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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.
Ständige Betriebsbeanspruchungen der Eisenbahnschienen führen an den Rad-Schiene-Kontaktflächen zu Ermüdungserscheinungen des Materials. Infolgedessen entstehen unter anderem an bogenäußeren Schienenfahrkanten Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks. Zur frühzeitigen zerstörungsfreien Prüfung der Ermüdungsrisse wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Neben der Detektion von Rissen, reagiert die Wirbelstromprüfung außerdem sehr empfindlich auf Veränderungen von Materialeigenschaften, wodurch sich Verfestigungen auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen nachweisen lassen. Längerfristige Beobachtungen haben gezeigt, dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
The recognition of surface damage on rails is of critical importance in order to guarantee a high level of safety for normal train operation. Without early recognition systems, defect damage (e.g. cracks) in the rail, will increase in size and can eventually lead to fracture of the rail. Special grinding trains are in general use for rail maintenance and are employed to machine down worn rails and prevent surface damage in an early stadium. The company SPENO INTERNATIONAL SA along with the BAM, DB AG and other partners have integrated an eddy current instrument into a grinding train. The equipment has been developed for detection of Head Check type defects and provides information on defect position and depth. Initial experiments were presented at the DACH-conference 2004 in Salzburg. This system has been continually developed and as will be shown is ready for practical application. It is named HC Grinding Scanner. The actual measuring system and results will be presented.
Besonders in beweglichen Weichenteilen, wie z.B. Zungen und beweglichen Herzstückspitzen ist die Detektion von Rissen, die zum Bruch des Bauteils führen können, von außerordentlicher Bedeutung. Wegen der komplizierten geometrischen Randbedingungen muß der Schienenprüfzug hier seinen Prüfkopfträger anheben. Aus diesem Grund werden diese Bereiche regelmäßig durch eine manuelle Ultraschallprüfung überwacht. Da auch sehr kleine Anrisse im Oberflächenbereich interessant sind, soll das bereits vorhandene Prüfverfahren durch ein Wirbelstrom-Handprüfsystem so erweitert werden, daß eine sichere Detektion in den gefährdeten Bereichen möglich ist. Aufbau und Wirkungsweise des Wirbelstrom-Handprüfsystems werden erläutert.
Das Streckennetz der Deutschen Bahn unterliegt einer permanenten Überwachung. Nach der deutschen Vereinigung hat es sich in seinem zusammenhängenden Umfang nochmals deutlich vergrößert. - Grund genug, nach neuen und verbesserten Prüfverfahren zu suchen, um einerseits die größtmögliche Sicherheit des Schienenverkehrs zu erreichen und andererseits den Unterhalt des Schienennetzes möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Seit vielen Jahren werden ZfP-Verfahren zur Prüfung eingebauter Schienen eingesetzt, wie zum Beispiel Ultraschall-Verfahren. Relativ jung ist dagegen der Einsatz von Wirbelstrom-Verfahren, der zur Zeit in großem Umfang in Laborversuchen erprobt wird. Hierbei ist die Bewertung betriebsbedingter Schädigungen hinsichtlich der Schadenstiefe und des Schädigungs-Schweregrades besonders wichtig.
Es wird über die Untersuchungen an typischen Schädigungen (wie Headchecks und Squats) berichtet und die Möglichkeiten, mit speziell angepaßten Wirbelstrom-Sensoren und Wirbelstrom-Verfahren eine möglichst gute Zuordnung zu Schadenstiefe und Schädigungs-Schweregrad vorzunehmen. Anhand der erreichten Ergebnisse wird außerdem über die eingesetzten bildgebenden Auswerteverfahren und intelligenten Signalverarbeitungsmethoden berichtet.
Using a rail-inspection train, the Deutsche Bahn's system of railroads is continuously checked for traffic-induced defects. Until now, only ultrasonic inspection was used. In addition, eddy-current inspection could successfully and efficiently be used to detect and evaluate certain surface cracks - so-called head checks. There have already been reports about laboratory tests which proved the general suitability of this test method [1,2]. The next step - described here - consisted of practical trials under real-life conditions. A test system which is able to fulfil the strict requirements (test speeds of up to 100 km/h, complex probe guidance, suppression of electrical and mechanical interference, recording of data, filtering and evaluation of data) was developed. As part of the rail-inspection train and as a manual system, this inspection system was successfully tested on the Deutsche Bahn's system of railroads under real-life conditions.
Das Streckennetz der Deutschen Bahn wird mit Hilfe eines Schienenprüfzuges ständig auf betriebsbedingte Schädigungen überwacht. Bisher wurde hier ausschließlich das Ultraschallprüfverfahren eingesetzt. In Ergänzung dazu könnte die Wirbelstromprüfung für den Nachweis und die Bewertung spezieller Oberflächenrisse - sog. Head Checks - erfolgreich und wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden. Über Laboruntersuchungen, die die grundsätzliche Eignung dieser Prüftechnik zeigten, wurde bereits berichtet. Der nächste Entwicklungsschritt besteht in der praktischen Erprobung unter realen Einsatzbedingungen. Hierbei stellen die hohen Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 28 m/s (entsprechend 100 km/h Fahrgeschwindigkeit des Prüfzuges) eine besondere Herausforderung dar. Es gibt zahlreiche Probleme zu bewältigen. Diese betreffen beispielsweise die Sondenführung, die Signalfilterung, die Datenerfassung und die Unterdrückung von Störeinflüssen. Über erste Erfahrungen wird berichtet.
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.
Speicherfoliensysteme werden seit den 80-iger Jahren in der Röntgendiagnostik
eingesetzt. Die technische Modifizierung der anfänglich im medizinischen Bereich
genutzten Speicherfoliensysteme ermöglichte die Einführung der Computer-Radiographie
(CR) in die Digitale Industrielle Röntgenprüfung mit dem Ziel des Filmersatzes. Die Speicherfolien
detektieren im Vergleich zum Röntgenfilm einen wesentlich größeren
Dosisbereich. Die daraus resultierende Dynamik befähigt die Speicherfoliensysteme zur
Abbildung eines großen Objektumfanges und verringert zugleich das Risiko einer Fehlbelichtung.
Vor allem die Möglichkeit, unmittelbar nach dem Belichten das virtuell im Speicherleuchtstoff
gespeicherte Durchstrahlungsbild auszulesen, in digitalisierter Form im PC
zu speichern und auf dem Bildschirm betrachten zu können, verdeutlicht die Vorteile von
CR Systemen beim Gebrauch in der Durchstrahlungsprüfung. Eine vollständige Ablösung
des Röntgenfilmes durch digitale Techniken ist jedoch erst dann zu erwarten, wenn es gelingt,
eine Bildqualität zu erreichen, die besser oder gleichwertig zu der vom jeweiligen
Röntgenfilmsystem geforderten ist. Mit diesem Ziel hat in den letzten Jahren eine technische
Weiterentwicklung von CR Systemen für den industriellen Einsatz stattgefunden. Im
gleichen Zeitraum wurden mehrere Standards zur Bewertung von CR Systemen und zu
deren richtigen Gebrauch in der Durchstrahlungsprüfung entwickelt.
Heutzutage ist die Herstellung von Durchstrahlungsbildern mit einer entsprechend gewünschten
Bildgüte sichergestellt, was in den letzten Jahren zum verstärkten Einsatz von
CR Systemen in der Durchstrahlungsprüfung führte.
Im Rahmen einer von der EU finanzierten Studie (Filmfree) wurden anfänglich systematische
Untersuchungen zu den Einsatzmöglichkeiten und grenzen von CR Systemen für die
Durchstrahlungsprüfung von aluminothermischen Schweißnähten in Schienen durchgeführt.
Anhand der Ergebnisse ließen sich optimale Bedingungen und Strategien für die Durchstrahlungsprüfung
von Schienen ableiten, die anschließend im vor Ort Einsatz auf der
Teststrecke der Deutschen Bahn verifiziert wurden.
Im vorgestellten Beitrag werden die Vorteile des Einsatzes von CR Systemen bei der
Durchstrahlungsprüfung von aluminothermischen Schweißnahtverbindungen dargestellt
und deren Verwendung unter realen Verkehrsbedingungen im Schienenverkehr beschrieben.
Es wird gezeigt, wie unter den bestehenden Fahrbetriebsbedingungen die Durchstrahlungsprüfung
von Schweißungen in verlegten Schienen umgesetzt werden kann.