Neue Konzepte für die Zerstörungsfreie Prüfung und die Zustandsüberwachung von Eisenbahnradsätzen mit Ultraschall

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1 9. Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen Vortrag 9 Neue Konzepte für die Zerstörungsfreie Prüfung und die Zustandsüberwachung von Eisenbahnradsätzen mit Ultraschall Thomas HECKEL 1, Jens PRAGER 2, Rainer BOEHM 3 1 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Leiter des Fachbereichs 8.4: Zerstörungsfreie Prüfung, akustische und elektromagnetische Verfahren, Berlin 2 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung 3 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin Kurzfassung Die regelmäßige Überprüfung von Eisenbahnradsatzwellen auf betriebsbedingte Schädigungen ist ein fester Bestandteil des Instandhaltungskonzeptes von Eisenbahnfahrzeugen. Insbesondere bei hohen Achslasten und hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist eine detaillierte regelmäßige Prüfung notwendig. In den letzten Jahren wurden für diese Prüfaufgabe mechanisierte Ultraschallprüfsysteme entwickelt, erfolgreich eingeführt und etabliert. Für eine Weiterentwicklung dieser Technologie stehen die Themen Erhöhung der Auflösung, Reduzierung von Oberflächen- und Störeinflüssen, Verkürzung von Prüfzeiten, Verbesserung der POD, Verlängerung von Inspektionsintervallen, Vereinfachung der Auswertung und die Möglichkeit der Durchführung von Analyseprüfungen im Vordergrund. Es werden Ansätze und neue Konzepte zur Lösung dieser Herausforderungen vorgestellt. Lizenz: 1

2 NEUE KONZEPTE FÜR DIE ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG UND DIE ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON EISENBAHNRADSÄTZEN MIT ULTRASCHALL T. Heckel, J. Prager, R. Boehm

3 Motivation Aufgabe: Integrität eines sicherheitsrelevanten Bauteils muss überwacht werden! Quelle: DB Quelle: BMVI Mögliche Lösungsansätze: Prüfung im ausgebauten Zustand, im eingebauten Zustand oder Überwachung während des Betriebes 2

4 Wandel der Gerätetechnik und der Ergebnisdarstellung Analogtechnik Digitaltechnik 3

5 Die Zukunft - Industrie 4.0? Ja, die Zukunft ist Industrie 4.0! weitestgehend sich selbstorganisierende technische Prozesse Design Prinzipien Quelle: DB Quelle: BMVI Quelle: - Interoperabilität - Virtualisierung - Dezentralisierung - Echtzeitfähigkeit - Serviceorientierung - Modularität 4

6 Mögliche Weiterentwicklungen Die aktuellen in der Praxis eingeführten Prüfsysteme haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht und schöpfen die Möglichkeiten von Industrie 3.0 voll aus. Für die Umsetzung des Konzeptes Industrie 4.0 sind folgende Schritte notwendig: Quelle: DB 1. Entwicklung und Applikation intelligenter Sensoren 2. Intensiver Einsatz von Signalverarbeitung zur automatisierten Bewertung 3. Virtualisierung durch vernetzte Prüf-, Produktion- und Datenbanksysteme Quelle: BMVI 5

7 Entwicklung und Training eines klassifizierenden Systems Ergebnisse aus messtechnischen Untersuchungen Numerische Simulationen und Untersuchungen zur Wellenausbreitung a-priori Wissen Kenntnisse der Physik der Ausbreitung geführter Wellen Merkmale im Zeitbereich Merkmalsgewinnung Merkmale im Frequenzbereich D-dimensionaler Merkmalsraum: x = { x,x,..., } T R D 1 2 xd Selbstständiges Trainieren des Klassifikationssystems auf Basis der Stichproben Extrahieren klassenbezogener Zusammenhänge im mehrdimensionalen Merkmalsraum 6

8 Organigramm einer Mustererkennung Cluster Merkmale Neuronales Netzwerk Muster + + Fuzzy Logik Ergebnis +? fehlerfrei Datensatz - -? Fehler 3 -? Fehler 2 Speicher? Fehler 1 7

9 Beispiel 1: Erleichterung der Auswertung Auswahlfilter mit Ziel:Nur relevante Anzeigen werden dargestellt Erhaltung der Signalhöhen Weg: Unterdrückung der Formanzeigen und des Rauschens 8

10 Beispiel 1: Signalverarbeitung Urdaten Entscheidungs matrix Ergebnisdaten Quelle: DB Signalverarbeitung Quelle: BMVI 9

11 Beispiel 1: Reduzierung von Formanzeigen und Rauschen 0 0 hinten 90 hinten 90 unten 180 unten 180 vorn oben 270 Grad 360 vorn oben 270 Grad 360 Gegenüberstellung des P-Bildes einer Testwelle vor und nach der Signalverarbeitung 10

12 Beispiel 1: Signalverarbeitung 4.0 Urdaten Entscheidungs matrix Ergebnisdaten Quelle: DB Signalverarbeitung Quelle: BMVI Klassifikation 11

13 Beispiel 2: Online-Überwachung von Radsatzwellen Lösungsansatz: 1. SHM mit Ultraschall 2. Geführte Wellen 3. Einseitige Anregung 4. Niedrige Frequenz ( 100 khz) 5. Klassifizierendes System 12

14 Beispiel 2: Versuchsanordnung im Maßstab 1:4 Mehrkanaliges Impuls-Echo-Messsystem RSW Anpassungseinheit 4 Ultraschall-Sensoren Neue Konzepte für die ZfP und die Zustandsüberwachung an Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall

15 Beispiel 2: Klassifikation Anregefrequenz: 140 khz Anregefrequenz: 140 khz Klassenmodell 1: Rissposition 99.2 % Anregefrequenz: 400 khz 97.9 % Klassenmodel 2: Risstiefe 87.1 % Anregefrequenz: 400 khz 90.1 %

16 Beispiel 3: Hochauflösende Fertigungsprüfung? Neue Konzepte für die ZfP und die Zustandsüberwachung an Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall

17 Zusammenfassung Zukünftige Herausforderungen bei der Entwicklung von Prüfsystemen liegen im Umfeld der Anforderungen und Möglichkeiten von Industrie 4.0 Schwerpunkte zukünftiger Entwicklungen sind: - Entwicklung und Applikation intelligenter Sensoren - Intensiver Einsatz von Signalverarbeitung zur automatisierten Bewertung - Virtualisierung durch vernetzte Systeme und Datenbanken Quelle: DB Aktuelle Forschungsthemen adressieren bereits Ansätzen zu den Themen: - moderne Sensoriksysteme für die ZfP mit UT Quelle: BMVI - Struktural Health Monitoring / Online Überwachung -> SMART Wheelset - Signalverarbeitung zur Klassifikation unter Nutzung von Expertenwissen 16

18 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT T. Heckel, J. Prager, R. Boehm Dank an M. Grzeszkowski