Auf Herz und Nieren

Vor allem das Erkennen von internen Materialfehlern fordert eine präzise und zuverlässige Prüftechnik. Nach den Normen EN 13262 und ISO 5948, die die Produktqualifizierung von Eisenbahnrädern beschreiben, muss man die innere Fehlerfreiheit durch automatische Verfahren feststellen. Das kann die Prüfung durch Ultraschall sein. Eines der führenden Unternehmen für Ultraschall-Prüfsysteme in der Öl-, Gas- und Stahlindustrie ist die NDT Systems & Services. Im März 2011 erhielt NDT die Anfrage eines chinesischen Herstellers für Eisenbahnräder zur Entwicklung einer Radprüfanlage. Die Anforderung: Eine Prüfzeit von 60 bis 90 Sekunden pro Rad einschließlich Be- und Entladen der Prüfeinheit – ein ambitioniertes Ziel, denn auch kleinste Unregelmäßigkeiten müssen erkannt und dokumentiert werden. Im Hochgeschwindigkeitsbereich etwa müssen kleinste innere Fehler mit einer Prüfempfindlichkeit entsprechend einem Kreisscheibenreflektor von 1,0 mm Durchmesser (KSR 1) detektiert werden. Zudem sollte die Maschine in der Lage sein, auch unterschiedliche Radgrößen zuverlässig zu laden und zu prüfen. Um die Entwicklungsvorgaben umsetzen zu können, holte sich NDT Systems & Services kompetente Partner mit ins Boot. Neben Fraunhofer IZFP, das die Prüftechnik samt Software entwickelte, gehörte dazu der Geschäftsbereich Origa von Parker Hannifin, einem führenden Hersteller für Antriebs- und Steuerungstechnologie. Das Unternehmen produziert pneumatisch und elektrisch angetriebene Komponenten und Systeme. Da die Inspektion der Radkränze unter Wasser stattfindet und auch bei der Prüfung der Radnaben permanent Wasser als Koppelmedium für den Transport der Ultraschallwellen in den Stahl fließt, musste die Antriebstechnik einer hohen Schutzklasse entsprechen (IP 54). Das Unternehmen tritt bei NDT als umfassender Lösungspartner auf, denn auch die Motoren und Servo-Controller für die Anlage kommen vom Weltmarktführer.

Entwicklung mit Partnern

Die reine Entwicklungszeit für die Anlage betrug rund sechs Monate. Das Resultat ist eine Maschine, hinter deren Fassade sich moderne Ultraschalltechnologie verbirgt. Die bis zu 1,2 t schweren Räder lassen sich im Minutentakt in die Haltevorrichtung einlegen. Über den federnd gelagerten Prüfkopf kontrolliert der Bediener den korrekten Sitz des Rades, bevor man es in das Wasserbecken der Anlage eintaucht; so ist eine perfekte Positionierung auch bei unterschiedlichen Radgrößen gewährleistet. Bis zu 1000 unterschiedliche Radgeometrien lassen sich über das System vorgeben. Die Wassertemperatur ist variabel und kann zwischen 10 und 35 Grad liegen. Der im Wasser integrierte Fühler meldet die Temperatur an das System, das darauf basierend die Geschwindigkeit des Ultraschalls berechnet und die Werte entsprechend anpasst.

Die eigentliche Innovation findet sich im Wasserbecken: Für die Radkranzprüfung brachte NDT erstmals die Gruppenstrahlertechnik (Phased Array Technik) zum Einsatz. Sie ermöglicht es, die Prüfung mit nur einer Radumdrehung durchzuführen. Die Phased Arrays sind in einem Abstand von jeweils 4,0 cm angebracht; insgesamt sind 128 Prüfelemente pro Array integriert. Die Inspektion der Radnabe erfolgt ebenfalls über ein Array von Ultraschallprüfköpfen, das die Nabe beidseitig abtastet. Bei der Online-Anlage zur Kontrolle von Radkranz und -nabe dauert die Prüfung des Rohlings 30 Sekunden inklusive Anstellung und Lösen des Rades nur eine Minute. Das verwendete System Origa OSP-E mit Spindelantrieb zeichnet sich durch eine kompakte Aluminium-Rollenführung für hohe Belastungen und Geschwindigkeiten bei kleineren Baugrößen aus. Die Linearantriebe fahren die Prüf-Sensoren präzise an die gewünschten Positionen; der Prüfkopf lässt sich mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,5 mm positionieren. Gesteuert wird die Anlage via Profibus.

Nach der Entwicklung unterzog NDT die Anlage umfangreichen Tests, bei denen man sowohl die mechanischen Komponenten als auch die Software auf Herz und Nieren prüfte. Der Kunde in China stellte dafür drei Testräder, deren Referenzreflektoren (Testfehler) manuell eingebracht und dokumentiert waren. Die Testreihe zielte darauf ab, diese Unregelmäßigkeiten jedes Mal innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens zu identifizieren – ein Ziel, das man mit Bravour erreichte.

jg