DE10313894B3

DE10313894B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Schienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen

Info

Publication number: DE10313894B3
Application number: DE10313894A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dipl.-Ing. Potapov
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-03-28

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Schienenstranges hinsichtlich Fehlstellen, der über einen Schienenkopf, -steg und -fuß verfügt, bei dem Schallwellen vermittels wenigstens eines mit dem Schienensteg in akustischem Kontakt befindlichen akustischen Wandlers in den Schienenstrang eingekoppelt und zu Zwecken einer Auswertung ausgekoppelt werden. DOLLAR A Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schallwelleneinkopplung ausschließlich längs des Schienenstegs derart erfolgt, dass Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) mit wenigstens einer bestimmten Übertragungsfrequenz f längs des Schienenstranges angeregt werden, dass für die Schallwelleneinkopplung ein Anregungsimpuls verwendet wird, dessen zeitliche Dauer wenigstens zehn Mal so lang wie eine Schwingungsperiode der TB-Schwingungen ist, und dass innerhalb längs des Schienenstrangs ausgebreitete TB-Schwingungen mittels des oder eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt werden, deren Welleneigenschaften zur Untersuchung des Schienenstrangs herangezogen werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Schienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen, der über einen Schienenkopf, -steg und -fuß verfügt, bei dem Schall- und Ultraschallwellen vermittels wenigstens eines mit dem Schienensteg in akustischem Kontakt befindlichen akustischen Wandlers in dem Schienenstrang eingekoppelt und zu Zwecken einer Auswertung ausgekoppelt werden.
Stand der Technik
Schienen- oder Gleisstränge für den schienengebundenen Personen- und Güterverkehr sind hohen dynamischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, die zu Materialermüdungen führen, so dass es zu Schädigungen oder sogar Brüchen des Schienenstrangs kommen kann. Aus diesem Grund ist es insbesondere für einen ungestörten Betriebsablauf im Eisenbahnverkehr, vor allem auf Hochgeschwindigkeitsfahrstrecken von besonderer Bedeutung, etwaige sich langsam anbahnende oder plötzlich auftretende Fehlstellen rechtzeitig zu erkennen.
Insbesondere auf Hochgeschwindigkeitsfahrstrecken, wie bspw. den ICE-Strecken der Deutschen Bahn AG, ist die Überwachung des Schienenstrangs von besonderer Bedeutung, da bereits kleinste Fehler im Gleisbett, an der Schiene oder an den Fahrzeugen selbst zu schweren Unfällen führen können. So können auf diesen Hochgeschwindigkeitsstrecken, auf denen sich in Folge der realisierbaren Spitzengeschwindigkeiten von weit über 200 km/h Vollbremsungswege von bis zu mehreren Kilometern ergeben, Schienenbrüche innerhalb der optischen Sichtweite des Lokführers nicht rechtzeitig erkannt werden. Gänzlich ausgeschlossen ist das Erkennen eines Schienenschadens durch den Lokführer bei Nacht oder eingeschränkter Sicht. Aber auch beim Transport von gefährlichen Gütern, wie bspw. radioaktiven Abfällen, auf der Schiene ist es wichtig sicher zu stellen, dass der Schienenstrang an keiner Stelle beschädigt oder sogar unterbrochen ist.
In der Vergangenheit wurde die Überwachung entsprechender Schienenstrecken vor allem mit Hilfe von sog. Streckengehern durchgeführt. Abgesehen von dem damit verbundenen personellen Aufwand ist es auf diese Weise nicht möglich, verborgene Defekte in Schweißstellen sowie sonstige Unregelmäßigkeiten innerhalb der Schiene zu erkennen. Um diese Problematik zu umgehen sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von Techniken entwickelt worden, mit denen vor allem auf der Basis von Ultraschalltechnik, Risse oder Kavernen innerhalb des Schienenstrangs auffindbar sind. Hierbei werden Ultraschallwellen in einen Schienenstrang eingekoppelt und eine Schallsignalantwort aus dem Schienenstrang entsprechend ausgewertet.
Diese Ultraschall-Verfahren nutzen im Allgemeinen den Effekt, dass bei Vorhandensein eines Fehlers innerhalb der Schiene die Ausbreitung der eingekoppelten Ultraschallwelle unterbrochen oder gestört wird, so dass von einem Empfangs-Schallwandler kein oder ein verändertes, insbesondere geringeres, Signal detektiert wird als ohne vorliegenden Schienendefekt.

So ist bspw. aus der US-PS 4,429,576 ein Schienenprüffahrzeug bekannt, mit dem unter Einsatz eines Ultraschallverfahrens Fehlstellen innerhalb eines Schienenstrangs detektierbar sind. Mit dem Schienenprüffahrzeug wird Ultraschall bei einer Frequenz von 800 kHz in die zu prüfende Eisenbahnschiene eingekoppelt. Ein derartiger Schienenprüfzug kann jedoch eine zu prüfende Eisenbahnschiene nur mit einer geringen Geschwindigkeit, in der Regel mit weniger als 30 bis 50 km/h, abfahren. Dadurch ist die jährliche Laufleistung eines Schienenprüfzuges sehr beschränkt und die Prüfung, insbesondere von Hochgeschwindigkeitsstrecken, nur Nachts durchführbar.

Ein weiteres Problem der Schienenprüfzüge ergibt sich daraus, dass die zu prüfenden Fahrstrecken auf Grund des geschilderten Aufwands nur einige wenige Male pro Jahr untersucht werden können. Gerade auf stark befahrenen Hochgeschwindigkeitsstrecken ergeben sich hierdurch zu große Untersuchungsintervalle.

Weiterhin geht aus der DE 198 26 421 C1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene hervor, bei dem eine in die Führungsschiene eingekoppelte Ultraschallwelle nach wenigstens zwei Reflexionen an einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche ausgekoppelt und untersucht wird. Die Ultraschallwelle wird mit einer Frequenz, die kleiner als 100 kHz ist, in den Schienenstrang eingekoppelt. Die zu überwachende Führungsschiene wird hierbei als Wellenleiter betrachtet, in dem sich die zum Nachweis von Defekten eingekoppelten Ultraschallwellen unter einem Winkel bezüglich der Längsachse der Führungsschiene in der Führungsschiene fortpflanzen. Nach einer Vielzahl von Reflexionen an einander gegenüberliegender Innenseiten der Schienenoberfläche wird die Ultraschallwelle ausgekoppelt und detektiert. Das Einkoppeln der Ultraschallwelle kann sowohl aus einem fahrenden Zug als auch mit Hilfe eines stationär an der Führungsschiene angebrachten Sende-Schallwandlers durchgeführt werden. Die Empfangsstelle ist in der Regel mehr als 500 m von der Einkoppelstelle entfernt. Besonders nachteilig an dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren ist, dass lediglich Fehlstellen innerhalb der Schienen detektiert werden können, die nicht parallel bzw. annähernd parallel zu den in die Schiene eingekoppelten Schallwellen orientiert sind. Damit ist die Möglichkeit, unterschiedliche Fehler innerhalb der Schiene zuverlässig zu detektieren bei Einsatz des in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahrens erheblich eingeschränkt.

Grundsätzlich gilt es bei Verwendung von Ultraschallprüfverfahren für Schienenstränge das akustische Signal auf die akustische Leitfähigkeit im Schienenstrang und in den Schwellen abzustimmen. Die erzielbaren Übertragungslängen sind nicht nur vom Zustand der Gleise, sondern auch von dem Material der Gleise und insbesondere vom Material der Schwellen abhängig.

Aus der DE 41 16 997 A1 sind akustische Verfahren bekannt, durch die in einen langestreckten Körper unterschiedliche akustische Signale durch einen Schallsender eingekoppelt werden. Die akustischen Signale unterscheiden sich hierbei in ihrer Frequenz, ihrem Frequenzmuster, ihrer Amplitude oder ihrer Energie. Mit Hilfe von akustischen Empfängern und einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung werden die unterscheidbaren akustischen Signale empfangen und ausgewertet. Auf diese Weise ergeben sich voneinander unabhängige auswertbare Schallausbreitungszonen, so dass eine sichere Lokalisierung von Fehlstellen innerhalb eines Schienenstrangs möglich wird. Die mit diesem Verfahren erzielbaren Übertragungslängen der Schienenstränge betragen auf Eichenholzschwellen und Betonschwellen etwa 600 – 1200 m. Auch mit dem vorbeschriebenen Verfahren ist die Möglichkeit, verschiedenartige Fehlstellen innerhalb einer Fahrschiene zu detektieren stark eingeschränkt.

Die WO 00/17632 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Nachweis von Defekten in einer Führungsschiene, wobei horizontal transversal polarisierte Ultraschallwellen mit Hilfe eines an der Unterseite des Schienenkopfes angebrachten Ultraschallwandlers in den Schienenstrang eingekoppelt werden. Üblicherweise wird hierbei die eingekoppelte Ultraschallwelle erst nach einer Vielzahl von Reflexionen an jeweils einander gegenüberliegenden Innenseiten der Schienenoberfläche detektiert. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass bei der Ausbreitung der Transversalwellen längs eines durch Reflexionsereignissen an abgerundeten Grenzflächen des Schienenkopfes bedingten zickzack-artigen Ausbreitungsweges die Transversalwellen durch Reflexion an gekrümmten Reflexionsebenen zumindest teilweise in eine andere Art von Wellen umgewandelt und hierdurch letztlich stark geschwächt werden. Einfache Berechnungen zeigen, dass wenigstens 40% der akustischen Energie der eingekoppelten Transversalwellen pro zickzack-artiges Reflektieren in Folge von Umwandlung in andere Arten von Wellen sowie in Folge akustischer Streuung in den Umgebungsraum innerhalb des Schienenstranges verloren geht. Aufgrund dieser durch Reflexionsereignisse verursachte Schallwellenenergiedissipation ist es nicht möglich, eingekoppelte horizontal polarisierte Transversalwellen nach etwa 100 zickzack-artigem Reflektieren zuverlässig nachzuweisen, unterstelle man hierbei, dass der Schienenstrang trocken ist. Umso problematischer wird der Sachverhalt bei regennassen Schienensträngen.

Die WO 02/059593 A2 beschreibt ein anderes Verfahren zur Untersuchung eines Schienenstranges hinsichtlich Fehlstellen, bei dem symmetrische oder unsymmetrische Schwingungsmoden mittels wenigstens einer mit der Außenfläche des Schienenstranges im akustischen Kontakt stehenden Anregungsquelle angeregt werden, wobei die Anregungsquelle aus einer arrayförmigen Ultraschallwellenanordnung besteht, die eine große Anzahl einzelner Schallwellenanreger aufweist, die Schallwellen in den Schienenstrang einzukoppeln vermögen. Eine besondere Schwierigkeit des Verfahrens ist darin zu sehen, dass zur gezielten Deformierung des Schienenstrangquerschnitts gemäß Bilddarstellung in den 3 bis 6 speziell aufeinander abgestimmte Ansteuersignale erforderlich sind, die an die einzelnen, in der räumlich verteilten Anregungsquelle verteilt angeordneten Wellenanreger anzulegen sind. Da die einzelnen räumlich verteilten Wandler den gesamten Schienenumfang umfassen, ist es darüber hinaus nicht möglich, das Prüfverfahren ohne Beeinträchtigung des normalen Schienenverkehrs einzusetzen. Vielmehr stellt das bekannte Prüfverfahren eine Prüfmöglichkeit dar, die im Rahmen von Schienenprüfzügen eingesetzt werden können.

In der DE 101 14 672 A1 ist ein Ultraschallwandler beschrieben, der zu Zwecken der Schalleinkopplung über ein Schraubgewinde mit einem Werkzeug verbunden ist. Für den Einsatz in der Schienenuntersuchung erweist sich einen derartige Befestigungstechnik jedoch als unhandhabbar.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Detektion und Lokalisierung von Fehlstellen innerhalb von Schienensträngen sicher und zuverlässig sowie insbesondere unabhängig von der Lage sowie der Form der Fehlstelle durchführbar ist. Das Verfahren soll leicht zu automatisieren sein und eine derartige Leistungsfähigkeit aufweisen, dass die Detektion von Fehlstellen auch über mehrere Kilometer möglich ist. Ferner soll ein akustischer Wandler angegeben werden, der die Ausführung eines Verfahrens, das die vorgenannte Aufgabe löst, realisiert.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ferner wird im Anspruch 14 ein akustischer Wandler angegeben, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Untersuchung eines Schienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen, der über einen Schienenkopf, -steg und -fuß verfügt, bei dem Schall- und/oder Ultraschallwellen vermittels wenigstens eines mit dem Schienensteg in akustischem Kontakt befindlichen akustischen Wandlers in den Schienenstrang eingekoppelt und zu Zwecken einer Auswertung ausgekoppelt werden, angegeben, dass die Schallwelleneinkopplung längs des Schienenstegs derart erfolgt, dass Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) mit wenigstens einer bestimmten Übertragungsfrequenz f längs des Schienenstrangs angeregt werden, wobei für die Schallwelleneinkopplung ein Anregungsimpuls verwendet wird, dessen zeitliche Dauer wenigstens zehn Mal so lang wie eine Schwingungsperiode der TB-Schwingungen ist. Innerhalb längs des Schienenstrangs sich ausbreitende TB-Schwingungen werden mittels des oder eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt und detektiert. Letztlich wird auf der Grundlage der Welleneigenschaften der detektierten Schallwellen der Schienenstrang untersucht.

Durch das vorgenannte Verfahren wird die Zuverlässigkeit sowie Empfindlichkeit eines Überwachungssystem zur Detektion von Fehlstellen in Schienensträngen wesentlich erhöht, so dass eine entsprechende Fehlstellendetektion auch über mehrere Kilometer sicher durchführbar ist. Auf Grund der gezielten Anregung von TB-Schwingungen innerhalb des Schienenstrangs ist es insbesondere möglich, Fehlstellen unabhängig von ihrer Lage sowie Form innerhalb des Schienenstrangs zu detektieren. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäßen Verfahren darüber hinaus, um thermische Spannungen und dadurch initiierte Fehlstellen innerhalb des Schienenstranges zu erfassen.

Eine konventionell ausgebildete Fahrschiene lässt sich in der Regel in drei unterschiedliche geometrische Körperabschnitte unterteilen, nämlich einen Steg, einen Kopf sowie einen Fuß. Alle drei Abschnitte bilden im mechanischen Sinne für die sich ausbreitenden TB-Schwingungen ein dynamisches, nichtlineares Dreiköpersystem, das miteinander schwingend gekoppelt ist. Unter akustischer Betrachtungsweise ist das Dreikörpersystem durch drei akustische, miteinander gekoppelte Übertragungskennlinien charakterisierbar, die jeweils eigene akustische TB-Schwingungsmoden aufweisen. So erzeugt bspw. eine am Schienensteg des Schienenstrangs einwirkende Kraft komplizierte Schwingungen innerhalb des Schienenstrangs, die sich in Form einer oder mehrerer akustischer Moden bzw. Wellen längs der Schiene ausbreiten. Wird etwa ein akustischen Wandler, der einen Fortsatz aufweist und der in der Lage ist, intensive Biege- und/oder Längsschwingungen auszuführen, derart auf dem Schienensteg montiert, dass der Fortsatz durch den Schienensteg hindurchragt, so sind zusätzliche Torsions- und Biegeschwingungen im Steg erzeugbar. Auf diese Weise ist es möglich, Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) innerhalb des Schienenstrangs gezielt anzuregen. Der Schwingungsmode setzt sich hierbei aus den TB-Moden der einzelnen Schienenbestandteile zusammen. In diesem Zusammenhang ist es von besonderer Bedeutung, dass durch diese TB-Moden akustische Signale innerhalb des Schienenstrangs über eine Entfernung von 2–3 km übertragen werden können.

Zur Schallwelleneinkopplung werden Anregungsimpulse erfindungsgemäß derart generiert, dass mindestens zehn Impulse in eine Schwingungsperiode der TB-Schwingung fallen. Besonders geeignet ist die Erzeugung von Anregungsimpulsen mit Burstzahlen zwischen 400 und 600, d.h. es werden 400 bis 600 Impulse pro Rechteck- oder Sinusschwingung erzeugt.

Es hat sich gezeigt, dass das Ausbreitungsverhalten von TB-Schwingungen längs des Schienenstrangs auch von den periodisch wiederkehrenden Schienenbefestigungen an den sogenannten Schienenschwellen abhängt. So treten in Abhängigkeit der räumlichen Verteilung der Befestigungsstellen des Schienenstrangs vorteilhafte Frequenzen der TB-Schwingungen auf, bei denen das Ausbreitungsverhalten der Wellen innerhalb des Schienenstrangs besonders günstig ist. Nach dem gegenwärtigen Verständnis geht man davon aus, dass es bei diesen vorteilhaften Frequenzen an den Befestigungsstellen, an denen der Schienenfuß des Schienenstrangs mit den Schienenschwellen jeweils verbunden ist, zu einer konstruktiven Wellenüberlagerung unter den reflektierten und den sich innerhalb des Schienenstrangs fortpflanzenden Schallwellen kommt.

Auf Grund des vorbeschriebenen Effekts wird somit in einer besonderen geeigneten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Übertragungsfrequenz f und somit zugleich der sog. Torsions-Biege-Schwingungsmode, kurz TB-Mode, durch folgende Formel festgelegt:

Hierbei gelten:
n: Ordnungszahl der Torsions-Biegeschwingung, die den Mode angibt,
Y_pn : Phasengeschwindigkeit für die Übertragungsfrequenz der Torsions-Biegeschwingung,
L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten Schienenstrangbefestigungen, gleich bedeutend mit Schienenstrangschwellen.

Weiterhin wird die Ordnungszahl n für den sich ausbildenden TB-Mode vorzugsweise in nachstehender Weise ermittelt:

Hierbei gilt:
λ_n: Wellenlänge der Torsionsbiegeschwingung,
L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten Schienenstrangbefestigungen, gleich bedeutend mit Schienenstrangschwellen.

Ferner gilt es zu beachten, dass das Ausbreitungsverhalten von TB-Schwingungen neben den vorstehend dargelegten Zusammenhängen zudem von der Temperatur des Schienenstrangs sowie dessen Benetzungsgrad mit Feuchtigkeit, Schnee oder Eis abhängt.

Es hat sich als günstig erwiesen im Falle nasser Schienenstränge TB-Schwingungen bei möglichst niederfrequenter Übertragungsfrequenzen in den Schienenstrang einzukoppeln. Sind die Schienenstränge hingegen trocken, so sind hochfrequente Übertragungsfrequenzen besser geeignet.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher TB-Schwingungen angeregt, die im Falle eines feuchten, nassen, schnee- oder eisbedeckten Schienenstrangs Übertragungsfrequenzen f < 5 kHz, vorzugsweise ⨍ =1,7 kHz aufweisen. Demgegenüber werden im Falle eines trockenen Schienenstrangs vorzugsweise TB-Schwingungen mit Übertragungsfrequenzen f > 10 kHz, insbesondere zwischen 16 und 19 kHz angeregt.

Die Schallauskopplung zum Nachweis der sich längs des Schienenstrangs ausgebreiteten TB-Schwingungen erfolgt vorzugsweise mit wenigstens einem akustischen Wandler derart, dass neben der eingekoppelten bzw. angeregten TB-Schwingung auch höher harmonische TB-Schwingungen erfasst und ausgewertet werden. Höher harmonische Schwingungsanteile zur in den Schienenstrang eingekoppelten TB-Grundschwingung bilden sich nicht nur durch nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den sich längs des Schienenstrangs fortpflanzenden und den an Befestigungsstellen des Schienenstrangs reflektierten Schwingungsanteilen aus, sondern auch auf Grund nichtlinearer Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten der Schiene, also zwischen dem Schienenkopf, -steg und -fuß.

Entscheidenden Einfluss auf die sich ausbildenden, nichtlinearen Wechselwirkungen haben die Befestigungsstellen, an denen der als Transmissionslinie anzusehende Schienenstrang mit den einzelnen Eisenbahnschwellen verbunden ist. Die Befestigungsstellen können akustisch als nichtlineare Inhomogenitäten in der Transmissionslinie betrachtet werden. Ferner ist das selektive Reflexionsvermögen der sich in den Komponenten der Schiene ausbreitenden und an den Inhomogenitäten reflektierten TB-Moden von der Amplitude des jeweiligen Signals abhängig.

Schließlich wird die Anzahl der stattfindenden Reflexionen sowie der Laufweg der TB-Schwingungen auf Grund der sich ereignenden Mehrfachreflexionen wesentlich erhöht, so dass sich auch die Ausbildung der nichtlinearen Wechselwirkungen verstärkt.

Auch haben periodisch auftretende, temperaturbedingte mechanische, zumeist inhomogene Deformationen bzw. Spannungen längs des Schienenstrangs Einfluss sowohl auf das Wellenprofil als auch die Form der sich ausbildenden TB-Moden. Diese Deformationen können als zusätzliche Änderungen der akustischen Eigenschaften, der Form der Schienenkomponenten sowie als Zustandsänderung an den Befestigungsstellen, wie etwa Änderung der Spannkraft, innerhalb des als Transmissionslinie anzusehenden Schienenstrangs betrachtet werden.

Durch die Änderungen des Wellenprofils sowie der Wellenform der TB-Grundmode werden darüberhinaus zusätzliche, vielfach höhere harmonische Schwingungen erzeugt. Vorzugsweise können daher aus der Änderung des Wellenprofils bzw. der Form der TB-Mode und/oder aus den Verhältnissen der Amplituden der Grundfrequenz und der vielfach höheren harmonischen Schwingungen entsprechende mechanische oder thermisch bedingte Spannungen innerhalb des Schienenstrangs detektiert werden.

Untersuchungen in Bezug auf das Übertragungsverhalten von TB-Schwingungen längs eines Schienenstranges haben ergeben, dass es besonders vorteilhaft ist, zumindest zwei TB-Schwingungen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen innerhalb des Schienenstrangs anzuregen bzw. einzukoppeln.

Bei der Ausbreitung zweier TB-Moden mit bspw. geringfügig unterschiedlichen Frequenzen längs des Schienenstrangs zeigt sich, dass sich auch die Wellenprofile und Formen der TB-Moden in Folge von nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen den TB-Schwingungen ändern. Diese Änderungen werden durch Überlagerung der sich längs des Schienenstrangs fortpflanzenden mit den an Befestigungsstellen des Schienenstrangs reflektierten Schwingungsanteilen, durch Überlagerung der sich in den unterschiedlichen Schienenkomponenten fortpflanzenden Wellen sowie durch amplitudenabhängige Reflexionen der sich ausbreitenden Schwingungen an den periodisch auftretenden Befestigungsstellen der Schwellen, bewirkt.

Vorzugsweise wird hierbei im Schienenstrang eine erste TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz f = 16,8 kHz und eine zweite TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz f = 18,6 kHz angeregt. Wie im Weiteren noch gezeigt wird, ist es mit Hilfe der vorstehenden Übertragungsfrequenzen möglich, temperaturbedingte Spannungen innerhalb des Schienenstrangs zu registrieren, was neben dem Erkennen bereits bestehender Fehlstellen besonders wichtig ist, um frühzeitig mögliche Beschädigungen des Schienenstrangs verhindern zu können.

Vor allem bei großen äußeren Temperaturschwankungen entstehen innerhalb der Schienenstränge mechanische Verspannungen, die erhebliche Druck- bzw. Zugkräfte verursachen. Diese Druck- oder Zugkräfte vermögen sowohl Änderungen der akustischen Eigenschaften, als auch der Form des Schienenprofils sowie Änderungen der an den Befestigungsstellen wirkenden Haltekraft hervorzurufen. Das gleichzeitige Zusammenwirken dieser thermischen Belastungen mit zusätzlich auftretenden hohen dynamischen Belastungen, wie sie beim Überfahren des Schienenstrangs mit einem Schienenfahrzeug auftreten, kann zur Ausbildung von Fehlstellen bspw. zu Rissbildungen innerhalb des Schienenstrangs führen. Somit ist es für einen ungestörten Betriebsablauf des Schienenverkehrs von großer Bedeutung, die thermisch bedingten Spannungen zu registrieren. Hierzu werden die hochfrequenten TB-Moden gemäß der nachstehenden Betriebssituationen in den Schienenstrang eingekoppelt und entsprechend ausgewertet:

– Bestimmung der Längs- und/oder vertikalen und horizontalen Biegespannungen in den Eisenbahngleisen in Abhängigkeit der Temperaturänderung,
– Bestimmung der Längs- und/oder vertikalen und horizontalen Biegespannungen in den Eisenbahngleisen in Abhängigkeit der Temperaturänderung vor und nach der Durchfahrt eines Schienenfahrzeugs,
– Detektion von Fehlstellen innerhalb des Schienenstrangs,
– Nachweis und Lokalisierung der Fehlstellen.

Wie bereits eingangs erwähnt kann der Schienenstrang für TB-Schwingungen als ein akustisches, nichtlineares, dynamisches System betrachtet werden, zu dessen akustischer Beschreibung drei nichtlinear angekoppelte Übertragungslinien herangezogen werden, die das akustische Schwingungsverhalten des Schienenkopfes, des Schienenstegs sowie des Schienenfußes beschreiben.

Auf diese Weise sind durch die an einem Schienensteg des Schienenstrangs einwirkende Kräfte, Schwingungen innerhalb des Schienenstrangs zu erzeugen, die sich längs der Schiene ausbreiten. Für diese Schwingungen kann der aus dem Kopf, Fuß und Steg zusammengesetzte Schienenstrang als akustisches, lineares, dynamisches System betrachtet werden.

Wird ein akustischer Wandler, auf dem Schienensteg montiert, der in der Lage ist, intensive Torsions- und Biegeschwingungen im Steg zu erzeugen, so entstehen Wechselwirkungen zwischen schwingendem Steg, Kopf und Fuß und es bildet sich eine gemeinsame, zusammengesetzte TB-Schwingung in dem Schienenstrang aus, die sich in Form von drei nichtlinear angekoppelten TB-Moden durch den Schienenstrang ausbreitet.

Zur Überwachung bzw. Detektion temperaturbedingter längs- und/oder vertikaler und/oder horizontaler Biegespannungen innerhalb eines Schienenstrangs dienen die oben genannten, nichtlinearen Effekte, die der Ausbreitung der TB-Moden zu Grunde liegen. Ebenso sind lineare Effekte bei der Wechselwirkung der TB-Moden mit den periodisch auftretenden, akustischen Inhomogenitäten zu berücksichtigen.

Dies bedeutet im Einzelnen Folgendes:
Es werden vorzugsweise durch entsprechende Anregung einer TB-Schwingung innerhalb des Schienenstrangs bei einer vorteilhaften Übertragungsfrequenz f_n nicht nur die eingekoppelte TB-Schwingung als Signal bei der Frequenz f_n registriert, sondern darüber hinaus auch höhere harmonische Schwingungen mit Frequenzen 2f_n, 3f_n ... usw.

Zur Ermittlung temperaturbedingter Längs-, vertikaler und/oder horizontaler Biegespannungen innerhalb eines Schienenstrangs werden die Änderungen der Wellenform der vorgenannten Schwingungen und/oder Verhältnisse der erhaltenen spektralen Komponenten des Signals zu Grunde gelegt und ausgewertet.

Ebenso ist es alternativ zu vorstehender Vorgehensweise, bei der nur eine einzige TB-Schwingung angeregt wird, möglich, TB-Schwingungen mit den Frequenzen f_n und f_n–1 anzuregen. Auch in diesem Fall sind nicht nur die Signale mit den Frequenzen f_n, f_n–1 registrierbar, sondern auch höhere und tiefere kombinationsharmonische Schwingungen bei Frequenzen (f_n + f_n–1) sowie (f_n – f_n–1). In gleicher Weise dienen Änderungen der Wellenprofile bzw. der Wellenformen der registrierbaren Schwingungen sowie die Verhältnisse der erhaltenen spektralen Komponenten der Ermittlung temperaturbedingter längs- oder vertikaler bzw. horizontaler Biegeschwingungen. Eine genaue Lokalisierung von auf diese Weise detektierten Fehlstellen wird über die Laufzeit des an der Fehlstelle reflektierten Impulses möglich.

Vergleicht man beide vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten, so vermag letztere Verfahrensvariante durch die Einkopplung von zwei unterschiedlichen TB-Schwingungen mehr Informationen zu liefern, mit denen ein sichererer Nachweis sowie eine präzisere Lokalisierung von Fehlstellen möglich wird.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften unter Berücksichtigung ihres Wellenspektrums, d.h. der spektralen Verteilung einer Wellenprofil- sowie Wellenformänderungen der Schwingungen und/oder eines Verhältnisses von Grundschwingungsamplituden zu Amplituden harmonischer Schwingungen höherer Ordnung ausgewertet.

Vorzugsweise werden hierbei zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften der im Schienenkopf, im Schienensteg und/oder im Schienenfuß angeregten TB-Schwingungen ausgewertet. Besonders geeignet ist es für diese Untersuchung, Anregungsimpulse mit Burstzahlen von etwa 100, also etwa 100 Impulse pro Schwingungsperiode der in der Schiene angeregten TB-Schwingung zu verwenden.

Das vorbeschriebene Verfahren erfordert zur gezielten Anregung von TB-Schwingungen innerhalb eines Schienenstranges einen akustischen Wandler, der den folgenden Bedingungen genügen soll:

– der akustische Wandler muss die TB-Schwingungsmode in der Schiene erzeugen, und empfangen,
– der akustische Wandler muss große Breitbandigkeit haben oder auf den diskreten Frequenzen einen breiten Frequenzbereich überstreichen,
– der akustische Wandler muss auf den obigen diskreten Frequenzen hohe Empfindlichkeit als Empfänger haben,
– der akustische Wandler muss auf den obigen diskreten Frequenzen hohe Schwingleistung als Schwinger erzeugen.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter akustischer Wandler, der vorstehenden Anforderungen entspricht und wenigstens ein Schwingungselement zum Aussenden und/oder Empfangen von Schallwellen aufweist, das eine Ein-/Auskoppelfläche sowie eine dieser Fläche gegenüberliegende Rückseite vorsieht und das in eine Gehäuseeinheit eingefasst ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Gehäuseeinheit eine erste und eine zweite Endmasse vorsieht, die voneinander beabstandet angeordnet sind, zwischen denen das Schwingungselement kraftschlüssig derart gelagert ist, dass die Ein-/Auskoppelfläche zumindest teilweise von der ersten Endmasse und die Rückseite zumindest teilweise von der zweiten Endmasse überdeckt sind. Ferner ist die erste Endmasse als schallübertragende Grundplatte ausgebildet und weist einen stiftartig ausgebildeten Fortsatz auf. Der Fortsatz selbst weist ein Befestigungselement auf, mit dem der Fortsatz den Schienensteg zumindest teilweise durchragend an dem Schienenstrang befestigbar ist, wobei zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang wenigstens eine Anpassungsscheibe in Form einer Lochscheibe vorsehbar ist.

Mit dem vorbeschriebenen akustischen Wandler sind auf besonders geeignete Weise TB-Schwingungen innerhalb einer Schiene erzeugbar sowie detektierbar. Der Wandler verfügt über eine überaus große Breitbandigkeit von ca. 40 kHz und vermag Schwingungen bei diskreten Frequenzen innerhalb eines breiten Frequenzbereiches mit hoher Schwingungsleistung zu erzeugen. Vorzugsweise erfolgt eine Schwingungsanregung bei 1,7 kHz, 9,1 kHz, 12,6 kHz, 16,8 kHz, 18,6 kHz, 20,4 kHz, 26,7 kHz 35,4 kHz und/oder 37,2 kHz. Darüber hinaus verfügt der akustische Wandler auf diesen diskreten Frequenzen über eine hohe Nachweisempfindlichkeit.

Der am Schienensteg montierbare Wandler dient als Torsionsbiegeschwinger und weist vorzugsweise ein Piezoelement als Schwingungselement auf, das in besonders bevorzugter Weise in Form eines piezokeramischen Blockes ausgeführt ist.

In einer weiteren Ausführungsform des akustischen Wandlers ist das Schwingungselement aus wenigstens zwei piezokeramischen Scheiben zusammengesetzt. Ganz besonders geeignet ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von mehreren piezokeramischen Scheiben, die stapelförmig aneinander gefügt und elektrisch parallel miteinander verschaltet sind. Auf diese Weise können große Schwingungsamplituden bei niedrigen Frequenzen erzeugt werden.

Durch eine derartige Befestigung des erfindungsgemäßen akustischen Wandlers an einem Schienenstrang ist es indes möglich, TB-Schwingungen innerhalb des Schienenstrangs zu erzeugen, die eine Untersuchung auch über eine Entfernung von 2 bis 3 km ermöglichen.

In jedem Fall zeichnet sich der erfindungsgemäße akustischen Wandler dadurch aus, dass sich der piezokeramische Block in Bezug auf seine Höhe und Breite durch entsprechende elektrische Anregung deformiert, d.h. der Block ist sowohl in Axial- als auch in Radialrichtung verformbar. Die Endflächen des dicken piezokeramischen Blocks stellen hierbei achsensymmetrische Biegefläche mit veränderlichen Biegeprofil und Querschnitt dar. Auf diese Weise sind auf die Endmassen des Gehäuses sowohl Längs-, Quer- als auch Biegeschwingungen übertragbar.

Um die Beweglichkeit der Endmassen an ihren Rändern einzuschränken, wird der piezokeramische Block vorzugsweise mit vier Bolzen zwischen den Endmassen der Gehäuseeinheit vorgespannt. Der zwischen den beiden Endmassen eingespannte piezokeramische Block bildet auf diese Weise ein dynamisches Schwingungssystem, mit dem sowohl Biege- als auch Längsschwingungen erzeugbar sind.

Verfügen die Endmassen über eine große Reaktionsträgheit sowie eine geeignet Biegesteifigkeit, so können mit einem derart ausgelegten akustischen Wandler besonders starke Schwingungsresonanzen innerhalb eines Schienenstrangs hervorgerufen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen akustischen Wandler kann sicher gestellt werden, dass Biegeschwingungen mit hohen Schwingungsleistungen erzeugbar sind. Zudem verfügt der Wandler über eine hohe Nachweisempfindlichkeit in der Verwendung als Empfänger.

Sofern die Endplatten des piezokeramischen Blocks entsprechende Längsabmessungen aufweisen und mit Endmassen kombiniert werden, die über angepasste Längssteifigkeiten verfügen, können starke Resonanzen bei Längsschwingungen ausgebildet werden und der Wandler somit auch als so genannter Verbundschwinger eingesetzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform besteht die wenigstens eine Anpassungsscheibe aus einem weichen Metall. Vorzugsweise eignet sich hierzu Aluminium, Kupfer und/oder Messing. Werden mehr als eine Anpassungsscheibe zwischen dem Schienensteg und dem akustischen Wandler befestigt, so weisen diese Scheiben vorzugsweise einen unterschiedlich abgestuften Außendurchmesser auf. Besonders geeignet ist es hierbei, die Anpassungsscheiben derart auszuführen bzw. zu montieren, dass der Außendurchmesser der eingesetzten Anpassungsscheiben vom akustischen Wandler zum Schienensteg abnimmt.

Besonders geeignet ist die Verwendung des vorbeschriebenen akustischen Wandlers zur Untersuchung eines Schienenstrangs, insbesondere eines Eisenbahnschienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen und/oder thermischen Spannungen. Der akustische Wandler wird hierzu derart an dem Schienenstrang befestigt, dass längs des Schienenstrangs Torsions-Biegeschwingungen angeregt werden, und dass längs des Schienenstrangs sich ausbreitende TB-Schwingungen mittels des oder eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt bzw. detektiert werden, deren Welleneigenschaften zur Untersuchung des Schienenstrangs geeignet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung eines Schienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen soll im Weiteren unter Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Figuren näher erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1 Seitenansicht eines Schienenstrangs, mit akustischen Wandlern;

2 Schnittdarstellung einer Schiene;

3 Schiene mit daran befestigtem akustischem Wandler; und

4 Schwingungszustände eines erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen Wandlers.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In 1 ist ein Schienenstrang 1 im Längsschnitt dargestellt, der mit einer Vielzahl von Schienenschwellen 16, die jeweils einzelne Befestigungsstellen darstellen, fest verbunden ist. Typischerweise weisen einzelne Schienenstränge einstückig durchgehende Schienenstranglängen zwischen 2–3 km auf, so dass zwei benachbart liegende Schienenstränge über Stoßstellen 2 aneinandergrenzen. Mit Hilfe geeigneter Verbindungselemente 17 werden zwei aneinandergrenzende Schienenstränge üblicherweise unter Berücksichtigung einer Dehnfuge zwischen beiden Schienenstößen 2 gegeneinander fixiert.

Zu Zwecken der Untersuchung des Schienstranges 1 auf Fehlstellen sind längs des Schienenstrangs 1 akustischer Wandler 3 vorgesehen, die derart an dem Schienenstrang 1 befestigt sind, dass innerhalb des Schienenstrangs 1 TB-Schwingungen anregbar sind. Die von dem akustischen Wandlern 3 ausgesandten TB-Schwingungen werden sowohl an den periodisch wiederkehrenden Befestigungspunkten 5 der Schienenschwellen 16 als auch an Fehlstellen innerhalb des Schienenstrangs 1 zumindest teilweise reflektiert. Die Anteile der Schallwellen, die bspw. an den Befestigungspunkten 5 der Schienenschwellen 16 reflektiert werden, werden mit den Schwingungsanteilen der Schallwellen, die sich längs des Schienenstrangs 1 fortpflanzen, überlagert. Aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen den Schienenkomponenten, den sich längs des Schienenstrangs fortpflanzenden und den an Befestigungsstellen des Schienenstrangs reflektierten Schwingungsanteilen und infolge von amplitudenabhängigen Reflexionen an den periodisch auftretenden Befestigungsstellen der Schwellen werden neben der angeregten Grundschwingung auch vielfach höhere harmonische Schwingungen zur TB-Schwingung erzeugt. Der Nachweis der sich längs des Schienenstranges 1 ausbreitenden TB-Schwingungen erfolgt gleichfalls mit den akustischen Wandlern 3, die jeweils mit einem einstückig ausgebildeten Schienenstrang 1 verbunden sind. In geeigneter Weise wird ein akustischer Wandler 3 jeweils in der Nähe eines Schienenstoßes 2 an einem Schienenstrang 1 montiert. Auf diese Weise befinden sich bevorzugt zwei akustischen Wandler 3 an einem einstückig durchgehenden Schienenstrang 1, jeweils in der Nähe der über 2–3 km voneinander beabstandeten Stoßstellen 2. Das Vorsehen von nur zwei akustischen Wandlern 3 im Abstand von 2–3 km längs eines einzigen durchgängigen Schienenstranges trägt zur überaus hohen Wirtschaftlichkeit dieser Messmethode bei, die letzlich auf der Erkenntnis der besonders guten Ausbreitungseigenschaften von TB-Schwingungen innerhalb eines Schienenstrangs basiert.

Um sich zumindest eine angenäherte räumliche Vorstellung über das Schwingungsverhalten eines Schienenstranges zu machen, in den Torsions-Biegenschwingungen mittels eines akustischen Wandlers induziert werden, sei auf die 2 hingewiesen. Wie bereits erwähnt lässt sich der Schienenstrang 1 in drei voneinander unterscheidbare Körperteile unterteilen, den Schienenfuß 6, Schienensteg 7 und Schienenkopf 8. Zur Verdeutlichung dieser räumlichen Untergliederung zeigt 2 zwei Querschnittdarstellungen durch jeweils einen in unterschiedlichen Schwingungszuständen befindlichen Schienenstrang 1. Durch seitliche Schalleinkopplung längs des Schienenstegs 7 – im einzelnen ist die Schalleinkopplung im weiteren beschrieben – beginnt sich der Schienensteg 7 relativ zum massiv ausgebildeten Schienenkopf 8 und dem ohnehin, zumindest an den Befestigungsstellen 5 ortsfest fixierten Schienenfuß 6 durch periodische Ausbildung von einem oder mehreren Schwingungsbäuchen zu deformieren. Je nach Art und Anregung des Schienenstranges 1 sowie durch die sich innerhalb des Schienenstrangs einstellenden, nichtlinearen Effekte von eingekoppelten Ultraschallschwingungen ist der Schienensteg 7, zusätzlich zu einer resonanten Grundschwingung, wie in 2 dargestellt, in höher harmonische Schwingungszustände zu versetzen.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Fehlstellen in einem Schienenstrang 1, wird der Schienenstrang als dynamisches, nichtlineares System betrachtet, das sich aus drei nichtlinear angekoppelten Übertragungslinien zusammensetzt, die durch den Schienenkopf 8, den Schienensteg 7 bzw. den Schienenfuß 6 gebildet werden. Bei hohen Temperaturschwankungen entstehen erhebliche Druck- und Zugkräfte innerhalb des Schienenstrangs 1, die zusätzliche, periodisch auftretende Änderungen sowohl der akustischen Eigenschaften als auch der Form des Schienenprofils und eine Zustandsänderung an den Befestigungsstellen hervorrufen können.

Derartige Verformungen des Schienenstrangs 1 führen zu einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der TB-Moden, zu Änderungen der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen schwingendem Schienensteg, -kopf und -fuß und zu einer Änderung des amplitudenabhängigen Reflexionsfaktors an den Befestigungsstellen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die reflektierten Anteile der Ultraschallwellen mit den sich (ungestört) längs des Schienenstrangs 1 ausbreitenden Anteilen der Ultraschallwellen überlagert werden, ist es somit nicht nur möglich, Fehlstellen innerhalb des Schienenstrangs 1 zu detektieren, sondern gleichfalls die Entstehung von thermischen Spannungen innerhalb des Schienenstranges 1 zu erkennen. Auf diese Weise ist es bereits möglich, entsprechende Wartungsmaßnahmen einzuleiten, bevor Beschädigungen des Schienenstrangs 1 auftreten.

In 3 ist ein erfindungsgemäßer akustischer Wandler 3 dargestellt, der über einen Wandlerfortsatz 9 an einem Schienensteg 7 eines Schienenstrangs 1 lösbarfest befestigt ist. Zur Befestigung des akustischen Wandlers 3 an dem Schienenstrang 1 ist im Bereich des Schienensteges 7 eine Bohrung vorgesehen, durch die der Wandlerfortsatz 9 hindurchführbar ist. Der akustische Wandler 3 weist zwei Endmassen 10, 11 auf, die in Form einer dem Schienensteg 7 zugewandten Grundplatte 11 und einer dem Schienensteg 7 abgewandten Kopfplatte 10 ausgeführt sind. Ferner ist zwischen der Grundplatte 11 und der Kopfplatte 10 ein Piezoelement in Form eines piezokeramischen Blocks 14 eingespannt, das die für die Anregung von Ultraschallwellen erforderlichen Schwingungen ausführt. Die notwendige Spannkraft, um den piezokeramischen Block zwischen der Grund- und Kopfplatte sicher einzuspannen, wird mit Hilfe von Spannschrauben 13 realisiert.

Die Einkopplung der vom akustischen Wandler 3 erzeugten Schallwellen in den Schienenstrang 1 erfolgt mit Hilfe einer Anpassungschicht 12. Bei dem in der 3a dargestellten akustischen Wandler 3 wird die Anpassungschicht 12 durch eine Vielzahl von Anpassungsscheiben 15 realisiert, die zwischen der Grundplatte 11 und dem Schienensteg 7 angeordnet sind. Die Anpassungsscheiben 15 sind in Form von Lochscheiben ausgeführt, deren Außendurchmesser zum Schienensteg 7 hin stufenförmig kleiner werden.

In der 3b ist hingegen eine alternative Ausführungsform des akustischen Wandlers dargestellt, bei dem die Anpassungsschicht 12 in Form einer einzigen Anpassungsscheibe 15 ausgeführt ist, die zwischen der Grundplatte 11 des akustischen Wandlers 3 und dem Schienensteg 7 angeordnet ist. Beide Ausführungsformen der Anpassungsschicht 12 Gewähr leisten eine effektive Einkopplung der durch den piezokeramischen Block 14 erzeugten Schwingungen in den Schienenstrang 1.

In 4 ist ebenfalls ein erfindungsgemäßer akustischer Wandler 3 dargestellt, der am Schienensteg 7 eines Schienenstranges 1 befestigt ist.

In den 4a, 4b bzw. 4c sind an einem Schienensteg 7 eines Schienenstrangs 1 befestigte akustische Wandler 3 dargestellt, die jeweils unterschiedliche Schwingungen ausführen. In Abhängigkeit der gewählten Schwingungsfrequenz sind mit akustischen Wandlern 3, die Biege-, Längs oder Torsionsschwingungen ausführen, TB-Schwingungen innerhalb des Schienenstrangs 1 erzeugbar.

Die 4a zeigt die Verformung des akustischen Wandlers 3 in Axialrichtung A, durch die vor allem eine Biegeformänderung des akustischen Wandlers 3 realisiert wird. Die maximale Schwingungsamplitude liegt im Mittelpunkt der Grund- sowie der Kopfplatte des Wandlers, so dass auch der durch den Schienensteg hindurchragende Stift starke Längsschwingungen ausführt. Werden eine mit dem akustischen Wandler 3 Biegeschwingung mit einer Frequenz von 18,6 kHz angeregt, so sind innerhalb des Schienenstrangs intensive TB-Schwingungen zu erzeugen. Allgemein sind auch kombinationsharmonische Schwingungen mit den Frequenzen f_n–1, f_n und bis f_n+1 realisierbar.

In 4b ist hingegen eine senkrecht zur Axialrichtung verlaufende Querverformung Q dargestellt, durch die der Akustischer Wandler 3 seine Form in Radialrichtung verändert. Im Gegensatz zu der in 4a dargestellten Axialverformung, die lediglich die Länge des Piezoelementes verändert, wird durch die in der 4b dargestellte Querverformung auch die Blockabmessung in Radialrichtung verändert. Ein derartig ausgeführter Akustischer Wandler 3 ist in der Lage, intensive Längsschwingungen auszuführen. Führt der akustische Wandler Längsschwingungen mit einer geeigneten Frequenz, vorzugsweise 37,2 kHz, aus, so sind auch in diesem Fall innerhalb des Schienenstrangs intensive TB-Schwingungen anzuregen.

Die 4c zeigt schließlich die Überlagerung von Biege- und Längsschwingungen. Werden diese beiden, unterschiedlichen Schwingungen überlagert, so führt der Akustischer Wandler 3 Torsionsschwingungen T aus. Sobald ein Akustischer Wandler 3, der diese Torsionschwingungen ausführt, am Schienensteg 7 eines Schienenstrangs 1 befestigt wird und vorzugsweise mit einer Frequenz von 1,7 kHz angeregt, werden innerhalb des Schienenstrangs 1 TB-Schwingungen erzeugt. Werden darüber hinaus die Endplatten des piezokeramischen Blocks derart gewählt, dass diese Platten über eine große Reaktionsträgheit verfügen und gleichzeitig die Biegesteifigkeit der Grund- sowie Kopfplatte passend zu dieser Reaktionsträgheit gewählt, so sind starke Resonanzen bei Biegeschwingungen erzeugbar.

1: Schienenstrang
2: Schienenstoß
3: akustischer Wandler
4: TB-Schwingung
5: Befestigungspunkte der Schwellen
6: Schienenfuß
7: Schienensteg
8: Schienenkopf
9: Wandlerfortsatz
10: Kopfplatte
11: Grundplatte
12: Anpassungsschicht
13: Spannschrauben
14: Piezokeramischer Block
15: Anpassungsscheiben
16: Schienenschwellen
17: Verbindungselement

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines Schienenstrangs hinsichtlich Fehlstellen, der über einen Schienenkopf, -steg und -fuß verfügt, bei dem Schall- und/oder Ultraschallwellen vermittels wenigstens eines mit dem Schienensteg in akustischem Kontakt befindlichen Schwingungswandlers in den Schienenstrang eingekoppelt und zu Zwecken einer Auswertung ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelleneinkopplung ausschließlich längs des Schienenstegs derart erfolgt, dass Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) mit wenigstens einer bestimmten Übertragungsfrequenz f längs des Schienenstranges angeregt werden, dass für die Schallwelleneinkopplung ein Anregungsimpuls verwendet wird, dessen zeitliche Dauer wenigstens zehn Mal so lang wie eine Schwingungsperiode der TB-Schwingungen ist, und dass innerhalb längs des Schienenstrangs ausgebreitete TB-Schwingungen mittels des oder eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt werden, deren Welleneingeschaften zur Untersuchung des Schienenstrangs herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Untersuchung des Schienenstrangs thermische Spannungen innerhalb des Schienenstrangs detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfrequenz f gemäß nachstehender Formel bestimmt wird, durch die zugleich der so genannte Torsions-Biege-Schwigungsmode kurz TB-Mode festgelegt wird:
mit: n: Ordnungszahl der Torions-Biegeschwingung, die den Mode angibt, V_pn: Phasengeschwindigkeit für die Übertragungsfrequenz der Torsions-Biegeschwingung, L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten Schienenstrangbefestigungen gleich bedeutend mit Schienenstrangschwellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ordnungszahl n für den TB-Mode in nachstehender Weise ermittel wird:
mit: λ_n: Wellenlänge der Torsions-Biegeschwingung, L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten Schienenstrangbefestigungen gleich bedeutend mit Schienenstrangschwellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines feuchten, nassen, Schnee- oder Eisbedeckten Schienenstrangs TB-Schwingungen mit Übertragungsfrequenzen f kleiner als 5 kHz, vorzugsweise 1,7 kHz und im Falle eines trockenen Schienenstranges TB-Schwingungen mit Übertragungsfrequenzen f größer 10 kHz, vorzugsweise zwischen 16 und 19 kHz angeregt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallauskopplung mittels eines Schwingunsgwandlers derart erfolgt, dass neben der eingekoppelten TB-Schwingung auch höher harmonische TB-Schwingungen zur eingekoppelten TB-Schwingung erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schienenstrang zumindest zwei TB-Schwingungen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen f angeregt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schienenstrang zumindest eine TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz f₁=16,8 kHz und wenigstens eine TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz f₂=18,6 kHz angeregt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften unter Berücksichtigung von Eigenschaften der angeregten Schwingungen und nicht linearer Effekte bei Ausbreitung der TB-Schwingungen sowie linearer Effekte durch Wechselwirkung der TB-Schwingungen an periodisch in dem Schienenstrang auftretenden, nichtlinearen Inhomogenitäten ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als periodisch auftretende, nichtlineare Inhomogenitäten Verformungen, Befestigungspunkte und/oder Stoßstellen des Schienenstrangs berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelleneinkopplung derart erfolgt, dass ein kleinster Abstand zwischen der Stoßstelle und dem der Stoßstelle nächstliegenden akustischen Wandler in Abhängigkeit der zeitlichen Dauer des Anregungsimpulses gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften unter Berücksichtigung eines Wellenspektrums, einer Wellenprofil- sowie Wellenformänderung der Schwingungen und/oder eines Verhältnisses von Grundschwingungsamplituden zu Amplituden harmonischer Schwingungen höherer Ordnung ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften der im Schienenkopf, im Schienensteg und/oder im Schienenfuß angeregten TB-Schwingungen ausgewertet werden.
Akustischer Wandler mit wenigstens einem Schwingungselement, zum Aussenden und/oder Empfangen von Schallwellen, das eine Ein- bzw. Auskoppelfläche sowie eine dieser Fläche gegenüberliegende Rückseite aufweist und das in eine Gehäuseeinheit eingefasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseeinheit eine erste und eine zweite Endmasse vorsieht, die voneinander beabstandet angeordnet sind, zwischen denen das Schwingungselement kraftschlüssig derart gelagert ist, dass die Auskoppelfläche zumindest teilweise von der ersten Endmasse und die Rückseite zumindest teilweise von der zweiten Endmasse überdeckt ist und dass die erste Endmasse als schallübertragende Grundplatte ausgebildet ist sowie einen stiftartig ausgebildeten Fortsatz aufweist, der über Befestigungselemente verfügt, mit denen der Fortsatz, den Schienensteg zumindest teilweise durchragend, an dem Schienenstrang derart befestigbar ist, dass zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang wenigstens eine Anpassungsscheibe in Form einer Lochscheibe vorsehbar ist.
Akustischer Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement ein Piezoelement, insbesondere ein piezokeramischer Block ist.
Akustischer Wandler nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement ein Piezoelement ist, das aus wenigstens zwei piezokeramischen Scheiben zusammengesetzt ist.
Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz derart ausgebildet ist, dass zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang eine Anpassungsschicht einbringbar ist.
Akustischer Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsscheibe aus einem weichen Metall, vorzugsweise Aluminium, Kupfer und/oder Messing, gefertigt ist.
Verwendung des Akustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 14 bis 18, zur Untersuchung eines Schienenstrangs, insbesondere eines Eisenbahnschienenstrangs, hinsichtlich Fehlstellen und/oder thermischen Spannungen, der derart an dem Schienenstrang befestigt wird, dass innerhalb längs des Schienenstrangs Torsions-Biegeschwingungen angeregt werden und dass innerhalb längs des Schienenstrangs ausgebreitete TB-Schwingungen mittels des oder eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt werden, deren Welleneingeschaften zur Untersuchung des Schienenstrangs herangezogen werden.