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Zusammenfassung
Bei der laufenden Instandhaltung der Schienenfahrzeuge werden die Radsätze auf Fehlerfreiheit geprüft. Dabei werden sowohl die Laufräder wie auch die Radsatzwellen einer zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall unterzogen.
Im Werk Wittenberge der DB Regio AG wurde im Jahre 2001 die bisher eingesetzte Handprüfung bzw. eine teilmechanisierte Prüfung mit konventioneller Technik durch eine mechanisierte automatische Prüfung mit Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik abgelöst. Die bisherige individuelle Befundbewertung durch A-Bilder wurde durch eine numerische Rekonstruktion der Prüfdaten mit bildhafter Darstellung ersetzt. Dabei konnte die Prüfaussage signifikant verbessert und die Prüfzeit von bisher bis zu 30 Minuten auf 5 Minuten reduziert werden.
Ziel bei der Prüfung von Radsatzvollwellen ist es, die Rad- und Bremsscheibensitze sowie sämtliche Querschnittsübergänge auf radiale Fehler, d.h. auf quer zur Längsachse liegende Risse, zu überprüfen. Die eingeschränkte Zugänglichkeit der Prüforte hätte beim Einsatz von konventioneller Technik eine Vielzahl von Winkelprüfköpfen erforderlich gemacht, was in der Praxis einen schwer zu bewältigenden Aufwand allein auf Seiten der Prüfmechanik mit sich gebracht hätte. Die Technik der laufzeitgesteuerten Gruppenstrahler ermöglicht es, sämtliche geforderten Prüfbereiche mit 4 Prüfköpfen zu erfassen.
Zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von Schienenfahrzeugen werden bei der laufenden Instandhaltung die Radsätze (Laufräder und Radsatzwellen) mittels Ultraschall auf Fehlerfreiheit geprüft. Auf Grund der Komplexität der durchzuführenden Prüfungen an der Radscheibe von scheibengebremsten Fahrzeugen ist beim Einsatz konventioneller Techniken eine große Anzahl Ultraschallprüfköpfe erforderlich, deren Reduzierung eine technische Herausforderung darstellt. Auch bei der Prüfung von Radsatzvollwellen sind auf Grund der eingeschränkten Zugänglichkeit unterschiedliche Winkelprüfköpfe erforderlich. Ein Ziel der Untersuchungen bestand darin, die Anzahl der erforderlichen konventionellen Prüfköpfe deutlich zu reduzieren. Dazu kann die Gruppenstrahlertechnik einen Beitrag leisten.
In general, the application of phased array techniques used to be limited to heavy components with large wall thicknesses, such as those in the nuclear power industry. With the improvement of the phased array equipment, including phased array search units, other application areas are now accessible for the phased array inspection technique, e.g. the inspection of turbine blade roots, weld inspection with a wall thickness ranging from 12 to 40 mm, inspection of aircraft components, inspection of spot welds and the inspection of concrete building components. The objective for the use of phased array techniques has not significantly changed since their first application, e.g. instant adjustment of the sound beam to the geometry of the test object by steering incidence angle, skew angle and/or sound field focusing. Because some new phased array technique applications are still in the experimental (laboratory) stage, this article will focus on some examples for practical, real-weld applications.
Introduction
Due to the long history of railroad companies around the world, varying means of examination according to the specifications for the different railroad components have been carried out based on the general industrial progress of the country [1-3]. For more than 50 years the application of customized ultrasonic techniques for the examination of railroad components has increased, in comparison to conventional ultrasonic techniques used until to the end of 20th century. In this traditional atmosphere some accidents have disturbed the silent harmony of companies involved in the production of critical parts. More than ever high speed modern trains require modern and advanced examination techniques [4-8]. For practical application new ultrasonic techniques have been developed and optimized in co-operation with the German Railroad Company. In the present contribution the inspection of railroad axles will be described. The ultrasonic technique used for the examination is the phased array technique. The optimization of the phased array probes for the different geometries of the axles given was completed using a computer model for directivity calculations. In relation to the limited accessibility between wheel and brake angles of incidence for shear waves in the range between 28° and 72° are necessary.
During the examination of the axles a a considerable amount of ultrasonic data must be stored (storage of the digitized A-scans). However, due to economic aspects the evaluation of this data should be carried out in a very short time. The whole examination of one axle should not exceed 5 minutes. Therefore we have developed a special evaluation program adapted to the particular problematic of the axle inspection. The build up of the whole inspection system was done with partners from the industry like Krautkramer and a division of the Research Department of the Deutsche Bahn AG. In this consortium the Research Department of the Deutsche Bahn AG was responsible for the specification of the inspection problem, Krautkramer for the organization of the whole technical follow up and BAM for the development and optimization of the ultrasonic inspection technique as well as for the evaluation software. Some examples concerning the optimization process will be described in the present contribution.
Wie erkennt man Risse oder Einschlüsse in Stabstahl, bevor daraus beispielsweise eine Automobil-Antriebswelle entsteht? Halbzeugprodukte werden vor der Weiterverarbeitung zerstörungsfrei auf Fehlerfreiheit geprüft, denn nicht erkannte Schäden können teure Rückrufaktionen zur Folge haben. Dieser Beitrag stellt ein Verfahren vor, mit dem die bisherige konventionelle Ultraschallprüfung durch die Gruppenstrahlertechnik ersetzt wird und die Prüfqualität bei gleichzeitiger Beschleunigung des Prüfvorgangs signifikant erhöht werden kann.
Bei der laufenden Instandhaltung der Schienenfahrzeuge werden die
Radsätze auf Fehlerfreiheit geprüft. Dabei werden sowohl die Laufräder wie auch
die Radsatzwellen einer zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall unterzogen.
Im Fahrzeuginstandhaltungswerk Wittenberge der DB AG wurde im Jahre 2001 die
bisher eingesetzte Handprüfung bzw. eine teilmechanisierte Prüfung mit
konventioneller Technik durch eine mechanisierte automatische Prüfung mit
Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik abgelöst. Es werden Radsatz-Vollwellen von
klotzgebremsten Güterwagen, die neben den beiden Radsitzen keine
Querschnittsübergänge aufweisen, und Vollwellen von scheibengebremsten
Personenzügen mit bis zu 3 Bremsscheiben geprüft. Dabei sind unterschiedliche
Bauarten und Geometrien zu berücksichtigen und auf radiale Fehler
(Oberflächenrisse) zu untersuchen, die ab einer Tiefe von 2 mm und einer
Ausdehnung von 20 mm mit einem Signal-Rausch-Abstand von mindestens 6 dB
nachzuweisen sind.
Aufgrund der vorliegenden Betriebserfahrungen wurde im Jahre 2007 eine
Erweiterung in Angriff genommen. Bei Radsatz-Vollwellen ohne Bremsscheiben
musste der Prüfumfang, der sich bisher auf Wellenschenkel, Notlauf und die
Querschnittsübergänge am Radsitz beschränkte, auf den gesamten Längenbereich
ausgedehnt werden. Dies unter der Vorgabe, lediglich die bereits installierten 4
Gruppenstrahler-Prüfköpfe von 4 festen Einschallpositionen aus in 2 Prüfschritten
einzusetzen. Zusätzlich verringerte sich die Längenausdehnung der geforderten
Fehlergröße auf 15 mm.
Erfahrungen bei der Prüfung von Radsatz-Vollwellen unterschiedlicher Bauarten
und Baujahre machten zusätzlich eine Justierfunktion bzw. einen
Empfindlichkeitsausgleich erforderlich. Vor allem bei älteren Bauarten treten hohe
Empfindlichkeitsschwankungen auf, die durch eine automatisierte
Verstärkungsanpassung kompensiert werden müssen. Hierzu wird während des
Prüfablaufs die Schallschwächung ermittelt, deren Ergebnis in automatisierter Form
in die Befunderstellung mit einfließt.
Der Beitrag stellt darüber hinaus die Herausforderung dar, die Umrüstarbeiten
innerhalb des laufenden Betriebs durchzuführen bzw. die notwendigen
Stillstandszeiten auf ein Minimum zu beschränken.
Die Gefährdung durch Pipelines ist in der Öffentlichkeit wegen zahlreicher Berichte über Unfälle weitgehend präsent. Warum? Weil jeder Unfall die Gefahr von massiven Umweltschäden mit sich bringt und bei Leitungen, die durch besiedeltes Gebiet führen, sogar mit menschlichen Opfern verbunden sein kann. Thema dieses Beitrags ist ein neuartiges Ultraschall-Verfahren, das eine schnellere, sichere und kostengünstigere Prüfung derartiger Rohrleitungssysteme erlaubt.
Within a know-how transfer project funded by the government conventional ultrasonic
technique was replaced by phased array technique for automated round-bar testing. Instead of
applying a great number of conventional probes to achieve acceptable volume coverage we used
curved linear arrays. The benefits of phased array technique such as programmable skew angles,
beamforming and beam positions, led not only to a significant decrease in inspection time, but also the
number of probes could be substantially reduced . Finally, the testing parameters for a large range of
bar-diameters could be adapted by software control instead of time-consuming mechanical
replacement. The probe-design was carried out by a proprietary modelling program. Both the
theoretical calculations as well as the latter experimental verifications revealed significant advantages
of curved arrays versus the planar types. A radial oriented probe offers perfect adaption to the
cylindrical shape of the specimen allowing wide variations of the sound field. Thus beam direction,
beam size and beam position could be optimized with respect to a minimum of inspection cycles, as
inspections have to be executed in-line during the production. A number of laboratory tests were
carried out on special test components. In order to achieve an optimal performance of the reference
rod we implemented three different types of reference reflectors: (i) flat-bottom-holes with diameters
of 0.8 mm and 1.2 mm, (ii) side-drilled-holes with a diameter of 0.7 mm for the detection of
volumetric flaws, and (iii) notches with a depth of 0.2 mm and 0.5 mm for the detection of surfaceoriented
defects. All laboratory tests were carried out with the COMPAS-XXL inspection system, a
proprietary development of BAM.
Im Labor für Ultraschallverfahren der BAM wurde ein Gerätesystem zum Betrieb von
linearen Strahlergruppen entwickelt, aufgebaut und erprobt. Es besteht aus einer
Geräteeinheit mit 64 Sende- und 64 Empfangskanälen, einem Steuerrechner mit
integriertem Transientenrekorder und wurde mit einem Linienarray mit 32 Elementen
und einer Frequenz von 17 MHz erprobt. Das Schallbündel einer Gruppe von 8 Elementen
kann per elektronischem Versatz über den Gesamtschwinger bewegt und
dabei gleichzeitig geschwenkt und fokussiert werden. Dabei konnten Wanddicke'n
von 0,5 mm sowie eine Anordnung von Flachbodenbohrungen mit 0,7 mm Durchmesser
mit großer Genauigkeit nachgewiesen werden. Mögliche Anwendungen sind
die Prüfung von Punktschweißverbindungen, die Korrosionsprüfung, die Prüfung von
Flugzeugkomponenten, die Schweißnahtprüfung.
Bei der automatisierten Prüfung von Stangen mit Ultraschall-
Gruppenstrahlertechnik besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Prüfkopfparameter
wie Einschallwinkel, Fokustiefe und Schallbündelbreite programmgesteuert an sich
verändernde Prüfbedingungen anzupassen. Zu diesen zählt die Temperatur des
Koppelmediums (Wasser), die in einem Bereich von 10°C bis 50°C liegen kann, was
zu unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten führt und den Einschallwinkel
verändert. Mit der Folge, dass unter Umständen die geforderte 100%-Abdeckung
des Prüfvolumens nicht mehr gewährleistet ist.
Auch geometrische Abweichungen, wie sie durch die fertigungsbedingte Streuung
des Prüflings gegeben sind, können Einfluss auf das Prüfergebnis nehmen. So
führen Abweichungen vom idealen Geradheitszustand zu Fehlpositionierungen des
Prüfkopfs, was wiederum Einfluss auf die Lage und Beschaffenheit des Schallbündels
in der Stange hat. Ähnliches gilt für nicht vollkommen kreisförmig ausgebildete
Stangendurchmesser, die unterschiedliche Schalleintrittsbedingungen bewirken und
Abweichungen von den theoretisch ermittelten Werten zur Folge haben.
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens wurde der Einfluss
dieser Parameter untersucht und ihre Auswirkungen für den Betrieb einer
automatisierten Prüfanlage unter realen Betriebsbedingungen ermittelt. Dies betrifft
vor allem den maximal möglichen Schallbündelversatz innerhalb des Arrays, der die
Anzahl der erforderlichen Prüftakte bestimmt und damit die maximale
Vorschubgeschwindigkeit des Prüflings. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur
programmgesteuerten Kompensation der untersuchten Temperatur- und
Geometrieabweichungen durch eine flexible Anpassung der Gruppenstrahler-
Prüfkopfparameter aufgezeigt.