Automatisierte Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten Zustand

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1 9. Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen Vortrag 11 Automatisierte Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten Zustand Rainer BOEHM 1, Thomas HECKEL 1, Wolfgang SPRUCH 2, Sebastian JACOB 2 1 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin 2 Büro für Technische Diagnostik GmbH & Co. KG BTD, Brandenburg Kurzfassung Der einwandfreie Zustand der Radsätze von Schienenfahrzeugen ist von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb. Die Radsatzwellen werden durch eine große Zahl von Lastwechseln individuell unterschiedlich beansprucht. Dabei spielen viele Einflüsse wie äußere statische und dynamische Lasten, innere Lasten aufgrund von Unwuchten und inneren Spannungen und Umweltbedingungen entscheidende Rollen. Eine regelmäßige Prüfung ist daher obligatorisch. BTD entwickelt im Rahmen eines MNPQ-Projektes in Kooperation mit der BAM eine Phased Array Technik zur automatisierten Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten Zustand. Die schwierigen Ankoppelbedingungen aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit, der komplexen Geometrie und möglicherweise vorhandener Farbschichten und Schmutz auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen, werden neben optimierten Prüfköpfen, einer in die Wasservorlaufstrecke integrierten akustischen Linse und einer speziellen Ankoppeltechnik auch Signalverarbeitungsalgorithmen eingesetzt. Die Darstellung der Signalverarbeitung ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mit Hilfe von Messdatensätzen präparierter Testwellen werden verschiedene Algorithmen erprobt und hinsichtlich der Stabilität, dem Verhalten bezüglich der Ankoppelschwankungen und veränderter Wellengeometrien und der Fähigkeit zur automatischen Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen bewertet. Letztlich wird die beste Lösung im entwickelten Prüfsystem eingesetzt. Lizenz: 1

2 AUTOMATISIERTE PRÜFUNG VON RADSATZWELLEN IM EINGEBAUTEN ZUSTAND Rainer Boehm 1, Thomas Heckel 1, Wolfgang Spruch 2, Sebastian Jacob 2 1 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berlin 2 BTD Büro für Technische Diagnostik, Brandenburg 9. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen 1 Gliederung Prüfaufgabe Stabilisierung der Ankopplung Verbesserung des Prüfkopfes Signalverarbeitungsgestützte Bildgebung für die Auswertung 2

3 Prüfaufgabe Drehgestell SBB EC Waggon SBB Cargo Güterwagen Radsätze Bilder:Copyrighted free use, Files moved from de.wikipedia, Kategorie:Datei:Mit OTRS-Freigabe to Commons 3 Prüfaufgabe Pk Pk Bremsscheibensitz I Winkelspiegeleffekt 4

4 Optimierung der Prüftechnik 1. Ankoppelung durch lokale Tauchtechnik 2. größerer Sensor, größere Empfindlichkeit 3. Prüfkopf, Erweiterung des Schwenkbereichs Thema der Präsentation 5 Optimierung der Prüftechnik 1. Ankoppelung durch lokale Tauchtechnik R Wasser R Ankoppelung durch lokale Tauchtechnik 6

5 Optimierung der Prüftechnik 2. größerer Sensor, größere Empfindlichkeit Wasser Wasser R R Farbcode der Echohöhe (Punktreflektor) Größerer Sensor in Umfangsrichtung erfordert die Kompensation der Defokussierung 7 Optimierung der Prüftechnik 2. größerer Sensor, größere Empfindlichkeit B m Wasser s R a 0 a R Wasser Linse R R 0 R 0 Farbcode der Echohöhe (Punktreflektor) Kompensation der Defokussierung durch Wasserlinse in der lokalen Tauchtechnik 8

6 Optimierung der Prüftechnik 2. größerer Sensor, größere Empfindlichkeit Verstärkung in db Einschallwinkel in ohne mit Wasserlinse Krümmungsausgleich mit Wasserlinse +6dB bis +12dB am 2 mm Sägeschnitt Prüfkopf im Wasserbad ca. 2 mm über dem Bauteil 9 Optimierung der Prüftechnik 3. Prüfkopf, Erweiterung des Schwenkbereichs Echohöhe in db Echohöhe in db + 15 db Einschallwinkel Einschallwinkel 16 Elemente 1.4 mm breit Richtcharakteristiken, s = 200 mm 32 Elemente 0.9 mm breit Erweiterung des nutzbaren Schwenkwinkelbereichs durch schmalere Elemente 10

7 Signalverarbeitung Optimierte Bildgebung für die Auswertung Erkennung von Formanzeigen Unterdrückung von Rauschsignalen Aussortieren von Ausreißern Thema der Präsentation 11 Signalverarbeitung Unterdrückung von Formanzeigen Prüfkopf: 3 MHz, 16 El. α 0 = 45, α= Re A - Bild Reflektor 6 TD - Bild Umfangsposition Ausgewähltes A-Bild als Referenz TD-Bild original Schallweg TD-Differenzbild 12

8 Signalverarbeitung Unterdrückung von Formanzeigen A - Bilder Umlaufende Anzeigen aufgrund der Bauteilgeometrie werden detektiert und ausgeblendet Umfangsposition TD - Bilder Schallweg 13 Signalverarbeitung Unterdrückung von Formanzeigen Umfangsposition Auswahlfilter mit Erhaltung der Signalhöhen Ziel:Nur relevante Anzeigen werden dargestellt Weg: Unterdrückung der Formanzeigen und des Rauschens Achsposition der Anzeige Welle mit Testfehlern: Darstellungssoftware von BTD, TD-Bildüberlagerung der Einschallwinkel

9 Signalverarbeitung Echohöhe Echohöhe Echohöhe Messdatenmatrix Auswahlmatrix Ergebnismatrix Aus den Eigenschaften der Messdatenmatrix erzeugt der Algorithmus eine Auswahlmatrix. Dort, wo kein Rauschen oder Formanzeigen sind, enthält die Ergebnismatrix die unveränderten Messdaten. 15 Signalverarbeitung Position Schallweg Messdatenmatrix Auswahlmatrix Ergebnismatrix Messdaten- und Auswahlmatrix werden elementweise multipliziert. So enthält die Ergebnismatrix im Wesentlichen Nullen. An den fehlerverdächtigen Stellen stehen die Originaldaten. 16

10 Signalverarbeitung Auswahlkriterium 1: Der Wert AW wird aus der Verteilung der relativen Echohöhenverhältnisse berechnet. Es wird keine Kenntnis der Geometrie oder der absoluten Echohöhe vorausgesetzt. Ist z.b. AW < 1.1 (empirisch ermittelte Grenze), dann handelt es sich um eine Formanzeige. Max(AW) = 1 + SNR / 2 Min(AW) = (1+SNR/2)/(1+SNR)=0.5 Auswahlgröße AW Formanzeigenverdacht bei AW < Fehleranzeige? Formanzeige Anteil der A-Bilder mit Echosignal in % Auswahlfunktion 1 17 Signalverarbeitung Auswahlkriterium 2: In die Größe AW2 fließt der gleitende Mittelwert der Echohöhen aus benachbarten Umfangspositionen ein. Dadurch werden einzelne (Stör)Peaks aussortiert. Minimalanspruch an das Echosignal für die dargestellte Auswahlfunktion 2 ist ein minimaler SNR min von 2. Bei AW2 > SNR min handelt es sich wahrscheinlich um eine Fehleranzeige. Auswahlgröße AW 2 Fehleranzeigenverdacht bei AW2 > SNR min Fehleranzeige Umfangsposition Auswahlfunktion 2 18

11 Signalverarbeitung Vorgehensweise Randbedingungen Prüfung wie bisher: Einrichten und Justieren der Prüfanlage Empfindlichkeitsjustierung, Registriergrenze, Bewertungsgrenze o.ä. Alle ursprünglichen Daten bleiben verfügbar Auswahlkriterien für die Bilddarstellung AW1: Aussortieren von Formanzeigen AW2: Erkennen von Fehleranzeigen Aussortieren des Rauschens und einzelner Peaks (große elektrische Störsignale) Visualisierung von verdächtigen Anzeigen Prüfergebnis kann schneller und sicherer beurteilt werden Darstellung der relevanten Anzeigen erfolgt mit unveränderten Echodaten Vergleich mit ungefiltertem Bild jederzeit möglich 19 Signalverarbeitung 4. Erleichterung der Auswertung Welle mit Testfehlern: Darstellungssoftware von BTD, TD-Bildüberlagerung der Einschallwinkel

12 Signalverarbeitung neue Welle mit Anzeige: TD-Bildüberlagerung der Einschallwinkel Signalverarbeitung fehlerfreie Welle: TD-Bildüberlagerung der Einschallwinkel

13 Signalverarbeitung 0 0 hinten 90 hinten 90 unten 180 unten 180 vorn 270 vorn 270 oben Grad 360 oben Grad 360 Gegenüberstellung der Projektionsbilder einer Testwelle vor und nach der Signalverarbeitung 23 Zusammenfassung Fachbereich 8.4 Verbesserung der Prüftechnik lokale Tauchtechnik höhere Empfindlichkeit mit größerem Wandler und Linsentechnik Erweiterung des Schwenkwinkelbereichs Signalverarbeitungsgestützte Bildgebung für die Auswertung durch Diskriminierung Gefördert vom der Formanzeigen im Rahmen eines des Rauschens MNPQ Projekts Messen, Normen, Prüfen, von einzelnen Peaks Qualitätssicherung 24

14 Zusammenfassung B m Wasser s R a 0 a R 0-12dB -3dB -12dB -6dB 25 Optimierung der Prüftechnik 3. Prüfkopf, Erweiterung des Schwenkbereichs -3dB -12dB -3dB -12dB -6dB -6dB Schwingerelement 1.4 mm breit Schwingerelement 0.9 mm breit Erweiterung des nutzbaren Schwenkwinkelbereichs 26