DE20204178U1 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Ultraschalldiagnose von Rädern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen-Wandler.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ist in den vergangenen Jahren zu einem unverzichtbaren Bestandteil in der Sicherheitsphilosophie des spurgebundenden Schienenverkehrs geworden. Nicht zuletzt die Erfahrungen aus Versagensfällen unterschiedlicher Bauteile haben Bahnbetreiber, Industrie und Forschungseinrichtungen zu erheblichen Anstrengungen veranlasst, damit Schadensprozesse schon in einem möglichst frühen Entstehungsstadium erkannt und beseitigt werden können. Insbesondere bei der Qualitätskontrolle neuer Eisenbahnräder sowie für die Inspektionsüberprüfung von in Betrieb befindlichen Eisenbahnrädern sind zahlreiche Untersuchungsverfahren bekannt. So müssen die Eisenbahnräder in bestimmten Zeitabständen bzw. nach vorgegebenen Laufleistungen einer Prüfung auf Fehler, insbesondere Rissen oder Ausbrüchen, unterzogen werden. Diese Schadensbilder können durch Werkstoffermüdung, thermische Beanspruchung beim Bremsvorgang oder Verformungsvorgänge infolge der statischen und dynamischen Lasten hervorgerufen werden. Da die Fehler nicht nur oberflächennah, sondern auch tief im Innern des Werkstückes ihren Ausgang nehmen können, sind ausgefeilte zerstörungsfreie Prüfmethoden der einzige Weg zur Erzielung aussagefähiger und verlässlicher Prüfergebnisse. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit induzierter Fehler erheblich sein kann, müssen diese Prüfungen unter Berücksichtigung der heute üblichen hohen Laufleistungen der Fahrzeuge in kurzen wiederkehrenden Abständen durchgeführt werden. Ferner gebietet es die Wirtschaftlichkeit, dass diese Prüfvorgänge einen möglichst geringen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordern.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei das Verfahren zur elektromagnetischen Ultraschall-Wandlung herausgestellt, da kein flüssiges Koppelmittel zur Einbringung akustischer Wellen in das zu prüfende Werkstück erforderlich ist. Dadurch wird die Gebrauchstauglichkeit eines automatisierten Verfahrens unter den rauhen Umgebungsbedingungen des Eisenbahnbetriebes deutlich erhöht.

Elektromagnetische Ultraschallwandler erzeugen Ultraschallwellen in elektrisch leitendem Material durch die Lorentz-Kraft oder durch Ausnutzung des magnetostriktiven Effektes. Eine Kombination dieser beiden Phänomene ist ebenfalls möglich. Beide Phänomene wirken auf das Atom-Gitter des Werkstückes, so dass die akustische Welle - anders als bei Verfahren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren - im Werkstück anstatt im Prüfkopf erzeugt wird. Dies erfordert jedoch einen engen Kontakt des Prüfkopfes zur Oberfläche des Werkstückes. Es kommen fast ausschliesslich getrennte

Ultraschallwandler für die Erzeugung und den Empfang der Ultraschallwellen zum Einsatz.

Entsprechende Prüfköpfe nach dem elektromagnetischen Prinzip (EMUS-Prüfköpfe) und verschiedene Anwendungsfälle sind seit längerem bekannt. Die Druckschrift „The design and use of electromagnetic acoustic wave transducers (EMATs)" (Maxfield / Fortunko, American Society for Nondestructive Testing, 1983, S. 1399 ff.) beschreibt einen ersten praxistauglichen Prüfkopf. Anwendungsspezifische Weiterentwicklungen für das Prüfen von Rädern an Schienenfahrzeugen erfolgten insbesondere durch Jürgen Salzburger und die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Aus DE 32 18 453 ist ein elektromagnetischer Ultraschallwandler bekannt, der eine zerstörungsfreie Prüfung der Lauffläche von Eisenbahnrädern mittels Ultraschall-Oberflächenwellen während des Uberfahrens eines Schienenabschnittes ermöglicht. Der Prüfkopf sitzt hierbei in einer im Schienenkopf einer üblichen Eisenbahnschiene ausgebildeten, zur Schienenkopfoberfläche hin offenen, rechteckigen Ausnehmung. Allerdings können nur Fehlstellen erfasst werden, die vom Aussenrand des Rades ausgehen. Eine Weiterentwicklung ist in DE 42 23 470 beschrieben. DE 38 34 828 beschreibt eine Möglichkeit zur zeitgerechten und störgrössen-unabhängigen Ansteuerung einer Ultraschall-Prüfanlage für Eisenbahnräder. US 6 347 550 beschreibt schliesslich die notwendige Weiterentwicklung des Verfahrens dahingehend, dass während des Überrollens des zu prüfenden Eisenbahnrades eine zerstörungsfreie Prüfung von Volumen und Oberfläche des Rades gewährleistet werden kann. Da nun auch Fehlstellen, die von innenliegenden Flächen (z. B. Grenzfläche zwischen Radnabe und Radkranz) ausgehen, detektiert werden können, wird eine zuverlässige Prüfung von Rädern möglich, die aus verschiedenen Teilen und / oder verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind.

Andere bekannte Realsierungsvarianten, wie z. B. die in DE 198 33 027 beschriebene Ankopplung der Prüfköpfe mittels eines auf einem Prüfwagen installierten Manipulators, der sich parallel zum in Bewegung befindlichen Eisenbahnrad bewegt, oder das aus DE 198 34 587 bekannte radiale Bewegen des Prüfkopfes um die Rotationsachse des Schienenfahrzeugrades, wurden aus Praktikabilitätsgründen nicht für den Einsatz im Rahmen der automatisierten Inspektion von im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeugen ausgewählt. Ebenso scheiden für diesen Anwendungsfall alle Realisierungsmöglichkeiten zur Prüfung auf ortsfesten Spezialanlagen aus, die eine Demontage von Rädem oder Radsätzen erfordern.

Die Deutsche Bahn AG setzt die dem Stand der Technik entsprechenden Systeme zur Prüfung der Radlaufflächen in ihren Instandhaltungsprozessen ein. Die zu prüfenden Fahrzeuge überfahren während des Prüfvorgangs die Prüfeinrichtung kontinuierlich mit eigenem Antrieb, was insbesondere bei den in kurzen Abständen durchzuführenden Fahrwerkskontrollen der Hochgeschwindigkeitszüge eine effiziente und zeitsparende Fahrwerksdiagnose ermöglicht. Die auf dem elektromagnetischen Prinzip beruhenden Prüfköpfe sind in die Schienen des Prüfgleises integriert.

Unter Labor- und Testbedingungen arbeitet dieses Prinzip, das bei Erzeugung und Empfang des Ultraschalls auf der Wechselwirkung von magnetischen Feldern und elektrischem Strom beruht, problemlos. Im täglichen Betriebsalltag treten jedoch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erhebliche Probleme auf, die zu unbrauchbaren Messergebnissen führen. Elektrische Triebfahrzeuge und Fahrzeuge mit leistungsstarken leistungselektronischen Bordnetzeinrichtungen bringen in die Schienen Ströme ein, die auch Spektralanteile in dem für die Ultraschallprüfung relevanten Frequenzbereich aufweisen. Insbesondere der Verzicht konzentrierter Antriebseinrichtungen in Triebköpfen und die gleichmässige Verteilung der Antriebe auf viele Antriebsachsen im gesamten Fahrzeugverband führt unter diesen Randbedingungen zu einer völligen Unbrauchbarkeit der Prüfanlagen in ihrer bisherigen Gesamtausführung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen-Wandler zu entwickeln, die die Einkopplung der von den Fahrzeugen ausgehenden Störungen in die Ultraschall-Prüfköpfe verhindert.

Gleichzeitig dürfen weder das grundlegende Funktionsprinzip der Prüfanlage noch Fahrzeugeinrichtungen verändert werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gleisabschnitt im räumlichen Arbeitsbereich der Ultraschallprüfung galvanisch vom elektrischen Potential der angrenzenden Gleisbereiche abgetrennt ist und zugleich eine gegen hochfrequente Störströme entkoppelte Erdung aufweist. Unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen wurde in Versuchsreihen herausgefunden, dass die Ausbreitung hochfrequenter Ströme nur durch ein Anheben der Impedanz des Stromkreises unterdrückt werden kann. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht aber weiterhin die Ableitung der niederfrequenten Triebfahrzeug-Rückströme. Aus Sicherheitsgründen ist es erfindungsgemäss ferner vorge-

sehen, dass bei einer unzulässigen Potenzialanhebung im isolierten Prüfgleisabschnitt (z. B. Erdkontakt der Oberleitung) eine Hauptschalterauslösung im speisenden Bahnstrom-Unterwerk ausgelöst wird. Weitere umfangreiche Versuchsreihen haben darüberhinaus überraschenderweise ergeben, dass hierfür eine kurzschlussfeste Leistungsdrossel besonders geeignet ist.

Für ein ordnungsgemässes Funktionieren der Vorrichtung ist es notwendig, dass die Länge des galvanisch isolierten Prüfgleisabschnittes auf eine konstruktive Länge begrenzt wird, die kleiner als der minimale Achsabstand zweier benachbarter Radsätze der zu prüfenden Schienenfahrzeuge ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich ausschliesslich der zu prüfende Radsatz auf dem Prüfgleisabschnitt befindet und es zu keinen unerwünschten fahrzeugseitig induzierten Stromflüssen im Prüfgleisabschnitt kommt.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass sämtliche Leitungsverbindungen zwischen den im Gleisfeld befindlichen Komponenten der Prüfanlage (also insbesondere Prüfköpfe und Lichtschranken) und den hiervon räumlich getrennten Schaltanlagen für Anlagensteuerung, Stromversorgung und Signalauswertung gegen hochfrequente Störströme zu entkoppeln. Dadurch können die Störungen unterdrückt werden, ohne dass es zu einer negativen Beeinflussung der Messsignale kommt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1: Auswertungsdiagramm eines durch Störsignale in unbrauchbarer Weise

verfälschten Diagnosevorganges an einem Fahrzeugrad (UA-scan);
Auswertediagramm der im Bereich der Prüfköpfe gemessenen Störströme im Gleis (i_Gieis)

Figur 2: schematischer Aufbau des Prüfgleisabschnittes

Die Deutsche Bahn AG verfügt derzeit in ihren Unterhaltungswerkstätten für die Züge des Hochgeschwindigkeitsverkehrs über Ultraschall-Diagnoseanlagen, die auf dem im Stand der Technik erläuterten elektromagnetischen Prinzip beruhen. Auf dem zu befahrenden Prüfgleis sind jeweils zwei elektromagnetische Ultraschall-Prüfköpfe in die linke und rechte Schiene integriert. Die Prüfköpfe koppeln an die Lauffläche des zu prüfenden Rades bzw. Radsatzes an und erzeugen ein magnetisches Gleichfeld. Die FeIdIi-

nien schliessen sich zwischen Prüfling und Prüfkopf. Gleichzeitig induziert eine Sendespule Wirbelströme in das Rad. Durch das Kraftwirkprinzip werden alle im magnetischen Gleichfeld befindlichen Ladungsträger des Wirbelstromes senkrecht zur Hauptstromrichtung ausgelenkt und schwingen in der Taktfrequenz des Wirbelstromes. Diese geordnete Schwingung überträgt sich auf die benachbarten Volumenelemente des Radmaterials. Somit führt dies zur Erzeugung von Ultraschall in der Frequenzlage des eingebrachten Wirbelstromes. Die den Radumfang umkreisende Ultraschallwelle passiert nach jedem vollständigen Umlauf wieder den Prüfkopf. Dabei führt die Bewegung der Metallgitter in dem vom Prüfkopf ebenfalls emittierten magnetischen Gleichfeld zu einer Spannungsinduktion zwischen Teilen des Metallgitters, wodurch sich wiederum Wirbelströme im Metallgitter ausbreiten. Das begleitende magnetische Wechselfeld dieser Wirbelströme induziert schlussendlich in einer Empfangsspule eine Spannung, die als Empfangssignal ausgewertet wird. Der zeitliche Verlauf des gleichgerichteten Empfangssignales liefert die Information über den Schädigungszustand des Rades.

In Figur 1 ist das wesentliche Ergebnis der an den Anlagen der Deutschen Bahn AG vorgenommenen Störungsanalyse zusammengefasst.

Die von elektrischen Triebfahrzeugen und / oder Fahrzeugen mit leistungsstarken leistungselektronischen Bordnetzeinrichtungen emittierten Ströme fliessen in der Schiene parallel zum Prüfkopf bzw. direkt durch das Metallgehäuse des Prüfkopfes. Diese hochfrequenten Ströme begleitet ein Magnetfeld, das durch den konstruktiven Aufbau des Prüfkopfes bedingt eine Spannungsinduktion in der Empfängerspule verursacht. Im Auswertediagramm aus Figur 1 zeigt sich dies in einer deutlichen Korrelation zwischen einer starken Änderung des Stromflusses im Gleis und einer im Prüfkopf registrierten Spannungsspitze.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäss vorgeschlagene Lösung hinsichtlich der künftigen Konfiguration der Prüfanlage.

Der mit den jeweils im Schienenkopf integrierten Prüfköpfen (1, 2, 3, 4) ausgestattete Prüfgleisabschnitt wird mittels an sich bekannter verlaschter Isolierstösse (5) gegen die angrenzenden Gleisabschnitte galvanisch abgetrennt. Die Länge dieses isolierten Gleisabschnittes (6) darf dabei 1800 mm nicht überschreiten. Dieses Mass entspricht dem minimalen Achsabstand im Drehgestell der zu prüfenden Hochgeschwindigkeitszüge. Gleichzeitig muss der isolierte Gleisabschnitt über Gleisverbinder-Kabel (7) so geerdet werden, dass die auftretenden Triebrückströme abgeführt werden können. Gleichzeitig dürfen aber die hochfrequenten Störstrom-Anteile nicht passieren

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(Hochfreqenz-Entkopplung). Desweiteren muss sichergestellt sein, dass es bei einer unzulässigen Potenzialerhöhung im isolierten Prüfgleisabschnitt - wie es beispielsweise bei einem Herabfallen der Oberleitung auftreten könnte - zu einer Hauptschalterauslösung im speisenden Bahnstrom-Unterwerk kommt und damit die Spannungszufuhr abgeschalten wird. Umfangreiche Versuchsreihen haben ergeben, dass hierfür eine kurzschlussfeste Leistungsdrossel (8) besonders geeignet ist. Diese muss den im Fehlerfall möglichen Kurzschlusstrom für die Dauer bis zur Hauptschalterauslösung im Unterwerk tragen können. Wenn diese Randbedingungen nicht eingehalten werden können, ist der Einbau eines zusätzlichen, parallel geschaltenen Überspannungsabieiters möglich.
Die Gleichstromdrossel zur Hochfrequenz-Entkopplung der Abschirmungen der Signalleitungen wird realisiert, indem über sämtliche Signal- und Potenzialausgleichsleitungen, welche vom isolierten Prüfgleisabschnitt zur Steuerungs- und Auswerteelektronik führen, (10, 11) gemeinsam Ferrit-Ringkerne (9) geführt werden.

	Bezugszeichenl iste:	Prüfkopf 1
1	Prüfkopf 2
2	Prüfkopf 3
3	Prüfkopf 4
4	Isolierstoss
5	Länge des Prüfgleisabschnittes
6	Gleisverbinder-Kabel zur Führung von Triebrückströmen
7	Erdungsdrossel
8	Ferrit-Ri ng kern
9	Potenzialausgleichsleiter
10	Kabelschirm (Panzerrohr)
11

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen- Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleisabschnitt im räumlichen Arbeitsbereich der Ultraschallprüfung galvanisch vom elektrischen Potential der angrenzenden Gleisbereiche abgetrennt ist und zugleich eine gegen hochfrequente Störströme entkoppelte Erdung aufweist.

2. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdung des galvanisch abgetrennten Prüfgleisabschnittes über eine kurzschlussfeste Leistungsdrossel (8) erfolgt.

3. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des galvanisch abgetrennten Prüfgleisabschnittes kleiner als der minimale Achsabstand (6) zweier benachbarter Radsätze der zu prüfenden Schienenfahrzeuge ist.

4. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungen der Signalleitungen (10, 11) zu den Prüfköpfen und Lichtschranken der Diagnoseanlage durch Ferrit-Ringkerne (9) gegen hochfrequente Störströme entkoppelt sind.