DE102015225780A1

DE102015225780A1 - Ultraschallprüfverfahren und Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines Rotationselementes

Info

Publication number: DE102015225780A1
Application number: DE102015225780.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Heilmann; Uwe Völz
Original assignee: Arxes-Tolina GmbH
Current assignee: Arxes-Tolina GmbH
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallprüfverfahren und eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckenden Rotationselementes (1), wobei gemäß dem Ultraschallprüfverfahren Ultraschallwellen entlang einer Einschallrichtung (ER) in das Rotationselement (1) eingeschallt werden. Erfindungsgemäß erfolgt ein Schwenken der Einschallrichtung (ER) entlang mindestens einer Schwenkebene (S21, S22, S23, S24), die unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene (RE) des Rotationselementes (1) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallprüfverfahren zum Prüfen eines Rotationselementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Ultraschallprüfvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Das Prüfen von Rotationselementen per Ultraschall ist aus unterschiedlichen Zusammenhängen bekannt. Beispielsweise werden Eisenbahnräder in regelmäßigen Abständen mittels Ultraschalluntersuchung auf betriebsbedingte Schädigungen geprüft. So ist aus der EP 1 101 105 B1 ein Verfahren bekannt, wobei ein Bereich einer Radscheibe eines Rades mit einem Ultraschallwandler entlang der Radscheibenebene durchschallt wird. Nachteilig ist dabei, dass nur wenig empfindliche Randstrahlen des Schallbündels zur Detektion von Rissen in der Oberfläche der Radscheibe genutzt werden.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, auf möglichst einfache Weise eine möglichst zuverlässige Prüfung des Rotationselementes zu realisieren.
Dieses Problem wird mit dem Ultraschallprüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Ultraschallprüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Danach wird ein Ultraschallprüfverfahren zum Prüfen eines sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckenden Rotationselementes bereitgestellt, wobei Ultraschallwellen entlang einer Einschallrichtung in das Rotationselement eingeschallt werden, und wobei ein Schwenken der Einschallrichtung entlang mindestens einer Schwenkebene erfolgt, die unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene des Rotationselementes verläuft.
Unter der „Haupterstreckungsebene“ des Rotationselementes wird insbesondere eine Ebene verstanden, entlang der das Rotationselement seine größte Ausdehnung besitzt. Beispielsweise erstreckt sich die Haupterstreckungsebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotationselementes. Die „Einschallrichtung“ bezeichnet insbesondere die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen. Beispielsweise bezieht sich die „Einschallrichtung“ bei einem divergierenden Ultraschallwellenbündel auf die Ausbreitungsrichtung eines mittleren, axialen Bereiches des Ultraschallwellenbündels (des „Zentralstrahls“).
Durch das Schwenken der Einschallrichtung unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene des Rotationselementes wird insbesondere ermöglicht, dass Risse in der Oberfläche des Rotationselementes möglichst unabhängig von ihrer Orientierung und/oder Tiefe (d.h. ihrer radialen Position) zuverlässig detektierbar sind. Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Ultraschallprüfverfahren, kleinere Risse zu detektieren und kann somit die Betriebssicherheit des Rotationselementes (z.B. eines Rades) auch bei längeren Prüfintervallen gewährleisten.
Denkbar ist, dass die Schwenkebene der Einschallrichtung so verläuft, dass sie eine Stirnseite des Rotationselementes schneidet oder zumindest tangiert. Somit kann auch die Stirnseite mit möglichst hoher Empfindlichkeit erfasst werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Rotationselement um ein Eisenbahnrad, wobei die Stirnseite insbesondere eine Außen- und oder Innenseite einer Radscheibe des Eisenbahnrades ist.
Die genaue Lage der Schwenkebene kann dabei an die Geometrie der Stirnseite des Rotationselementes (z.B. der erwähnten Radscheibe) angepasst werden, so dass Stirnseiten mit im Prinzip beliebiger (insbesondere symmetrischer oder asymmetrischer) Oberflächenkontur erfasst werden können. So kann die Schwenkebene gegenüber der Haupterstreckungsebene um mindestens 2°, mindestens 5° oder mindestens 10° geneigt sein. Allerdings ist die Erfindung natürlich nicht auf einen bestimmten Neigungswinkel der Schwenkebene beschränkt.
Die Ultraschallwellen werden beispielsweise über einen umlaufenden Rand des Rotationselementes eingeschallt. Entsprechend kann mindestens ein Ultraschallwandler zum Erzeugen der Ultraschallwellen an dem umlaufenden Rand des Rotationselementes angeordnet sein. Bei dem umlaufenden Rand handelt es sich etwa um eine Lauffläche eines Rades.
Beispielsweise werden mehrere (z.B. vier), voneinander unabhängige Ultraschallwandler (insbesondere Gruppenstrahler) verwendet, die (z.B. im Impuls-Echo-Betrieb) an eine Lauffläche des Rotationselementes angekoppelt werden. Die Schwenkebene der Ultraschallwandler wird dabei z.B. so gewählt, dass eine Achse der von den Ultraschallwandlern erzeugten Schallbündel (d.h. der jeweilige Zentralstrahl) eine innere bzw. eine äußere Oberfläche des Rotationselementes (z.B. einer Radscheibe) tangiert oder schneidet, und zwar insbesondere unabhängig von einem Einschallwinkel (dem Winkel zwischen einer von dem jeweiligen Ultraschallwandler radial verlaufenden Geraden und dem Zentralstrahl). Die Schwenkebenen der Ultraschallwandler werden für die Abtastung der inneren und der äußeren Oberfläche (Seite) des Rotationselementes insbesondere separat eingestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallwandler erzeugt, wobei das Rotationselement relativ zu dem Ultraschallwandler bewegt wird. Beispielsweise wird das Rotationselement während der Ultraschallprüfung um eine Achse (seine Rotationsachse) rotiert (insbesondere, während der Ultraschallwandler in Ruhe bleibt). Denkbar ist auch, dass der Ultraschallwandler um die Rotationsachse herumgeführt wird, während das Rotationselement unbewegt bleibt. Beispielsweise ist der Ultraschallwandler (oder die mehreren Ultraschallwandler) auf einem Träger angeordnet, der um die Rotationsachse des Rotationselementes herum bewegt werden kann.
Denkbar ist insbesondere, dass mehrere Ultraschallwandler zum Erzeugen der Ultraschallwellen vorgesehen werden, die z.B. hintereinander entlang eines Umfanges des Rotationselementes angeordnet sind. Die Anordnung der Ultraschallwandler an unterschiedlichen Umfangspositionen ermöglicht z.B. eine unabhängige Vergrößerung der Apertur und damit der Abmessungen der einzelnen Ultraschallwandler. Dadurch kann die Prüfempfindlichkeit weiter erhöht werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass damit eine unabhängige Anpassung der Einschallpositionen relativ zu der Rotationsachse des Rotationselementes möglich wird. Damit ist auch eine automatische Anpassung der Einschallpositionen in Abhängigkeit von der Bauart des zu prüfenden Rotationselementes in einem größeren Einstellbereich realisierbar. Beispielsweise sind die Ultraschallwandler so entlang eines umlaufenden Randes des Rotationselementes angeordnet, dass ihre Position entlang der Rotationsachse des Rotationselementes veränderbar ist. Denkbar ist auch, dass mehrere Ultraschallwandler verwendet werden, deren Einschallrichtungen in unterschiedlichen Schwenkebenen geschwenkt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können wie bereits erwähnt Risse an einer Oberfläche des Rotationselementes (z.B. einer Radscheibe) mit beliebiger Orientierung und in allen Tiefen relativ zu einer Lauffläche (d.h. mit im Prinzip beliebigen radialen Positionen) mit dem empfindlichen zentralen Bereich (um den Zentralstrahl eines Schallbündels und mit senkrechter Orientierung der Bündelachse (des Zentralstrahls) zur Rissfläche erfasst werden. Dabei kann durch entsprechendes Schwenken der Einschallrichtung ein weiter Schallwegbereich abgedeckt werden, so dass Risse mit unterschiedlichen (d.h. kleinen und großen) Abständen zum Ultraschallwandler erfasst werden können. Zudem ermöglicht der weite Schallwegbereich, tangential zum Umfang des Rotationselementes orientierte Risse im Umfangsbereich des Rotationselementes (z.B. im Übergangsbereich zwischen einem Radkranz und einer Radscheibe eines Rades) zu erfassen (mit einem Einschallwinkel von 0°) und auch radial orientierte Risse in einem inneren Bereich des Rotationselementes (z.B. im Übergangsbereich zwischen einer Radscheibe und einer Radnabe) zu detektieren.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr zwingend der Randbereich eines Schallbündels zur Detektion der Risse (oder sonstiger Defekte) eingesetzt wird, kann der Divergenzwinkel der eingeschallten Ultraschallwellen (eines Schallbündels), z.B. durch eine Vergrößerung der Apertur des Ultraschallwandlers, verringert werden. Dies erhöht zusätzlich die Prüfempfindlichkeit der Ultraschallwandler. Außerdem wird der natürliche Fokusabstand, die sogenannte Nahfeldlänge, vergrößert. Hierdurch vergrößert sich der (z.B. mit einem Gruppenstrahler elektronisch einstellbare) Fokusabstand, der in seinem Maximum auf den Abstand der Nahfeldlänge begrenzt ist. Eine Verkleinerung des Divergenzwinkels und eine gleichzeitige Vergrößerung der Nahfeldlänge lassen sich auch durch die Erhöhung der Prüffrequenz des Ultraschallwandlers erzielen. Dies führt zusätzlich zu einer höheren Auflösung bei der Prüfung aufgrund der kleineren Wellenlänge.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Ultraschallwandler zum Erzeugen der Ultraschallwellen vorhanden, mit dem Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Einschallrichtungen einschallbar sind (z.B. Gruppenstrahler). Möglich ist auch, dass mindestens ein Ultraschallwandler verwendet wird, mit dem Ultraschallwellen einschallbar sind, deren Einschallrichtung in unterschiedlichen Schwenkebenen schwenkbar ist (z.B. 2D-Matrix-Array).
Ein derartiger Ultraschallwandler wird beispielsweise durch einen Gruppenstrahler realisiert, d.h. einem Sender, der mehrere Wandlerelemente umfasst, deren relative Phase elektronisch einstellbar und somit die Einschallrichtung veränderbar ist. Ein solcher Ultraschallwandler dient auch als Empfänger von Ultraschallwellen. Die von dem Ultraschallwandler aufgenommenen Empfangssignale werden z.B. (etwa mit der Methode der Echotomographie) bildgebend überlagert und können zur Verbesserung der Abbildung durch Methoden der Signalverarbeitung, wie zum Beispiel mit der SAFT-Technik, verarbeitet werden.
Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Rotationselement insbesondere um ein Rad, insbesondere ein Eisenbahnrad, wobei das Rad z.B. eine Radscheibe und einen die Radscheibe umlaufenden Radkranz aufweist. Die Haupterstreckungsebene eines derartigen Rades ist z.B. durch die Ebene, entlang der sich die Radscheibe erstreckt, festgelegt; d.h. durch eine Ebene, die senkrecht zu einer Rotationsachse des Rades verläuft.
Die Erfindung betrifft auch eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckenden Rotationselementes, insbesondere zum Durchführen des Ultraschallprüfverfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Einschallen von Ultraschallwellen in das Rotationselement entlang einer Einschallrichtung, wobei der Ultraschallwandler so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Einschallrichtung entlang mindestens einer Schwenkebene schwenkbar ist, die unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene des Rotationselementes verläuft.
Bei dem Ultraschallwandler handelt es sich z.B. um den oben bereits erwähnten Gruppenstrahler. Die übrigen oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen können analog natürlich auch in der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung realisiert sein.
Des Weiteren kann die Ultraschallprüfvorrichtung eine Steuereinheit (z.B. in Form einer programmierbaren und insbesondere entsprechend programmierten Einrichtung) zur elektronischen Steuerung des Ultraschallwandlers (insbesondere des Gruppenstrahlers), z.B. im Impuls-Echo-Betrieb aufweisen, wobei mit der Steuerung z.B. der Einschallwinkel verändert (d.h. insbesondere das Schwenken der Einschallrichtung gesteuert) und/oder der Fokusabstand eines von dem Ultraschallwandler erzeugten Schallbündels variiert werden kann.
Beispielsweise ist der mindestens eine Ultraschallwandler durch ein 2D-Matrix-Array ausgebildet, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das 2D-Matrix-Arrays so anzusteuern, dass neben dem Einschallwinkel und/oder dem Fokusabstand auch der Schiel-winkel, der Kippwinkel und/oder die Einschallposition (der aktiven Apertur) variiert werden kann. Denkbar ist auch, dass mit dem Ultraschallwandler, zum Beispiel dem erwähnten 2D-Matrix-Array, ein Schallbündel erzeugt wird, wobei ein Schwenken des Schallbündels in unterschiedlichen Schwenkebenen erfolgen kann (elektronisch von der Steuereinheit gesteuert).
Möglich ist auch, dass als Ultraschallwandler ein linearer Gruppenstrahler verwendet wird, der z.B. eine in Richtung der Rotationsachse des Rotationselementes ausgerichtete aktive Apertur besitzt, wobei mit dem linearen Gruppenstrahler z.B. für einen festen Einschallwinkel die Ausrichtung eines von ihm erzeugten Schallbündels (die Einschallrichtung mit Schiel- und Kippwinkel) auf eine Oberfläche des Rotationselementes und/oder die Einschallposition der aktiven Apertur in Richtung der Rotationsachse elektronisch veränderbar ist.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Träger vorgesehen, auf dem der mindestens eine Ultraschallwandler angeordnet ist, wobei der Träger so gestaltet ist, dass die Wandler unabhängig voneinander in Richtung der Rotationsachse des Rotationselementes verschoben werden können. Denkbar ist auch, dass mehrere Ultraschallwandler an dem Träger angeordnet sind, z.B. in Umfangsrichtung des Rotationselementes hintereinander. Beispielsweise sind mehrere Ultraschallwandler auf einer Vorlaufstrecke angeordnet und/oder in einem Ultraschallprüfkopf untergebracht
Die erfindungsgemäße Ultraschallprüfvorrichtung kann darüber hinaus eine Auswerteeinheit umfassen, die ausgebildet ist, von dem mindestens einen Ultraschallwandler bei Empfang von Ultraschallwellen erzeugte Empfangssignale durch Methoden der Signalverarbeitung zu verarbeiten. Denkbar ist z.B., dass die Auswerteeinheit aus den Empfangssignalen eine Bildinformation erzeugt. Insbesondere werden Ultraschallwellen an unterschiedlichen Positionen des Umfanges des Rotationselementes und bei unterschiedlichen Einschallwinkeln empfangen und entsprechende Empfangssignale generiert, wobei z.B. aus diesen Empfangssignalen eine Bildinformation erzeugt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Eisenbahnrades mit der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung;
2 eine Ansicht des Eisenbahnrades aus 1 von oben mit Blick auf seine Lauffläche; und
3 einen Schnitt durch den in 1 gezeigten Abschnitt des Eisenbahnrades.
1 zeigt einen Abschnitt eines Rotationselementes in Form eines Eisenbahnrades 1. Das Eisenbahnrad 1 weist eine Radscheibe 11 auf, die von einem Radkranz 12 und einem sich dem Radkranz 12 anschließenden Spurkranz 13 umlaufen wird. 1 zeigt das Eisenbahnrad 1 mit Blick auf eine äußere Seite 111 der Radscheibe 11, d.h. auf eine Seite der Radscheibe 11, die nach Montage des Eisenbahnrades 1 an einem Eisenbahnfahrzeug (etwa einem Eisenbahnwaggon) dem Fahrzeug abgewandt ist. Das Eisenbahnrad 1 weist eine bezüglich einer durch eine Rotationsachse R hindurch und parallel zu dieser verlaufenden Symmetrieebene S symmetrische Geometrie auf. Die Rotationsachse R erstreckt sich mittig zu einer Radnabe 14.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ultraschallprüfverfahrens sind an oder auf einer durch eine Außenseite des Radkranzes 12 ausgebildeten Lauffläche 15 des Eisenbahnrades 1 mehrere Ultraschallwandler 21–24 angeordnet, die insbesondere im Impuls-Echo-Betrieb verwendet werden. Mit Hilfe der Ultraschallwandler 21–24 werden Schallwellen über den Radkranz 12 in die Radscheibe 11 eingeschallt.
Die von den (jeweils insbesondere als Gruppenstrahler ausgebildeten) Ultraschallwandler 21–24 erzeugen jeweils Ultraschallwellen, die sich entlang einer Einschallrichtung ER (in den 1 und 2 gezeigt für die beiden mittleren Ultraschallwandler 22, 23) in die Radscheibe 11 hinein ausbreiten. Die Einschallrichtung ER der von den Ultraschallwandlern 21–24 erzeugten Ultraschallwellen wird jeweils entlang einer Ebene S21, S22, S23, S24 geschwenkt, die derart schräg zur Haupterstreckungsrichtung des Rades 1, d.h. schräg zur Haupterstreckungsrichtung der Radscheibe 11 bzw. schräg zu einer senkrecht zur Rotationsachse R orientierten Ebene, verläuft, dass sie die äußere Stirnseite 111 bzw. die innere Stirnseite 112 der Radscheibe 11 schneiden. Dies ist in 3 für die Ultraschallwandler 21, 22 dargestellt. Des Weiteren sind die Schwenkebenen S21, S22, S23, S24 um einen Schielwinkel α_S1, α_S2 gegenüber der Radscheibenebene gedreht.
Die durch das Schwenken der Einschallrichtung ER erzeugten Schwenkbereiche sind in 1 für die Ultraschallwandler 22, 23 als Projektion auf die äußere Seite 111 der Radscheibe 11 dargestellt (Schwenkbereiche SB22, SB23). Die Schwenkebenen S21, S22, S23, S24 sind wie erwähnt soweit zur äußeren bzw. inneren Seite 111, 112 der Radscheibe 11 gekippt, dass der jeweilige Zentralstrahl der von den Ultraschallwandlern 21–24 erzeugten Ultraschallbündel ebenfalls die äußere bzw. innere Seite 111, 112 der Radscheibe 11 schneidet oder tangiert; vgl. 3.
Die beiden mittleren Ultraschallwandler 22, 23 sind gegenüber den äußeren Ultraschallwandlern 21, 24 in Dickenrichtung (d.h. in Richtung der Rotationsachse R) der Radscheibe 11 zur äußeren Seite 111 versetzt angeordnet. Die beiden äußeren Ultraschallwandler 21, 24 sind insbesondere so ausgerichtet, dass die ihnen zugehörigen Schwenkebenen S21, S24 jeweils die äußere Seite 111 der Radscheibe 11 schneiden, während die mittleren Ultraschallwandler 22, 23 so angeordnet sind, dass die ihnen zugeordneten Schwenkebenen S22, S23 jeweils die innere Seite 112 der Radscheibe 11 schneiden. Denkbar ist zudem, dass die Schwenkebenen S22, S23 der mittleren Ultraschallwandler 22, 23 einen ersten Versatz x₁ gegenüber einer mittleren Radscheibenebene RE aufweisen, während die äußeren Ultraschallwandler 21, 24 gegenüber der Ebene RE einen zweiten Versatz x₂ aufweisen. Als mittlere Radscheibenebene RE wird insbesondere eine Ebene angesehen, die parallel zur Haupterstreckungsebene der Radscheibe 11 verläuft und die einen minimalen Abstand zur äußeren Seite 111 der Radscheibe 11 aufweist, der zumindest näherungsweise ihrem minimalen Abstand zur inneren Seite 112 der Radscheibe 11 entspricht.
Zur Erfassung möglichst der gesamten äußeren und inneren Oberfläche 111, 112 der Radscheibe 11 wird eine Relativbewegung zwischen den Ultraschallwandlern 21–24 und dem Eisenbahnrad 1 erzeugt. Beispielsweise werden die Ultraschallwandler 21–24 kreisförmig um die Rotationsachse R des Rades 1 bewegt oder das Eisenbahnrad 1 wird während der Prüfung um seine Rotationsachse R rotiert, wobei die Ultraschallwandler 21–24 kontinuierlich Ultraschallwellen senden und empfangen.
Die Neigung der Schwenkebenen S21, S22, S23, S24 gegenüber der Haupterstreckungsebene der Radscheibe 11 ermöglicht insbesondere eine zuverlässige Detektion von Rissen mit beliebiger Orientierung und Position (insbesondere mit im Prinzip beliebiger Tiefe T, d.h. radialer Position), die sich zumindest teilweise an der äußeren oder inneren Oberfläche 111, 112 befinden. Beispielsweise lassen sich in der äußeren Seite 111 befindliche radial orientierte Risse 16, schräg zu den radialen Richtungen liegende Risse 17 sowie tangential (senkrecht zu den radialen Richtungen) orientierte Risse 18 detektieren.
In 1 sind Einschallwinkel α₁–α₆ in Bezug auf die mittleren Ultraschallwandler 22, 23 dargestellt, die denjenigen Winkel angeben, der jeweils erforderlich ist, um die Risse 16–18 mit einer möglichst senkrecht auf den jeweiligen Riss einfallenden Ultraschallwelle zu erfassen. Die Winkel α₁–α₆ geben jeweils den Winkel zwischen einer durch die Wandler 22, 23 und die Rotationsachse R (d.h. radial) verlaufenden Geraden und einer durch die Wandler 22, 23 verlaufenden Geraden an, die auf dem jeweiligen Riss zumindest näherungsweise senkrecht steht.
Im Schwenkbereich SB22, der dem Einschallwinkelbereich von 0° bis α₆ entspricht, werden sämtliche Risse 16–18 (ungeachtet ihrer unterschiedlichen Orientierungen und Tiefen) erfasst. Der Abstand zwischen dem jeweiligen Ultraschallwandler 21–24 und dem jeweiligen Riss 16–18 kann somit durchaus zumindest näherungsweise dem Radius der Radscheibe 11 entsprechen. Die Schwenkebenen S21, S22, S23, S24 und die Einschallwinkelbereiche α₁–α₆ werden so eingestellt, dass innerhalb der Einschallwinkelbereiche α₁–α₆ der empfindliche mittlere Bereich (der Zentralstrahlbereich) der eingeschallten Schallbündel die äußere bzw. innere Oberfläche 111, 112 der Radscheibe 11 möglichst vollständig erfasst.
In der Schnittansicht der 3 (Schnitt durch die Symmetrieebene S in 1) ist die Neigung der den Ultraschallwandlern 21, 22 zugehörigen Schwenkebenen S21, S22 gegenüber der Radscheibenebene RE dargestellt. Die Schwenkebenen S23, S24 sind analog zu den Schwenkebenen S21, S22 gegenüber der Radscheibenebene RE geneigt, wenn auch nicht zwingend um identische Winkel.
Die Oberflächenkonturen der Radscheibe 11 sind wie bereits erwähnt vorwiegend spiegelsymmetrisch bezogen auf die Symmetrieebene S des Rades 1 ausgestaltet. Daher ist denkbar, dass die jeweils den auf einer Seite der Symmetrieebene S des Rades 1 befindlichen Ultraschallwandler 21, 22 zugehörigen Schwenkbereiche (entlang der Schwenkebenen S21 und S22) in Bezug auf die Symmetrieebene S spiegelsymmetrisch zu den Schwenkbereichen (entlang der Schwenkebenen S23 und S24) verlaufen, die den auf der anderen Seite der Symmetrieebene S des Rades 1 angeordneten Ultraschallwandlern 23, 24 zugehören. Entsprechend weisen die von den Ultraschallwandlern 21, 22 und die von den Ultraschallwandlern 23, 24 erzeugten Ultraschallwellen entgegengesetzte Richtungskomponenten auf. Es entstehen also die vier Schwenkebenen S21, S22, S23, S24, die nicht mit der Radscheibenebene RE identisch sind.
3 zeigt weiterhin von den Ultraschallwandlern 21, 22 erzeugte Schallbündel 210, 220, die schräg zur Radscheibenebene RE, jedoch unter einem Einschallwinkel von 0° (d.h. entlang einer Geraden, die von dem jeweiligen Wandler 23, 24 durch die Rotationsachse R hindurch verläuft) in die Radscheibe 11 eingeschallt werden. Die Schallbündel 210, 220 weisen jeweils einen Divergenzwinkel α₂₁, α₂₂ zwischen den Randstrahlen RS21, RS22 auf. Eine mittige Achse der Schallbündel 210, 220 definiert jeweils einen Zentralstrahl ZS21, ZS22 (der wiederum jeweils die Einschallrichtung ER festlegt). Die Zentralstrahlen ZS21, ZS22 liegen zudem in der jeweiligen Schwenkebene S21, S22. Die Neigung der Schallbündel 210, 220 gegenüber der Radscheibenebene RE ist so gewählt, dass die Zentralstrahlen ZS21, ZS22 die äußere Seite 111 bzw. die innere Seite 112 der Radscheibe 11 durchsetzen.
Die Abstände x₁, x₂ zwischen den Einschallpositionen (der Ort des Eintritts der Schallbündel 210, 220, d.h. der Zentralstrahlen ZS21, ZS22, in den Radkranz 12) und der Radscheibenebene RE sind ähnlich, d.h. der Abstand zwischen den Eintrittsorten der Zentralstrahlen ZS21, ZS22 in den Radkranz 12 ist klein. Daher werden die Ultraschallwandler 21, 24 zum Erfassen der äußeren Radscheibenoberfläche 111 und die Ultraschallwandler 22, 23 zum Erfassen der inneren Radscheibenoberfläche 112 in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet. Durch diese Anordnung der Ultraschallwandler 21–24 ist es möglich, dass die Ultraschallwandler 21–24 unabhängig voneinander in Richtung der Rotationsachse R (senkrecht zur Umfangsrichtung) verschoben werden können. Somit können die Abstände x₁, x₂ (z.B. automatisch) in Abhängigkeit von der jeweiligen Bauart des zu prüfenden Rades eingestellt werden. Denkbar ist, dass die Ultraschallwandler 21–24 auf einem (insbesondere gemeinsamen) Träger (nicht dargestellt) angeordnet sind, der ein derartiges Verschieben der Ultraschallwandler 21–24 ermöglicht.
Die Ultraschallwandler 21–24 können z.B. durch mindestens einen zweidimensionalen Gruppenstrahler (2D-Matrix-Array), mit denen der Schiel- und der Kippwinkel gegenüber einer senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Ebene (z.B. gegenüber der Radscheibenebene RE) elektronisch eingestellt werden kann. Damit kann der Schiel- und der Kippwinkel nicht nur für eine Schwenkebene, sondern für jeden Einschallwinkel im Schwenkbereich separat eingestellt werden.
Durch eine entsprechende Dimensionierung des 2D-Matrix-Arrays in Richtung der Rotationsachse des Rades kann die Verschiebung der Einschallposition auch durch eine elektronisch gesteuerte Verschiebung der aktiven Apertur des Gruppenstrahlers realisiert werden. Mit einem 2D-Matrix-Array ist es außerdem möglich, gleichzeitig die vier unterschiedlichen Schwenkebenen S21, S22, S23, S24 für die Prüfung der äußeren und der inneren Oberfläche 111, 112 der Radscheibe 11 zu realisieren, d.h. die vier Ultraschallwandler 21–24 werden durch ein einziges 2D-Matrix-Array ausgebildet. Denkbar ist allerdings auch (z.B. wenn der Einschallwinkel fest vorgegeben ist), dass zumindest einige der Ultraschallwandler 21–24 jeweils durch einen linearen Gruppenstrahler realisiert sind, wobei z.B. die aktive Apertur des linearen Gruppenstrahlers in Richtung der Rotationsachse des Rades orientiert ist.
Die vier Ultraschallwandler 21–24 für die Prüfung der inneren und der äußeren Oberfläche 111, 112 in beiden Umfangsrichtungen können auch so an der Lauffläche 15 positioniert sein, dass sie für eine V-förmige Durchschallung (z.B. nach Art der EP 1 087 229 B1 ) eingesetzt werden können.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung natürlich nicht auf die Verwendung von vier Ultraschallwandlern beschränkt ist. Vielmehr können durchaus weniger oder mehr als vier Wandler eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1101105 B1 [0002]
EP 1087229 B1 [0045]

Claims

Ultraschallprüfverfahren zum Prüfen eines sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckenden Rotationselementes (1), wobei Ultraschallwellen entlang einer Einschallrichtung (ER) in das Rotationselement (1) eingeschallt werden, gekennzeichnet durch Schwenken der Einschallrichtung (ER) entlang mindestens einer Schwenkebene (S21, S22, S23, S24), die unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene (RE) des Rotationselementes (1) verläuft.
Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkebene (S21, S22, S23, S24) so verläuft, dass sie eine Stirnseite (111, 112) des Rotationselementes (1) schneidet oder tangiert.
Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen über einen umlaufenden Rand (15) des Rotationselementes (1) eingeschallt werden.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkebene (S21, S22, S23, S24) gegenüber der Haupterstreckungsebene (RE) um mindestens 2°, mindestens 5° oder mindestens 10° geneigt ist.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallwandler (21–24) erzeugt werden, wobei das Rotationselement (1) relativ zu dem Ultraschallwandler (21–24) bewegt wird.
Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationselement (1) um eine Achse (R) rotiert wird.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Ultraschallwandler (21–24) zum Erzeugen der Ultraschallwellen, die so entlang eines umlaufenden Randes (15) des Rotationselementes (1) angeordnet sind, dass ihre Position in Richtung der Rotationsachse (R) des Rotationselementes (1) veränderbar ist.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Ultraschallwandler (21–24) zum Erzeugen der Ultraschallwellen, der so ausgebildet ist, dass Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Einschallrichtungen (α₁–α₆) einschallbar sind.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Ultraschallwandler (21–24) zum Erzeugen der Ultraschallwellen, mit dem Ultraschallwellen in das Rotationselement (1) einschallbar sind, wobei deren Einschallrichtung (ER) in unterschiedlichen Schwenkebenen schwenkbar ist.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen mit mindestens einem Ultraschallwandler (21–24) in Form eines Gruppenstrahlers erzeugt werden.
Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Rotationselement (1) um ein Rad handelt, das eine Radscheibe (11) und einen die Radscheibe (11) umlaufenden Radkranz (12) aufweist, wobei die Haupterstreckungsebene (RE) des Rades durch die Ebene, entlang der sich die Radscheibe (11) erstreckt, festgelegt ist.
Ultraschallprüfvorrichtung zum Prüfen eines sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckenden Rotationselementes (1), insbesondere zum Durchführen des Ultraschallprüfverfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Ultraschallwandler (21–24) zum Einschallen von Ultraschallwellen in das Rotationselement (1) entlang einer Einschallrichtung (ER), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (21–24) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Einschallrichtung (ER) entlang mindestens einer Schwenkebene (S21, S22, S23, S24) schwenkbar ist, die unter einem Winkel zu der Haupterstreckungsebene (RE) des Rotationselementes (1) verläuft.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Signalen, die von dem Ultraschallwandler (21–24) beim Empfang von Ultraschallwellen erzeugt werden.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, aus den Signalen eine Bildinformation zu erzeugen.