RailRoadRunner - Innovatives Schienenprüfgerät setzt neuen Stand der Technik

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1 DGZfP-Jahrestagung 2017 More info about this article: RailRoadRunner - Innovatives Schienenprüfgerät setzt neuen Stand der Technik Guido HANSPACH Vossloh Rail Services Ernst-Augustin-Strasse 12, Berlin Kontakt guido.hanspach@vossloh.com Telefon: Kurzfassung. Für die Gewährleistung eines sicheren Fahrbetriebs auf den Schienen und eine effiziente Instandhaltungsplanung sind manuelle Schienenprüfgeräte in Ergänzung zu den Schienenprüfzügen ein probates und bewährtes Mittel. Wesentlich ist neben der gleichen Prüfqualität zwischen Zug und Handgerät die Generierung von validen Daten, die mit Bestandsdaten abgeglichen werden können und nach der Inspektion dokumentiert archiviert zur Nachweisführung vorliegen. Um diesen Anspruch zu erfüllen und die bisherige Lücke zu schließen, wurde das neue Ultraschall-Schienenprüfgerät RailRoadRunner (RRR) entwickelt und nach einem umfangreichen Testprogramm in die Anwendung gebracht. Der RailRoadRunner übernimmt, ergänzend zur Nachortung der vom Schienenprüfzug gefundenen Unregelmäßigkeiten, die Regelinspektionen auf kürzeren Streckenabschnitten sowie in Weichen, Kreuzungen und Bahnhöfen. Mit dem eingesetzten Ultraschallprüfverfahren werden Unregelmäßigkeiten im Werkstoff sowie innere Fehler der Schiene zuverlässig mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit detektiert. Die Schiene wird mit 9 Prüfköpfen und mehreren Einfallswinkeln untersucht. Alle Schienenfehler in Kopf, Steg und Fuß sind mit dem RailRoadRunner in Echtzeit auf einem vom Kunden konfigurierbaren Touch Screen bei Tag und Nacht erkennbar. Die erfassten Daten, z.b. in Form von B-Scans, dokumentieren dauerhaft den Schienenzustand zum Zeitpunkt der Inspektion. Ein abnehmbares Tablet, die Kohlefaserbauweise des Rahmens, die Detektion sowohl von Squats als auch tieferen Head Checks, softwaregesteuerte Wasserventile, exakte Spurführung und Ortszuordnung der Daten über ein Tracking-System bei Vor- und Rückwärtsbetrieb sind nur einige der vielen Innovationen des Gerätes. Manuelle Standardprüfköpfe, z.b. für die Prüfung der Schmiedebereiche, können zusätzlich angeschlossen und die Daten gespeichert werden. Die Entwicklung des Prüfsystems basiert u.a. auf den Erfahrungen von mehreren, auf unterschiedlichen Schienenprüfzügen eingesetzten Prüfsystemen, die in verschiedenen Ländern in Europa im Einsatz sind. Einführung Für die Gewährleistung eines sicheren Bahnverkehrs ist die Kenntnis über den Zustand der Schienen über den gesamten Lebenszyklus vom Einbau bis zum Ausbau hinweg eine der Lizenz: 1

2 Grundvoraussetzungen. Durch dichtere Zugfolgen, höhere Geschwindigkeiten und weiter steigende Achslasten auf verschiedenen Korridoren der Eisenbahninfrastruktur werden über das rollende Rad die Schienen immer stärker beansprucht. Daraus resultieren, als sichtbare Ergebnisse der Materialermüdung und des Verschleißes, Abweichungen im Schienenlängs- und Querprofil sowie das Wachstum von Schienenfehlern. Für einen zuverlässigen Fahrbetrieb und zur Vermeidung von Unfällen sind regelmäßige Inspektionen mittels des zerstörungsfreien Ultraschallprüfverfahrens erforderlich. Zum frühzeitigen Auffinden und Bewerten von Schienenfehlern und Werkstoffinhomogenitäten werden Ultraschallprüfsysteme auf Schienenprüfzügen und als mobile Schienenprüfgeräte eingesetzt. Das neue mobile Ultraschall-Schienenprüfgerät (UT-SPG) vom Typ RailRoadRunner (RRR) baut auf die Erfahrungen der seit vielen Jahren auf Schienenprüfzügen im Einsatz befindlichen FURIS-Systeme (Fast-Ultrasonic-Rail- Inspection-System) auf. Bei der Auslegung des RailRoadRunner wurde intensiv darauf geachtet, dass die hohen Anforderungen des neuen europäischen Standards EN Anforderungen an Ultraschallprüfungen und deren Bewertungsgrundlagen von Schienen im Gleis, die seit Mai 2016 gelten, volle Berücksichtigung finden. Im Folgenden werden der RailRoadRunner und die praktischen Erfahrungen beim Einsatz mit dem Gerät vorgestellt. 1. Überblick Prüfsystem Ultraschall-Schienenprüfgerät RailRoadRunner (RRR) Das Ultraschall-Schienenprüfgerät RailRoadRunner (RRR) ist ein neues, leistungsfähiges Gesamtsystem zur Inspektion von Eisenbahnschienen. Es unterstützt die Anlagenverwaltung und Wartungsoptimierung für eine höhere Verfügbarkeit der Schienenwege durch Reduzierung der Störungen im Eisenbahnverkehr. Der RailRoadRunner in Abbildung 1 wird für Regelinspektionen auf kürzeren Streckenabschnitten sowie für die Inspektion von Weichen, Kreuzungen, Bahnübergängen und Bahnhöfen eingesetzt. Abb. 1. Mobiles Ultraschall-Schienenprüfgerät RailRoadRunner 2

3 Alle inneren Fehler im Kopf, Steg oder Fuß der Schienen sind mit diesem Gerät erkennbar. Die während der Schienenprüfung aufgezeichneten Daten, wie z.b. B-Scans, dokumentieren dauerhaft den Zustand der Schienen zum Zeitpunkt der Inspektion. Das Gerät ist gut für Schienennetzbetreiber und Dienstleistungsunternehmen geeignet. Alle Schienenunregelmäßigkeiten werden dem Bediener in Abbildung 2 während der Schienenprüfung zur Anzeige gebracht. Abb. 2. A- und B-Scan Anzeigen von Bohrungsanrissen 2. Prüfsystemkomponenten Das Prüfsystem besteht aus einem Trolley, gefertigt aus Kohlenstofffasern (Carbon), einem Ultraschall-Prüfrad, einem abnehmbaren Tablet Touch Book Computer, einem Ultraschallprüfsystem MiniFURIS, einem Führungssystem zur genauen Positionierung des Prüfrades über der Schiene, einem Koppelwasser- und Trackingsystem sowie Software für Datenaufnahme und Darstellung der Ergebnisdaten. Für die leichte Handhabung des RailRoadRunner wurde besonderes Augenmerk auf die Ausgestaltung und Materialwahl des Trolley gelegt. Ziel war eine deutliche Gewichtseinsparung mit einhergehender hoher Stabilität und Festigkeit, erforderlich für den robusten Einsatz im Gleis. Somit fiel die Wahl auf Carbon. Der Komplexität des Trolleys geschuldet, nahmen der Bau des Urmodells und die Herstellung der Negativformen erheblich Zeit in Anspruch, bevor der erste eigentliche Trolley laminiert werden konnte. Das Ultraschall-Prüfrad in Abbildung 3 beherbergt neun Schwinger (+70 Feldseite, +70 Schienenmitte, + 70 Fahrkante, + 40, 0, -40, -70 Feldseite, -70 Schienenmitte, - 70 Fahrkante), die gleichzeitig in die Schiene einschallen. Der aufeinander abgestimmte Materialmix beim Reifen des Prüfrades und die darin verwendete Flüssigkeit stellen eine optimale Prüfempfindlichkeit sicher. Ein leistungsfähiges, im Trolley verbautes MiniFURIS-Ultraschallprüfgerät mit 12 Pulserkanälen versorgt sowohl die Prüfköpfe im Prüfrad als auch extern anschließbare Standardprüfköpfe verschiedener Hersteller über eine Schnittstelle am Trolley, wie in Abbildung 4 dargestellt. Eine Pulswiederholungsdauer von 360 μs ermöglicht zum Beispiel 3

4 bei einer Prüfgeschwindigkeit von 5 km/h für den Senkrechtprüfkopf einen Prüfpunktabstand von 0,5 mm und für die Winkelprüfköpfe von 1,0 mm. Für die zuverlässige Positionierung des Ultraschall-Prüfrades über der Schienenmitte ist ein Führungsmechanismus, wie in Abbildung 5 dargestellt, verbaut, der die seitlichen Führungsrollen permanent an der Fahrkante oder Feldseite im Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb anlaufen lässt. Je nach zu prüfenden Schienenprofilen stehen verschiedene seitliche Führungsrollen zur Verfügung, die sich leicht in ihrer Höhe unter der Schienenoberkante verstellen lassen. Durch die Drehbarkeit des Führungsmechanismus können Schienen mit starker Materialüberwalzung an der Fahrkante mit der gleichen Präzision geprüft werden. Abb. 3. Ultraschall-Prüfrad Abb. 4. Prüfkopf extern Abb. 5. Führungsmechanik Die Wasserversorgung des Ultraschall-Prüfrades zur Ankopplung des Echos in die Schiene erfolgt durch softwaregesteuerte Elektromagnetventile. Dadurch wird eine weitere Reduzierung des mitzuführenden Wasservorrates erreicht. Das System erkennt automatisch Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb sowie die Unterbrechung der Schienenprüfung. Das Trackingsystem liefert alle verfügbaren Ortsinformationen wie GPS, Glonas, QZSS, Hektomarker, Streckennummern, Entfernungen und verknüpft diese mit den aufzeichnenden Ultraschalldaten. Die Software bietet dem Bediener neben der Einstellung der DAC-Kurven je Prüfkanal auch eine individuelle Darstellungsform der in Echtzeit angezeigten Prüfergebnisse, wie z.b. die kombinierte B- und A-Scan-Darstellung, wie in Abbildung 6 zu sehen. Abb. 6. B- und A-Scan Anzeigen in Echtzeit während der Schienenprüfung 4

5 Möglich sind, wie in Abbildung 7 gezeigt, auch A-Scan-Darstellungen aller neun Ultraschallprüfköpfe in einem Bild, vergrößerter A-Scan eines Prüfkopfes mit verkleinerten Ansichten der weiteren acht Ultraschallprüfköpfe in einem Bild oder in 3 Grafiken (Grafik oben 0, +70, -70 ; mittlere Grafik +40, -40 ; Grafik unten + 70 Fahr- und Feldseite, - 70 Fahr- und Feldseite) neun Ultraschallköpfe in einem Bild zusammengefasst. Abb. 7. Anzeigen der Prüfkanäle in verschiedenen Darstellungsformen Verschiedene Schienenprofile werden durch die Software unterstützt. Der Benutzer kann ein Schienenprofil manuell wählen oder durch das Programm über die Laufzeit des 0 Echos automatisch aus einer hinterlegten Liste von Schienenprofilen auswählen lassen. Das hochauflösende, sonnenlichttaugliche Multitouch-Display des Touch Book unterstützt Softwareoptionen für den Tag- oder Nachtmodus. Mit einer aktiven Internetverbindung ist auch eine Fernunterstützung möglich. 3. Bedienkomfort durch optionale Prüfsystemerweiterungen Das mobile Schienenprüfgerät lässt sich durch die Anbringung eines Teleskoparms aus Carbon ergänzen. Neben der Verträglichkeit gegenüber Gleisfreischaltmitteln unterstützt dieser, wie in Abbildung 8 zu sehen, alle Spurweiten von 1000 mm bis 1676 mm. Er lässt sich über ein Schnellverschlusssystem einfach am Rahmen des RailRoadRunner montieren und wieder abnehmen. Bei der Prüfung von beispielsweise längeren Streckenabschnitten wird über den Teleskoparm kontinuierlich sichergestellt, dass die Prüfkopfe im optimalen Winkel in die Schiene einschallen. Mögliche Wackeleffekte des Bedieners werden damit vermieden und ein optimales Prüfergebnis erzielt. Oftmals sind die Bediener gezwungen, ein Schienenprüfgerät los zu lassen, um erkannte Unregelmäßigkeiten an der Schiene zu markieren. Um dem Bediener die Arbeit zu erleichtern und ein Herunterheben zu vermeiden, kann ein in der Höhe verstellbarer, klappbarer Ständer angebracht werden und der RailRoadRunner auf der Schiene verbleiben (Abbildung 9). Abb. 8. Teleskoparm Abb. 9. Ständerlösung Abb. 10. SQ3000 5

6 Die Überprüfung von unklaren Befunden kann auch ohne Mitnahme des Trolleys in das Gleis durch ein separates 2-Kanal-Ultraschallgerät des Typ SQ3000 in Verbindung mit dem Touch Book und der Software des RailRoadRunner sowie einem Standardprüfkopf erfolgen (Abbildung 10). 4. Nachweisführung und Konformität Die nach der abgeschlossenen Schienenprüfung digital vorliegenden Prüfdaten in Form von A- und B-Scans inklusive den zugehörigen Ortsinformationen und Systemkonfigurationen ermöglichen die Einhaltung der hohen Anforderungen an die Nachweisführung und Dokumentation von ZfP-Ergebnissen in den jeweiligen Organisationen. Im Zeitalter von Industrie 4.0 werden mit dem RailRoadRunner alle Voraussetzungen bereitgestellt, um die Ergebnisse der mobilen Ultraschallprüfung in die digitalisierten Prozessketten der Unternehmen einbinden zu können. Der langfristige Zugriff auf die Ultraschalldaten der Vergangenheit dient nicht nur in Problemfällen als Beweismittel, sondern nutzt vor allem dem Erkenntnisgewinn, mehr über das Fehlerwachstum durch den Vergleich von zuvor erhobenen mit aktuellen Daten zu erfahren. Hieraus lassen sich konkrete Schlussfolgerungen für die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen im Oberbau ableiten. Unklare Ultraschallbefunde können mit der Prüfaufsicht anhand von realen Daten außerhalb des Gefahrenbereiches Gleis im Büro erörtert werden. Die Prüfergebnisse der mobilen Ultraschallprüfung lassen sich bei Bedarf in die Datenbanken zur Verwaltung der Zustandsdaten importieren. Die durch den DakkS akkreditierte Sachverständigenorganisation der DB Systemtechnik bestätigte im Jahr 2016 die Konformität des RailRoadRunner auf Basis der Normen und Regelwerke DIN EN ISO/1EC 17000: , DIN EN ISO/1EC 17020: , DB Ril : , DB Ril Z60: und EN : Nach weiteren Betriebsversuchen wurde im Jahr 2017 durch die DB Netz AG eine erste Freigabe für den RailRoadRunner erteilt. 5. Ergebnisse aus Praxiseinsätzen Der RailRoadRunner wurde parallel zu den täglichen Einsätzen bei verschiedenen Infrastrukturbetreibern auf drei unterschiedlichen Kalibrierschienen in verschiedenen europäischen Ländern erfolgreich auf Prüfgenauigkeit, Fehlerauflösungsvermögen, Wiederholgenauigkeit, Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, etc. überprüft. Abbildung 11 zeigt Echoanzeigen einzelner Reflektoren in Kalibrierschienen und das Fehlerauflösungsvermögen der verschiedenen Winkelprüfköpfe. Abb. 11. Echoanzeigen und Fehlerauflösungsvermögen von Reflektoren in Kalibrierschienen 6

7 6. Fazit Das Prüfsystem RailRoadRunner für die mobile Schienenprüfung konnte erfolgreich in seiner Anwendung nachweisen, dass es die verschiedenen Anforderungen der europäischen Vollbahnen und der Metrobetreiber erfüllt. Referenzen [1] DIN EN : Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen [2] DB Ril Z60: Prüftechnische Anerkennung der Ultraschallprüftechnik von Schienenprüfzügen [3] DB Ril : Oberbau inspizieren Zerstörungsfreie Prüfung von Schienen 7