Schienenprüfung mit Phased Arrays

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1 8. Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen Vortrag 16 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. Lizenz: 1

2 Schienenprüfung mit Phased Arrays J. Kitze, T. Heckel, BAM, Berlin W. Kleinert, Y. Oberdörfer, GE Sensing & Inspection Technologies, Hürth 8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen, , Wittenberge, Vortrag 16 Schienenprüfgerät SPG 2 Schienenprüfgerät SPG 3 Handgeführte Schienenprüfung 2

3 Einschallwinkel 0, 35, 70 Einschallwinkel 0, 35, 55, 70 ca. 172 mm Prüfanordnung bei Prüfzügen 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 3

4 WP1 SP WP2 SP WP1, WP2 Senkrecht-SE-Prüfkopf 2x 8 Elemente, 3 MHz Winkelprüfkopf je 16 Elemente, 3 MHz Transwelle 25 bis 75 Prüfkopfaufbau SPG PA-Kopf Prüfkopfaufbau - Detail 4

5 WP1 SP WP Fokussierung SE-Prüfkopf Winkelschwenk Winkelprüfkopf Prüffunktionen SPG PA-Kopf Handprüfung Phasor XS Mechanisierte Prüfung COMPAS-XXL Gerätesetup 5

6 Übergang Bohrung Schienenfuß 60, 50, 40, 30 mm Fokustiefe Prüfung 0 mit Fokussierung Winkelschwenk WP1 Transversalwelle 35 bis 70 Schrittweite 1 Prüfung mit Sector-Scan 6

7 Mechanisierte Prüfung Länge 1000 mm Höhe 172 mm Bohrungen 5 mm Sägeschnitte 2 mm, sichelförmig Schienentestkörper (Skizze) 7

8 WP1: 35 bis 75 in 1 Schritten WP2: -35 bis -75 in 1 Schritten SP: 0 Fokusabstand 65 mm Messpunktabstand = 1mm B-Bild Darstellung WP1: +35, +40, +45, +50, +55, +60 SP: 0 WP2: -35, -40, -45, -50, -55, -60 Winkelauflösung 5 8

9 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 Reduzierung der Messpunkte Einsatz von Longitudinalwellen: - Tiefenzone Tiefenzone Tiefenzone Tiefenzone 4 74 Zusatzfunktion - TOFD 9

10 mm Versuchsaufbau - TOFD 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm 18 mm 20 mm 22 mm 24 mm 26 mm 28 mm 30 mm Messungen am Testkörper 10 74

11 mm Überlagerung von vier TOFD Prüffunktionen Risstiefenbestimmung Koppelmittelzuführungen Magnete Koppelspalt Prüfkopfhalterung 11

12 Online B-Bild-Darstellung der Schienenprüfung mit wenigen Winkelfunktionen und hohem Messpunktabstand TOFD-Prüfung zur Bestimmung der Tiefe von senkrecht orientierten Fehlern im Schienenkopf Optimierte Prüfkopfanordnung für die geführte Datenaufnahme im Schritttempo mit Ultraschall Phased Array Systemen Zusammenfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit J. Kitze, T. Heckel, BAM, Berlin W. 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, , Wittenberge, Vortrag 16 12