DE4241437A1

DE4241437A1 - Wirbelstromprüfverfahren und -einrichtung zur Erkennung und Tiefenerfassung von Rissen in Rollkörpern

Info

Publication number: DE4241437A1
Application number: DE19924241437
Authority: DE
Inventors: Juergen Rohmann; Dietmar Naunapper
Original assignee: INDUKTIONSERWAERMUNG FRITZ DUE
Current assignee: ROHMANN, JUERGEN, 67271 BATTENBERG, DE
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1994-06-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelstromprüfverfahren und eine Wirbelstromprüfeinrichtung zur Erkennung und Tiefenerfassung von Rissen in Rollkörpern aus ferromagnetischem Material, insbe sondere Lagerrollen, Kran- und Eisenbahnrädern o. a.

Eisenbahnräder, insbesondere die Räder von Hochgeschwindigkeits zügen, unterliegen im Betrieb erheblichen Belastungen, die zu der Bildung von Rissen im Bereich ihrer Laufflächen führen können. Es ist für die Betriebssicherheit von großer Bedeutung, Risse beizeiten zu erkennen, wozu die Eisenbahnwagen einer routine mäßigen Prüfung unterliegen. Nach dem Stand der Technik fahren die Wagen durch einen Prüfstand, in dem die Laufflächen der Räder mit Ultraschall abgetastet werden. Auf dem Prüfstand ist eine spanende Bearbeitung der Räder durch Abdrehen möglich, ohne daß die Räder vom Wagen demontiert werden müßten.

An Eisenbahnrädern können Risse auftreten, die bedingt durch Bremsvorgänge verdeckt sind. Obwohl Hochgeschwindigkeitszüge mit einem Antiblockiersystem ausgerüstet sind, kann es beim Brem sen zu einer kurzen Schleifphase kommen, bei der der in Schienen kontakt stehende Laufflächenbereich der Räder verschmiedet und verschmiert. Ein an entsprechender Stelle befindlicher Riß kann oberflächlich überbrückt sein. Für die Erkennung solcher Risse ist die bekannte Ultraschallprüfung nur bedingt geeignet.

Die Ultraschallprüfung liefert auch nur grobe Anhaltspunkte hin sichtlich der Rißtiefe. Für die Entscheidung, ob ein Rad abgedreht und weiter verwendet werden kann oder ausgetauscht werden muß, ist aber eine möglichst genaue Erfassung der Rißtiefe von aus schlaggebender Bedeutung. Unnötige Radwechsel, mit denen ein beträchtlicher Aufwand einhergeht, können so vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wirbelstromprüfverfahren und eine Wirbelstromprüfeinrichtung für Rollkörper aus ferromagneti schem Material, insbesondere Eisenbahnräder zu schaffen, mit denen eine Erkennung auch verdeckter Risse und eine genaue Riß tiefenbestimmung möglich ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß man eine Prüfzone insbesondere der Lauffläche eines Prüflings wenigstens annähernd magnetisch sättigt, dem Prüfling in der Prüfzone mit einer Erregerspule ein magnetisches Wechselfeld aufprägt und die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld mit einer außerhalb der Erregerspule im Abstand von der Oberfläche des Prüflings befindlichen Meßspule erfaßt.

Zu der die Aufgabe lösenden Wirbelstromprüfeinrichtung gehört eine Magnetisiereinrichtung, die eine Prüfzone insbesondere der Lauffläche eines Prüflings bis zur wenigstens annähernden Sätti gung zu magnetisieren geeignet ist, eine Erregerspule, mit der dem Prüfling in der Prüfzone ein magnetisches Wechselfeld aufge prägt wird, und eine außerhalb der Erregerspule im Abstand von der Oberfläche des Prüflings befindliche Meßspule, mit der sich die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld erfassen läßt.

Die Anordnung der Meßspule außerhalb der Erregerspule ermöglicht es, Komponenten des Nah- und Fernfelds sowie die Wirbelstromver teilung unter der Erregerspule auch außerhalb der koaxialen Aus breitung zu erfassen. Durch die Prüfung unter Bedingungen magneti scher Sättigung können Störeinflüsse unterdrückt werden, die für Prüflinge aus ferromagnetischen Materialien typisch sind, z. B. Störeinflüsse durch lokale Veränderungen des Gefügezustands.

Der magnetisch gesättigte Prüfling verhält sich gegenüber dem magnetischen Wechselfeld wie ein paramagnetischer Körper mit einer relativen Permeabilität nahe 1 (ca. 2 bis 5). Das ermöglicht eine große Eindringtiefe des Wechselfelds und eine quantitative Erfassung der Rißtiefe insbesondere auch tiefer Risse. Ein ober flächliches Verschmieren von Rissen hat auf die Bahn der mit Tiefenwirkung induzierten Wirbelströme keinen maßgeblichen Ein fluß, so daß auch verdeckte Risse einwandfrei erkannt werden. Die Anordnung der Meßspule außerhalb der Erregerspule trägt zu der Tiefenselektivität der Prüfung bei. Ordnet man die Meßspule innerhalb der Erregerspule an, so sind die bei der Detektion von oberflächlichen Rissen und tiefen Rissen erhaltenen Signal spannungen beide absolut größer, in ihrem Verhältnis aber un günstiger als bei einer außerhalb der Erregerspule befindlichen Meßspule. Die Ursache hierfür ist die engere Kopplung zwischen der Erregerspule und der darin angeordneten Meßspule, aufgrund derer es zu einem stärkeren Übersprechen von der Erregerspule zu der Meßspule kommt. Da aber die Erregerspule in erster Linie die Oberfläche des Prüflings durch Änderung der Impedanz und Feldgeometrie "fühlt", werden auch in stärkerem Maß Oberflächen effekte in die innen liegende Meßspule transformiert, als das bei einer außen liegenden Meßspule der Fall ist.

Die Anordnung der Meßspule im Abstand von der Oberfläche des Rads trägt ebenfalls zu der Tiefenselektivität der Prüfung bei.

Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, ist eine Anordnung der Meßspule möglichst nahe dem Fehlerort, d. h. an der Oberfläche des Prüflings üblich. An der Oberfläche können aber z. B. durch Oberflächenrauhigkeiten, legierungs- bzw. verarbeitungsbedingte Inhomogenitäten u. a. und die resultierenden Leitfähigkeits- und Permeabilitätsänderungen bedingte Störpegel auftreten, die die Anzeige tiefer liegender Risse überdecken. Durch die Anordnung der Meßspule in einigem Abstand von der Oberfläche des Prüflings wird die Empfindlichkeit für derartige Störpegel und für von tiefliegenden Rissen herrührende Signalpegel gleichermaßen herab gesetzt. Der Oberflächenabstand fällt aber hinsichtlich der Minde rung der Störpegelempfindlichkeit ungleich stärker ins Gewicht als hinsichtlich der Minderung der Tiefensignalempfindlichkeit, so daß sich das Empfindlichkeitsverhältnis zugunsten der Tiefen signalempfindlichkeit verbessert.

Für die Magnetisierung des Prüflings bis zur wenigstens an nähernden Sättigung kommt vorzugsweise ein Elektromagnet mit einem im wesentlichen hufeisenförmigen Joch zum Einsatz, dessen Enden sich mit der Oberfläche des Prüflings in Anlage befinden und die Spulenanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Enden des Jochs haben vorzugsweise eine zu der Umfangsfläche des Prüflings komplementäre Kontur.

Für die Prüfung können eine oder mehrere Meßspulen in ver schiedenen Konfigurationen verwendet werden. Vorzugsweise kommen zwei in Differenz geschaltete Meßspulen zum Einsatz, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüflings in ein ander gegenüberliegender Anordnung beidseits von der Erregerspule befinden. Durch die Differenzschaltung der Meßspulen wird eine Signalkompensation bewirkt. Zur Vermeidung von Störeffekten durch die Oberflächenkrümmung des Prüflings sind die Meßsonden vorzugs weise auf einer Parallelen zu dessen Achse angeordnet.

Eine noch höhere Aussagesicherheit erhält man durch die Verwendung von vier im Quadranten um die Erregerspule herum angeordneten Meßspulen, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüflings befinden und paarweise in Differenz geschaltet sind. Vorzugsweise sind zwei der Meßspulen auf einer Parallelen zur Radachse und die beiden anderen Meßspulen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet. Die Achsen von Erregerspule und Meßspulen sind vorzugsweise senkrecht zu der Umfangsfläche des Prüflings orientiert, die Achsrichtung der in Umfangsrichtung versetzten Meßspulen also entsprechend der Oberflächenkrümmung des Prüflings korrigiert.

Für die Erregerspule kommt eine Anordnung unmittelbar an der Oberfläche des Prüflings in Betracht. Eine mögliche Alternative besteht darin, den Abstand der Erregerspule von der Oberfläche des Prüflings verstellbar zu gestalten und während der Messung z. B. in Meßschritten von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm zu variieren ("vertikaler Scan-Betrieb"). Das ermöglicht es, die Tiefenschärfe zur Feststellung der Position eines Defekts unterhalb der Ober fläche einzustellen, wobei ein bevorzugter Stellbereich zwischen ca. 1 mm und ca. 20 mm liegt.

Vorzugsweise hat die Erregerspule einen Innendurchmesser, der der maximal zu detektierenden Rißtiefe entspricht, und eine Wick lungslänge von dem ca. 1 bis 2fachen ihres Innendurchmessers. Für eine Rißtiefendetektion bis ca. 20 mm ist also eine relativ große Erregerspule mit einem Innendurchmesser von ca. 20 mm und einer Länge zwischen ca. 20 mm und ca. 40 mm bevorzugt. Der große Innendurchmesser und die entsprechend große Wirkfläche der Er regerspule dient der Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds großer Eindringtiefe. Die Wicklungslänge der Erregerspule darf im Verhältnis zu ihrer Wirkfläche nicht zu gering sein, da sonst die Feldverteilung über die Wirkfläche nicht hinreichend homogen ist, was die erreichbare Eindringtiefe herabsetzt.

Die Meßspulen können in Durchmesser und Wicklungslänge kleiner sein als die Erregerspule. Die Meßspulen sind vorzugsweise axial auf halber Höhe der Erregerspule angeordnet.

Die Frequenz des mit der Erregerspule erzeugten magnetischen Wechselfelds sollte in einem Bereich zwischen ca. 10 s^-1 und ca. 10.000 s^-1 liegen. Bei niedrigeren Frequenzen erhält man keine Wirbelstromerregung hinreichender Stärke. Bei höheren Fre quenzen setzt der Skineffekt der Eindringtiefe Grenzen.

Es empfiehlt sich, die Frequenz des magnetischen Wechselfelds bei der Messung schrittweise oder kontinuierlich durchzustimmen. Durch die Messung bei unterschiedlichen Frequenzen können Rück schlüsse auf die Größenordnung der Störung unterhalb der Ober fläche gezogen werden.

Vorzugsweise werden bei der Messung Prüfspulenanordnung und Prüf ling in eine Relativbewegung in Umfangsrichtung des Prüflings versetzt und zugleich mit dem Signal der Meßspule(n) die relative Winkelstellung von Prüfspulenanordnung und Prüfling detektiert. Das ermöglicht eine genaue Rißlokalisierung am Umfang des Prüf lings. Insbesondere kann der Prüfling mit einer Relativgeschwin digkeit von ca. 100 mm/s bis ca. 1 m/s an der Prüfspulenanordnung vorbeigeführt werden. Die maximal erreichbare Relativgeschwindig keit hängt von der Frequenz des magnetischen Wechselfelds ab.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf ein Demonstrationsmodell zur Wirbel stromprüfung eines Eisenbahnrads;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Demonstrationsmodells mit Blick in Richtung 11 von Fig. 1;

Fig. 3 schematisch und nicht maßstabsgerecht eine Seitenansicht der Prüfsondenanordnung des Demonstrationsmodells mit Schnitt nach III-III von Fig. 2; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Prüfsondenanordnung mit Blick in Richtung IV von Fig. 3.

Bei dem Demonstrationsmodell liegt die Radscheibe 10 eines Eisen bahnrads mit ihrem Achsansatz 12 auf einem Tisch 14. 16 ist die Lauffläche der Radscheibe 10, und 18 ihre umlaufende, radial nach außen abstehende Führungsrippe. Die Radscheibe 10 ist ferro magnetisch.

Neben der Radscheibe 10 liegt ein Elektromagnet 20 auf dem Tisch 14, der ein rechteckig U-förmiges Joch 22 mit beidseits um die U-Schenkel herumliegenden Magnetisierungsspulen 24 hat. Die Enden der U-Schenkel bilden Jochschuhe 26 von etwa der Breite der Rad lauffläche 16. Die Stirnseiten 28 der Jochschuhe 26 sind der Laufflächenkrümmung entsprechend konkav gekrümmt und liegen bündig an der Lauffläche 16 an. Aufbau und Anordnung des Elektromagneten 20 sind spiegelsymmetrisch zu einem Radius der Radscheibe 10.

Zwischen den Jochschuhen 26 liegt der Radlauffläche 16 eine Prüf spulenanordnung 30 gegenüber, die aus einer zentralen Erregerspule 32 und vier im Quadranten darum herum angeordneten Meßspulen 34, 36 besteht. Die Erregerspule 32 liegt an der Lauffläche 16 an. Ihre Achse 38 ist mit dem erwähnten Radius der Radscheibe 10 ausgerichtet. Der Innendurchmesser der Erregerspule 32 beträgt ca. 20 mm und ihre Windungslänge nicht weniger.

Die Meßspulen 34, 36 sind kleiner als die Erregerspulen 32. Sie befinden sich auf etwa halber axialer Höhe der Erregerspule 32 im Abstand von der Radlauffläche 16. Zwei der Meßspulen 34 liegen der Erregerspule 32 auf einer Parallelen zu der Radachse 40 gegen über. Ihre Achsen 42 sind wie die der Erregerspule 32 parallel zu dem erwähnten Radius der Radscheibe 10 orientiert. Die beiden anderen Meßspulen 36 liegen der Erregerspule 32 in Umfangsrichtung versetzt gegenüber. Ihre Achsen 44 sind ebenfalls mit Radien der Radscheibe 10 ausgerichtet, schließen also mit den anderen Achsen 38, 42 einen Winkel ein, der dem Abstand der Meßspulen 36 und der Krümmung der Lauffläche 16 entspricht. Die Prüfspulen anordnung 30 läßt sich insgesamt in axialer Richtung über die Radlauffläche 16 verstellen. Die Radscheibe 10 läßt sich während der Messung drehen.

Der Elektromagnet 20 ist darauf ausgelegt, die Meßzone der Rad scheibe 10, der die Prüfspulenanordnung 30 gegenüberliegt, bis zur Sättigung zu magnetisieren. Die Erregerspule 32 koppelt ein magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz von ca. 1000 s^-1 in die Prüfzone ein. Dadurch werden Wirbelströme induziert, deren Bahn an Rissen eine Änderung erfährt. Die resultierende Rück wirkung auf das Wechselfeld wird mit den paarweise in Differenz geschalteten Meßspulen 34, 36 erfaßt.

Liste der Bezugszeichen

10 Radscheibe
12 Achsansatz
14 Tisch
16 Lauffläche
18 Führungsrippe
20 Elektromagnet
22 Joch
24 Magnetisierungsspule
26 Jochschuh
28 Stirnseite
30 Prüfspulenanordnung
32 Erregerspule
34 Meßspule
36 Meßspule
38 Achse
40 Radachse
42 Achse
44 Achse

Claims

1. Wirbelstromprüfverfahren zur Erkennung und Tiefenerfassung von Rissen in Rollkörpern aus ferromagnetischem Material, insbesondere Lagerrollen, Kran- und Eisenbahnrädern o. a., bei dem man eine Prüfzone insbesondere der Lauffläche (16) eines Prüflings (10) wenigstens annähernd magnetisch sät tigt, dem Prüfling (10) in der Prüfzone mit einer Erreger spule (32) ein magnetisches Wechselfeld aufprägt und die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld mit einer außerhalb der Erregerspule (32) im Abstand von der Oberfläche des Prüflings (10) befindlichen Meßspule (34, 36) erfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei in Differenz geschaltete Meßspulen (34, 36) verwendet, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüf lings (10) in einander gegenüberliegender Anordnung beidseits von der Erregerspule (32) befinden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man vier im Quadranten um die Erregerspule (32) herum angeordnete Meßspulen (34, 36) verwendet, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüflings (10) be finden und paarweise in Differenz geschaltet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man ein magnetisches Wechselfeld in einem Fre quenzbereich von ca. 10 s^-1 bis ca. 10.000 s^-1 ver wendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Frequenz des magnetischen Wechselfelds schrittweise oder kontinuierlich durchstimmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß man Prüfspulenanordnung (30) und Prüfling (10) bei der Messung eine Relativbewegung in Umfangsrichtung des Prüflings (10) durchführen läßt und zugleich mit dem Signal der Meßspule(n) (34, 36) die relative Winkelstellung von Prüfspulenanordnung (30) und Prüfling (10) erfaßt und auf zeichnet.

7. Wirbelstromprüfeinrichtung zur Erkennung und Tiefenerfassung von Rissen in Rollkörpern aus ferromagnetischem Material, insbesondere Lagerrollen, Kran- und Eisenbahnrädern o. ä. mit einer Magnetisiereinrichtung, die eine Prüfzone insbe sondere der Lauffläche (16) eines Prüflings (10) bis zur wenigstens annähernden Sättigung zu magnetisieren geeignet ist, mit einer Erregerspule (32), mit der dem Prüfling (10) in der Prüfzone ein magnetisches Wechselfeld aufprägbar ist, und mit einer außerhalb der Erregerspule (32) im Ab stand von der Oberfläche des Prüflings (10) befindlichen Meßspule (34, 36), mit der die Rückwirkung der induzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld erfaßbar ist.

8. Prüfeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisiereinrichtung ein Elektromagnet (20) mit einem im wesentlichen hufeisenförmigen Joch (22) ist, dessen Enden sich mit der Oberfläche des Prüflings (10) in Anlage befinden und die Prüfspulenanordnung (30) zwischen sich auf nehmen.

9. Prüfeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Enden des Jochs (22) eine zu der Umfangs fläche des Prüflings (10) komplementäre Kontur haben.

10. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei in Differenz geschaltete Meß spulen (34, 36) aufweist, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüflings (10) in einander gegenüber liegender Anordnung beidseits von der Erregerspule (32) be finden.

11. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (34) auf einer Parallelen zu der Achse (40) des Prüflings (10) angeordnet sind.

12. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier im Quadranten um die Erregerspule (32) herum angeordnete Meßspulen (34, 36) aufweist, die sich unter gleichem Abstand von der Oberfläche des Prüflings (10) befinden und paarweise in Differenz geschaltet sind.

13. Prüfeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Meßspulen (34) auf einer Parallelen zu der Achse (40) des Prüflings (10) und die beiden anderen Meßspulen (36) in Umfangsrichtung des Prüflings (10) versetzt angeordnet sind.

14. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (38, 42, 44) von Erregerspule (32) und Meßspule(n) (34, 36) im wesentlichen senkrecht zu der Umfangsfläche des Prüflings (10) orientiert sind.

15. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erregerspule (32) unmittelbar an der Oberfläche des Prüflings (10) befindet.

16. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Erregerspule (32) von der Oberfläche des Prüflings (10) bei der Messung verstellbar ist.

17. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (32) einen Innendurch messer hat, der etwa der maximal zu detektierenden Rißtiefe entspricht, und daß die Wicklungslänge der Erregerspule (32) das ca. ein- bis zweifache ihres Innendurchmessers beträgt.

18. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule(n) (34, 36) in Durchmesser und Wicklungslänge kleiner als die Erregerspule (32) und vorzugsweise axial auf deren halber Höhe angeordnet ist/sind.

19. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (32) ein magnetisches Wechselfeld im Frequenzbereich von ca. 10 s^-1 bis ca. 10.000 s^-1 zu erzeugen geeignet ist.

20. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Wechselfelds schrittweise oder kontinuierlich durchstimmbar ist.

21. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfspulenanordnung (30) und Prüfling (10) bei der Messung in eine Relativbewegung in Umfangs richtung des Prüflings (10) versetzbar sind, und daß zugleich mit dem Signal der Meßspule(n) (34, 36) die relative Winkel stellung von Prüfspulenanordnung (30) und Prüfling (10) detek tierbar ist.