8. Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen – Vortrag 16

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Schienenprüfung mit Phased Arrays

Thomas HECKEL *, Jessica KITZE *,

Wolf KLEINERT **, York OBERDÖRFER **

* BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

** GE Sensing & Inspection Technologies GmbH, Hürth

Kurzfassung

Die regelmäßige Ultraschallprüfung von Eisenbahnschienen ist ein fester Bestandteil des

Instandhaltungskonzeptes für das Schienennetz. Hier werden kontinuierlich zahlreiche

Prüfungen mit Prüfsystemen wie zum Beispiel dem Schienenprüfgerät (SPG) durchgeführt.

Bei diesen Untersuchungen stehen die Verortung und die Bestimmung der Fehlerlage und

der Schädigungstiefe im Vordergrund.

Beim Einsatz von konventionellen Prüfköpfen ist der Funktionsumfang begrenzt

durch die Anzahl der eingesetzten Sensoren bzw. der Kanalzahl des Prüfgeräts. Die

Möglichkeiten der Phased-Array-Technik bieten hier Vorteile, da der Funktionsumfang

elektronisch durch das Prüfgerät gesteuert werden kann. Ergänzt um einen Wegaufnehmer

bietet ein solches System zusätzlich die Möglichkeit, die Prüfergebnisse bildhaft

darzustellen.

Die Reichweite der Prüfsysteme hängt im Wesentlichen von dem Verbrauch des

mitzuführenden Wassers, welches für die Ankopplung verwendet wird, und von der

Akkulaufzeit des Ultraschallgerätes, die durch den programmierten Funktionsumfang

bestimmt wird, ab.

Eine Phased-Array-Prüfkopfanordung, die sowohl hinsichtlich ihres

Funktionsumfangs als auch ihres Koppelmittelverbrauchs optimiert worden ist, wird

vorgestellt. Im Vordergrund stehen hierbei die zusätzlichen Prüffunktionen, die durch den

Einsatz der Phased-Array-Technik ermöglicht werden.

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Schienenprüfung mit Phased Arrays

J. Kitze, T. Heckel, BAM, BerlinW. Kleinert, Y. Oberdörfer, GE Sensing & Inspection Technologies, Hürth

8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen, 18.-20.3.2014, Wittenberge, Vortrag 16

Handgeführte Schienenprüfung

Schienenprüfgerät SPG 2

Schienenprüfgerät SPG 3

2

0°

70°35°70° 55° 70°35°

70°55°

ca. 1

72 m

m

0°

0°70° 70°35° 35°

Prüfanordnung bei Prüfzügen

Einschallwinkel0°, 35°, 70°

Einschallwinkel0°, 35°, 55°, 70°

Einsatz von Phased Array Technik:

1. Entwurf eines neuen Prüfkopfkonzeptes- Reduzierung der Prüfkopfanzahl- Realsierung von verschiedenen Einschallwinkeln - Minimierung der Ankoppelfläche- Realisierung neuer Prüffunktionen

2. Integration eines Wegaufnehmers- Aufnahme und Speicherung von positionsbezogenen Prüfdaten- Bildhafte Darstellung von Prüfergebnissen- Verschiedenen Betriebsmodi möglich (z.B. A-Scan, B-Scan, Sektor-Scan)

für Such- und Analysetechnik

4. Vereinfachung des Handling bei der Prüfung- weniger Bedienelemente- weniger Koppelmittelverbrauch

Projektziele SPG PA-Kopf

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SP Senkrecht-SE-Prüfkopf 2x 8 Elemente, 3 MHz

WP1, WP2 Winkelprüfkopf je 16 Elemente, 3 MHzTranswelle 25° bis 75°

Prüfkopfaufbau SPG PA-Kopf

WP1 SP WP2

Prüfkopfaufbau - Detail

4

Prüffunktionen SPG PA-Kopf

WP1 SP WP2

70°55°

35°

70°55°

35°

0°

Fokussierung SE-Prüfkopf Winkelschwenk Winkelprüfkopf

Gerätesetup

HandprüfungPhasor XS

MechanisiertePrüfungCOMPAS-XXL

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Prüfung 0° mit Fokussierung

Schienenfuß

Bohrung

Übergang

60, 50, 40, 30 mm Fokustiefe

Prüfung mit Sector-Scan

Winkelschwenk WP1 Transversalwelle35° bis 70°Schrittweite 1°

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Mechanisierte Prüfung

Schienentestkörper (Skizze)

Länge 1000 mmHöhe 172 mmBohrungen 5 mmSägeschnitte 2 mm, sichelförmig

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WP1: 35° bis 75° in 1° Schritten WP2: -35°bis -75° in 1° SchrittenSP: 0° Fokusabstand 65 mm Messpunktabstand = 1mm

B-Bild Darstellung

Winkelauflösung 5°

WP1: +35°, +40°, +45°, +50°, +55°, +60°

WP2: -35°, -40°, -45°, -50°, -55°, -60°

SP: 0°

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Reduzierung der Messpunkte

B-Bild: -35°bis -75°; 0°; 35° bis 75° in 5° Schritten, Messpunktabstand = 5mm

B-Bild: -35°bis -75°; 0°; 35° bis 75° in 5° Schritten, Messpunktabstand = 10mm

Zusatzfunktion - TOFD

Einsatz von Longitudinalwellen:- Tiefenzone 1 86°- Tiefenzone 2 82°- Tiefenzone 3 78°- Tiefenzone 4 74°

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Versuchsaufbau - TOFD

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 mm

Messungen am Testkörper

86° 82° 78° 74°

6 mm8 mm

10 mm12 mm14 mm16 mm18 mm20 mm22 mm24 mm26 mm28 mm30 mm

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Risstiefenbestimmung

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 mm

Überlagerung von vier TOFD Prüffunktionen

Prüfkopfhalterung

MagneteKoppelmittelzuführungen

Koppelspalt

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Zusammenfassung

Online B-Bild-Darstellung derSchienenprüfung mit wenigenWinkelfunktionen und hohemMesspunktabstand

TOFD-Prüfung zur Bestimmungder Tiefe von senkrechtorientierten Fehlern im Schienenkopf

Optimierte Prüfkopfanordnungfür die geführte Datenaufnahmeim Schritttempo mit Ultraschall Phased Array Systemen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

J. Kitze, T. Heckel, BAM, BerlinW. Kleinert, Y. Oberdörfer, GE Sensing & Inspection Technologies, Hürth

Unser Dank gilt Herrn Brackrock (BAM) und Herrn Bruch (GE) für die Unterstützung bei den Messungen

8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen, 18.-20.3.2014, Wittenberge, Vortrag 16

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