WO2004068132A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschalluntersuchung eines schienenstrangs hinsichtlich fehlstellen - Google Patents

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rail track
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acoustic transducer
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Vladimir Potapov
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for examining a rail track for defects, which has a rail head, web and foot, in which sound and ultrasonic waves by means of at least one acoustic transducer in acoustic contact with the rail web in the rail track coupled in and decoupled for evaluation purposes.
  • Rail or track sections for rail-bound passenger and freight transport are exposed to high dynamic and thermal loads, which lead to material fatigue, which can lead to damage or even breakage of the rail section. For this reason, it is particularly important for an undisturbed operating sequence in rail traffic, especially on high-speed routes, to recognize any slowly emerging or suddenly occurring defects.
  • a rail test vehicle is known from US Pat. No. 4,429,576, with which defects can be detected within a rail track using an ultrasound method.
  • the rail test vehicle is used to couple ultrasound into the railroad track under test at a frequency of 800 kHz.
  • a rail test train can only run at a low speed, usually at less than 30 to 50 km / h, of a railroad to be tested.
  • the annual mileage of a rail test train is very limited and the test, especially of high-speed lines, can only be carried out at night.
  • DE 198 26 421 C1 discloses a method and a device for detecting a defect in a guide rail, in which an ultrasonic wave coupled into the guide rail is coupled out and examined after at least two reflections on mutually opposite inner sides of the rail surface.
  • the ultrasound wave is coupled into the rail track at a frequency that is less than 100 kHz.
  • the guide rail to be monitored is regarded here as a waveguide in which the ultrasound waves coupled in for the detection of defects propagate in the guide rail at an angle with respect to the longitudinal axis of the guide rail. After a large number of reflections on mutually opposite inner sides of the rail surface, the ultrasonic wave is decoupled and detected.
  • the coupling of the ultrasound wave can be carried out both from a moving train and with the aid of a transmission sound transducer which is attached to the guide rail.
  • the receiving point is usually more than 500 m away from the coupling point.
  • the acoustic signal when using ultrasound test methods for rail tracks, the acoustic signal must be matched to the acoustic conductivity in the rail track and in the sleepers.
  • the transmission lengths that can be achieved depend not only on the condition of the tracks, but also on the material of the tracks and in particular on the material of the sleepers.
  • acoustic methods are known, by means of which different acoustic signals are emitted by an acoustic transmitter into an elongated body be coupled.
  • the acoustic signals differ in their frequency, their frequency pattern, their amplitude or their energy.
  • the distinguishable acoustic signals are received and evaluated with the aid of acoustic receivers and a downstream evaluation device. This results in sound propagation zones that can be evaluated independently of one another, so that faulty locations within a rail track can be reliably located.
  • the transmission lengths of the rail tracks that can be achieved with this method are approximately 600 - 1200 m on oak sleepers and concrete sleepers. Even with the above-described method, the possibility of detecting various types of defects within a rail is severely restricted.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method with which the detection and localization of defects within rail tracks can be carried out safely and reliably and, in particular, independently of the position and the shape of the defect.
  • the method should be easy to automate and should be so powerful that it is possible to detect defects even over several kilometers.
  • an acoustic transducer is to be specified that realizes the execution of a method that solves the aforementioned task.
  • a method for examining a rail track for defects which has a rail head, web and foot, in which sound and / or ultrasonic waves are transmitted by means of at least one with the rail web acoustic transducers in acoustic contact are coupled into the track and decoupled for the purpose of evaluation, it is stated that the sound wave coupling takes place along the track in such a way that torsional bending vibrations (TB vibrations) are excited with at least one specific transmission frequency f along the track. TB vibrations propagating along the rail track are decoupled and detected by means of the or an additional acoustic transducer. Ultimately, the rail track is examined on the basis of the wave properties of the detected sound waves.
  • the aforementioned method significantly increases the reliability and sensitivity of a monitoring system for the detection of defects in rail tracks, so that a corresponding defect detection can also be carried out reliably over several kilometers. Due to the targeted excitation of TB vibrations within the rail track, it is possible in particular to detect defects regardless of their position and shape within the rail track. In addition, the method according to the invention is particularly suitable for detecting thermal stresses and thereby initiated defects within the rail track.
  • a conventionally designed travel rail can generally be divided into three different geometric body sections, namely a web, a head and a foot. In the mechanical sense, all three sections form a dynamic, non-linear three-body system for the propagating TB vibrations, which is oscillatingly coupled to one another. From an acoustic point of view, the three-body system can be characterized by three acoustic, coupled transmission characteristics, each of which has its own acoustic TB vibration modes. For example, a force acting on the rail web of the rail track generates complicated vibrations within the rail track, which propagate along the rail in the form of one or more acoustic modes or waves.
  • an acoustic transducer that has an extension and that is capable of intensive bending and / or Executing longitudinal vibrations, mounted on the rail web in such a way that the extension protrudes through the rail web, additional torsional and bending vibrations can be generated in the web.
  • TB vibrations torsional bending vibrations
  • the vibration mode is made up of the TB modes of the individual rail components. In this context, it is of particular importance that these TB modes allow acoustic signals to be transmitted within the rail track over a distance of 2-3 km.
  • excitation pulses are preferably generated in such a way that at least ten pulses fall in one oscillation period of the TB oscillation.
  • the generation of excitation pulses with burst numbers between 400 and 600, i.e. 400 to 600 pulses per square wave or sine wave are generated.
  • the transmission frequency f and thus also the so-called torsional bending oscillation mode, or TB mode for short, are thus determined by the following formula in a particularly suitable variant of the method according to the invention:
  • n atomic number of the torsional bending vibration, which indicates the mode
  • V pn phase velocity for the transmission frequency of the torsional bending vibration
  • L Distance between periodically distributed rail line fastenings, equally significant with rail line sleepers.
  • n for the TB mode that is developing is preferably determined in the following manner:
  • ⁇ n wavelength of the torsional bending vibration
  • TB vibrations with transmission frequencies f> 10 kHz, in particular between 16 and 19 kHz, are preferably excited.
  • the sound decoupling for the detection of the TB vibrations propagating along the rail track is preferably carried out with at least one acoustic transducer in such a way that, in addition to the coupled or excited TB vibration, higher harmonic TB vibrations are also recorded and evaluated.
  • Higher harmonic vibrations to the TB basic vibration coupled into the rail track are formed not only by non-linear interactions between the vibration components propagating along the rail track and those reflected at fastening points of the rail track, but also due to non-linear interactions between the individual components of the track, i.e. between the rail head, bridge and foot.
  • the attachment points at which the rail track to be regarded as a transmission line is connected to the individual railway sleepers have a decisive influence on the developing, non-linear interactions.
  • the attachment points can be considered acoustically as nonlinear inhomogeneities in the transmission line.
  • the selective reflectivity of the TB modes which propagate in the components of the rail and are reflected on the inhomogeneities is dependent on the amplitude of the respective signal.
  • the number of reflections that take place and the path of the TB vibrations are significantly increased due to the multiple reflections that occur, so that the formation of the nonlinear interactions is also increased.
  • the changes in the wave profile and the waveform of the basic TB mode also generate additional, often higher harmonic vibrations.
  • Corresponding mechanical or thermal stresses within the rail track can therefore preferably be detected from the change in the wave profile or the shape of the TB mode and / or from the ratios of the amplitudes of the fundamental frequency and the often higher harmonic vibrations.
  • the rail track for TB vibrations can be regarded as an acoustic, non-linear, dynamic system, for the acoustic description of which three non-linearly coupled transmission lines are used, which describe the acoustic vibration behavior of the rail head, the rail web and the rail foot.
  • the forces acting on a rail web of the rail track are used to generate vibrations within the rail track that propagate along the rail.
  • the rail track composed of the head, foot and bridge can be viewed as an acoustic, linear, dynamic system.
  • an acoustic transducer is mounted on the rail web, which is able to generate intensive torsional and bending vibrations in the web, interactions occur between the vibrating web, head and foot and a common, composite TB vibration is formed in the rail line which spreads through the rail track in the form of three non-linearly coupled TB modes.
  • non-linear effects which are the basis of the propagation of the TB modes, are used to monitor or detect temperature-related longitudinal and / or vertical and / or horizontal bending stresses within a rail track.
  • Linear effects in the interaction of the TB modes with the periodically occurring acoustic inhomogeneities must also be taken into account.
  • the latter process variant is able to provide more information by coupling two different TB vibrations, with which a more reliable detection and a more precise localization of defects is possible.
  • the spectral distribution that is a Wellenprofil- and waveform changes in vibration and / or a 'ratio of the fundamental amplitudes to the amplitudes of harmonics evaluated higher order.
  • the wave properties of the TB vibrations excited in the rail head, in the rail web and / or in the rail foot are preferably evaluated. It is particularly suitable for this investigation, excitation pulses with burst numbers of approximately 100, ie approximately To use 100 pulses per oscillation period of the TB oscillation excited in the rail.
  • the acoustic transducer must generate and receive the TB vibration mode in the rail
  • the acoustic transducer must have a wide bandwidth or cover a wide frequency range on the discrete frequencies
  • the acoustic transducer must have high sensitivity as a receiver at the above discrete frequencies
  • the acoustic transducer must generate high oscillation power as an oscillator at the above discrete frequencies.
  • An acoustic transducer designed according to the invention which meets the above requirements and has at least one vibration element for emitting and / or receiving sound waves, which provides a coupling / decoupling surface and a rear side opposite this surface and which is enclosed in a housing unit, is characterized in that that the housing unit provides a first and a second end mass, which are arranged at a distance from one another, between which the vibration element is non-positively mounted such that the coupling / decoupling surface is at least partially covered by the first end mass and the back is at least partially covered by the second end mass. Furthermore, the first end mass is designed as a sound-transmitting base plate and has a pin-shaped extension.
  • the extension itself has a fastening element with which the extension can be attached to the rail track at least partially so as to protrude.
  • TB vibrations can be generated and detected in a rail in a particularly suitable manner.
  • the converter has an extremely wide bandwidth of approx. 40 kHz and can vibrate at discrete frequencies within a wide frequency range generate with high vibration power. Vibration is preferably excited at 1.7 kHz, 9.1 kHz, 12.6 kHz, 16.8 kHz, 18.6 kHz, 20.4 kHz, 26.7 kHz, 35.4 kHz and / or 37.2 kHz ,
  • the acoustic transducer has a high detection sensitivity at these discrete frequencies.
  • the transducer which can be mounted on the rail web serves as a torsional bending oscillator and preferably has a piezo element as an oscillating element, which is designed in a particularly preferred manner in the form of a piezoceramic block.
  • the vibration element is composed of at least two piezoceramic disks.
  • the use of a plurality of piezoceramic disks, which are stacked together and are electrically connected in parallel with one another, is very particularly suitable. In this way, large vibration amplitudes can be generated at low frequencies.
  • a further, particularly preferred embodiment provides that the pin-like extension is designed in such a way that an adaptation layer can be introduced between the base plate and the rail track.
  • At least one acoustic adaptation disk in the form of a perforated disk can preferably be attached to the extension between the base plate and the rail track.
  • the acoustic transducer according to the invention is characterized in that the piezoceramic block is deformed with respect to its height and width by corresponding electrical excitation, ie the block can be deformed both in the axial direction and in the radial direction.
  • the end faces of the thick piezoceramic block represent axially symmetrical bending surfaces with variable ones Bending profile and cross section. In this way, longitudinal, transverse and bending vibrations can be transferred to the final dimensions of the housing.
  • the piezoceramic block is preferably preloaded with four bolts between the end masses of the housing unit. In this way, the piezoceramic block clamped between the two final masses forms a dynamic vibration system with which both bending and longitudinal vibrations can be generated.
  • an acoustic transducer designed in this way can produce particularly strong vibration resonances within a rail track.
  • the converter has a high detection sensitivity when used as a receiver.
  • end plates of the piezoceramic block have corresponding longitudinal dimensions and are combined with end dimensions that have adapted longitudinal stiffnesses, strong resonances can be formed in the case of longitudinal vibrations and the transducer can thus also be used as a so-called composite oscillator.
  • the at least one adjustment disk consists of a soft metal. Aluminum, copper and / or brass are preferably suitable for this. If more than one adaptation disk is fastened between the rail web and the acoustic transducer, these disks preferably have a differently graduated outer diameter. It is particularly suitable here to design or close the adjustment disks in this way mount so that the outer diameter of the adjustment washers decreases from the acoustic transducer to the rail web.
  • the use of the above-described acoustic transducer is particularly suitable for examining a rail track, in particular a rail track with regard to defects and / or thermal stresses.
  • the acoustic transducer is attached to the rail track in such a way that torsional bending vibrations are excited along the rail track, and that TB vibrations propagating along the rail track are decoupled or detected by means of the or another acoustic transducer, the wave properties of which are used to examine the rail track are suitable.
  • Fig. 1 side view of a rail track, with acoustic transducers
  • FIG. 2 sectional view of a rail
  • Fig. 3 rail with attached acoustic transducer
  • Fig. 4 vibration states of an acoustic transducer designed according to the invention. WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
  • a rail track 1 is shown in longitudinal section, which is firmly connected to a plurality of rail sleepers 16, each of which represents individual fastening points.
  • individual rail tracks have one-piece, continuous rail track lengths of between 2 and 3 km, so that two adjacent rail tracks adjoin one another via joints 2.
  • suitable connecting elements 17 two adjacent rail tracks are usually fixed against one another, taking into account an expansion joint between the two rail joints 2.
  • acoustic transducers 3 are provided along the rail track 1 and are attached to the rail track 1 in such a way that 1 TB vibrations can be excited within the rail track.
  • the TB vibrations emitted by the acoustic transducer 3 are at least partially reflected both at the periodically recurring fastening points 5 of the rail sleepers 16 and at defects in the rail track 1.
  • the portions of the sound waves that are reflected, for example, at the attachment points 5 of the rail sleepers 16 are superimposed on the vibration portions of the sound waves that propagate along the rail track 1.
  • the detection of the TB vibrations propagating along the rail track 1 is likewise carried out with the acoustic transducers 3, which are each connected to a rail track 1 formed in one piece. In a suitable manner, an acoustic transducer 3 is mounted on a rail track 1 in the vicinity of a rail joint 2.
  • FIGS. 2a and b In order to get at least an approximate spatial idea of the vibration behavior of a rail track in which torsional bending vibrations are induced by means of an acoustic transducer, reference is made to FIGS. 2a and b.
  • the rail track 1 can be subdivided into three body parts which can be distinguished from one another, the rail foot 6, the rail web 7 and the rail head 8. To clarify this spatial subdivision, FIG.
  • the rail web 7 begins to deform relative to the solid rail head 8 and the rail foot 6, which is fixed in any case at least at the fastening points 5, by periodic formation of one or more antinodes.
  • the rail web 7 is to be placed in higher harmonic vibration states, in addition to a resonant basic vibration, as shown in FIG.
  • the rail track is regarded as a dynamic, non-linear system which is composed of three non-linearly coupled transmission lines, which are formed by the rail head 8, the rail web 7 or the rail foot 6.
  • the rail head 8 the rail web 7 or the rail foot 6.
  • the rail track 1 With high temperature fluctuations arise considerable pressure and tensile forces within the rail track 1, which can cause additional, periodically occurring changes in both the acoustic properties and the shape of the rail profile and a change in state at the fastening points.
  • Such deformations of the rail track 1 lead to a change in the propagation speed of the TB modes, to changes in the nonlinear interaction between the vibrating rail web, head and foot and to a change in the amplitude-dependent reflection factor at the fastening points.
  • FIG. 3 shows an acoustic transducer 3 according to the invention, which is detachably fixed to a rail web 7 of a rail track 1 via a transducer extension 9.
  • a bore is provided in the region of the rail web 7, through which the transducer extension 9 can be passed.
  • the acoustic transducer 3 has two end masses 10, 11, which are designed in the form of a base plate 11 facing the rail web 7 and a head plate 10 facing away from the rail web 7.
  • a piezo element in the form of a piezoceramic block 14 is clamped between the base plate 11 and the top plate 10 and executes the vibrations required for the excitation of ultrasonic waves.
  • the necessary clamping force to securely clamp the piezoceramic block between the base and top plate is achieved with the help of clamping screws 13.
  • the coupling of the sound waves generated by the acoustic transducer 3 into the rail track 1 takes place with the aid of an adaptation layer 12.
  • the adaptation layer 12 is implemented by a large number of adaptation disks 15 which are located between the base plate 11 and the rail web 7 are arranged.
  • the adaptation disks 15 are designed in the form of perforated disks, the outer diameters of which gradually decrease towards the rail web 7.
  • FIG. 3b shows an alternative embodiment of the acoustic transducer, in which the adaptation layer 12 is designed in the form of a single adaptation disc 15, which is arranged between the base plate 11 of the acoustic transducer 3 and the rail web 7.
  • Both embodiments of the adaptation layer 12 guarantee effective coupling of the vibrations generated by the piezoceramic block 14 into the rail track 1.
  • FIG. 4 also shows an acoustic transducer 3 according to the invention, which is attached to the rail web 7 of a rail track 1.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c show acoustic transducers 3 fastened to a rail web 7 of a rail track 1, each of which performs different vibrations. Depending on the selected vibration frequency, acoustic transducers 3, which perform bending, longitudinal or torsional vibrations, can generate TB vibrations within the rail track 1.
  • FIG. 4a shows the deformation of the acoustic transducer 3 in the axial direction A, by means of which a change in the bending shape of the acoustic transducer 3 is achieved.
  • the maximum vibration amplitude lies at the center of the basic as well as the
  • FIG. 4b shows a transverse deformation Q running perpendicular to the axial direction, by means of which the acoustic transducer 3 changes its shape in the radial direction.
  • the block dimension in the radial direction is also changed by the transverse deformation shown in FIG. 4b.
  • An acoustic transducer 3 designed in this way is capable of carrying out intensive longitudinal vibrations. If the acoustic transducer executes longitudinal vibrations with a suitable frequency, preferably 37.2 kHz, then in this case too, intensive TB vibrations are to be excited within the rail track.
  • Figure 4c finally shows the superposition of bending and longitudinal vibrations. If these two different vibrations are superimposed, the acoustic transducer executes 3 torsional vibrations T. As soon as an acoustic transducer 3, which executes these torsional vibrations, is attached to the rail web 7 of a rail track 1 and is preferably excited with a frequency of 1.7 kHz, 1 TB vibrations are generated within the rail track. If, in addition, the end plates of the piezoceramic block are selected such that these plates have a high degree of inertia and at the same time the rigidity of the base and top plates is selected to match this inertia, strong resonances can be generated in the case of bending vibrations.

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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. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schallwelleneinkopplung längs des Schienenstegs derart erfolgt, dass Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) mit wenigstens einer bestimmten Übertragungsfrequenz f längs des Schienenstranges angelegt werden, dass innerhalb längs des Schienenstrangs ausgebreitete TB­Schwingungen mittels des ohne eines weiteren akustischen Wandlers ausgekoppelt werden, und dass deren Welleneigenschaften zur Untersuchung des Schienenstrangs herangezogen werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ULTRASCHALLUNTERSUCHUNG EINES SCHIENENSTRANGS HINSICHTLICH FEHSTELLEN
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.
Darstellung der Erfindung
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 15 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. 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 vorzugsweise derart generiert, dass mindestens zehn Impulse in eine Schwingungsperiode derTB- 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:
Figure imgf000009_0001
Hierbei gelten: n: Ordnungszahl der Torsions-Biegeschwingung, die den Mode angibt,
Vpn : 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:
2 - L n =
Hierbei gilt:
λn: 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 fn nicht nur die eingekoppelte TB-Schwingung als Signal bei der Frequenz fn registriert, sondern darüber hinaus auch höhere harmonische Schwingungen mit Frequenzen 2fn, 3fn ... 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 fn und fn-i anzuregen. Auch in diesem Fall sind nicht nur die Signale mit den Frequenzen fn, fn-ι registrierbar, sondern auch höhere und tiefere kombinationsharmonische Schwingungen bei Frequenzen (fn + fn-ι) sowie (fn - fn-i)- In gleicherweise 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. 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 einerweiteren 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 stapeiförmig aneinander gefügt und elektrisch parallel miteinander verschaltet sind. Auf diese Weise können große Schwingungsamplituden bei niedrigen Frequenzen erzeugt werden.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der stiftartige Fortsatz derart ausgebildet ist, dass zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang eine Anpassungsschicht einbringbar ist. Vorzugsweise ist an dem Fortsatz zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang wenigstens eine akustische Anpassungsscheibe in Form einer Lochscheibe befestigbar. 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 Axialais 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 Längssteif igkeiten verfügen, können starke Resonanzen bei Längsschwingungen ausgebildet werden und der Wandler somit auch als so genannter Verbundschwinger eingesetzt werden.
In einerweiteren 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:
Fig. 1 Seitenansicht eines Schienenstrangs, mit akustischen Wandlern;
Fig. 2 Schnittdarstellung einer Schiene;
Fig. 3 Schiene mit daran befestigtem akustischem Wandler; und
Fig. 4 Schwingungszustände eines erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen Wandlers. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 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 AusbreitungseigenschaftenS/on 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 Figuren 2 a und b 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 Figur 2 zwei Querschnittdarstellungen durch o 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 Figur 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, -köpf 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 4 ist ebenfalls ein erfindungsgemäßer akustischer Wandler 3 dargestellt, der am Schienensteg 7 eines Schienenstranges 1 befestigt ist.
In den Figuren 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 Figur 4a zeigt die Verformung des akustischen Wandlers 3 in Axialrichtung A, durch die vor allem eine Biegeformänderung des akustischen Wandlers 3 realisiert o 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 kombihationsharmonische Schwingungen mit den Frequenzen fn-ι,fn und bis fn+i realisierbar.
In Figur 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 Figur 4a dargestellten Axialverformung, die lediglich die Länge des Piezoelementes verändert, wird durch die in der Figur 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 Figur 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 dieoEndplatten 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.
Bezugszeichenliste
Schienenstrang Schienenstoß akustischer Wandler TB-Schwingung Befestigungspunkte der Schwellen Schienenfuß Schienensteg Schienenkopf Wandlerfortsatz Kopfplatte Grundplatte Anpassungsschicht Spannschrauben Piezokeramischer Block Anpassungsscheiben Schienenschwellen Verbindungselement

Claims

Patentansprüche
1. 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 akustischen Kontakt befindlichen Schwingungswandlers in den Schienenstrang eingekoppelt und zu Zwecken einer Auswertung ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelleneinkopplung längs des Schienenstegs derart erfolgt, dass Torsions-Biegeschwingungen (TB-Schwingungen) mit wenigstens einer bestimmten Übertragungsfrequenz f längs des Schienenstranges 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Untersuchung des Schienenstrangs thermische Spannungen innerhalb des Schienenstrangs detektiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schallwelleneinkopplung ein Anregungsimpuls verwendet wird, dessen zeitliche Dauer wenigstens zehn Mal so lang wie eine Schwingungsperiode der TB-Schwingungen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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:
Figure imgf000026_0001
mit: n: Ordnungszahl der Torions-Biegeschwingung, die den Mode angibt, Vpn: Phasengeschwindigkeit für die Übertragungsfrequenz der Torsions- Biegeschwingung, L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten Schienenstrangbefestigungen gleich bedeutend mit Schienenstrangschwellen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ordnungszahl n für den TB-Mode in nachstehenderweise ermittel wird:
2 - L n = n. mit:
Λn: Wellenlänge der Torsions-Biegeschwingung,
© L: Abstand zwischen periodisch längs des Schienenstrangs verteilten
Schienenstrangbefestigungen gleich bedeutend mit
Schienenstrangschwellen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines feuchten, nassen, Schnee- oder Eisbedeckten Schienenstrangs TB-Schwingungen mit Ubertragungsfrequenzen f kleiner als 5 kHz, vorzugsweise 1 ,7 kHz und im Falle eines trockenen Schienenstranges TB- Schwingungen mit Ubertragungsfrequenzen f größer 10 kHz, vorzugsweise zwischen 16 und 19 kHz angeregt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schienenstrang zumindest zwei TB- Schwingungen mit unterschiedlichen Ubertragungsfrequenzen f angeregt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schienenstrang zumindest eine TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz fι=16,8 kHz und wenigstens eine TB-Schwingung mit einer Übertragungsfrequenz f2=18,6 kHz angeregt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als periodisch auftretende, nichtlineare Inhomogenitäten Verformungen, Befestigungspunkte und/oder Stoßstellen des Schienenstrangs berücksichtigt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , 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.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Untersuchung des Schienenstrangs die Welleneigenschaften der im Schienenkopf, im Schienensteg und/oder im Schienenfuß angeregten TB-Schwingungen ausgewertet werden.
15. 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 befestigbar ist.
16. Akustischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement ein Piezoelement, insbesondere ein piezokeramischer Block ist.
17. Akustischer Wandler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement ein Piezoelement ist, das aus wenigstens zwei piezokeramischen Scheiben zusammengesetzt ist.
18. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz derart ausgebildet ist, dass zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang eine Anpassungsschicht einbringbar ist.
19. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz derart ausgebildet ist, dass zwischen der Grundplatte und dem Schienenstrang wenigstens eine Anpassungsscheibe in Form einer Lochscheibe befestigbar ist.
20. Akustischer Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsscheibe aus einem weichen Metall, vorzugsweise Aluminium, Kupfer und/oder Messing, gefertigt ist.
21. Verwendung des Akustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 15 bis 20, 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.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2975359A1 (fr) * 2011-05-20 2012-11-23 Sncf Systeme de mesure dynamique de la charge des roues d'un train
CN103675099A (zh) * 2013-12-16 2014-03-26 杭州浙大精益机电技术工程有限公司 基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法
WO2015178868A1 (en) * 2014-05-22 2015-11-26 Gokmen Sabri Haluk System which senses rail fractures and cracks through the method of reflection
CN106442734A (zh) * 2016-09-29 2017-02-22 中国人民解放军91872部队 一种小型不规则铸件声谱无损检测装置及检测方法
CN106442730A (zh) * 2016-11-03 2017-02-22 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种钢轨焊缝超声波检测装置及检测方法
CN108548870A (zh) * 2018-04-20 2018-09-18 株洲时代电子技术有限公司 一种带磨耗补偿的自动对中控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4922754A (en) * 1989-03-17 1990-05-08 Kennametal Inc. Acoustic emission transducer and mounting adapter for monitoring metalcutting tools
US5176034A (en) * 1985-02-19 1993-01-05 J. W. Harley Inc. Ultrasonic transducer
US5492014A (en) * 1994-01-03 1996-02-20 J. W. Harley Inc. Ultrasonic transducer for monitoring acoustic emissions
DE19826421C1 (de) * 1998-06-16 2000-03-09 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene
GB2371623A (en) * 2001-01-26 2002-07-31 David Nathaniel Alleyne Inspection of non axi-symmetric elongate bodies

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5176034A (en) * 1985-02-19 1993-01-05 J. W. Harley Inc. Ultrasonic transducer
US4922754A (en) * 1989-03-17 1990-05-08 Kennametal Inc. Acoustic emission transducer and mounting adapter for monitoring metalcutting tools
US5492014A (en) * 1994-01-03 1996-02-20 J. W. Harley Inc. Ultrasonic transducer for monitoring acoustic emissions
DE19826421C1 (de) * 1998-06-16 2000-03-09 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis eines Defekts einer Führungsschiene
GB2371623A (en) * 2001-01-26 2002-07-31 David Nathaniel Alleyne Inspection of non axi-symmetric elongate bodies

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2975359A1 (fr) * 2011-05-20 2012-11-23 Sncf Systeme de mesure dynamique de la charge des roues d'un train
WO2012160461A1 (fr) * 2011-05-20 2012-11-29 Societe Nationale Des Chemins De Fer Francais Sncf Systeme de mesure dynamique de la charge des roues d'un train
CN103675099A (zh) * 2013-12-16 2014-03-26 杭州浙大精益机电技术工程有限公司 基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法
WO2015178868A1 (en) * 2014-05-22 2015-11-26 Gokmen Sabri Haluk System which senses rail fractures and cracks through the method of reflection
CN106536318A (zh) * 2014-05-22 2017-03-22 萨布里·哈鲁克·高克曼 通过反射的方法感测轨道断裂和裂纹的系统
US10384699B2 (en) 2014-05-22 2019-08-20 Sabri Haluk Gokmen System which senses rail fractures and cracks through the method of reflection
CN106442734A (zh) * 2016-09-29 2017-02-22 中国人民解放军91872部队 一种小型不规则铸件声谱无损检测装置及检测方法
CN106442730A (zh) * 2016-11-03 2017-02-22 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种钢轨焊缝超声波检测装置及检测方法
CN106442730B (zh) * 2016-11-03 2024-03-08 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种钢轨焊缝超声波检测装置及检测方法
CN108548870A (zh) * 2018-04-20 2018-09-18 株洲时代电子技术有限公司 一种带磨耗补偿的自动对中控制方法

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