Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ist in den vergangenen Jahren zu einem unver- zichtbaren Bestandteil in der Sicherheitsphilosophie des spurgebundenden Schienen- verkehrs geworden. Nicht zuletzt die Erfahrungen aus Versagensfällen unterschiedli- cher Bauteile haben Bahnbetreiber, Industrie und Forschungseinrichtungen zu erhebli- chen Anstrengungen veranlasst, damit Schadensprozesse schon in einem möglichst frühen Entstehungsstadium erkannt und beseitigt werden können. Insbesondere bei der Qualitätskontrolle neuer Eisenbahnräder sowie für die Inspektionsüberprüfung von in Betrieb befindlichen Eisenbahnrädern sind zahlreiche Untersuchungsverfahren be- kannt. So müssen die Eisenbahnräder in bestimmten Zeitabständen bzw. nach vorge- gebenen Laufleistungen einer Prüfung auf Fehler, insbesondere Rissen oder Ausbrü- chen, unterzogen werden. Diese Schadensbilder können durch Werkstoffermüdung, thermische Beanspruchung beim Bremsvorgang oder Verformungsvorgänge infolge der statischen und dynamischen Lasten hervorgerufen werden. Da die Fehler nicht nur oberflächennah, sondern auch tief im Innern des Werkstückes ihren Ausgang nehmen können, sind ausgefeilte zerstörungsfreie Prüfmethoden der einzige Weg zur Erzielung aussagefähiger und verlässlicher Prüfergebnisse. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit induzierter Fehler erheblich sein kann, müssen diese Prüfungen unter Berücksichtigung der heute üblichen hohen Laufleistungen der Fahrzeuge in kurzen wiederkehrenden Abständen durchgeführt werden. Ferner gebiete es die Wirtschaftlichkeit, dass diese Prüfvorgänge einen möglichst geringen Zeit-und Arbeitsaufwand erfordern.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei das Verfahren zur elektromagnetischen Ultra- schall-Wandlung herausgestellt, da kein flüssiges F (oppelmittel zur Einbringung akusti- scher Wellen in das zu prüfende Werkstück erforderlich ist. Dadurch wird die Gebrauchstauglichkeit eines automatisierten Verfahrens unter den rauhen Umge- bungsbedingungen des Eisenbahnbetriebes deutlich erhöht.

Elektromagnetische Ultraschallwandler erzeugen Ultraschallwellen in elektrisch leiten- dem Material durch die Lorentz-Kraft oder durch Ausnutzung des magnetostriktiven Effektes. Eine Kombination dieser beiden Phänomene ist ebenfalls möglich. Beide Phänomene wirken auf das Atom-Gitter des Werkstückes, so dass die akustische Welle - anders als bei Verfahren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren-im Werk- stück anstatt im Prüfkopf erzeugt wird. Dies erfordert jedoch einen engen Kontakt des Prüfkopfes zur Oberfläche des Werkstückes. Es kommen fast ausschliesslich getrennte

Ultraschallwandler für die Erzeugung und den Empfang der Ultraschallwellen zum Ein- satz.

Entsprechende Prüfköpfe nach dem elektromagnetischen Prinzip (EMUS-Prüfköpfe) und verschiedene Anwendungsfälle sind seit längerem bekannt. Die Druckschrift"The <BR> <BR> design and use of electromagnetic acoustic wave transducers (EMATs) " (Maxfield/<BR> Fortunko, American Society for Nondestructive Testing, 1983, S. 1399 ff. ) beschreibt einen ersten praxistauglichen Prüfkopf. Anwendungsspezifische Weiterentwicklungen für das Prüfen von Rädern an Schienenfahrzeugen erfolgten insbesondere durch Jür- gen Salzburger und die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten For- schung e. V.

Aus DE 32 18 453 ist ein elektromagnetischer Ultraschallwandler bekannt, der eine zerstörungsfreie Prüfung der Lauffläche von Eisenbahnrädern mittels Ultraschall- Oberflächenwellen während des Überfahrens eines Schienenabschnittes ermöglicht.

Der Prüfkopf sitzt hierbei in einer im Schienenkopf einer üblichen Eisenbahnschiene ausgebildeten, zur Schienenkopfoberfläche hin offenen, rechteckigen Ausnehmung.

Allerdings können nur Fehlstellen erfasst werden, die vom Aussenrand des Rades aus- gehen. Eine Weiterentwicklung ist in DE 42 23 470 beschrieben. DE 38 34 828 be- schreibt eine Möglichkeit zur zeitgerechten und störgrössen-unabhängigen Ansteue- rung einer Ultraschall-Prüfanlage für Eisenbahnräder. US 6 347 550 beschreibt schliesslich die notwendige Weiterentwicklung des Verfahrens dahingehend, dass wäh- rend des Überrollens des zu prüfenden Eisenbahnrades eine zerstörungsfreie Prüfung von Volumen und Oberfläche des Rades gewährleistet werden kann. Da nun auch Fehlstellen, die von innenliegenden Flächen (z. B. Grenzfläche zwischen Radnabe und Radkranz) ausgehen, detektiert werden können, wird eine zuverlässige Prüfung von Rädern möglich, die aus verschiedenen Teilen und/oder verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind.

Andere bekannte Realsierungsvarianten, wie z. B. die in DE 198 33 027 beschriebene Ankopplung der Prüfköpfe mittels eines auf einem Prüfwagen installierten Manipulators, der sich parallel zum in Bewegung befindlichen Eisenbahnrad bewegt, oder das aus DE 198 34 587 bekannte radiale Bewegen des Prüfkopfes um die Rotationsachse des Schienenfahrzeugrades, wurden aus Praktikabilitätsgründen nicht für den Einsatz im Rahmen der automatisierten Inspektion von im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeu- gen ausgewählt. Ebenso scheiden für diesen Anwendungsfall alle Realisierungsmög- lichkeiten zur Prüfung auf ortsfesten Speziaianiagen aus, die eine Demontage von Rä- dern oder Radsätzen erfordern.

Die Deutsche Bahn AG setzt die dem Stand der Technik entsprechenden Systeme zur Prüfung der Radlaufflächen in ihren Instandhaltungsprozessen ein. Die zu prüfenden Fahrzeuge überfahren während des Prüfvorgangs die Prüfeinrichtung kontinuierlich mit eigenem Antrieb, was insbesondere bei den in kurzen Abständen durchzuführenden Fahrwerkskontrollen der Hochgeschwindigkeitszüge eine effiziente und zeitsparende Fahrwerksdiagnose ermöglicht. Die auf dem elektromagnetischen Prinzip beruhenden Prüfköpfe sind in die Schienen des Prüfgieises integriert.

Unter Labor-und Testbedingungen arbeitet dieses Prinzip, das bei Erzeugung und Empfang des Ultraschalls auf der Wechselwirkung von magnetischen Feldern und elektrischem Strom beruht, problemlos. Im täglichen Betriebsalltag treten jedoch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erhebliche Probleme auf, die zu unbrauchbaren Messergebnissen führen. Elektrische Triebfahrzeuge und Fahrzeuge mit leistungsstar- ken leistungselektronischen Bordnetzeinrichtungen bringen in die Schienen Ströme ein, die auch Spektralanteile in dem für die Ultraschallprüfung relevanten Frequenzbereich aufweisen. Insbesondere der Verzicht konzentrierter Antriebseinrichtungen in Trieb- köpfen und die gleichmässige Verteilung der Antriebe auf viele Antriebsachsen im ge- samten Fahrzeugverband führt unter diesen Randbedingungen zu einer völligen Un- brauchbarkeit der Prüfanlagen in ihrer bisherigen Gesamtausführung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erdung einer Diagnose- anlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge'unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen-Wandler zu entwickeln, die die Einkopplung der von den Fahrzeugen ausgehenden Störungen in die Ultraschall-Prüfköpfe verhindert.

Gleichzeitig dürfen weder das grundlegende Funktionsprinzip der Prüfanlage noch Fahrzeugeinrichtungen verändert werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfin- dungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gleisabschnitt im räumlichen Arbeitsbereich der Ultraschallprüfung galvanisch vom elektrischen Potential der angrenzenden Gleisberei- che abgetrennt ist und zugleich eine gegen hochfrequente Störströme entkoppelte Er- dung aufweist. Unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen wurde in Ver- suchsreihen herausgefunden, dass die Ausbreitung hochfrequenter Ströme nur durch ein Anheben der Impedanz des Stromkreises unterdrückt werden kann. Die erfindungs- gemässe Lösung ermöglicht aber weiterhin die Ableitung der niederfrequenten Trieb- fahrzeug-Rückströme. Aus Sicherheitsgründen ist es erfindungsgemäss ferner vorge-

sehen, dass bei einer unzulässigen Potenzialanhebung im isolierten Prüfgleisabschnitt (z. B. Erdkontakt der Oberleitung) eine Hauptschalterauslösung im speisenden Bahn- strom-Unterwerk ausgelöst wird. Weitere umfangreiche Versuchsreihen haben darü- berhinaus überraschenderweise ergeben, dass hierfür eine kurzschlussfeste Leistungs- drossel besonders geeignet ist.

Für ein ordnungsgemässes Funktionieren der Vorrichtung ist es notwendig, dass die Länge des galvanisch isolierten Prüfgleisabschnittes auf eine konstruktive Länge be- grenzt wird, die kleiner als der minimale Achsabstand zweier benachbarter Radsätze der zu prüfenden Schienenfahrzeuge ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich ausschliesslich der zu prüfende Radsatz auf dem Prüfgleisabschnitt befindet und es zu keinen unerwünschten fahrzeugseitig induzierten Stromflüssen im Prüfgleisabschnitt kommt.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass sämtliche Leitungsverbindungen zwischen den im Gleisfeld befindlichen Komponenten der Prüfanlage (also insbesondere Prüfköpfe und Lichtschranken) und den hiervon räumlich getrennten Schaltanlagen für Anlagensteuerung, Stromversorgung und Sig- nalauswertung gegen hochfrequente Störströme zu entkoppeln. Dadurch können die Störungen unterdrückt werden, ohne dass es zu einer negativen Beeinflussung der Messsignale kommt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen er- läutert. Hierbei zeigen : Figur 1 : Auswertungsdiagramm eines durch Störsignale in unbrauchbarer Weise verfälschten Diagnosevorganges an einem Fahrzeugrad (UA-Scan) ; Auswertediagramm der im Bereich der Prüfköpfe gemessenen Störströ- me im Gleis (iGieis) Figur 2 : schematischer Aufbau des Prüfgleisabschnittes Die Deutsche Bahn AG verfügt derzeit in ihren Unterhaltungswerkstätten für die Züge des Hochgeschwindigkeitsverkehrs über Ultraschall-Diagnoseanlagen, die auf dem im Stand der Technik erläuterten elektromagnetischen Prinzip beruhen. Auf dem zu befah- , renden Prüfgleis sind jeweils zwei elektromagnetische Ultraschall-Prüfköpfe in die linke und rechte Schiene integriert. Die Prüfköpfe koppeln an die Lauffläche des zu prüfen- den Rades bzw. Radsatzes an und erzeugen ein magnetisches Gleichfeld. Die Feldli-

nien schliessen sich zwischen Prüfling und Prüfkopf. Gleichzeitig induziert eine Sende- spule Wirbelströme in das Rad. Durch das Kraftwirkprinzip werden alle im magneti- schen Gleichfeld befindlichen Ladungsträger des Wirbelstromes senkrecht zur Haupt- stromrichtung ausgelenkt und schwingen in der Taktfrequenz des Wirbelstromes. Die- se geordnete Schwingung überträgt sich auf die benachbarten Volumenelemente des Radmaterials. Somit führt dies zur Erzeugung von Ultraschall in der Frequenzlage des eingebrachten Wirbelstromes. Die den Radumfang umkreisende Ultraschallwelle pas- siert nach jedem vollständigen Umlauf wieder den Prüfkopf. Dabei führt die Bewegung der Metallgitter in dem vom Prüfkopf ebenfalls emittierten magnetischen Gleichfeld zu einer Spannungsinduktion zwischen Teilen des Metallgitters, wodurch sich wiederum Wirbelströme im Metallgitter ausbreiten. Das begleitende magnetische Wechselfeld dieser Wirbelströme induziert schlussendlich in einer Empfangsspule eine Spannung, die als Empfangssignal ausgewertet wird. Der zeitliche Verlauf des gleichgerichteten Empfangssignales liefert die Information über den Schädigungszustand des Rades.

In Figur 1 ist das wesentliche Ergebnis der an den Anlagen der Deutschen Bahn AG vorgenommenen Störungsanalyse zusammengefasst.

Die von elektrischen Triebfahrzeugen und/oder Fahrzeugen mit ieistungsstarkenKteis- tungselektronischen Bordnetzeinrichtungen emittierten Ströme fliessen in der Schiene parallel zum Prüfkopf bzw. direkt durch das Metallgehäuse des Prüfkopfes. Diese hochfrequenten Ströme begleitet ein Magnetfeld, das durch den konstruktiven Aufbau des Prüfkopfes bedingt eine Spannungsinduktion in der Empfängerspule verursachtem Auswertediagramm aus Figur 1 zeigt sich dies in einer deutlichen Korrelation zwischen einer starken Änderung des Stromflusses im Gleis und einer im Prüfkopf registrierten Spannungsspitze.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäss vorgeschlagene Lösung hinsichtlich der künftigen Konfiguration der Prüfanlage.

Der mit den jeweils im Schienenkopf integrierten Prüfköpfen (1,2, 3,4) ausgestattete Prüfgleisabschnitt wird mittels an sich bekannter verlaschter Isolierstösse (5) gegen die angrenzenden Gleisabschnitte galvanisch abgetrennt. Die Länge dieses isolierten Gleisabschnittes (6) darf dabei 1800 mm nicht überschreiten. Dieses Mass entspricht dem minimalen Achsabstand im Drehgestell der zu prüfenden Hochgeschwindigkeits- züge. Gleichzeitig muss der isolierte Gleisabschnitt über Gleisverbinder-Kabel (7) so geerdet werden, dass die auftretenden Triebrückströme abgeführt werden können.

Gleichzeitig dürfen aber die hochfrequenten Störstrom-Anteile nicht passieren

(Hochfreqenz-Entkopplung). Desweiteren muss sichergestellt sein, dass es bei einer unzulässigen Potenzialerhöhung im isolierten Prüfgleisabschnitt-wie es beispielsweise bei einem Herabfallen der Oberleitung auftreten könnte-zu einer Hauptschalterauslö- sung im speisenden Bahnstrom-Unterwerk kommt und damit die Spannungszufuhr ab- geschalten wird. Umfangreiche Versuchsreihen haben ergeben, dass hierfür eine kurz- schlussfeste Leistungsdrossel (8) besonders geeignet ist. Diese muss den im Fehlerfall möglichen Kurzschlusstrom für die Dauer bis zur Hauptschalterauslösung im Unterwerk tragen können. Wenn diese Randbedingungen nicht eingehalten werden können, ist der Einbau eines zusätzlichen, parallel geschaltenen Überspannungsableiters möglich.

Die Gleichstromdrossel zur Hochfrequenz-Entkopplung der Abschirmungen der Signal- leitungen wird realisiert, indem über sämtliche Signal-und Potenzialausgleichsleitun- gen, welche vom isolierten Prüfgleisabschnitt zur Steuerungs-und Auswerteelektronik führen, (10,11) gemeinsam Ferrit-Ringkerne (9) geführt werden.

Bezugszeichenliste : 1 Prüfkopf 1 2 Prüfkopf 2 3 Prüfkopf 3 4 Prüfkopf 4 5 Isolierstoss 6 Länge des Prüfgleisabschnittes 7 Gleisverbinder-Kabel zur Führung von Triebrückströmen 8 Erdungsdrossel 9 Ferrit-Ringkern 10 Potenzialausgleichsleiter 11 Kabelschirm (Panzerrohr)