Ultraschall-Messtechnik
Lückenlose Qualitätsprüfung im Akkord
Eisenbahnräder müssen höchsten Anforderungen genügen. Entsprechend umfangreich sind die Maßnahmen zur Qualitätssicherung. Üblich sind bislang manuelle Ultraschall-Prüfungen. Eine vollautomatische Radprüfanlage setzt hier neue Maßstäbe hinsichtlich Präzision, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit.
Radlasten von über elf Tonnen sowie Laufleistungen jenseits der 600 000-km-Marke sind selbst für Eisenbahnräder eine Herausforderung. Darüber hinaus stellen hohe dynamische Belastungen an Rädern und Wellen von Hochgeschwindigkeitszügen eine extreme Belastungsprobe für diese Verschleißteile dar. Deshalb ist die einwandfreie Qualität des verwendeten Rohmaterials ein entscheidender Faktor für die Haltbarkeit und zuverlässige Funktion der Räder.
Nachdem das Rad in die Haltevorrichtung eingelegt ist, wird dessen korrekter Sitz kontrolliert. Anschließend beginnt die Prüfung des Rohlings im Wasserbecken per Ultraschall-Phased-Arrays.
© Parker HannifinDurch den weltweiten Ausbau des Schienenverkehrs sowohl für die Personenbeförderung als auch für den Gütertransport steigt vor allem in den expandierenden BRIC-Staaten (Brasilien, Indien, China) die Nachfrage nach dem so genanntem „rollenden Material“. Parallel dazu wächst der Bedarf an einer prozesssicheren Fertigungsprüfung, das heißt eine umfassende Qualitätskontrolle mit einer lückenlosen Dokumentation sämtlicher Prüfschritte. Darüber hinaus ist Schnelligkeit gefragt: Große Produktionswerke fertigen bis zu 500 000 Räder pro Jahr, die als gedrehte Rohlinge vor ihrer Endbearbeitung auf Materialmängel geprüft werden müssen. Da die einzelnen Produktionsschritte kurz getaktet und exakt aufeinander abgestimmt sind, darf die Materialprüfung nicht zum sprichwörtlichen Flaschenhals werden.
Vor allem das Erkennen von Materialfehlern im Inneren verlangt eine präzise und zuverlässige Prüftechnik. Die Normen EN 13262 und ISO 5948 beschreiben detailliert, wie Eisenbahnräder für Güter-, Regional- und Hochgeschwindigkeitszüge zu qualifizieren sind. Unter anderem muss die innere Fehlerfreiheit durch automatische Verfahren festgestellt werden, beispielsweise per Ultraschall-Prüfung.
Entsprechende Prüfsysteme fertigt die Firma NDT Systems & Services in Stutensee bei Karlsruhe. Das international aufgestellte Unternehmen hat für einen chinesischen Hersteller von Eisenbahnrädern eine neuartige Radprüfanlage entwickelt. Die Anforderung: eine Prüfzeit von 60 bis 90 Sekunden pro Rad einschließlich Be- und Entladen der Prüfeinheit. Ein ambitioniertes Ziel, denn selbst kleinste Unregelmäßigkeiten im Bereich von 1 mm müssen erkannt und dokumentiert werden. Die Mess-Ergebnisse entscheiden nämlich, ob sich ein Rohling als Rad für Güter-, Personenverkehr oder „High-Speed“-Züge eignet. Im Hochgeschwindigkeitsbereich müssen selbst kleinste innere Fehler mit einer Prüfempfindlichkeit entsprechend einem Kreisscheibenreflektor von 1 mm Durchmesser (KSR 1) detektiert beziehungsweise ausgeschlossen werden. Konkret entspricht das Materialfehlern in der Größe von etwa 1 mm. Darüber hinaus muss die Messmaschine in der Lage sein, selbst unterschiedliche Radgrößen zuverlässig zu laden und zu prüfen.
Um die spezifischen Entwicklungsvorgaben im Bereich Be- und Entladen sowie einer schnellen automatischen Prüfung umsetzen zu können, holten sich die Messtechnik-Experten zwei Partner an Bord: das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfung (IZFP), das die Prüftechnik sowie die dazugehörige Software entwickelte, sowie den Geschäftsbereich Origa von Parker Hannifin. Parker stellt bei der NDT-Applikation neben den Linearantrieben die Motoren und Servo-Controller.
Da die Ultraschall-Inspektion der Radkränze unter Wasser erfolgt und auch bei der Prüfung der Radnaben permanent Wasser als Koppelmedium für die Übertragung der Ultraschallwellen in den Stahl fließt, muss die gesamte Antriebstechnik der Schutzart IP 54 entsprechen.
Speziallösung in sechs Monaten entwickelt
Parker Hannifin installierte die Steuerungs- und Antriebstechnik – insgesamt sechs elektrische Linearachsen.
© Parker HannifinDie reine Entwicklungszeit für die Anlage, die Eisenbahnräder nach allen gängigen Normen weltweit prüfen kann, betrug rund sechs Monate. Entstanden ist eine Maschine, hinter deren unscheinbarer Fassade sich modernste Ultraschall-Technologie verbirgt. Die bis zu 1,2 t schweren Räder werden im Minutentakt in die Haltevorrichtung von Parker eingelegt. Anschließend prüft ein federnd gelagerter Prüfkopf den korrekten Sitz des Rades, bevor es in das Wasserbecken der Anlage eingetaucht wird.
Dies stellt die perfekte Positionierung der Räder auch bei unterschiedlichen Durchmessern sicher. Insgesamt kann das Prüfsystem den Positionierantrieben bis zu 1000 unterschiedliche Radgeometrien vorgeben. Da die Geschwindigkeit von Schallwellen von der Wassertemperatur abhängt, wird diese erfasst und in den Prüf-Algorithmen berücksichtigt.
Die vollautomatische Prüfanlage detektiert Materialfehler an Radrohlingen innerhalb von 30 Sekunden bei einer einzigen Radumdrehung; inklusive Positionierung der Räder dauert die Kontrolle lediglich eine Minute.
© Parker HannifinDie eigentliche Innovation findet sich ebenfalls im Wasserbecken: Für die Radkranzprüfung brachte NDT erstmals die Gruppenstrahler-Technik (Phased-Arrays) zum Einsatz. Diese ermöglicht es, die gesamte Prüfung während lediglich einer Radumdrehung durchzuführen. Bislang waren dazu bis zu zehn Umdrehungen erforderlich.
Insgesamt zwei Phased-Arrays sind in einem Abstand von jeweils 4 cm radial und axial unter der Wasserlinie angebracht. Jedes Array besteht wiederum aus 128 Prüf-Elementen. Die Inspektion der Radnabe erfolgt ebenfalls über ein Array von Ultraschall-Prüfköpfen, die die Nabe beidseitig abtasten.
Bei einer bereits konzipierten Offline-Anlage, die zusätzlich die komplette Radscheibe prüft, wird mit so genannten „Squirtern“ gearbeitet, die ein Roboter entsprechend der Prüfroutinen und der Scheibengeometrie an rund 30 Stellen positioniert. Bei dieser Anlage erfolgt die Einleitung des Ultraschalls in die Radscheibe über einen laminaren Wasserstrahl.
Kompletter Prüfablauf in 60 Sekunden
Phased-Array-Sensoren detektieren an den Rad-Rohlingen kleinste Materialfehler, die von der Auswertesoftware lückenlos dokumentiert und archiviert werden.
© Parker HannifinBei der Online-Anlage zur Kontrolle von Radkranz und Radnabe benötigt das Messsystem für die eigentliche Prüfung des Rohlings lediglich 30 Sekunden, inklusive Anstellung und Lösen des Rades eine Minute. Somit wurden mithilfe der Antriebs- und Steuerungstechnologie von Parker – insgesamt sechs elektrische Linearantriebe – die Maximalanforderungen des Kunden hinsichtlich Schnelligkeit umgesetzt. Das verwendete Linear-System OSP-E fährt die Ultraschallsensoren mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,5 mm an die gewünschten Positionen.
Vor der Auslieferung wurde die Anlage bei NDT umfangreichen Tests unterzogen. Dazu stellte der chinesische Kunde drei Testräder in verschiedenen Größen zur Verfügung, deren Referenz-Reflektoren (Testfehler) manuell eingebracht und sorgfältig dokumentiert waren. Ziel der Testreihe war es, diese Unregelmäßigkeiten innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens zu identifizieren. Zur Zeit wird die Anlage in China montiert und eingerichtet. „Mit dieser Entwicklung haben wir im Bereich Radsatzprüfung einen großen Schritt nach vorne gemacht“, so Andreas Sauter, verantwortlicher Projektleiter bei NDT. Vorher wurden viele dieser Prüfungen manuell oder mit anderen Technologien durchgeführt. Diese mit Parker realisierte Lösung reduziert den mechanischen Aufwand erheblich; außerdem erfolgt eine sehr viel zuverlässigere Qualitätssicherung.
Die Datenhaltung erfolgt zunächst auf einem lokalen RAID-1-Festplattensystem. Parallel dazu werden sämtliche Prüf-Ergebnisse über eine Ethernet-Schnittstelle zu einem gesicherten Langzeitarchiv des Kunden übertragen. Zu jedem einzelnen Prüfling erstellt die Software einen Report als PDF-Dokument. Dabei erfolgt die Visualisierung der aufgezeichneten Messdaten über die Offline-Version der Auswertesoftware auf einem PC.
Autor: Rochus Bindner ist Leiter Produktmanagement & Marketing bei der Firma Parker Hannifin, PDE-Origa in Filderstadt.
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