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Non-destructive testing for surface crack detection and head check depth quantification at the gauge corner of railway tracks can be achieved using eddy current methods. With the extension of the tested zone to the running surface, rail defect signal types other than head checks can be measured. Due to their mostly irregular shape, a quantitation based on a calibration against regular test cracks of varying depth may not be linear. Estimates of the expected influence of more complex crack patterns may be obtained by a finite element simulation of sufficiently simple limiting cases, like two displaced or intersecting cracks or a simply branched or flexed crack. As a first step, a 3D finite element model of the HC10 eddy current probe distributed by Prüftechnik Linke und Rühe (PLR), Germany was built and verified against measured results from an (easily fabricated) reference block with isolated long cracks.
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.
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.
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.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige im Kölner Dom ist einer der
bedeutendsten Goldschmiedearbeiten des Mittelalters in Europa. Der Schrein übertrifft
heute mit seiner Größe und künstlerischen Qualität alle noch erhaltenen Reliquiare
des Mittelalters. Diese kunstvoll verkleidete Truhe (2,10 Meter lang, 1,10
Meter breit und 1,51 Meter hoch) wiegt 515 Kilogramm, denn sie ist reich verziert
mit Goldblechen, vergoldeten Figuren und Blechen aus Silber und Kupfer, über 300
Gemmen, sowie 1741 Edelsteinen und Perlen.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin unterstützte das
Rheinische Landesmuseum Bonn und die Kölner Dombauverwaltung bei den Untersuchungen
des Schreins der Heiligen Drei Könige mit dem Wirbelstromprüfverfahren.
Mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen auf Basis des Wirbelstromverfahrens
konnte die gesamte Metalloberfläche des Dreikönigenschreins untersucht
werden. Durch Vergleich der Messwerte mit den zuvor untersuchten Fragmenten
konnten die unterschiedlichen Legierungen der Beschläge und Figuren des Schreins
identifiziert werden. Die besondere Schwierigkeit hierbei bestand darin, dass es sich
überwiegend um sehr dünne Bleche verschiedener Legierungen handelt, die eine
stark ausgebildete Reliefstruktur haben und die vergoldet wurden. Mit den Ergebnissen
ist der Nachweis gelungen, dass es schon im frühen 19. Jahrhundert eine äußerst
überzeugende kopistische Technik bei der Herstellung von Prägewerkzeugen gab.
Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung waren für die rheinländischen Kunsthistoriker
argumentativ von großer Bedeutung.
Mit der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der Tiefe offener Risse in Metallen prinzipiell möglich und wird auch in unterschiedlichen Anwendungen durchgeführt. Hierbei haben die jeweiligen praktischen Prüfbedingungen jedoch erheblichen Einfluss auf die Qualität der Prüfaussage. Es werden einige grundlegende Effekte erläutert, die bei der Risstiefenbestimmung mit Wirbelstrom zu beachten sind. Ein spezieller Labormessplatz wird unter dem Aspekt möglicher Fehlbewertungen vorgestellt und Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung werden gezogen. Anhand praktischer Beispiele aus der Schienenprüfung mit Wirbelstrom werden die Auswirkungen verschiedener Fehlereffekte bei der Risstiefenbestimmung gezeigt.