Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken

Geschäftsführender Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Randolf Hanke

Ansprechpartner Allianz Verkehr: Prof. Dr.-Ing. Bernd Valeske

Das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) befasst sich mit den physikalischen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung, der Charakterisierung von Werkstoffen und mit der Kontrolle und Überwachung von Fertigungsprozessen und Anlagenkomponenten.

In der Industrie werden unsere Arbeitsergebnisse überall dort eingesetzt, wo sicherheitstechnische Aussagen und Qualitätsnachweise gefordert sind. Unsere methodische Kompetenz umfasst die physikalischen Verfahrensgrundlagen, Sensorik, Gerätebau, Handhabungstechniken, Techniken zur Ergebnisbewertung und Dokumentation sowie die Qualifizierung und Validierung neuer Prüfanwendungen und Prüfgeräte einschließlich Gerätewartung, Schulung und Prüfdienstleistungen.

Seit etwa 30 Jahren forscht das IZFP auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung im Bereich der Schienenverkehrstechnik. Auf der Grundlage der Forschungsergebnisse wurden Verfahren und Systeme speziell zur Prüfung von Rädern im Bereich der Fertigung sowie zur Prüfung von Rädern und Radsatzwellen an gefügten Radsätzen im Bereich der leichten und schweren Instandhaltung entwickelt. Diese Systeme sollen Materialfehler, wie z.B. Risse, in Rädern und Radsatzwellen auffinden oder den Eigenspannungszustand im Radkranz von klotzgebremsten Radsätzen charakterisieren. Die Entwicklung dieser Systeme erfolgte in vielen Fällen in Zusammenarbeit mit Partnern von anderen Fraunhofer-Instituten und der Industrie. Sie haben sich im harten Industrieeinsatz in Fertigungsbetrieben und Instandhaltungswerken bei zahlreichen Kunden im In- und Ausland bewährt.

Im Folgenden werden Beispiele für Einrichtungen zur Prüfung von Rädern und Radsatzwellen gezeigt.

AURA - Automatische Radsatzprüfanlage

© Fraunhofer IZFP

Prüfeinrichtung für Räder und Vollwelle im Werk Kaiserslautern der EuroMaint Rail GmbH

Mit der Automatischen Radsatzprüfanlage AURA, die 1998 im Werk Nürnberg der DB AG in Betrieb ging, wurde ein neuer Prüfsystemstandard eingeführt. Diese vollautomatisierte Ultraschallprüfanlage für ausgebaute Eisenbahnradsätze wurde vom IZFP gemeinsam mit der Technologie-Entwicklungsgruppe TEG (heute Fraunhofer IPA) entwickelt und in den Dauerbetrieb überführt. Trotz eines wesentlich erhöhten Prüfumfangs konnte die Zeit zur Prüfung beider Räder eines Radsatzes gegenüber der bis zu diesem Zeitpunkt üblichen manuell durchgeführten Prüfung wesentlich reduziert werden. Die Anlage wurde für die Prüfung von Radkranz und Radscheibe konzipiert und soll Materialfehler wie Risse in den Oberflächen sowie Innenfehler detektieren. Die Ultraschallprüfung erfolgt in Intervallen von 500.000 km nach dem Reprofilieren der Radlaufflächen. Durch die enorme Reduzierung von Prüfzeiten bietet diese automatisch arbeitende Anlage neben kürzeren Stillstandszeiten der Züge mehr Sicherheit bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit. Insgesamt wurden sieben AURA-Anlagen an Instandhaltungswerke der DB AG ausgeliefert.

Eine Weiterentwicklung der AURA-Anlagen kombiniert die Verfahren Ultraschall und Wirbelstrom, wobei die Wirbelstromprüfung zur Detektion von Rissen in der Lauffläche der Eisenbahnräder eingesetzt wird. Diese Prüfung ist speziell zur Prüfung von Radsätzen von Güterwagen erforderlich, da diese klotzgebremst sind.

Das folgende Bild zeigt eine Prüfeinrichtung für Güterwagenradsätze, die bei EuroMaint Rail GmbH, Werk Kaiserslautern, im Einsatz ist. Mit der Prüfanlage werden die Räder mittels Wirbelstrom auf Risse in der Radlauffläche und mittels Ultraschall auf Risse und Innenfehler im Radkranz geprüft. Zusätzlich ermöglicht diese Anlage die Prüfung der Vollwelle auf Oberflächenrisse, die als Querfehler auftreten. Zur Wellenprüfung wird die Gruppenstrahlertechnik eingesetzt, wodurch die Prüfung aller relevanten Bereiche der Welle durch das Schwenken des Schallfeldes während einer einzigen Umdrehung des Radsatzes erfolgen kann. Die letzte dieser Anlagen der neuen Generation steht bei dem privaten Anbieter SRS Süddeutsche Rail Service GmbH in Kaiserslautern. Sie ist modular aufgebaut und prüft die Räder mit modernster Ultraschall- und Wirbelstrom-Frontend-Elektronik und die Radsatzwellen mittels eines Ultraschall-Phased-Array-Systems (siehe Bild) in einem Arbeitsgang. Die vollständige Prüfung von Rädern und Vollwelle dauert ca. 5 Minuten.

UFPE - Unterflurprüfeinrichtung

© Fraunhofer IZFP

Unterflur-Prüfeinrichtung während der Vorbereitung zum Einsatz

Um die in Intervallen von ca. 240 000 km vorgeschriebene Ultraschallprüfung der Radsätze von ICE Hochgeschwindigkeitszügen kostengünstig und effektiv durchführen zu können, wurde unter der Federführung der DB Systemtechnik in Brandenburg-Kirchmöser gemeinsam mit Fraunhofer TEG ein Ultraschallprüfsystem entwickelt, mit dem die Radsätze direkt am Zug, also im eingebauten Zustand geprüft werden können. Dies bringt vor allem bei den angetriebenen Radsätzen des ICE-T und des ICE 3 Vorteile, da bei diesen Zügen der Ausbau der Radsätze mehrere Stunden dauert. Die Verweildauer der Züge in den Instandhaltungswerken wird durch die Unterflurprüfung drastisch reduziert.

Die Vorrichtung wird unter dem Zug in einem Wartungsgleis verfahren und an dem zu prüfenden Radsatz positioniert. Der Radsatz wird anschließend mit Hilfe einer Aushebe- und Durchdreheinheit angehoben; dann werden die Prüfkopfsysteme an die Prüfflächen der Räder angefahren und während einer Radumdrehung die Ultraschallprüfung durchgeführt. Die Prüfung umfasst den Radkranz und die Radscheibe. Je nach Zugtyp und Zugänglichkeit der Räder werden einschließlich aller Rüstzeiten ca. 30 bis 45 Minuten für die Prüfung eines Radsatzes benötigt. Die eigentliche Ultraschalldatenaufnahme ist innerhalb von ca. 2 Minuten abgeschlossen.

Die erste Unterflurprüfeinrichtung wurde im Jahr 2001 im ICE-Werk München Hauptbahnhof in Betrieb genommen, gefolgt von Systemen, die an die ICE-Werke Berlin, Frankfurt und Hamburg ausgeliefert wurden.

AUROPA – Prüfung der Laufflächen von Eisenbahnrädern beim Überrollen einer Prüfstrecke

© Fraunhofer IZFP

AUROPA-Prüfgleis, auf dem die Radsätze beim Überrollen geprüft werden

AUROPA ist ein Ultraschallprüfsystem zur automatisierten Erkennung von Schädigungen, wie rissartigen Fehlern und Ausbröckelungen im Bereich der Lauffläche von Eisenbahnrädern. Da solche Fehler zum Versagen des Radsatzes führen können, müssen sie zu einem möglichst frühen Zeitpunkt erkannt werden. Dazu muss die Prüfung so oft wie möglich durchgeführt werden, was wirtschaftlich nur möglich ist, wenn der Zug während der Fahrt geprüft werden kann. Der Fehlernachweis geschieht mittels elektromagnetisch angeregten Rayleighwellen, die sich in Umfangsrichtung entlang der Lauffläche ausbreiten. Die Ultraschallwandler sind in den Schienenkopf integriert, die Prüfung erfolgt während der Zug mit einer Geschwindigkeit von bis zu 15 km/h über die Prüfstrecke rollt.

AUROPA nutzt induktiv sendende und empfangende Ultraschall-Prüfköpfe, sogenannte EMUS-Prüfköpfe, mit denen eine trockene Ein- und Auskopplung des Ultraschalls während der nur wenige tausendstel Sekunden langen Kontaktzeit des Prüfkopfes mit dem überrollenden Rad erfolgt. Zur gleichzeitigen Prüfung beider Räder eines Radsatzes werden vier Prüfköpfe benötigt.

Wenn ein Zug die Prüfstrecke überfährt, detektieren optische Sensoren die zu prüfenden Räder und lösen den Ultraschallimpuls aus, der sich für einen Zeitraum von wenigen Millisekunden entlang der Radlauffläche ausbreitet und Umlaufechos erzeugt. Falls sich in der Lauffläche oder dicht unterhalb der Lauffläche eine Schädigung befindet, entstehen Zwischenechos, deren Amplitude zusammen mit der Schwächung der Umlaufechos zur Bewertung des Befundes ausgewertet wird.

AUROPA Überrollprüfsysteme befinden sich an vielen Orten der Welt im Einsatz, wobei die Implementierung der Systeme von Industriepartnern durchgeführt wird.

RWI – Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern mittels Ultraschall

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Doppelbeckenprüfanlage zur Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern in Nizhny Tagil, Russland

Gestiegene Anforderungen an Prüfeinrichtungen für die Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern hinsichtlich Prüfempfindlichkeit und Prüfgeschwindigkeit erforderten die Entwicklung von Radprüfanlagen, die in der Lage sind, kleinste Materialfehler entsprechend einer Prüfempfindlichkeit vergleichbar einem Kreisscheibenreflektor mit einem Durchmesser von 1 mm aufzufinden und sehr kurze Taktzeiten von etwa 1 Minute für die Prüfung eines Rades zu realisieren.

Gemeinsam mit Fraunhofer TEG entwickelte das IZFP die RWI-Prüfanlagen (RWI: Rail Wheel Inspection), mit denen die genannten Anforderungen erfüllt werden können. Je nach Ausführung der RWI-Anlagen wird nur die Radkranzprüfung durchgeführt oder zusätzlich die Prüfung von Radnabe und Radscheibe, die auch häufig als Steg bezeichnet wird. Bei Bedarf kann auch der Spurkranz geprüft werden. Die Prüfanlagen erfüllen die strengen Anforderungen der Norm DIN EN 13262. Die Prüfung der Räder erfolgt in Tauchtechnik um eine sichere und konstante Einbringung des Ultraschalls in das zu prüfende Rad und hohe Prüfgeschwindigkeiten zu erreichen. Zur Abarbeitung des geforderten Prüfumfangs muss das Rad mehrmals gedreht werden, wobei bezogen auf den Messkreis Bahngeschwindigkeiten bis ca. 750 mm/s erreicht werden müssen. Bei Prüfanlagen einer neuen Generation, die mit Gruppenstrahler-Prüfköpfen arbeiten, genügt eine Umdrehung um die vollständige Prüfung eines Rades durchzuführen, wobei die Rotationsgeschwindigkeit jedoch nur ca. 100 mm/s beträgt. Die bei beiden Anlagenkonzepten erreichbare Kapazität von bis zu 1 Rad pro Minute gilt nur für die Prüfung von Radkranz und Radnabe. Soll die Radscheibe mitgeprüft werden, was nur bei der Qualifikation von neuen Radbauarten gefordert ist, wird zusätzliche Prüfzeit benötigt.

Die erste RWI-Anlage wurde Anfang 2002 beim Bochumer Verein Verkehrstechnik in Betrieb genommen. Mit dieser Anlage wird die Prüfung des Radkranzes von Vollrädern und Radreifen durchgeführt. Weitere Prüfanlagen für die Fertigungsprüfung von Rädern wurden an die Radsatzfabrik Ilsenburg und das Metallkombinat Nizhny Tagil in Russland geliefert. Bei diesen Anlagen ist zusätzlich zur Radkranzprüfung die Prüfung von Radnabe und Radscheibe möglich.

Das Bild zeigt die Anlage in Russland, die als Doppelanlage ausgeführt ist, um die Prüfkapazität von 1 Rad je Minute für die Radkranzprüfung zu erreichen. Zwei parallel arbeitende Transporteinheiten befördern die Räder zu einem freien Prüfbecken und wieder zurück in die Fertigungslinie.

UER – Messung der Eigenspannungen im Radkranz von Eisenbahnrädern

© Fraunhofer IZFP

UER Eigenspannungsmessgerät während des Messvorgangs

Räder von Eisenbahn-Güterwagen werden durch Anpressen von Bremsklötzen auf die Lauffläche gebremst. Durch die dabei eingebrachte Wärme wird der Eigenspannungszustand im Radkranz der Räder verändert; es entstehen Zugeigenspannungen in Radumfangsrichtung. Durch diese Zugspannungen können kleine Risse, die sonst ungefährlich wären, schnell wachsen und zum Bruch des Rades führen.

Das Ultraschallgerät zur Eigenspannungsmessung an Eisenbahn-Radkränzen (UER) ist ein automatisch arbeitendes Prüfgerät, das je nach Ausführungsform entweder für den stationären Werkstatt-Einsatz oder als portables Prüfgerät für den mobilen Prüfeinsatz entwickelt wurde.

Das Konzept des Gerätes basiert auf der präzisen Laufzeitmessung von transversal polarisierten Ultraschallwellen im Radkranz der Eisenbahnräder. Das UER-Gerät ist mit einem elektromagnetischen Ultraschallwandler (EMUS) ausgerüstet, dessen Funktion auf der Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld und dem Werkstoff beruht. Dabei wird die elektromagnetische Energie eines Wechselstromes in einer Hochfrequenzspule über die Lorentzkraft, die auf die im Material erzeugten Wirbelströme wirkt, in eine mechanische Welle umgewandelt.

Durch Anwendung dieser Technik wird die Einbringung von Ultraschall bei rauen und korrodierten Oberflächen auch ohne die Verwendung von sonst in der Ultraschallprüftechnik üblichen Koppelmitteln ermöglicht. Insbesondere ist auch die Erzeugung einer senkrecht eingeschallten Ultraschallwelle möglich, was mit konventionellen piezoelektrischen Prüfköpfen nur über spezielle Koppelmittel möglich ist, die für einen automatisierten Betrieb nicht geeignet sind. Die Ultraschallwelle durchläuft die Dicke des Radkranzes, wird an der äußeren Stirnfläche reflektiert und wieder vom elektromagnetischen Prüfkopf empfangen. Mit einem vom IZFP entwickelten Messverfahren wird die Ultraschallwelle detektiert und deren Laufzeit mit einer Genauigkeit von besser als zwei Milliardstel Sekunde gemessen. Die Messung der Ultraschall-Laufzeiten erfolgt bei schrittweiser Bewegung des Prüfkopfes entlang der Höhe des Radkranzes. Nach Drehen des Prüfkopfes wiederholt sich der Vorgang, jetzt für die um 90 Grad gedrehte Polarisationsrichtung der Transversalwelle.

Aus den gemessenen Laufzeiten und einer für das betreffende Material charakteristischen akusto-elastischen Konstanten, wird der Eigenspannungszustand im Radkranz berechnet.

Nach dem Start der Prüfung übernimmt die automatische Steuerung den vollständigen Messablauf bis hin zur Bewertung des Prüfergebnisses. Die gesamte Messung, die an nur an einer Umfangsposition des Radkranzes ausgeführt werden muss, dauert einschließlich An- und Abbau des Manipulators nur wenige Minuten.

Bereits Anfang der 90er Jahre wurden die ersten UER-Eigenspannungsmessgeräte an europäische Eisenbahnbetreiber ausgeliefert und schon drei Jahre später erfolgte die Festschreibung der Ultraschall-Eigenspannungsanalyse als eine von vier präventiven Überwachungsmaßnahmen für Güterwagenräder durch den Internationalen Eisenbahn-Verband UIC. Das Verfahren ist in der

Die Geräte werden im Rahmen der Instandhaltung aber auch zur Verifizierung von Druckeigenspannungen in Umfangsrichtung im laufflächennahen Bereich von neuen Eisenbahnrädern in der Produktion eingesetzt. Die Eigenspannungsmessung im Rahmen der Räderneufertigung ist in der Produktnorm EN 13262 vorgeschrieben.