in the drilling. The presented phased array probe system carries out the rotation scan by electronically steering of the sound field only. Thereby manipulation of the probe inside the drilling becomes more simple and the inspection time can be shortened significantly. The beam will additionally be focused in the plane vertical to the specimen axis to optimize sound field parameters to different axle geometries.