DE102021133875A1

DE102021133875A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallspannungsmessung mit Longitudinalwellen an Eisenbahnrädern

Info

Publication number: DE102021133875A1
Application number: DE102021133875.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Pohl; Christian Pick; Eberhard Credo
Original assignee: Hochschule Anhalt Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; MBQ QUALITAETSSICHERUNGS GmbH; Mbq Qualitatssicherungs-Gmbh; Optimess Eng GmbH; Optimess Engineering GmbH
Current assignee: Hochschule Anhalt Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; MBQ QUALITAETSSICHERUNGS GmbH; Mbq Qualitatssicherungs-Gmbh; Optimess Eng GmbH; Optimess Engineering GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern.Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern (10) mit Ultraschall, wobei eine Messung von Ultraschalldaten von der Lauffläche (12) von Eisenbahnrädern (10) aus entlang eines sekantenartigen Schallweges (40) mit einer Longitudinalwelle erfolgt. Aus den Ultraschalldaten von mindestens zwei sekantenartigen Schallwegen (40) kann ein radialer Spannungsgradient bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern (10) mit Ultraschall nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Die nachfolgende Offenbarung befasst sich mit der zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern.
Stand der Technik
Eisenbahnräder sind zentrale Funktionseinheiten des schienengebundenen Personen- und Gütertransportes. Ihre Funktionsfähigkeit und -sicherheit spielt hierfür eine entscheidende Rolle. Typischerweise wird für die sichere Funktion ein Druckeigenspannungszustand im Oberflächenbereich der Lauffläche in Umfangsrichtung des Radkranzes gefordert [1]. Ein derartiger Zustand wird herstellungsseitig durch eine entsprechende Wärmebehandlung (Radkranzvergütung) angestrebt. Betriebsbedingte Einwirkungen durch thermische Effekte von Bremsvorgängen bewirken Veränderungen des Eigenspannungszustandes bis hin zu Zugspannungszuständen. Besonders im Güterlastverkehr sind hier hohe Beanspruchungen bekannt. Im Extremfall führen die Zugspannungen zur Rissbildung mit daraus folgendem Versagen durch Bruch des Rades mit extrem hoher Gefahr von dadurch verursachten Personen- und Sachschäden. Regelwerke beschreiben deswegen die Notwendigkeit der Messung des Spannungszustandes zur Bestätigung eines ausreichend hohen Druckspannungsniveaus, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Hierzu ist die Verteilung der Umfangsspannungen in die Tiefe unterhalb der Lauffläche zu ermitteln.
Stand der Technik sind zerstörende Verfahren der Spannungsmessung, bei denen die Spannungen aus den über Dehnungsmessstreifen aufgenommenen Verformungen bei mechanischem Abtrag / Trennung von Teilen des Rades berechnet werden bzw. die zerstörungsfreie Messung mittels des akustoelastischen Effektes in Form der Doppelbrechung zweier Ultraschall-Transversalwellen, die in Dickenrichtung des Rades eingeschallt werden [2 - 7].
Die Nutzung zerstörender Abtrageverfahren zur Spannungsmessung ist mit der Zerstörung des Prüfobjektes [1] verbunden. Hierbei muss zudem die Prüfaussage von einem zerstörten Objekt auf andere übertragen werden, so dass eine hundertprozentige Prüfung von vornherein ausgeschlossen ist. Die Feststellung einer Änderung des Spannungszustandes im Zuge betriebsbedingter Beanspruchungen im Lebenszeitraum des Produktes Eisenbahnrad ist somit nicht möglich.
Die zweite praktisch genutzte Technologie einer zerstörungsfreien Messung mittels Ultraschall-Transversalwellen vermeidet als zerstörungsfreie Methode unter Nutzung des akustoelastischen Effekts prinzipiell die o. g. Nachteile [1 - 7, 9, 11].
Zur zerstörungsfreien Messung ist zusätzlich eine Lösung bekannt, die longitudinale Untergrundwellen (engl. longitudinal subsurface waves) an den Radflanken ausnutzt, aber bislang nicht in der Prüfpraxis verwendet wird [7]. Eine ähnliche Lösung wird in [8] beschrieben, wobei hier versucht wird, mit einer Anordnung von Winkelprüfköpfen als Wandler, die an der Flanke des Rades angekoppelt werden, longitudinal kritisch gebrochene Wellen zur Spannungsmessung anzuwenden. Die hierbei als longitudinal kritisch gebrochene Wellen (L_cr) bezeichneten Longitudinalwellen entsprechen den bereits genannten longitudinalen Untergrundwellen.
Der für die zerstörungsfreie Spannungsmessung genutzte akustoelastische Effekt beinhaltet den Zusammenhang zwischen den Schallgeschwindigkeiten bzw. -laufzeiten (bei definiertem Schallweg) von Ultraschallwellen und elastischen Spannungen (bzw. Dehnungen) im Ausbreitungsmedium. Die Effekte des Spannungseinflusses auf die Schallgeschwindigkeit bzw. -laufzeit sind abhängig von der Wellenart, Richtung der Spannung, Ausbreitungsrichtung der Welle und Schwingungsrichtung (Polarisation) der Welle. Er ist folglich hinsichtlich der einzelnen Wellenarten und der Spannungssituation im Prüfobjekt zu differenzieren.
1 zeigt hierzu schematisch den akustoelastischen Effekt für die im Bild dargestellte Zuordnung von Spannungsrichtung und Ausbreitungsrichtung für Longitudinal- und Transversalwellen mit Schallgeschwindigkeiten c_ii (erster Index: Ausbreitungsrichtung, zweiter Index: Schwingungsrichtung) in verschiedenen Ausbreitungsrichtungen bzw. Polarisierungen. Deutlich sichtbar wird die richtungsabhängige unterschiedliche Empfindlichkeit des Messeffekts der relativen Schallgeschwindigkeitsänderung Δc_r zwischen spannungsbeeinflusster Ultraschallwelle und Ultraschallwelle im spannungsfreien Materialzustand. Andere Wellenarten, wie beispielsweise Rayleighwellen (Oberflächenwellen) ordnen sich entsprechend ihrer komplexen Polarisation in das Schema ein.
Den direkten Bezug zu den auf die Dehnung ε oder Spannung σ bezogenen jeweiligen Schallgeschwindigkeitsänderungen liefern die akustoelastischen Koeffizienten AEK (hier beispielhaft einachsig für Longitudinalwellen mit der spannungsfreien Ausgangsgeschwindigkeit c_I angegeben): $A E K_{ε 11} = \frac{\frac{Δ c_{11}}{c_{l}}}{ε_{1}} bxw . A E K_{σ 11} = \frac{\frac{Δ c_{11}}{c_{l}}}{σ_{1}}$
Bei Kenntnis der wellenart- und materialabhängigen akustoelastischen Koeffizienten können unbekannte Spannungszustände durch Umstellung der Gleichung (1) als Lösung des inversen Problems ermittelt werden, z. B.: $σ_{1} = \frac{\frac{Δ c_{11}}{c_{l}}}{A E K_{σ 11}}$
Typischerweise wird die zu bestimmende Schallgeschwindigkeitsänderung Δc_i messtechnisch in eine Laufzeitmessung der Ultraschallwellen über einen bestimmten Schallweg überführt.
Die Anwendung der o. g. Transversalwellendoppelbrechung zur Spannungsmessung in Eisenbahnrädern nutzt den unterschiedlich starken akustoelastischen Effekt von zwei in unterschiedlichen Richtungen polarisierten Transversalwellen (Geschwindigkeitsänderung c₃₁ und C32 in 1) aus. Das allgemeine Grundprinzip der Messung wird in [9] beschrieben. Die Anordnung der Transversalwellenprüfköpfe mit ihren Schallfeldern zur Spannungsmessung eines Eisenbahnrades ist schematisch in 3 dargestellt. Angewendet auf das Objekt Eisenbahnrad wird verfahrensbedingt durch die Transversalwellendoppelbrechung die Hauptspannungsdifferenz zwischen der eigentlichen Zielgröße Umfangsspannung und den Radialspannungen des Rades gemessen. Es wird davon ausgegangen, dass die Radialspannungen konstant und vernachlässigbar sind.
Der radiale Spannungsgradient der Umfangsspannungen wird mit Hilfe der Transversalwellendoppelbrechung durch einen radialen Scan entlang der Radflanke ermittelt. An jeder Messposition müssen dabei zwei Messungen entsprechend der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Transversalwellen durchgeführt werden. Durch die konstruktiv vorgesehene Kennrille (Ablaufnut) an der Seitenwand des Rades ergeben sich zwangsläufig schwerer zu prüfende Bereiche. Da der akustoelastische Effekt relativ klein ist, sind die Schallgeschwindigkeiten (bzw. als Messgröße bei definierten Schallwegen die Laufzeiten) mit hoher Präzision zu messen. Da Transversalwellen mittels der standardmäßigen piezoelektrischen Erzeugung nur sehr schwierig einzukoppeln sind, verlieren Prüfsysteme auf dieser Basis an Bedeutung und werden zunehmend durch berührungslos ankoppelnde EMUS-Systeme (EMUS: elektromagnetisch erzeugter Ultraschall) ersetzt.
Da von der Seitenfläche des Rades aus eingeschallt wird und der Schallweg in Dickenrichtung verläuft, werden die Spannungen dabei nur als Mittelwert über die Dicke des Rades von ca. 140 mm ermittelt. Dies ist insofern problematisch, da sich dabei durchaus, wie es 2 (rechts) am Fertigungszustand eines Eisenbahnrades zeigt, Zug- und Druckspannungen entlang des Schallweges in ihrem Messeffekt gegenseitig kompensieren können und damit ein gefährlicher Zugspannungszustand unter der Lauffläche des Rades verborgen bleiben kann.
Der Messeffekt der Transversalwellendoppelbrechung setzt sich additiv aus dem zu ermittelnden Spannungseffekt und einem Störanteil, der durch die Gefügestruktur des Materials verursacht und zumeist durch den Begriff Textur beschrieben wird [3 - 7, 9, 11]. Dieser Störanteil muss durch Vormessungen an spannungsfreien Proben des Radmaterials ermittelt werden, da Transversalwellen sehr stark auf Gefügeeinflüsse reagieren.
Die bislang praktisch am Eisenbahnrad nicht eingesetzte Variante von longitudinalen Untergrundwellen bzw. longitudinal kritisch gebrochene Wellen (L_cr) wendet, wie es die 4 und 5 schematisch zeigen, durch spezielle Winkelprüfköpfe als Wandler erzeugte Longitudinalwellen, die durch Brechung am ersten kritischen Winkel erzeugt werden und sich an der Oberfläche ausbreiten, an. Dies nutzt zwar den größeren akustoelastischen Effekt von Longitudinalwellen (1: Geschwindigkeitsänderung C₁₁), misst aber verfahrensbedingt nur die oberflächennahen Spannungen unterhalb der Flächen des Rades, auf denen die Messanordnung angekoppelt ist. Der erfassbare Tiefenbereich unterhalb der Ankoppelfläche liegt dabei in der Größenordnung der Wellenlänge und beträgt typischerweise nur wenige Millimeter bei einer Gesamtdicke im Bereich von ca. 140 mm. Der Rückschluss auf den Spannungszustand unterhalb der Lauffläche setzt hier also eine Konstanz der Spannungen in den unterschiedlichen Bereichen des Rades voraus, von der nicht unbedingt ausgegangen werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik auftretenden Probleme zu vermeiden oder zumindest deutlich zu verringern, insbesondere ein gegenüber dem Stand der Technik genaueres und zuverlässigeres Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 (Verfahren), sowie des Patentanspruchs 9 (Vorrichtung) gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern mit Ultraschall, bei dem eine Messung von Ultraschalldaten von der Lauffläche von Eisenbahnrädern aus entlang eines sekantenartigen Schallweges mit einer Longitudinalwelle erfolgt. Bei den Ultraschalldaten kann es sich insbesondere um die Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. die Laufzeit von Pulsen handeln. Der Abschnitt der Sekante, der innerhalb des vom Eisenbahnrad ausgebildeten Kreises liegt, heißt Sehne. Insofern kann der zur Prüfung genutzte Schallweg auch als sehnenartiger Schallweg bezeichnet werden.
Vorzugsweise werden zur Messung von einer festen Einschallposition ausgehend Ultraschalldaten von mindestens zwei sekantenartigen Schallwegen erfasst.
Bevorzugt werden Referenz-Ultraschalldaten des spannungsfreien Zustandes mit einem sekantenartigen Schallweg oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ermittelt.
Vorzugsweise wird aus den Ultraschalldaten von mindestens zweier sekantenartiger Schallwege ein radialer Spannungsgradient bestimmt.
Der Erfindung liegt ein neuartiger Ansatz zur Nutzung des akustoelastischen Effekts (zerstörungsfreie Spannungsmessung mittels Ultraschallwellen) im Untersuchungsgegenstand Eisenbahnrad zugrunde. Es erfolgt vorzugsweise eine Messung von der funktionsrelevanten Lauffläche von Eisenbahnrädern aus entlang eines sekantenartigen Messweges mit Longitudinalwellen mit Referenz des spannungsfreien Zustandes ermittelt mit einem gleichartigen oder anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart. Durch Messung an mindestens zwei Messpositionen ist es möglich, durch Lösung des inversen Problems aus den Ultraschalldaten des sekantenartigen Messweges den radialen Spannungsgradienten zu bestimmen.
Dieses neue Messkonzept, welches schematisch in 6 dargestellt ist, nutzt Longitudinalwellen, die sich in Sekantenrichtung im Volumen des Rades von der Lauffläche aus zwischen einem sendenden und einem empfangenden Ultraschallwandler ausbreiten.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass Longitudinalwellen in dieser Ausbreitungsrichtung, die im Wesentlichen mit der Richtung der zu messenden Spannungen in Umfangsrichtung übereinstimmt, den größten akustoelastischen Effekt aller Wellenarten aufweisen, was günstig für die Anforderungen an die Genauigkeit der zu messenden Ultraschalllaufzeiten und positiv hinsichtlich der Wirkung von Störgrößen ist und damit eine fehlertolerantere Prüfung beinhaltet. Hierbei wirken sich die aus dieser Vorgehensweise und aus der Größe des Objektes ergebenden großen Schallwege zusätzlich positiv in diese Richtung aus und verursachen große Messeffekte hinsichtlich der zu messenden Laufzeiten.
Der Wechselwirkungsbereich der Ultraschallwellen befindet sich genau in dem funktionsrelevanten Bereich unterhalb der Lauffläche des Rades, in dem der Spannungszustand zu überwachen ist.
Es erfolgt keine Mittelung über die Dicke des Rades, sondern bei Verschiebung der Messanordnung auf der Lauffläche in Umfangsrichtung werden die jeweils örtlich auftretenden Spannungswerte bestimmt. Ungeprüfte Bereiche werden somit vermieden.
Durch die geometrische Anordnung der Ultraschallwandler (auch als Ultraschall-Prüfköpfe bezeichnet) können definiert unterschiedliche Tiefenbereiche unterhalb der Lauffläche geprüft und die dort wirkenden Spannungen bewertet werden.
Aus zwei oder mehreren derartiger Prüfungen kann der Verlauf des radialen Spannungsgradienten der Umfangsspannungen ermittelt werden.
Die in dieser Vorgehensweise für die Spannungsmessung genutzten Longitudinalwellen sind unempfindlicher gegenüber Störungen der Schallgeschwindigkeit durch Gefügeeinflüsse des Radwerkstoffes als Transversalwellen.
Als Referenz für die Schallgeschwindigkeitsänderung muss die Schallgeschwindigkeit im spannungsfreien Zustand bekannt sein oder gemessen werden. Dies kann durch Referenzmessungen des Radwerkstoffs im spannungsfreien Zustand erfolgen aber auch durch entsprechende Referenzmessungen am Prüfobjekt selber ermittelt werden. Für eine solche Ermittlung können Wellenarten bzw. Ausbreitungsrichtungen genutzt werden, die spannungsinsensitiver als die zur Messung genutzte Longitudinalwelle sind.
Die Messung des Referenzwertes von Longitudinalwellen kann dabei auch über die Dicke des Rades erfolgen, wobei bei bekanntem akustoelastischen Koeffizient für das hier wirkende Verhältnis Umfangspannungsrichtung - Ausbreitungsrichtung nachfolgend die Umfangsspannung aus der Differenz von Spannungs- und Referenzmessung als definierter Wert ermittelt werden kann. In analoger Art und Weise hat insbesondere die Referenzmessung mit einer Transversalwelle entlang desselben sekantenartigen Schallweges wie bei der Spannungsmessung mit Longitudinalwellen den Vorteil, dass derselbe Wechselwirkungsraum einer örtlich veränderlichen Spannung erfasst wird und entlang eines großen Messweges gemessen wird, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit der Spannungsermittlung auswirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Aufbringen eines ersten Ultraschallwandlers (Sender) an einer Einschallposition auf einer Lauffläche eines Eisenbahnrades; ein Aufbringen eines zweiten Ultraschallwandlers (Empfänger) an einer zweiten Position auf die Lauffläche des Eisenbahnrades; und ein Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges mit einer Longitudinalwelle an der Einschallposition und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche des Eisenbahnrades an der zweiten Position.
Vorzugsweise umfasst die Ausführungsform weiterhin ein Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges mit einer Longitudinalwelle an einer Einschallposition und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche des Eisenbahnrades an einer dritten Position abweichend von der zweiten Position.
Vorzugsweise umfasst die Ausführungsform weiterhin ein Einschallen mit einem sekantenartigen Schallweg oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart an der Einschallposition und eine Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der zweiten Position und/oder der dritten Position. Bei einer Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der zweiten oder dritten Position handelt es sich um einen gleichartigen Schallweg, wodurch für die Referenzermittlung eine andere Wellenart verwendet werden sollte. Für eine Referenzmessung sind neben Volumenwellen auch Oberflächenwellen (Rayleighwellen) mit einer Ausbreitung an der Lauffläche einsetzbar.
Alternativ hierzu umfasst die Ausführungsform weiterhin ein Einschallen mit einem anderen Schallweg (d. h. mit abweichender Einschallrichtung) mit einer Wellenart (z. B. Longitudinalwellen, auch als longitudinale Untergrundwellen oder longitudinal kritisch gebrochene Wellen, Transversalwellen oder Oberflächenwellen (Rayleighwellen)) an einer nicht auf der Lauffläche befindlichen vierten Einschallposition (z. B. an der Radrückenfläche oder der Radstirnfläche) und Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der vierten Einschallposition.
Bei einer Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der vierten Position kann es sich insbesondere um einen anderen Schallweg im Volumen oder an der Oberfläche handeln, welcher beispielsweise in Richtung der Dicke des Eisenbahnrades verläuft. In solchen Fällen können ebenfalls Longitudinalwellen für die Referenzmessung verwendet werden, jedoch ist auch hierbei die Verwendung anderer Wellenarten möglich.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern mit Ultraschall nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, umfassend einen ersten Ultraschallwandler zum Aufbringen an einer Einschallposition auf einer Lauffläche eines Eisenbahnrades, ausgebildet zum Einschallen einer Longitudinalwelle entlang eines sekantenartigen Schallweges; einen zweiten Ultraschallwandler zum Aufbringen an einer zweiten Position auf der Lauffläche des Eisenbahnrades, ausgebildet zur Aufnahme von Ultraschalldaten einer entlang eines sekantenartigen Schallweges transmittierten Longitudinalwelle unterhalb der Lauffläche des Eisenbahnrades.
Vorzugsweise ist der erste Ultraschallwandler zusätzlich zum Einschallen mit einem sekantenartigen Schallweg oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin einen gemeinsamen Träger zur Kopplung des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers. Über den gemeinsamen Träger lassen sich der erste und der zweite Ultraschallwandler zur vereinfachten Verwendung in einem Arbeitsschritt zusammen am Eisenbahnrad positionieren. Über eine entsprechende Formung der Haltestruktur des Trägers und eine verschiebbare Anordnung zumindest des zweiten Ultraschallwandlers kann zudem die Länge des gemessenen Schallwegs verstellt werden. Am Träger können Rastpositionen oder eine Skalierung angeordnet sein, mit der eine reproduzierbare Einstellung des gemessenen Schallwegs vorgenommen werden kann.
Die genutzten Ultraschallwellen können hierbei sowohl mittels der seit langem genutzten Technologie piezoelektrischer Ultraschallwandler (Prüfköpfe) als auch ankoppelmittelfrei mittels EMUS-Technologie durch elektromagnetische Erzeugung des Ultraschalls bereitgestellt werden.
Die Erfindung beschreibt somit ein neues Verfahren zur Ultraschallspannungsmessung von Eisenbahnrädern mit Longitudinalwellen von der Lauffläche des Rades, wobei die Longitudinalwellen von einem sendeseitigen Ultraschallwandler, der auf der Lauffläche des Rades positioniert ist, unter einem Winkel so eingeschallt werden können, dass der Ausbreitungsweg entlang der Sekante des durch das Rad beschriebenen Kreisbogens liegt und die Ultraschallwellen von einem weiteren empfangenden Ultraschallwandler aufgenommen werden können, so dass insbesondere die Laufzeit der Ultraschallwellen gemessen werden kann und somit der akustoelastische Effekt zur Messung des Spannungszustandes im Bereich der Lauffläche des Rades genutzt wird.
Die prinzipielle Anordnung zweier Ultraschallwandler (Prüfköpfe) auf der Lauffläche eines Eisenbahnrades ist als ein Ausführungsbeispiel mit piezoelektrischen Winkelprüfköpfen schematisch in 6 dargestellt. Durch unterschiedliche feste Abstände von Sende- und Empfangswandlern auf der Oberfläche ergeben sich unterschiedlich große sekantenartige Schallwege und unterschiedliche erfasste Tiefenbereiche des Objektes, so dass jeweils die Spannungen in diesen Tiefenbereichen unterhalb der Laufläche ermittelt werden können. Durch Lösung des inversen Problems (Messung des akustoelastischen Effektes entlang der Sekante - Berechnung des radialen Spannungsgradienten) können aus mindestens zwei unterschiedlichen Positionen radiale Spannungsgradienten der wirkenden Umfangsspannung ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin umfassen, dass der Bezug zur spannungsfreien Schallgeschwindigkeit durch vorherige Ermittlung dieses Materialkennwertes für Longitudinalwellen oder durch Messung entlang derselben oder einer gleichartigen Wegstrecke entlang der Sekante mit einer anderen Wellenart, durch Messung mittels Oberflächenwellen (Rayleighwellen) entlang eines Ausbreitungsweges an der Oberfläche des Objektes oder durch Messung der Schallgeschwindigkeit von Longitudinal- und/oder Transversalwellen entlang eines Weges möglichst senkrecht zur zu messenden Spannungsrichtung realisiert wird. Dabei hat insbesondere die Messung entlang desselben sekantenartigen Schallweges mit einer spannungsinsensitiveren Transversalwelle den Vorteil, dass derselbe Wechselwirkungsraum einer örtlich veränderlichen Spannung erfasst wird, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit der Spannungsermittlung auswirkt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zur Ultraschallspannungsmessung von Eisenbahnrädern mit Longitudinalwellen von der Lauffläche des Rades, mit einer Anordnung von Sende- und Empfangswandlern als Wandler mit elektromagnetischer Ultraschallerzeugung mit zweckentsprechenden Einschallwinkeln und unterschiedlichen festen Abständen, so dass eine definierte Ausbreitungsstrecke der Ultraschallwellen im Volumen des Objektes entlang sekantenförmiger Wegstrecken des durch das Rad beschriebenen Kreisbogens erfolgt und durch eine Änderung der Position des Empfangswandlers auf der Oberfläche eine andere derartige Wegstrecke ermöglicht wird, die damit einen anderen Tiefenbereich des Objektes erfassen kann. Weiterhin kann eine zweckentsprechende Messung des spannungsfreien bzw. -armen Referenzzustandes mit einer diesem Zweck entsprechenden Wandlerkonfiguration vorgesehen sein. Eine Ausführungsvariante ist auch analog mit Hilfe piezoelektrisch arbeitender Wandler (Prüfköpfe) möglich.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der relativen Schallgeschwindigkeitsänderungen Δc_rvon der Dehnung für Transversalwellen (--->) und Longitudinalwellen (→) unterschiedlicher Richtungen bzw. Polarisierungen (einachsiger Spannungszustand);
2: eine schematische Darstellung der Spannungsverteilung der Umfangsspannungen im Eisenbahnrad (links: nach Nutzung, rechts: Fertigungszustand) (nach [10] zitiert in [11]);
3: eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf Transversalwellendoppelbrechung (nach [3 - 7]);
4: eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf longitudinalen Untergrundwellen (nach [7]);
5 eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf longitudinal kritisch gebrochene Wellen (L_cr) (nach [8]);
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung zur laufflächenseitigen Spannungsmessung mit Longitudinalwellen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der relativen Schallgeschwindigkeitsänderungen Δc_rvon der Dehnung für Transversalwellen (--->) und Longitudinalwellen (→) unterschiedlicher Richtungen bzw. Polarisierungen (einachsiger Spannungszustand). In Abhängigkeit von der Spannung σ (bzw. Dehnung ε) ergeben sich unterschiedliche Geschwindigkeitsänderungen für Schallausbreitungen in verschiedene Richtungen.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Spannungsverteilung der Umfangsspannungen im Eisenbahnrad 10 (links: nach Nutzung, rechts: Fertigungszustand) (nach [10] zitiert in [11]). Das Eisenbahnrad 10 umfasst eine Lauffläche 12 und eine der Lauffläche 12 gegenüberliegenden Innenfläche 14. Eine seitliche Begrenzung erfolgt rückwärtig durch eine Radrückenfläche 16 und frontseitig durch eine Radstirnfläche 17. Das Eisenbahnrad 10 weist weiterhin eine sogenannte Spurkranzkuppe 15 auf, welche einer entsprechenden Schienenkopfabrundung im Profil des Schienenkopfes einer zugehörigen Bahnschiene gegenübersteht. Der Darstellung ist insbesondere zu entnehmen, dass die Spannungsverteilung der Umfangsspannungen im Eisenbahnrad 10 nach Nutzung deutlich vom Fertigungszustand abweichen kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf Transversalwellendoppelbrechung (nach [3 - 7]). In der Darstellung ist die zu 2 beschriebene Geometrie eines Eisenbahnrades 10 jeweils im Querschnitt (oben) als auch in der seitlichen Ansicht (unten) gezeigt. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Bei dieser Prüfungsanordnung gemäß Stand der Technik wird ein Ultraschallwandler 20 als Sender für Transversalwellen auf eine Radrückenfläche 16 aufgebracht und Ultraschall als Transversalwelle durch das Radprofil eingeschallt. Der Schallweg des eingeschallten Schallfeldes 22 entspricht einer geraden Ausbreitung in Richtung der Radstirnfläche 17 des Eisenbahnrades 10. Eine Aufnahme der Ultraschalldaten erfolgt durch denselben Ultraschallwandler 20 als Empfänger für Transversalwellen. Durch sukzessive Verschiebung der Wandleranordnung in Richtung Radmitte kann eine Messung an unterschiedlichen Positionen über eine Distanz d erfolgen.
4 zeigte eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf longitudinalen Untergrundwellen (nach [7]). Auch in dieser Abbildung ist ein Eisenbahnrad 10 entsprechend 2 im Schrägansicht gezeigt. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Gegensatz zur in 3 gezeigten Prüfanordnung erfolgt bei dieser ebenfalls gemäß Stand der Technik ausgebildeten Prüfanordnung ein Aufbringen der Wandleranordnung bestehend aus einem erster Ultraschallwandler 20 als Sender für longitudinale Untergrundwellen und einem zweiten Ultraschallwandler 24 als Empfänger für longitudinale Untergrundwellen auf der Radstirnfläche 17 des Eisenbahnrades 10, welche in einem Abstand L zueinander angeordnet sind. Der erste und der zweite Ultraschallwandler 20, 24 sind zur Anregung bzw. Aufnahme der longitudinalen Untergrundwellen entsprechend eingerichtet.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Prüfanordnung basierend auf longitudinal kritisch gebrochene Wellen (L_cr) (nach [8]). Der prinzipielle Aufbau dieser Prüfanordnung gemäß Stand der Technik entspricht weitergehend der in 3 beschriebenen Prüfanordnung, wobei hierbei jedoch anstatt Transversalwellen longitudinal kritisch gebrochene Wellen (L_cr) durch eine gegenüber der Einstrahlfläche verkippte Einkopplung des ersten Ultraschallwandlers 20 als Sender für longitudinal kritisch gebrochene Wellen L_cr. Die Einkopplung erfolgt hier zudem, wie auch bei der Prüfanordnung entsprechend 4, über die Radstirnfläche 17 des Eisenbahnrades 10. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend den 3 und 4.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung zur laufflächenseitigen Spannungsmessung mit Longitudinalwellen. Die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern 10 mit Ultraschall umfasst einen ersten Ultraschallwandler 30 zum Aufbringen an einer Einschallposition A auf einer Lauffläche 12 eines Eisenbahnrades 10, ausgebildet zum Einschallen einer Longitudinalwelle entlang eines sekantenartigen Schallweges 40; einen zweiten Ultraschallwandler 34 zum Aufbringen an eine zweite Position B auf der Lauffläche 12 des Eisenbahnrades 10, ausgebildet zur Aufnahme von Ultraschalldaten einer entlang eines sekantenartigen Schallweges 40 transmittierten Longitudinalwelle unterhalb der Lauffläche 12 des Eisenbahnrades 10. Der erste Ultraschallwandler 30 kann zusätzlich zum Einschallen mit einem gleichartigen Schallweg (d. h. sekantenartigen Schallweg 40) oder einem anderen Schallweg mit derselben Wellenart (d. h. longitudinalen Wellen) oder einer anderen Wellenart (z. B. Transversalwellen) ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann einen gemeinsamen Träger zur Kopplung des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers 30, 34 umfassen. Der erste Ultraschallwandler 30 kann als Ultraschallerzeuger 32 sowohl einen piezoelektrischen Ultraschallwandler (sog. Prüfkopf) als auch eine ankoppelmittelfreie mittels EMUS-Technologie durch elektromagnetische Erzeugung des Ultraschalls betriebene Anregungsquelle umfassen. Der zweite Ultraschallwandler kann als Ultraschallaufnehmer 36 ebenfalls sowohl einen piezoelektrischen Ultraschallwandler (sog. Prüfkopf) als auch einen ankoppelmittelfrei mittels EMUS-Technologie durch elektromagnetische Wandlung des Ultraschalls betriebenen Empfänger umfassen.
Eine Prüfung kann dabei insbesondere ein Aufbringen des ersten Ultraschallwandlers an einer Einschallposition A auf einer Lauffläche 12 eines Eisenbahnrades 10; ein Aufbringen eines zweiten Ultraschallwandlers 34 an einer zweiten Position B auf die Lauffläche 12 des Eisenbahnrades 10; und ein Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges 40 mit einer Longitudinalwelle an der Einschallposition A und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche 12 des Eisenbahnrades 10 an der zweiten Position B, umfassen. Weiterhin kann das Prüfverfahren ein Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges 40 mit einer Longitudinalwelle an einer Einschallposition A und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche 12 des Eisenbahnrades 10 an einer dritten Position umfassen, wobei aus den Ultraschalldaten der mindestens zwei sekantenartigen Schallwege 40 ein radialer Spannungsgradient bestimmt werden kann.
Vorzugsweise kann das Prüfverfahren ein Einschallen mit einem sekantenartigen Schallweg 40 oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart an der Einschallposition A; und eine Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der zweiten Position B und/oder der dritten Position C umfassen, wodurch Referenz-Ultraschalldaten des spannungsfreien Zustandes mit einem gleichartigen oder anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ermittelt werden können. Hierzu ist bevorzugt, dass die Ultraschallwandler 30, 36 zusätzlich zum Einschallen bzw. Empfang mit einem sekantenartigen Schallweg 40 zum Einschallen bzw. Empfang mit einem für eine Referenzmessung geeigneten anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ausgebildet sind. Eine Referenzmessung kann auch über andere Messpositionen am Rad (z. B. von der Radrückenfläche 16 oder der Radstirnfläche 17 aus) und andere Einschallrichtungen mit unterschiedlichen Wellenarten erfolgen. Aufgrund des anderen Schallweges können hierbei sowohl Longitudinalwellen (auch als longitudinale Untergrundwellen oder longitudinal kritisch gebrochene Wellen), als auch andere Wellenarten, wie Transversalwellen oder Oberflächenwellen (Rayleighwellen) zur Referenzmessung eingeschallt werden.
Referenzen

[1] DIN EN 13262:2020-12 Bahnanwendungen - Radsätze und Drehgestelle - Räder - Produktanforderungen; Deutsche Fassung EN 13262:2020
[2] DIN EN 13979-1:2020-09 Bahnanwendungen - Radsätze und Drehgestelle - Vollräder - Technische Zulassungsverfahren - Teil 1: Geschmiedete und gewalzte Räder; Deutsche Fassung EN 13979-1:2020
[3] Schneider, E., Herzer, R.: Ultrasonic Evaluation of Stresses in the Rims of Railroad Wheels. Proceedings of 7th ECNDT Copenhagen, May 26-29. vol. 2, pp. 1972-1979 (1998)
[4] Jimenez, J. A. J., Garcia, V., Boyero, C: Handheld Solution for Measurement of Residual Stresses on Railway Wheels using EMATs. 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016
[5] Gilardoni, C., Gherbin, M., Carboni, M., Gianneo, A.: High-Performance Methodology for Residual Stress Measurement in Railway Wheels. 11th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT 2014), October 6-10, 2014, Prague, Czech Republic
[6] Kudryavtsev, Y., Kleiman, J.: Non-Destructive Measurement of Residual Stresses in Railway Wheels by Ultrasonic Method. 18th International Wheelset Congress (IWC) 2016, 10.1109/IWC.2016.8068364
[7] Szelazek, J.: Ultrasonic Evaluation of Residual Hoop Stress in Forged and Cast Railroads Wheels - Differences. J. Nondestruct. Eval. 2015, Issue 1(34), DOI 10.1 007/s1 0921 -014-0275-3
[8] CN 107490446 A : Ultrasonic nondestructive detection method of high-speed railway wheel pair tread stress, 19.12.2017
[9] US US4080836 A : Method of measuring stress in a material, 28.03.1978
[10] European Railroad Research Institute, Document ORE B169/RP2, Utrecht (1989).
[11] Schneider, E.: Ultrasonic evaluation of stress states of rims of railroad wheels. Part 1 - Principles. Proceedings of St. Petersburg Railway University, Issue 2 (35), 2013, ISSN (Print) 1815-588X, p. 86

Bezugszeichenliste

10: Eisenbahnrad
12: Lauffläche
14: Innenfläche
15: Spurkranzkuppe
16: Radrückenfläche
17: Radstirnfläche
20: erster Ultraschallwandler (als Sender für Transversalwellen, longitudinale Untergrundwellen oder longitudinal kritisch gebrochene Wellen)
22: Schallfeld (Transversalwellen, Longitudinalwellen)
24: zweiter Ultraschallwandler (als Empfänger für longitudinale Untergrundwellen oder longitudinal kritisch gebrochene Wellen)
30: erster Ultraschallwandler (insbesondere als Sender für Longitudinalwellen entlang eines sekantenartigen Schallweges)
32: Ultraschallerzeuger
34: zweiter Ultraschallwandler (insbesondere als Empfänger für Longitudinalwellen entlang eines sekantenartigen Schallweges)
36: Ultraschallaufnehmer
40: sekantenartiger Schallweg
A: erste Einschallposition
B: zweite Position
C: dritte Position
d: Distanz
L: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 107490446 A [0054]
US 4080836 A [0054]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern (10) mit Ultraschall, wobei eine Messung von Ultraschalldaten von der Lauffläche (12) von Eisenbahnrädern (10) aus entlang eines sekantenartigen Schallweges (40) mit einer Longitudinalwelle erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Messung von einer festen Einschallposition (A) ausgehend Ultraschalldaten von mindestens zwei sekantenartigen Schallwegen (40) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Referenz-Ultraschalldaten des spannungsfreien Zustandes mit einem sekantenartigen Schallweg (40) oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei aus den Ultraschalldaten der mindestens zwei sekantenartigen Schallwege (40) ein radialer Spannungsgradient bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Aufbringen eines ersten Ultraschallwandlers (30) an einer Einschallposition (A) auf einer Lauffläche (12) eines Eisenbahnrades (10); Aufbringen eines zweiten Ultraschallwandlers (34) an einer zweiten Position (B) auf die Lauffläche (12) des Eisenbahnrades (10); Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges (40) mit einer Longitudinalwelle an der Einschallposition (A) und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche (12) des Eisenbahnrades (10) an der zweiten Position (B).
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Einschallen entlang eines sekantenartigen Schallweges (40) mit einer Longitudinalwelle an einer Einschallposition (A) und Aufnahme der Ultraschalldaten von der Lauffläche (12) des Eisenbahnrades (10) an einer dritten Position.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin umfassend: Einschallen mit einem sekantenartigen Schallweg (40) oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart an der Einschallposition (A); Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der zweiten Position (B) und/oder der dritten Position (C).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin umfassend: Einschallen mit einem nicht-sekantenartigen Schallweg mit einer Wellenart an einer nicht auf der Lauffläche (12) befindlichen vierten Einschallposition; Aufnahme von Referenz-Ultraschalldaten an der vierten Einschallposition.
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung mechanischer Spannungen an Eisenbahnrädern (10) mit Ultraschall nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: einen ersten Ultraschallwandler (30) zum Aufbringen an einer Einschallposition (A) auf einer Lauffläche (12) eines Eisenbahnrades (10), ausgebildet zum Einschallen einer Longitudinalwelle entlang eines sekantenartigen Schallweges (40); einen zweiten Ultraschallwandler (34) zum Aufbringen an eine zweite Position (B) auf der Lauffläche (12) des Eisenbahnrades (10), ausgebildet zur Aufnahme von Ultraschalldaten einer entlang eines sekantenartigen Schallweges (40) transmittierten Longitudinalwelle unterhalb der Lauffläche (12) des Eisenbahnrades (10).
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Ultraschallwandler (30) zusätzlich zum Einschallen mit einem sekantenartigen Schallweg (40) oder einem anderen Schallweg mit derselben oder einer anderen Wellenart ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend einen gemeinsamen Träger zur Kopplung des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers (30, 34).