-
Verfahren zu-r zerstörungsfreien Prüfung von auf
-
Wellenschenkeln sitzenden Wälzlager-Innenringen und Gerät zur Durchführung
dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Prüfung von auf Wellenschenkeln sitzenden Wälzlager--lnnenringen auf unzureichenden
Haftsitz nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren.
-
Das Wälzlager ist ein vielseitig verwendetes Konstruktionselement.
Eine wichtige Anwendung mit hohen Ansprüchen an die Belastbarkeit ist bei der Deutschen
Bundesbahn die Lagerung von Radsätzen, wobei z. Z. vorzugsweise Zylinderrollenlager
in einer zweiteiligen Bauart eingesetzt sind. Bei diesen Lagerbauarten ist der Außenring
mit dem eingebauten Wälzsystem abnehmbar, während der Innenring auf die Achse oder
Welle aufgeschrumpft oder aufgepreßt ist. Sich lösende Innenringe können zum Versagen
des Lagers mit evtl. erheblichen Folgeschäden führen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von dem eingangs
genannten Verfahren, sich lösende Innenringe von Wälzlagern während wiederkehrender
Unterhaltungsarbeiten so rechtzeitig festzustellen, daß das Lagersystem bis zur
nächsten Untersuchung aus diesem Grunde nicht versagt. Um dieses zu erreichen, müssen
die Ringe bereits ausgeschieden werden, wenn sie noch nicht vollständig lose sind,
der Traganteil aber schon sehr gering ist. Das derzeitig verbreitete subjektive-Verfahren
einer Klangprobe durch Beklopfen mit einem Hammer erfüllt diese Anforderung in keiner
Weise. Selbst nachweislich lose Ringe werden unter Umständen nicht erkannt. Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene Prüfverfahren benutzt zur Beurteilung der Sitzgüte
das Reflexionsverhalten von Schallwellen an Grenzflächen.
-
Die Güte eines Schrumpfsitzes oder Preßsitzes ist abhängig vom Traganteil
der Berührungsflächen. Nur dort, wo sich z. B. der Innenring eines Radsatzrollenlagers
und der Lagersitz des Wellenschenkels unmittelbar berühren, können Kräfte übertragen
werden.
-
Der Traganteil der Sitzflächen wird u. a. beeinflußt von: a) der Oberflächenrauhigkeit,
der Kreishaltigkeit und der Zylinderhaltigkeit des Lagersitzes und des Innenringes;
b) dem Anpreßdruck, verursacht durch das Übermaß des Lagersitzes gegenüber dem Ring;
0) Verunreinigungen der Sitzflächen z. B. durch Schmutz oder Passungsrost.
-
Akustisch gesehen entspricht die Sitzfläche Innenring zum Lagersitz
einer halbdurchlässigen Grenzfläche. Dort, wo sich Ring und Lagersitz unmittelbar
berühren, tritt der Schall fast ungehindert durch. Wo der Innenring nicht satt anliegt,
wird der Schall in Abhängigkeit von der Spaltweite und dem den Spalt ausfüllenden
Medium mehr oder weniger stark reflektiert. Das Verhältnis des an der Sitzfläche
reflektierten Schalles zum durchtretenden Schall ist damit abhängig vom unmittelbaren
Traganteil der Berührungsflächen und von der Spaltweite. Durch Schalldruckmessungen
kann auf die Güte des Schrumpf- oder Preßsitzes geschlossen werden.
-
Nach Krautkrämer "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", dritte Auflage,
Abschnitt 2.2 (S. 22 ff), ist die Reflexion an einem Spalt abhängig von der Spaltweite
und der Wellenlänge der U1-traschallwelle. Ein luftgefüllter Spalt von 10 8 mm ergibt
bei einer Frequenz von 1 MHz bereits eine Reflexion von 1 %. Eine Flüssigkeit im
Spalt bewirkt eine scheinbare Verkleinerung der Spaltweite um 4 Größenordnungen.
Der interessierende Bereich ausreichender Reflexionen liegt beim flüssigkeitsgefüllten
Spalt
zwischen 10 4 und 10'1 mm # MHZ (Spaltweite x Prüffrequenz).
-
Die weitestgehende Nutzung dieses Bereiches erfordert für eine maximale
Reflexion einen Wert nahe 10-1 mm # MHz. Die zulässige Oberflächenrauhigkeit beträgt
z. B. für den Wellenschenkel eines Eisenbahnradsatzes 6,0 . 10-3 mm. Die Rauhigkeit
der Sitzflächen des Ringes kann sich addieren oder subtrahieren. Es können bei Ringen
mit unzureichendem, jedoch noch nicht losem Sitz Spaltweiten dieser Größenordnung
erwartet werden.
-
Bei einer Spaltweite von 6-,0 10-3 mm ergeben sich für das Produkt
Spaltweite x Prüffrequenz folgende Werte: bei 2 -MHz: 1,20 # 10-2 mm ' MHz bei 4
MHz: 2,40 102 mm MHz bei 6 MHz: 3,60 10 2 mm ' MHz bei 8 MHz: 4,80 ; 10 2 mm ' MHz
bei 10 MHz-: 6,00 # 10-2 mm ' MHz bei 12 MHz: 7,20 # 10-2 mm # MHz Nach Krautkrämer
"Werkstoffprüfung mit Ultraschall" Abb. 2,4 beträgt die Reflexion bei einem flüssigkeitsgefüllten
Spalt dieser Größenordnung bei einer Prüffrequenz von 2 MHz ~ 60 %, bei 12 MHz fast
100 %.
-
Die geringen Ö1- und Fettreste, die selbst nach sorgfältigem Abwischen
der Sitzflächen zurückbleiben, reichen im allgemeinen aus, die Prüfbedingungen des
mit Flüssigkeit gefüllten Spaltes hinreichend zu erfüllen.
-
Die für Radsatzrollenlager der Eisenbahn üblichen Arbeitsverfahren
stellen dies sicher.
-
Nur durch sorgfältiges Entfetten der Sitzflächen mit chemischen Mitteln
kann gewollt ein völlig trockener Sitz erreicht werden. Ein völlig trockener Sitz
wird ebenso wie ein stark verschmutzter Sitz bei der vorgesehenen Prüfung fälschlicherweise
als unzureichend bewertet.
-
Mit einer Geräteeinstellung können Sitze mit absolut trockenem Spalt
und flüssigkeitsbenetzte Sitze nicht ohne weiteres gleichzeitig bewertet werden.
-
Für die eingangs gestellte Aufgabe werden erfindungsgemäß drei Lösungen
aufgezeigt, die in den Patentansprüchen 1, 2 und 11 aufgeführt sind.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung näher
erläutert. Es. zeigen: Fig. 1 ein Verfahren bei Einschallung von den Mantelflächen
der Lager-Innenringe aus; Fig. 2 ein Verfahren bei Einschallung von einer Körnerbohrung
an der Stirnfläche des Welienschenkels aus; Fig. 3 ein Verfahren unter Verwendung
von zwei Winkelprüfköpfen; Fig. 4 ein Verfahren bei radialer Einschallung; Fig.
5 eine Prüfkopf-Halterung zur Aufnahme von mehreren Normalprüfköpfen; Fig. 6 ein
Prinzip-Schaltbild für eine Prüfanordnung zur Durchführung der Verfahren gemäß der
Erfindung und Fa. 7 eine Vorrichtung zum Antrieb zu prüfender Lager-In-Innenringe.
-
Folgende Prüfmethoden sind anwendbar: a) (Fig. 1): Bei Einschallung
von den Mantelflächen 1 der Lager-Innenringe 2 aus mit einem Winkelprüfkopf 3 derart,
daß die Schallwelle 4
auf einen Querschnittsübergang 5 des Wellenschenkels
6 oder nach- Reflexion an der Grenzfläche 7 Ring/Wellenschenkel in die Kante 8 des
Ringes trifft, erhält man infolge Reflexion an Winkelspiegeln bewertbare Echos.
Durch Vergleich der Amplituden dieser Echos mit denen der entpsrechenden Echos aus
einem festen Ring (Traganteil 100 %) bzw. einem losen' Ring (Traganteil 0 %), erhält
man quantitative Meßwerte für die Güte des Sitzes.
-
b) (Fig. 2): Bei Einschallung von einer Körnerbohrung 9 an der Stirnfläche
10 des Wellenschenkels 6 aus mit einem Körnerprüfkopf 11, wie er für die Prüfung
der Wellenschenkel auf Querrisse benutzt wird (DBGM 1 972 292), tritt die Schallwelle
aus dem Wellenschenkel 6 in die Lager-Innenringe 2 ein. Aus den Kanten 12 dieser
Lager-Innenringe erhält man bewertbare Echos. Durch-Vergleich der Amplituden dieser
Echos mit denen der entsprechenden Echos aus festen Innenringen (Traganteil 100
%) erhält man quantitative Meßwerte für die Güte der Sitze.
-
c) (Fig. 3): Bei Verwendung von zwei Winkelprüfköpfen 3 und Einschallung
unter einem geeigneten Winkel von der Mantelfläche 1 des Lager-Innenringes 2 erhält
man nach mehrfacher Reflexion der Schallwelle 4 an der Grenzfläche 7 Innenring/Wellenschenkel
bei geeigneter Positionierung der Winkelprüfköpfe 3 ein bewertbares Echo. Durch
Vergleich der Amplitude dieses Echos mit dem entsprechenden Echo aus dem losen,
nicht aufgezogenen Ring (Traganteil 0 %) erhält man einen quantitativen Meßwert
für die Güte des Sitzes.
-
d) (Fig. 4): Bei radialer Einschallung über einen Prüfkopf 13 von
den Mantelflächen 1 der Lager-Innenringe 2 aus kann man durch Vergleich der Amplitude
des Rückwandechos aus der Grenzfläche 7 Innenring/Wellenschenkel mit der Amplitude
eines n-ten Wiederholungsechos einen quantitativen Meßwert für die Größe des reflektierten
Schalldruckes
in dB erhalten. Der Vergleich dieses Amplitudenverhältnisses mit dem der gleichen
Echos am losen nicht aufgezogenen Ring (Traganteil 0 %) ergibt ein Maß für die Güte
des Sitzes an der Meßstelle.
-
e) Bei Einschallung nach d) wird der in den Wellenschenkel 6 eintretende
Schall an der Grenzfläche 14 Wellenschenkel/innenring, die der Einschallstelle gegenüberliegt,
oder an der dahinterliegenden Mantelfläche 15 des Innenringes reflektiert, so daß
Echos von diesen Grenzflächen auftreten können. Durch Vergleich der Amplituden dieser
Echos mit denen der entsprechenden Echos aus einem festen Innenring (Traganteil
100 %) erhält man ebenfalls quantitative Meßwerte.
-
f) Bei Einschallung nach d) erhält man ebenfalls quantitative Meßwerte
in dB, wenn man die Amplitude des Rückwandechos oder eines n-ten Wlederholungsechos
aus der Grenzfläche 7 Innenring/ Wellenschenkel mit der Amplitude des gleichen Echos
aus dem losen Ring (Traganteil 0 %) unmittelbar vergleicht.
-
Unter Berücksichtigung der Forderungen, daß 1) die erzielbaren Meßwerte
den Grenzbereich lose - fest überdecken und in diesem Bereich bei guter Reproduzierbarkeit
ausreichend differieren müssen, 3) die Prüfeinrichtung möglichst einfach einzustellen
und zu bedienen sowie das Meßergebnis leicht abzulesen, zu registrieren und auszuwerten
sein soll, erscheint das Verfahren nach f) als am besten geeignet und ist verwirklicht
worden.
-
Da Schalldruckmessungen durchzuführen sind, kommt die Ankopplung eines
handelsüblichen Prüfkopfes von Hand wegen- der dabei unvermeidlichen Ankopplungsschwankungen
nicht in Betracht. Der Prüfkopf muß in einer Vorrichtung geführt werden, die eine
möglichst gleichmäßige Ankopplung bei exakt radialer Prüfkopfstellung gewährleistet.
-
Die Ermittlung des Traganteiles durch eine geringe Anzahl von Einzelmessungen
bringt keine reproduzierbaren Ergebnisse, da die Meßwerte bei Verwendung eines Normalprüfkopfes
zwischen verschiedenen Meßpunkten stark differieren können. Der gleiche Ring kann
sowohl Stellen mit gutem als auch Stellen mit losem bzw. fast losem Sitz aufweisen.
-
Dabei genügt oft die Verschiebungdes Prüfkopfes um wenige Millimeter,
um ein anderes Meßergebnis zu erreichen.
-
Ein geeignetes Prüfverfahren muß daher eine Vielzahl von Messungen
auf-dem Umfang, besser noch eine lückenlose Prüfung in mehreren Querschnittsebenen
mit Mittelwertbildung ermöglichen.
-
Dabei kann sich der Wellenschenkel Unter dem Prüfkopf oder der Prüfkopf
um den Wellenschenkel gleichförmig drehen.
-
Für die Untersuchung wurde eine Prüfkopf-Halterung 16 (Fig. 5) zur
Aufnahme von mehreren Normalprüfköpfen 17 entwickelt, mit der die beiden Lager-Innenringe
2 eines sich drehenden Wellenschenkels 6 ohne Umsetzen der Vorrichtung auf dem ganzen
Umfang auch in mehreren Querschnittsebenen geprüft werden können. Die Prüfköpfe
haben an die Rundung der Innenringe angepaßte Vorsatzstücke 18. An der Prüfkopf-Halterung
16 ist ein Stützrad 19 angeordnet, welches in der Vertiefung zwischen vorderem und
hinterem Lager-Innenring läuft. Das Stützrad treibt einen elektrooptischen Impulsgeber
20 an, dessen Ausgangsim pulse die Impulsfolgefrequenz des angeschlossenen Ultraschallgerätes
bestimmt. Hieraus ergibt sich eine von der Umfangsgeschwindigkeit
des
Lager-Innenringes unabhängige Anzahl von Prüftakten und dadurch auch Schallimpulsen
pro Umdrehung, die durch gleiche, genügend kleine Abstände auf dem Umfang des Lager-Innenringes
eine kontinuierliche Prüfung gewährleisten.
-
Gleichzeitig ermöglicht die Erzeugung von derartigen drehwinkelabhängigen
Impulsen die Begrenzung der Prüfung auf genau eine oder genau mehrere ganze Umdrehungen
des Wellenschenkels.
-
Die für die Steuerung des Prüfablaufes notwendigen Schaltelemente
21 sind ebenfalls an der Prüfkopf-Halterung 16 angeordnet.
-
Das Ultraschallgerät 22 (Fig. 6) sowie die nachfolgenden Blenden-
und Torstufen 23 sind handelsüblich, wogegen die für den Prüfablauf und die Ausgabe
der Prüfergebnisse erforderlichen Zusatzeinrichtungen Sonderentwicklungen darstellen.
-
In den Prüfpausen wird das Ultraschallgerät 22 von einem zweiten Taktgeber
24 angesteuert; so kann man die Einstellungen und Justierungen ständig kontrollieren.
Beim Start einer Prüfung wird umgeschaltet auf den Impulsgeber 20 an der Prüfkopf-Halterung
16. Diese Impulse werden außerdem einem Vorwahlzähler 25 zugeführt, der nach einer
Impulszahl, die einer oder mehreren ganzen Umdrehungen des Wellenschenkels 6 entspricht,
den Prüfvorgang beendet.
-
Da die Ultraschall-Impulse an der Grenzfläche 7 Ring/Wellenschenkel
je nach Traganteil mehr oder weniger stark reflektiert werden und sich eine Mehrfachechofolge
ausbildet, kann man ein n-tes (z. B. das sechste) Echo dieser Folge ausblenden und
seine Höhe bewerten. Uberschreitet die Amplitude dieses Echos einen voreingestellten
Wert (Schwelle), so wird dieser Prüftakt in einem summierenden Zähler 26 festgehalten.
Wird der voreingestellte Wert nicht erreicht, erfolgt keine Zählung. Die Anzahl
der eingezählten Impulse ist unmittelbar ein Maß für die Sitzgüte
des
Ringes. Dabei entsprechen null Impulse einem völlig festen Sitz; die volle Impulszahl
entspricht einem völlig losen Sitz.
-
Zur leichteren Auswertung der Prüfergebnisse können die Werte des
Zählers 26 auf eine Basis von 100 Impulsen pro Umdrehung der Welle umgerechnet bzw.
zusammengefaßt werden. So erhält man die Meßwerte unmittelbar in Prozenten. Die
gut/schlecht-Grenze läßt sich auf dieser Prozentskala den Erfordernissen gemäß beliebig
wählen. Bei dieser Verfahrensweise können die Ringe bereits dann ausgeschieden werden,
wenn der Traganteil zwar gering, der Ring aber noch nicht lose ist.
-
Zur Vermeidung von Fehlmessungen muß die Güte der Ankopplung des Prüfkopfes
an das Prüfobjekt überwacht werden. Dieses erfolgt durch Bewertung der Amplitude
des ersten, durch den Sendeimpuls nicht mehr beeinflußten Echos aus der Sitzfläche
7 Ring/Wellenschenkel oder eines Wiederholungsechos. Da bei sehr festem Sitz dieses
Echo nicht auftreten und somit einen Ankopplungsfehler vortäuschen kann, wird zusätzlich
das dann auftretende-Echo aus der Grenzfläche 14 Wellenschenkel/Ring oder der Mantelfläche
15 des Lager-Innenringes bewertet. Aus diesen beiden Impulshöhenbewertungen läßt
sich analog zur Auswertung der Prüfergebnisse eine Zähleranzeige gewinnen, die die-Ankopplungsgüte
beinhaltet. Bei guter Ankopplung wird die volle Impulszahl erreicht.
-
Die Ergebnisse der Zähler sowie sonstige wichtige Prüfdaten können
mit einem Drucker 27 dokumentiert werden.