Stand der Technik Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, insbesondere auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik für Eisenbahnen ist ein Fachgebiet, das an Bedeutung beträchtlich gewonnen hat, bedingt nicht zuletzt auch durch Vorkommnisse wie Zugunfälle, die auf Versagen bspw. von Laufrädern zurückzuführen sind.

Insbesondere zur Qualitätskontrolle neuer sowie Inspektionsüberprüfungen von in Betrieb befindlichen Eisenbahnrädern sind bereist eine Reihe von Untersuchungsverfahren bekannt.

So müssen die Eisenbahnräder von Eisenbahnzügen in bestimmten Zeitabständen einer zerstörungsfreien Prüfung auf Fehler, insbesondere auf Risse oder Ausbrüche, unterzogen werden. Die Risse können unter anderem entstehen durch Werkstoffermüdung, durch thermische Beanspruchung infolge der Bremsvorgänge und durch Verformungsvorgänge infolge der Druckbelastung. Um Radbrüche und damit gegebenenfalls einhergehende fatale Folgeschäden auszuschließen, ist die wiederkehrende Prüfung in kurzen zeitlichen Abständen, z. B. alle drei bis fünf Tage, erforderlich. Dabei muß die zerstörungsfreie Prüfung schnell, d. h. für einen gesamten Zug in etwa einer Stunde, durchführbar sein.

Aus der DE 42 20 444 A 1 ist hierzu ein Verfahren zur Längs-, Quer-und Schrägfehlerprüfung mittels Ultraschall von Werkstücken nach dem Impuls-Echo- Verfahren bekannt. Dabei wird das Werkstück gedreht und eine Ultraschallwelle unter kreisender Bewegung der Einschallrichtung in das Werkstück eingekoppelt.

Aus der US-Patentschrift US 5,349,861 ist eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern bekannt, mit Hilfe derer Ultraschall durch eine Stirnseite des Radkranzes in das Eisenbahnrad einkoppelbar ist. Eine andere Vorrichtung zur Prüfung von Eisenbahnrädern ist in der WO 90/13814 beschrieben. Diese Vorrichtung weist als Rolikörper ausgebildete Ultraschallwandler auf, die während einer Drehbewegung des Eisenbahnrads an diesem abrollen. Mit Hilfe eines Laufflächensensors ist Ultraschall durch die Lauffläche in das Eisenbahnrad einkoppelbar, und mit Hilfe eines Spurkranzsensors ist Ultraschall in den Radkranz einschallbar. Die in den beiden Dokumenten beschriebenen Vorrichtungen zur Prüfung von Eisenbahnrädern können nur eine beschränkte Zahl möglicher Rißpositionen und Rißorientierungen im Eisenbahnrad detektieren.

Unter der Internet-Adresse http ://www. ndt. net/article/report/df97/hintze/hintze_d. htm wurde am 10.06.1998 um 10.13 Uhr ein Fachartikel von H. Hintze, Deutsche Bahn AG, publiziert, in dem ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von Eisenbahnrädern mit Hilfe von Oberflächenwellen, sogenannten Rayleigh-Wellen, beschrieben ist. Dabei wird mit einem elektrodynamischen Wandler auf der Basis von Permanentmagneten (sogenannter EMUS, was für elektromagnetischer Ultraschallwandler steht) eine Ultraschall-Oberflachenwelle im Radmaterial erzeugt. Die Oberflächenwelle wird durch die Lauffläche eingekoppelt und breitet sich vom Wandler ausgehend beidseitig in einem oberflächennahen Bereich entlang der Lauffläche des Rads aus.

Nach einem vollständigen Umlauf um das Rad wird die Rayleigh-Wellen von einem anderen elektrodynamischen Wandler wieder empfangen. Die elektrodynamischen Wandler sind-in Fahrrichtung des Eisenbahnzugs beabstandet-in den Schienen eingebaut. Der Eisenbahnzug rollt mit geringer Geschwindigkeit über die Wandler hinweg.

Mit dieser Prüftechnik läßt sich nur die Lauffläche des Eisenbahnrads prüftechnisch erfassen, nicht aber eine Innenmantelfläche des Eisenbahnrads oder der Bereich um die Radnabe. Ein weiterer Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Eindringtiefe der Rayleigh-Welle gering ist (wenige Millimeter), so daß Risse mit geringer Tiefenausdehnung von solchen mit größerer Tiefefenausdehnung nicht unterscheidbar sind. Ein weiterer gravierender Nachteil dieser Prüftechnik liegt darin begründet, daß der Verschleiß an der Radlauffläche infolge einer erhöhten Schallschwächung sehr großen Einfluß auf das Ausbreitungsvermögen der Rayleigh-Welle hat. Daraus ergibt sich, daß diese Prüftechnik bei neuen Rädern sehr gut funktioniert, bei älteren Rädern, insbesondere mit einer Laufleistung von mehreren 10.000 km, also gerade bei Eisenbahnrädern, bei denen vermehrt mit der Rißbildung zu rechnen ist, dagegen nicht mehr aussagekräftig ist und deshalb versagt.

Unter der Internet-Adresse http ://www. ndt. net/article/0698/salzb/salzb. htm wurde am 10.06.1998 um 10 : 10 Uhr ein Bericht über einen Vortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in Lindau vom 13. bis 15. Mai 1996, gehalten von H.-J. Salzburger und H. Hintze, veröffentlicht. In diesem Tagungsbericht ist ein Impulsecho-Prüfverfahren zur Detektion eines Risses in einem Eisenbahnrad beschrieben, bei dem von der Stirnseite des Eisenbahnrades aus mit linear polarisierten Transversalwellen senkrecht bezüglich der Stirnseite eingestrahlt wird.

Bei diesem Prüfverfahren wird die Schallschwachung von quer zum Riß polarisierten Wellen ausgenutzt. Es müssen also polarisierte Ultraschallwellen erzeugt werden, wozu wie bei dem erstgenannten Prüfverfahren elektromagnetisch arbeitende Ultraschallwandler (EMUS) nötig sind. Diese sogenannten EMUS-Wandler funktionieren bei heutigem Stand der Technik für die Rißprüfung an Eisenbahnrädern nicht ausreichend zuverlässig.

Bei dem letztgenannten Prüfverfahren wird das Eisenbahnrad auf einem Rollenbock mit Hilfe eines Treibrads gedreht und der EMUS-Wandler wird in radialer Richtung bewegt. Das Prüfverfahren hat den zusätzlichen Nachteil, daß ein möglicher Riß im wesentlichen nur bei einer radialen Orientierung, z. B. bei senkrechter Ausrichtung bezüglich der Laufrichtung der Lauffläche, erfaßbar ist.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehbaren Prüfling, insbesondere ein Eisenbahnrad, derart zu prüfen, daß Risse in einer größeren Anzahl zu erwartender Positionen und Orientierungen zuverlässiger und schneller als mit den bekannten Prüfmethoden detektierbar sind. Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zu diesem Zwecke anzugeben.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand es Anspruches 16.

Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung insbesonder unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Prüfung eines Eisenbahnrades mit einer Lauffläche, die auf der Fahrfläche einer Schiene aufliegt und auf dieser abrollt, dadurch weitergebildet, dass im Bereich der Fahrfläche innerhalb der Schiene eine Vielzahl von Ultraschallwellen aussendende und empfangende Prüfköpfe in Art eines Linear-Arrays entlang der Schiene derart angeordnet ist, dass jeder einzelne Prüfkopf bei überrollen mit dem Eisenbahnrad Ultraschallwellen durch die Lauffläche in das Eisenbahnrad einkoppelt sowie innerhalb des Eisenbahnrades zurückreflektierte Ultraschallwellen empfängt, und dass die Prüfköpfe längs zur Schienenlängsrichtung schräg geneigt innerhalb der Schiene angeordnet sind und mit der Schienenlängsachse einen Winkel 0°< y < 90° einschließen.

Die als Tauchtechnikprüfköpfe ausgebildeten Prüfköpfe weisen zur Ultraschallerzeugung jeweils wenigstens ein Piezoelement auf und sind in einem linearen Array angeordnet, das in einer, mit Koppelmittel gefüllten, Nut innerhalb der Schiene angebracht ist, wobei die Array-Länge vorzugsweise wenigstens gleich dem Umfang des zu prüfenden Rades entspricht. Ferner sind Positionsdetektoren vorgesehen, die die Position des Rades relativ zur Prüfkopf Arraystrecke sowie die Geschwindigkeit feststellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung eines Eisenbahnrades mit einer Lauffläche, die auf der Fahrfläche einer Schiene aufliegt und auf dieser abrollt, und die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsieht, zeichnet sich dadurch aus, dass Ultraschallwellen von Seiten der Schiene in das Eisenbahnrad eingekoppelt werden, während das Eisenbahnrad die innerhalb der Schiene integrierten Prüfköpfe überrollt, dass innerhalb des Eisenbahnrades zumindest teilweise die eingekoppelten Ultraschallwellen zurückreflektiert werden und von den Prüfköpfen empfangen werden, aus denen die Ultraschallwellen ausgesandt worden sind, dass eine Positionserkennung des Eisenbahnrades durchgeführt wird und dass in einer Auswerteeinheit zusammen mit den ermittelten Positionsdaten die Messsignale der Prüfköpfe zur Fehlerermittlung innerhalb des Eisenbahnrades herangezogen werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 Perspektivische Ansicht einer Eisenbahnschiene mit, in einer Nut integrierten, Prüfköpfen (Prüfkopf-Array), sowie ein als Eisenbahnrad ausgebildeter Prüfkörper beim Abrollen auf der Schiene, Fig. 2 Querschnitt durch Fig. 1 aus dem Bereich des Berührungspunktes zwischen Rad und Schiene und Fig. 3 Drei Schnitte (Q) durch alternative Ausführungsbeispiele Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Fig. 1 zeigt ein Eisenbahnrad 1 beim Abrollen der Lauffläche 2 auf der Fahrfläche 3 einer Schiene 4. In eine Nut 5 ist eine Anzahl m von Tauchtechnikprüfköpfen 6 in Form eines linearen Arrays integriert. Die Anzahl m ergibt sich dabei als Quotient aus dem Radumfang und dem mindest möglichen Abstand zweier benachbarter Prüfköpfe. Bei einem typischen Eisenbahnraddurchmesser von 900 mm und einem kleinsten Prüfkopfabstand von ca. 14 mm ergeben sich m = 200 Prüfköpfe. Eine Untergruppe 7 der linearen Prüfkopf-Arraykette wird über einen Anstellwinkel Y so angeregt, das eine Ultraschallwelle 9 in das Rad 1 unter dem Einschallwinkel a eingeschallt wird, so dass Fehler im Volumen 10 und ausgehend von der Lauffläche 11-bei Radreifen auch von der inneren Bohrungsfläche 12-beschallt werden kön- nen und den Ultraschall in Richtung der Untergruppe zurückreflektieren.

Die Tauchtechnik-Prüfkopfe der Untergruppe 7 empfangen den reflektierten Ultraschall und führen die Messsignale einer Steuer und Auswerteschaltung 13 zu.

Über eine Positionsdetektionsvorrichtung bestehend z. B. aus Lichtschranken 14 und einem Spiegel 14a wird die Position des Rades bezüglich der Anfangsposition des linearen Prüfkopfarrays und die laterale Geschwindigkeit des Rades bestimmt und ebenfalls der Steuer-und Auswerteschaltung zugeleitet.

Die einzelnen Tauchtechnikprüfköpfe 6 sind dabei in Schienenlängsrichtung unter einem Winkel y derart geneigt (siehe auch Fig. 2), so daß die Ultraschallwellen schräg unter einem Einschallwinkel 0° < a <_ 90° als Transversal und/oder Longitudinalwellen in das Rad eingeschallt werden. Wird der Winkel Y zu 0° gewählt, ist ebenfalls eine Senkrechteinschallung von Longitudinalwellen gegeben.

Der variable Einschallwinkel a wird dadurch erreicht, dass neben dem Prüfkopf PN, der genau auf den Aufstandspunkt (Pauf) des Rades 1 schalt, auch die Prüfköpfe (PN-1, PN-2, PN-3,... PN-n), wobei n vom Durchmesser des Rades abhängt, aktiviert werden. Hierbei betreffen die Prüfköpfe (PN-1, PN-2, PN-3,... PN-n) jeweils jenen Prüfköpfen, die dem Aufstandspunkt (Pauf) in Bewegungsrichtung des Rades 1 folgen. Durch die Krümmung des Rades 1 ändert sich der Auftreffwinkel ß an der Grenzfläche Koppelmittel/Radoberflache bei allen weiteren aktivierten Prüfköpfen, wobei sich auch der Einschallwinkel a der in das Rad eingeschallten Transversalwelle bzw. Longitudinalwellen ändert. Diese Anordnung simuliert ein piezoelektrisches Phased Array ohne eine aufwendige Phasenverzögerung.

Durch dieses, durch die Radgeometrie erzwungene Schwenken des Schallbündels lassen sich Fehler im gesamten Volumen des Radkranzes, an der Lauffläche, an der Innenseite des Rades bei Radreifen sowie in der Scheibe von Vollreifen nachweisen.

Während das Rad 1 sich über die Schiene 4 bewegt, wird, gesteuert durch die Signale der vorhandenen Positionsdetektoren, jeweils ein Prüfkopf abgeschaltet und ein neuer zugeschaltet. Durch diese Vorgehensweise und mittels eines Multiplexers kann die Ultraschallprüfvorrichtung mit einer Kanalanzahl von (n+1) auskommen. Bei typischen Einsenbahnrädern mit Durchmessern von ca. 900 mm liegt n bei ca. 3.

Wie vorstehend erwähnt sind die Prüfköpfe des linearen Prüfkopfarrays in einer, mit Koppelmittel gefüllten, nutförmigen Aussparung 5 in der Schiene 4 untergebracht und durch einen genügenden Abstand zwischen Prüfkopf 6 und Radoberfläche vor mechanischem Verschleiß geschützt. Die Stellung des Prüfkörpers 6 und damit die Position der Prüfköpfe relativ zum Prüfkörper kann mit einer optischen Positionsdetektionsvorrichtung bestimmt werden, deren Ausgangssignale in der Steuer-und Auswerteschaltung zusammen mit den von den Prüfköpfen empfangenen Meßsignalen abgespeichert werden, so daß ausgehend von einer Referenzposition nach Durchführung der Prüfung fehlerhafte Stellen in dem Prüfkörper lokalisiert werden können.

Mit Hilfe der Positionsdaten und der lateralen Radgeschwindigkeit wird beim Abrollen des Rades auf der Schiene jeweils eine Untergruppe der Prüfkopfelemente derart aktiviert, dass der erste Prüfkopf PN, direkt auf den Aufstandspunkt des Rades auf der Schiene schallt und die weiteren Prüfköpfe PN-1 bis PN-n, mit der notwendigen Taktgeschwindigkeit ebenfalls in Richtung Radoberfläche schallen, wobei jeweils ein Prüfkopf, in Abhängigkeit der lateralen Geschwindigkeit, ab-und ein weiterer Prüfkopf zugeschaltet wird.

Der Fig. 2 dargestellte Längsschnitt aus dem Bereich der Berührungspunkte zwischen Rad und Schiene zeigt 8 der m Prüfköpfe 6, wobei eine Untergruppe 7 von vier Prüfköpfen mit den Prüfkopfnummern PN, PN-1, PN-2, PN-3 longitudinale Ultraschallwellen unter einem Anstellwinkel y in Richtung der Radoberfläche einschallt. Durch die natürliche Krümmung der Rades (Radradius R) entsteht ein Einschallwinkel a, der mit zunehmendem n größer wird, und so den Schallstrahl schwenken lässt, ohne eine elektronischen Zeitverzögerung einzusetzen.

Fig. 3a zeigt einen Querschnitt Q durch den Schnitt in Fig. 1. Zu erkennen ist eine Nut 5 in der Schiene 4 und ein Tauchtechnik-Prüfkopf 6 der in den Radkranz des Rades 1 einschallt. Die Einschallung erfolgt dabei parallel zu z-Achse. Die Nut 5 ist dabei mit Koppelmittel gefüllt.

Fig. 3b zeigt ebenfalls einen Querschnitt Q durch den Schnitt in Fig., 1. Im Gegensatz zu Fig. 3a sind nun zwei Prüfköpfe 15 in einem Abstand (yo, yi) zum Laufkreis bei y = 0 angeordnet. Die Prüfköpfe 15 schallen unter einem Einschallwinkel a und zusätzlich unter einem Schielwinkel 8 in Richtung der inneren und äußeren Radkranzstirnfläche 16 um Fehler im Bereich 17 nachzuweisen.

Fig. 3c zeigt ebenfalls einen Querschnitt Q durch den Schnitt in Fig. 1. Im Gegensatz zu Fig. 3b schallen die Prüfköpfe 15 nun unter einem Schielwinkel 8 derart ein, dass Fehler in den Bereichen 18 (inneren und äußere Stirnfläche) nachgewiesen werden können.

Bezugszeichenliste 1 Eisenbahnrad 2 Lauffläche 3 Fahrfläche 4 Schiene 5 Nut 6 Prüfkopf, Tauchtechnikprüfkopf 7 Untergruppe von Prüfköpfen 8 Nicht vergeben 9 Ultraschallwelle 10 Volumen 11 Lauffläche 12 Bohrungsfläche 13 Auswerteschaltung 14 Lichtschranken 14a Spiegel 15 Prüfköpfe 16Radkranzstirnflache 17,18 Bereich