DE19834587C1

DE19834587C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Risses in einem Eisenbahnrad

Info

Publication number: DE19834587C1
Application number: DE19834587A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Achtzehn; Rainer Meier; Friedrich Mohr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-08-01
Also published as: EP1101105B1; WO2000008459A1; TW510969B; EP1101105A1; DE59907036D1; ATE250224T1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Detektion eines Risses (29A, 29B, 29C) in einem um eine Rotationsachse (5) drehbaren Prüfling, insbesondere in einem Eisenbahnrad (1), wird eine Ultraschallwelle (23, 33, 53) in den Prüfling eingeschallt. Ein hierzu vorhandener Ultraschallwandler (21, 31, 51) wird relativ zum Prüfling im wesentlichen kreisförmig um die Rotationsachse (5) bewegt. Die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle (23, 33, 53) wird geschwenkt. Bevorzugt wird die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle (23, 33, 53) mit einer Komponente in einer senkrecht auf der Rotationsachse (5) stehenden ersten Schwenkebene (25) geschwenkt. Es sind auch Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, die ein- oder mehrdimensionale Gruppenstrahler (21, 31, 51, 61, 71, 81) aufweisen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und insbesondere auf dem Gebiet der Sicher heitstechnik für Eisenbahnen.

Die Erfindung bezieht sich in einer ersten Variante auf ein Verfahren zur Detektion eines Risses in einem um eine Rota tionsachse drehbaren Eisenbahnrad, wobei ein zur Einschallung einer ersten Ultraschallwelle vorhandener Ultraschallwandler relativ zum Eisenbahnrad im wesentlichen kreisförmig um die Rotationsachse bewegt wird und, wobei die erste Ultraschall welle durch die Lauffläche in das Eisenbahnrad eingeschallt wird. In einer zweiten Variante bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Detektion eines Risses in einem um eine Rotationsachse drehbaren Eisenbahnrad, wobei ein zur Ein schallung einer ersten Ultraschallwelle vorhandener Ultra schallwandler relativ zum Eisenbahnrad im wesentlichen kreis förmig um die Rotationsachse bewegt wird und, wobei die erste Ultraschallwelle in das Eisenbahnrad eingeschallt wird.

Die Erfindung betrifft gleichfalls Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren.

Aus der DE 42 20 444 A1 ist ein Verfahren zur Längs-Quer- und Schrägfehlerprüfung mittels Ultraschall von Werkstücken nach dem Impuls-Echo-Verfahren bekannt. Dabei wird das Werkstück gedreht und eine Ultraschallwelle unter kreisender Bewegung der Einschallrichtung in das Werkstück eingekoppelt.

Die Eisenbahnräder von Eisenbahnzügen müssen in bestimmten Zeitabständen einer zerstörungsfreien Prüfung auf Fehler, insbesondere auf Risse oder Ausbrüche, unterzogen werden. Die Risse können unter anderem entstehen durch Werkstoffermüdung, durch thermische Beanspruchung infolge der Bremsvorgänge und durch Verformungsvorgänge infolge der Druckbelastung. Um Rad brüche und damit gegebenenfalls einhergehende fatale Folge schäden auszuschließen, ist die wiederkehrende Prüfung in kurzen zeitlichen Abständen, z. B. alle drei bis fünf Tage, erforderlich. Dabei muß die zerstörungsfreie Prüfung schnell, d. h. für einen gesamten Zug in etwa einer Stunde, durchführ bar sein.

Aufgrund der komplexen Form eines Eisenbahnrades ist mit ei ner Vielzahl möglicher Rißpositionen und Rißorientierungen zu rechnen. Bei der Prüfung müssen insbesondere solche Risse de tektiert werden, die von einer äußeren Mantelfläche (Außenumfang), insbesondere der Lauffläche oder der Außenman telfläche der Radnabe, oder von einer inneren Mantelfläche (Innenumfang), insbesondere am Radkranz oder an der Radnabe, ausgehen. Risse treten auch bevorzugt an solchen Stellen auf, an denen sich die Dicke des Eisenbahnrads ändert, also an den Übergangszonen vom Radkranz oder von der Radnabe zur Rad scheibe.

Aus der US-Patentschrift US 5,349,861 ist eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern bekannt, mit Hilfe derer Ultraschall durch eine Stirnseite des Radkranzes in das Eisenbahnrad einkoppelbar ist. Eine andere Vorrichtung zur Prüfung von Eisenbahnrädern ist in der WO 90/13814 beschrie ben. Diese Vorrichtung weist als Rollkörper ausgebildete Ultraschallwandler auf, die während einer Drehbewegung des Eisenbahnrads an diesem abrollen. Mit Hilfe eines Laufflä chensensors ist Ultraschall durch die Lauffläche in das Eisenbahnrad einkoppelbar, und mit Hilfe eines Spurkranz sensors ist Ultraschall in den Radkranz einschallbar. Die in den beiden Dokumenten beschriebenen Vorrichtungen zur Prüfung von Eisenbahnrädern können nur eine beschränkte Zahl möglich er Rißpositionen und Rißorientierungen im Eisenbahnrad detektieren.

Unter der Internet-Adresse http://www.ndt.net/article/report/df97/hintze/hintze_d.htm wurde am 10.06.1998 um 10.13 Uhr ein Fachartikel von H. Hintze, Deutsche Bahn AG, publiziert, in dem ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern mit Hilfe von Oberflächenwellen, sogenannten Rayleigh-Wellen, beschrieben ist. Dabei wird mit einem elektrodynamischen Wandler auf der Basis von Permanentmagneten (sogenannter EMUS, was für elek tromagnetischer Ultraschallwandler steht) eine Ultraschall- Oberflächenwelle im Radmaterial erzeugt. Die Oberflächenwelle wird durch die Lauffläche eingekoppelt und breitet sich vom Wandler ausgehend beidseitig in einem oberflächennahen Be reich entlang der Lauffläche des Rads aus. Nach einem voll ständigen Umlauf um das Rad wird die Rayleigh-Welle von einem anderen elektrodynamischen Wandler wieder empfangen. Die elektrodynamischen Wandler sind - in Fahrrichtung des Eisen bahnzugs beabstandet - in den Schienen eingebaut. Der Eisen bahnzug rollt mit geringer Geschwindigkeit über die Wandler hinweg.

Mit dieser Prüftechnik läßt sich nur die Lauffläche des Ei senbahnrads prüftechnisch erfassen, nicht aber eine Innenman telfläche des Eisenbahnrads oder der Bereich um die Radnabe. Ein weiterer Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Eindringtiefe der Rayleigh-Welle gering ist (wenige Millime ter), so daß Risse mit geringer Tiefenausdehnung von solchen mit größerer Tiefenausdehnung nicht unterscheidbar sind. Ein weiterer gravierender Nachteil dieser Prüftechnik liegt darin begründet, daß der Verschleiß an der Radlauffläche infolge einer erhöhten Schallschwächung sehr großen Einfluß auf das Ausbreitungsvermögen der Rayleigh-Welle hat. Daraus ergibt sich, daß diese Prüftechnik bei neuen Rädern sehr gut funk tioniert, bei älteren Rädern, insbesondere mit einer Lauflei stung von mehreren 10.000 km, also gerade bei Eisenbahnrä dern, bei denen vermehrt mit der Rißbildung zu rechnen ist, dagegen nicht mehr aussagekräftig ist und deshalb versagt.

Unter der Internet-Adresse http://www.ndt.net/article/0698/salzb/salzb.htm wurde am 10.06.1998 um 10.10 Uhr ein Bericht über einen Vortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für zerstörungs freie Werkstoffprüfung in Lindau vom 13. bis 15. Mai 1996, gehalten von H.-J. Salzburger und H. Hintze, veröffentlicht. In diesem Tagungsbericht ist ein Impulsecho-Prüfverfahren zur Detektion eines Risses in einem Eisenbahnrad beschrieben, bei dem von der Stirnseite des Eisenbahnrades aus mit linear po larisierten Transversalwellen senkrecht bezüglich der Stirn seite eingestrahlt wird.

Bei diesem Prüfverfahren wird die Schallschwächung von quer zum Riß polarisierten Wellen ausgenutzt. Es müssen also pola risierte Ultraschallwellen erzeugt werden, wozu wie bei dem erstgenannten Prüfverfahren elektromagnetisch arbeitende Ul traschallwandler (EMUS) nötig sind. Diese sogenannten EMUS- Wandler funktionieren bei heutigem Stand der Technik für die Rißprüfung an Eisenbahnrädern nicht ausreichend zuverlässig.

Bei dem letztgenannten Prüfverfahren wird das Eisenbahnrad auf einem Rollenbock mit Hilfe eines Treibrads gedreht und der EMUS-Wandler wird in radialer Richtung bewegt. Das Prüf verfahren hat den zusätzlichen Nachteil, daß ein möglicher Riß im wesentlichen nur bei einer radialen Orientierung, z. B. bei senkrechter Ausrichtung bezüglich der Laufrichtung der Lauffläche, erfaßbar ist.

Es besteht demzufolge ein Bedarf, einen drehbaren Prüfling, insbesondere ein Eisenbahnrad, derart zu prüfen, daß Risse in einer größeren Anzahl zu erwartender Positionen und Orientie rungen zuverlässiger und schneller als mit den bekannten Prüfmethoden detektierbar sind. Der Erfindung liegt demzu folge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren als auch eine Vor richtung zu diesem Zwecke anzugeben.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten ersten Variante gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

a) daß durch den Radkranz hindurch in die Radscheibe einge schallt wird, und
b) daß die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle in der Radscheibenebene geschwenkt wird.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten zweiten Variante gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

a) daß die erste Ultraschallwelle durch eine Stirnseite der Radscheibe in die Radnabe eingeschallt wird, und
b) daß die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle geschwenkt wird.

Der kreisförmigen Bewegung kann eine andere Bewegung überla gert sein.

Zum Empfang der ersten Ultraschallwelle kann ein gesonderter Empfangs-Ultraschallwandler vorhanden sein.

Beide Verfahrensvarianten haben durch die Kombination einer Veränderung der Einschallstelle mit einer Veränderung der Einschallrichtung den Vorteil, daß einerseits weitestgehend das gesamte Volumen des Prüflings prüftechnisch erfaßbar ist und andererseits ein Riß mit weitestgehend allen, mit rele vanter Wahrscheinlichkeit auftretenden Orientierungen detek ierbar ist. Dabei geht die Erfindung weiterhin von der Über legung aus, ein und denselben Riß ggf. mehrfach, aus jeweils unterschiedlichen Richtungen anzuschallen. Die Wahrschein lichkeit ist sehr groß, daß der Riß bei einer dieser Rich tungen ein gut meßbares Empfangssignal auslöst. Mit den Ver fahren nach der Erfindung können ungefährliche, d. h. die Sicherheit nicht gefährdende Risse, von ungefährlichen Rissen unterschieden werden.

Würde man den Riß bei nur einer einzigen verfügbaren An schallrichtung detektieren wollen, dann müßte die Prüfemp findlichkeit derart stark erhöht sein, daß die Prüfung äu ßerst störanfällig wäre. Ohne den Schwenk der Einschallrich tung wäre zudem eine große Anzahl von Ultraschallprüfköpfen erfor derlich.

Der Prüfling kann z. B. bezüglich der Rotationsachse rotati onssymmetrisch sein.

Der Schwenk der Einschallrichtung kann simultan mit der kreisförmigen Bewegung durchgeführt werden, oder die kreis förmige Bewegung wird z. B. schrittweise durchgeführt, wobei nach jedem Schritt der Schwenk der Einschallrichtung statt findet.

Die kreisförmige Bewegung kann durch eine Bewegung des Ultra schallwandlers entlang einer Umfanglinie des Prüflings bei nicht gedrehtem Prüfling erzeugt sein. Sie kommt vorzugsweise durch eine Rotation des drehbar gelagerten Prüflings bei nicht um die Rotationsachse rotierendem Ultraschallwandler zustande. Falls der Prüfling ein Eisenbahnrad ist, kann das Eisenbahnrad auch in eine Fahrrichtung mit einer Fahrge schwindigkeit rollen und der Ultraschallwandler mit der Fahr geschwindigkeit in die Fahrrichtung mitbewegt werden.

Vorzugsweise wird bei der zweiten Verfahrensvariante die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle mit einer Komponente in einer senkrecht auf der Rotationsachse stehen den ersten Schwenkebene geschwenkt, beispielsweise in der Ebene der Radscheibe.

Dadurch ist eine besonders große Anzahl möglicher Rißorien tierungen erfaßbar.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung beider Verfahrensvarian ten wird die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene geschwenkt. Dadurch wird die Zahl der detektierbaren Rißorientierungen und -positionen vorteilhaft noch weiter erhöht.

Die Verfahren nach der Erfindung sind in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet,

- daß eine zweite Ultraschallwelle in den Prüfling einge schallt und ein zu ihrer Einschallung vorhandener Ultra schallwandler in gleicher Weise wie der zur Einschallung der ersten Ultraschallwelle vorhandene Ultraschallwandler bewegt wird, und
- daß die Einschallrichtung der zweiten Ultraschallwelle mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orien tierten zweiten Schwenkebene geschwenkt wird.

Die zweite Ultraschallwelle ermöglicht ein Einschallen an einer anderen Einschallstelle, d. h. insbesondere an einer an deren Außenfläche, wie die erste Ultraschallwelle, wodurch die Anzahl erfaßbarer Rißorientierungen und -positionen vor teilhaft weiter erhöht wird.

Zur Einschallung der ersten Ultraschallwelle und der zweiten Ultraschallwelle ist bevorzugt derselbe Ultraschallwandler vorhanden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das Eisenbahnrad ein Monoblockrad (Vollrad).

Bevorzugt wird die erste Ultraschallwelle bzw. die zweite Ul traschallwelle elektronisch fokussiert.

Weiterhin bevorzugt wird die Lage des Fokus variiert. Das hat den Vorteil einer laufwegabhängig beeinflußbaren Prüfempfind lichkeit. Ferner wird der Vorteil erreicht, daß ein möglicher Riß aus einer noch größeren Anzahl von Richtungen anschallbar ist. Darüber hinaus ist die Ultraschallwelle auch in schwer zugängliche Bereiche mit unterschiedlichen Divergenzwinkeln und unterschiedlichen Bündeldurchmessern einschallbar, so daß ein noch größerer Volumenbereich im Prüfling prüfbar ist. So mit ist die Detektionswahrscheinlichkeit insgesamt weiter er höht.

Vorzugsweise wird - insbesondere bei Einschallung in die Rad scheibe - die Lage des Fokus bezüglich der Lauffläche derart variiert, daß die Schallbündelbreite der ersten Ultraschall welle in der Übergangszone zwischen Radkranz und Radscheibe veränderlich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung betreffen den Ort und die Richtung der Einschallung der zweiten Ultraschallwelle. Diese Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird die zweite Ultra schallwelle durch die Lauffläche eingeschallt.

Dabei wird bevorzugt durch die Lauffläche in die Radscheibe eingeschallt.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird die zweite Ultraschallwelle durch eine Stirnseite der Radscheibe einge schallt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zweite Ultraschallwelle durch eine Stirnseite des Radkranzes eingeschallt.

Die an unterschiedlichen Einschallstellen und/ oder mit un terschiedlichen Einschallrichtungen von der ersten Ultra schallwelle bzw. der zweiten Ultraschallwelle erzeugten Emp fangssignale werden vorzugsweise bildgebend überlagert. Bei spielsweise erfolgt die Überlagerung nach der Methode der Echo-Tomographie. Die Überlagerung wird vorteilhaft in einer Draufsicht auf eine Stirnseite des Eisenbahnrads dargestellt.

Die auf eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren be zogene Aufgabe wird bezogen auf die erste Verfahrensvariante gemäß der Erfindung gelöst durch einen an der Lauffläche akustisch ankoppelbaren ersten Gruppenstrahler, mit dem eine erste Schallwelle durch den Radkranz hindurch in die Rad scheibe einschallbar und dessen Einschallrichtung in der Rad scheibenebene schwenkbar ist.

Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile gelten für die Vorrichtung nach der Erfindung analog.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung weist, insbe sondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, einen an einer Stirnseite der Radscheibe akustisch ankop pelbaren zweiten Gruppenstrahler auf, mit dem eine zweite Schallwelle durch die Stirnseite in die Radnabe einschallbar und dessen Einschallrichtung schwenkbar ist.

Vorzugsweise ist ein an der Lauffläche akustisch ankoppelba rer dritter Gruppenstrahler vorhanden, mit dem eine dritte Schallwelle in das Eisenbahnrad einschallbar und dessen Einschallrichtung mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene schwenkbar ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung weist einen an einer Stirnseite des Radkranzes akustisch ankoppel baren vierten Gruppenstrahler auf, mit dem eine vierte Schallwelle in das Eisenbahnrad einschallbar und dessen Ein schallrichtung mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene schwenkbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung einen an einer Stirnseite der Radscheibe aku stisch ankoppelbaren fünften Gruppenstrahler auf, mit dem eine fünfte Schallwelle in das Eisenbahnrad einschallbar und dessen Einschallrichtung mit einer Komponente in einer pa rallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene schwenkbar ist.

Einer oder mehrere der Gruppenstrahler kann/können als ein dimensionales Array ausgeführt sein, das im Vergleich zu ei nem zweidimensionalen Array kostengünstiger ist.

Die auf eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren be zogene Aufgabe wird bezogen auf die erste Verfahrensvariante gemäß der Erfindung ebenfalls gelöst durch ein an der Lauf fläche akustisch ankoppelbares, erstes zweidimensionales Gruppenstrahler-Array, mit dem eine erste Schallwelle durch den Radkranz hindurch in die Radscheibe einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des ersten Gruppenstrah ler-Arrays in der Radscheibenebene schwenkbar ist, und mit dem eine dritte Schallwelle in das Eisenbahnrad einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des ersten Gruppen strahler-Arrays mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene schwenkbar ist.

Die Vorrichtung ist bevorzugt weitergebildet durch ein an ei ner Stirnseite der Radscheibe akustisch ankoppelbares, zwei tes zweidimensionales Gruppenstrahler-Array, mit dem eine zweite Schallwelle in die Radnabe einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des zweiten Gruppenstrahler- Arrays schwenkbar ist, und mit dem eine fünfte Schallwelle in das Eisenbahnrad einschallbar ist, wobei hierbei die Ein schallrichtung des zweiten Gruppenstrahler-Arrays mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse orientierten zweiten Schwenkebene schwenkbar ist.

Von den Gruppenstrahler-Arrays sind also jeweils wenigstens zwei Schallwellen einschallbar, deren Einschallrichtungen vorzugsweise in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen schwenkbar sind.

Bevorzugt sind mehrere Gruppenstrahler und/ oder Gruppen strahler-Arrays auf einem gemeinsamen Prüfträger angeordnet.

Beispielsweise ist wenigstens ein Gruppenstrahler oder ein Gruppenstrahler-Array im Impuls-Echo-Modus betreibbar.

Nach einer Weiterbildung weist eine der Vorrichtungen eine Auswerteeinheit auf, der die Empfangssignale wenigstens eines der Gruppenstrahler bzw. der Gruppenstrahler-Arrays zuführbar sind, und die die an unterschiedlichen Einschallstellen und/ oder mit unterschiedlichen Einschallrichtungen erzeugten Emp fangssignale bildgebend überlagert.

Mehrere Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach der Er findung sind in schematischer Weise in den Fig. 1 bis 5 erläutert. Diese Figuren dienen auch der Erläuterung des Ver fahrens nach der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Prüfung eines Eisenbahnrads,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II durch die Vorrichtung und das Eisenbahnrad der Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Prüfung eines Eisenbahnrads,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV durch die Vorrichtung und das Eisenbahnrad der Fig. 3,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Prüfung eines Eisenbahnrads.

Fig. 1 und Fig. 2 in einer Querschnittsdarstellung entlang der Linie II-II zeigen ein Eisenbahnrad 1 (Monoblockrad), das in einer Drehrichtung 3 um eine Rotationsachse 5 rotiert. Das Eisenbahnrad 1 umfaßt eine Radnabe 7, eine Radscheibe 9, ei nen Radkranz 11 mit einer Lauffläche 13 sowie einen Spur kranz 15. Im Bereich der Radscheibe 9 ist das Eisenbahnrad 1 weniger breit als im Bereich der Radnabe 7 und des Radkran zes 11, so daß Übergangszonen 17, 19 mit veränderlicher Rad breite gebildet sind. Es handelt sich dabei um eine innere Übergangszone 17 zwischen der Radnabe 7 und der Radscheibe 9 sowie um eine äußere Übergangszone 19 zwischen der Rad scheibe 9 und dem Radkranz 11.

An der Lauffläche 13 ist gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel ein erster Gruppenstrahler 21 akustisch angekoppelt. Er ist mit seiner Einschallstelle in etwa zwischen den verlän gert gedachten Stirnseiten der Radscheibe 9 auf der Laufflä che 13 positioniert. Von dem ersten Gruppenstrahler 21 wird eine erste Schallwelle 23 durch die Lauffläche 13 in die Rad scheibe 9 eingeschallt. Die Einschallrichtung wird in einer ersten Schwenkebene 25, die bei Fig. 1 durch die Zeichen ebene gebildet ist, innerhalb eines Schwenkintervalls 27 ge schwenkt, d. h. verändert. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem "Vertikalschwenk", da ein erster Einschallwin kel α₁ (gemessen bezüglich einer ein Einfallslot bildenden Radiuslinie 24) innerhalb des Schwenkintervalls 27 variiert wird. Das Schwenkintervall 27 hat eine Breite von etwa 60° und ist in etwa derart justiert, daß ein Winkelbereich auf einer ersten Seite bezüglich der Radiuslinie 24, und zwar ein durch eine in Fig. 1 linksseitige Stelle 28 auf der Laufflä che 13 und durch die Radnabe 7 definierter Winkelbereich, ab getastet wird. Der erste Einschallwinkel α₁ wird von etwa 0° bis etwa 60° variiert.

Bei kleinem Einschallwinkel α₁ wird mit longitudinaler Pola risation, bei großem Einschallwinkel α₁ mit transversaler Po larisation eingeschallt.

In Fig. 1 sind mögliche Rißlagen 29A, 29B und 29C an der Lauffläche 13, am Innenumfang des Radkranzes 11 bzw. an der wellenabgewandten Mantelfläche (Außenmantelfläche) der Rad nabe 7 eingezeichnet, die mit der Vorrichtung nach der Erfin dung gut erfaßbar sind. Die Risse werden nämlich bei Durch führung der Verfahren nach der Erfindung aus mehreren, un terschiedlichen Richtungen beschallt.

Zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit weist die Vor richtung einen weiteren ersten Gruppenstrahler 31 auf, der eine weitere erste Schallwelle 33 in das Eisenbahnrad 1 ein schallt. Die Einschallrichtung der weiteren ersten Schall welle 33 wird ebenfalls in der senkrecht auf der Rotati onsachse 5 stehenden ersten Schwenkebene 25 geschwenkt, und zwar innerhalb eines Schwenkintervalls 37 mit einer Breite von etwa 60°. Mit diesem zweiten "Vertikalschwenk wird ein Winkelbereich auf der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, und zwar ein durch die Radnabe 9 und durch eine gegen überliegende, in Fig. 1 bezüglich der Radiuslinie 24 rechts seitige Stelle 38 auf der Lauffläche 13 definierter Winkelbe reich, geprüft.

In Fig. 2 ist weiter dargestellt, wie die Lage eines Fo kus 41, 43 der ersten Schallwelle 23 durch phasengesteuerte elektronische Ansteuerung des ersten Gruppenstrahlers 21 va riiert wird. Die Variation des Fokus kann mittels elektroni scher Ansteuerung auch über eine Veränderung der aktiven Schwingerfläche des Gruppenstrahler 31 erreicht werden, z. B. durch Zu-/Abschalten von Randelementen des Arrays.

Die Fig. 2 zeigt einen ersten Fokus 41, der sich aus der na türlichen Fokussierung infolge der endlichen Querschnittsflä che (in Abstrahlrichtung) des ersten Gruppenstrahlers 21, also noch ohne elektronische Ansteuerung, ergibt. Ein zweiter Fokus 43 wird durch entsprechende Phasenansteuerung des er sten Gruppenstrahlers 21 erzeugt. Der zweite Fokus 43 liegt näher an der Lauffläche 13 und weist einen geringeren Bündel querschnitt als der erste Fokus 41 auf. Damit geht einher, daß ein zweiter mit dem zweiten Fokus 43 verbundener Diver genzwinkel δ2 größer als der erste Divergenzwinkel δ1 ist. Bei Einstellung des ersten Fokus' 41 wird die erste Schall welle 23 mit ihrem natürlichen ersten Divergenzwinkel δ1 weitgehend ungestört in die Radscheibe 9 eingestrahlt. Bei Einstellung des zweiten Fokus' 43 wird nur ein Teil der er sten Schallwelle 23 in die Radscheibe 9 eingestrahlt, und ein anderer Teil trifft von innen auf die Oberfläche der äußeren Übergangszone 19.

Fig. 3 und Fig. 4 in einer Querschnittsdarstellung entlang der Linie IV-IV zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem zweiten Gruppen strahler 51, der durch eine Stirnseite der Radscheibe 9 eine zweite Schallwelle 53 unter einem zweiten Einschallwinkel α₂ in das Eisenbahnrad 1 einschallt. Die auf die erste Schwenk ebene 25 projizierte Komponente der Einschallrichtung der zweiten Schallwelle 53 wird in dieser Schwenkebene 25 inner halb eines Schwenkintervalls 57 mit einer Breite von etwa 60° geschwenkt. Dabei bleibt der zweite Einschallwinkel α₂ von etwa 70° näherungsweise unverändert, weshalb in diesem Zusam menhang auch von einem "Horizontalschwenk" oder von einem Schwenk des Schielwinkels gesprochen wird.

Der Divergenzwinkel δ der zweiten Schallwelle 52 bleibt weit gehend unverändert und beträgt etwa 5° bis 20°.

Das Schwenkintervall 57 des zweiten Gruppenstrahlers 51 ist derart justiert, daß ein bezüglich der Radiuslinie 24, auf der der zweite Gruppenstrahler 51 angeordnet ist, symmetri scher Winkelbereich abgetastet wird. Der zweite Gruppenstrah ler 51 strahlt durch die Radscheibe 9 in Richtung auf die in nere Übergangszone 17 sowie in Richtung auf die Radnabe 7.

Es kann ein (nicht gezeigter) weiterer zweiter Gruppenstrah ler vorhanden sein, der wie der zweite Gruppenstrahler 51 po sitioniert ist, statt dessen aber in Richtung auf die Lauf fläche 13 schallt.

Das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zeigt Gruppenstrahler 61, 71, 81, die einen Winkelschwenk ("Vertikalschwenk") in einer par allel zur Rotationsachse 5 des Bisenbahnrads 1 orientierten zweiten Schwenkebene 62 durchführen, die durch die Zeichen ebene der Fig. 5 gebildet ist. Im gezeichneten Beispiel ver läuft die zweite Schwenkebene 62 durch die Rotationsachse 5.

Ein dritter Gruppenstrahler 61 strahlt eine dritte Schall welle 63 durch die Lauffläche 13 in die äußere Übergangs zone 19 ein. Der dritte Gruppenstrahler 61 ist an dem dem Spurkranz 15 gegenüberliegenden Rand der Lauffläche 13 ange ordnet. Die Einschallrichtung der dritten Schallwelle 63 wird innerhalb eines Schwenkintervalls 67 mit einer Breite von etwa 60° geschwenkt. Dieses Schwenkintervall 67 erstreckt sich von einer zur Rotationsachse 5 senkrecht stehenden Rich tung hin zu einer bezüglich der Rotationsachse 5 schrägen Richtung.

Ein vierter Gruppenstrahler 71 strahlt eine vierte Schall welle 73 durch die bezüglich einer Fahrrichtung des Eisen bahnrades 1 innengelegene Stirnseite des Radkranzes 11 in das Eisenbahnrad 1 ein und ist dabei soweit als möglich am in ra dialer Richtung äußeren Rand des Radkranzes 11 oder des Spur kranzes 15 positioniert. Die vierte Schallwelle 73 schallt dabei in den Radkranz 11 und in die äußere Übergangszone 19 ein. Die Einschallrichtung der vierten Schallwelle 73 wird innerhalb eines Schwenkintervalls 77 mit einer Breite von etwa 60° variiert. Dieses Schwenkintervall 77 ist derart ju stiert, daß die Einschallrichtung der vierten Schallwelle 73 von einer weitgehend zur Rotationsachse 5 parallelen Richtung hin zu einer zur Rotationsachse 5 geneigten Richtung variiert wird.

Ein fünfter Gruppenstrahler 81 strahlt eine fünfte Schall welle 83 durch eine Stirnseite der Radscheibe 9 in das Eisen bahnrad 1 ein. Die Einschallstelle befindet sich in radialer Richtung von außen betrachtet unmittelbar vor der inneren Übergangszone 17. Ein Schwenkintervall 87 der Einschallrich tung der fünften Schallwelle 83 ist derart justiert, daß die Einschallrichtung über die weitgehend gesamte Intervallbreite von etwa 60° in Richtung auf die Radnabe 7 weist.

Der dritte Gruppenstrahler 61 und der vierte Gruppenstrah ler 71 sind auf einem gemeinsamen Prüfträger 100 angeordnet, dem auch der fünfte Gruppenstrahler 81 zugeordnet sein kann.

Die Gruppenstrahler 21, 31, 51, 61, 71, 81 sind bezüglich der Rotationsachse 5 ortsfest, d. h. das rotierende Eisenbahnrad 1 bewegt sich mit der jeweiligen Einkoppelfläche unter dem je weiligen Gruppenstrahler 21, 31, 51, 61, 71, 81 hinweg.

Der dritte Gruppenstrahler 61 kann als zweidimensionales Gruppenstrahler-Array ausgebildet sein. Er kann in Richtung der Rotationsachse 5 auf der Lauffläche 13 verfahrbar sein, so daß er zwischen den verlängert gedachten Stirnseiten der Radscheibe 9 auf der Lauffläche 13 positionierbar ist (wie der erste Gruppenstrahler 21). Von dem dritten Gruppenstrah ler 61 kann dann die erste Schallwelle 23 mit einem Schwenk in der ersten Schwenkebene 25 und die dritte Schallwelle 63 mit einem Schwenk in der zweiten Schwenkebene 62 eingeschallt werden, ohne daß hierzu ein gesonderter erster Gruppenstrah ler 21 nötig wäre. Dabei kann das zweidimensionale Gruppen strahler-Array die Einschallrichtung auch rotierend verän dern.

In gleicher Weise kann der fünfte Gruppenstrahler 81 als zweidimensionales Gruppenstrahler-Array ausgebildet und ent lang einer Stirnseite der Radscheibe 9 und ggf. entlang einer Stirnseite des Radkranzes 11 verfahrbar sein, so daß er so wohl zur Einschallung der zweiten Schallwelle 53 mit einem Schwenk in der ersten Schwenkebene 25 als auch zur Einschal lung der vierten Schallwelle 73 und/oder der fünften Schall welle 83 mit einem Schwenk in der zweiten Schwenkebene 62 in der Lage ist, ohne daß hierzu ein gesonderter zweiter Grup penstrahler 51 erforderlich wäre.

Claims

1. Verfahren zur Detektion eines Risses (29A, 29B, 29C) in einem um eine Rotationsachse (5) drehbaren Eisenbahnrad (1), wobei ein zur Einschallung einer ersten Ultraschallwelle (23, 33) vorhandener Ultraschallwandler (21, 31) relativ zum Ei senbahnrad (1) im wesentlichen kreisförmig um die Rotati onsachse (5) bewegt wird und, wobei die erste Ultraschall welle (23, 33) durch die Lauffläche (13) in das Eisenbahnrad (1) eingeschallt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) daß durch den Radkranz (11) hindurch in die Radscheibe (9) eingeschallt wird, und
b) daß die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle (23, 33) in der Radscheibenebene (25) geschwenkt wird.

2. Verfahren zur Detektion eines Risses (29A, 29B, 29C) in einem um eine Rotationsachse (5) drehbaren Eisenbahnrad (1), wobei ein zur Einschallung einer ersten Ultraschallwelle (53) vorhandener Ultraschallwandler (51) relativ zum Eisenbahnrad (1) im wesentlichen kreisförmig um die Rotationsachse (5) be wegt wird und, wobei die erste Ultraschallwelle (53) in das Eisenbahnrad (1) eingeschallt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die erste Ultraschallwelle (53) durch eine Stirnseite der Radscheibe (9) in die Radnabe (7) eingeschallt wird, und
b) daß die Einschallrichtung der ersten Ultraschallwelle (53) geschwenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein schallrichtung der ersten Ultraschallwelle (53) mit einer Komponente in einer senkrecht auf der Rotationsachse (5) ste henden ersten Schwenkebene (25) geschwenkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein schallrichtung der ersten Ultraschallwelle (23, 33; 53) mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) geschwenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kreis förmige Bewegung durch eine Rotation des drehbar gelagerten Eisenbahnrads (1) bei nicht um die Rotationsachse (5) rotie rendem Ultraschallwandler (21, 31; 51) zustande kommt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

1. daß eine zweite Ultraschallwelle (63, 73, 83) in das Eisen bahnrad (1) eingeschallt und ein zu ihrer Einschallung vor handener Ultraschallwandler (61, 71, 81) in gleicher Weise wie der zur Einschallung der ersten Ultraschallwelle (23, 33) vorhandene Ultraschallwandler (21, 31) bewegt wird, und
2. daß die Einschallrichtung der zweiten Ultraschallwelle (63, 73, 83) mit einer Komponente in einer parallel zur Rotati onsachse (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) ge schwenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein schallung der ersten Ultraschallwelle (23, 33; 53) und der zweiten Ultraschallwelle (63, 73, 83) derselbe Ultraschall wandler vorhanden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (63) durch die Lauffläche (13) eingeschallt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (63) in die Radscheibe (9) eingeschallt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (63) in die Übergangszone (19) zwischen Rad kranz (11) und Radscheibe (9) eingeschallt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (83) durch eine Stirnseite der Radscheibe (9) eingeschallt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (83) in die Radnabe (7) eingeschallt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (83) in die Übergangszone (17) zwischen Rad scheibe (9) und Radnabe (7) eingeschallt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (73) durch eine Stirnseite des Radkranzes (11) eingeschallt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ultraschallwelle (73) in die Übergangszone (19) zwischen Rad kranz (11) und Radscheibe (9) eingeschallt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ultraschallwelle (23) bzw. die zweite Ultraschallwelle elek tronisch fokussiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Fokus variiert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Fokus der ersten Ultraschallwelle (23) bezüglich der Laufflä che (13) derart variiert wird, daß die Schallbündelbreite der ersten Ultraschallwelle (23) in der Übergangszone (19) zwi schen Radkranz (11) und Radscheibe (9) veränderlich ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die an un terschiedlichen Einschallstellen und/ oder mit unterschiedli chen Einschallrichtungen von der ersten Ultraschallwelle bzw. der zweiten Ultraschallwelle erzeugten Empfangssignale bild gebend überlagert werden.

20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an der Lauffläche (13) akustisch ankoppelbaren ersten Gruppenstrahler (21, 31), mit dem eine erste Schallwelle (23, 33) durch den Radkranz (11) hindurch in die Radscheibe (9) einschallbar und dessen Einschallrichtung in der Radscheiben ebene (25) schwenkbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20 zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen an einer Stirnseite der Radscheibe (9) akustisch ankop pelbaren zweiten Gruppenstrahler (51), mit dem eine zweite Schallwelle (53) durch die Stirnseite in die Radnabe (7) ein schallbar und dessen Einschallrichtung schwenkbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen an der Lauffläche (13) akustisch ankoppelbaren dritten Gruppenstrahler (61), mit dem eine dritte Schallwelle (63) in das Eisenbahnrad (1) einschallbar und dessen Einschallrich tung mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsach se (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) schwenkbar ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22 zur Durch führung des Verfahrens einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen an einer Stirnseite des Radkranzes (11) akustisch an koppelbaren vierten Gruppenstrahler (71), mit dem eine vierte Schallwelle (73) in das Eisenbahnrad (1) einschallbar und dessen Einschallrichtung mit einer Komponente in einer paral lel zur Rotationsachse (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) schwenkbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23 zur Durch führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch einen an einer Stirnseite der Radscheibe (9) akustisch ankop pelbaren fünften Gruppenstrahler (81), mit dem eine fünfte Schallwelle (83) in das Eisenbahnrad (1) einschallbar und dessen Einschallrichtung mit einer Komponente in einer paral lel zur Rotationsachse (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) schwenkbar ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppenstrahler (21, 31, 51, 61, 71, 81) auf einem gemeinsa men Prüfträger (100) angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Gruppenstrahler (21, 31, 51, 61, 71, 81) im Impuls- Echo-Modus betreibbar ist.

27. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch ein an der Lauffläche (13) akustisch ankoppelbares, erstes zweidimensionales Gruppenstrahler-Array (61), mit dem eine erste Schallwelle (23, 33) durch den Radkranz (11) hindurch in die Radscheibe (9) einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des ersten Gruppenstrahler-Arrays (61) in der Radscheibenebene (25) schwenkbar ist, und mit dem eine dritte Schallwelle (63) in das Eisenbahnrad (1) einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des ersten Gruppen strahler-Arrays (61) mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse (5) orientierten zweiten Schwenkebene (62) schwenkbar ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27 zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 2 oder 3 und nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch ein an einer Stirnseite der Radscheibe (9) akustisch ankop pelbares, zweites zweidimensionales Gruppenstrahler-Array (81), mit dem eine zweite Schallwelle (53) in die Radnabe (7) einschallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des zweiten Gruppenstrahler-Arrays (81) schwenkbar ist, und mit dem eine fünfte Schallwelle (83) in das Eisenbahnrad (1) ein schallbar ist, wobei hierbei die Einschallrichtung des zwei ten Gruppenstrahler-Arrays (81) mit einer Komponente in einer parallel zur Rotationsachse (5) orientierten zweiten Schwenk ebene (62) schwenkbar ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppenstrahler-Arrays auf einem gemeinsamen Prüfträger ange ordnet sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Gruppenstrahler-Arrays im Impuls-Echo-Modus be treibbar ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26 oder 27 bis 30, gekennzeichnet durch eine Auswerteein heit, der die Empfangssignale wenigstens eines der Gruppen strahler (21, 31, 51, 61, 71, 81) bzw. der Gruppenstrahler- Arrays zuführbar sind, und die die an unterschiedlichen Ein schallstellen und/ oder mit unterschiedlichen Einschallrich tungen erzeugten Empfangssignale bildgebend überlagert.