Neue Radprüfanlage erkennt winzige Schäden bereits in der Produktion

Mit Ultraschall auf der sicheren Schiene

Noch mehr Sicherheit im Schienenverkehr gewährleistet die neue Ultraschall-Radprüfanlage, welche die Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe TEG in Stuttgart gemeinsam mit ihrem Schwesterinstitut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP entwickelt hat. Rail Wheel Inspection, kurz RWI, heißt die Anlage, die kleinste Schäden im Innern von Eisenbahnrädern bereits während der Produktion erkennt.

Wenn ein Intercity-Express mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 Kilometern pro Stunde über die Schienen braust, sind die Räder des Zuges extremen Belastungen ausgesetzt. Deshalb muss jedes einzelne Rad in einwandfreiem Zustand sein. Und dies gilt natürlich nicht nur für die Hochgeschwindigkeitszüge der Deutschen Bundesbahn, sondern für alle Züge, die täglich im Personen- und Güterverkehr eingesetzt werden. Schon kleinste Staubpartikel, die während der Fertigung ins Innere eines Eisenbahnrades gelangen, oder Einschlüsse wie winzige Luftblasen, gefährden die langfristige Sicherheit eines Rades. Deshalb ist es für die Hersteller wichtig, Materialfehler schon während des Produktionsprozesses zu erkennen: Nur so können qualitativ hochwertige und den heutigen Sicherheitsstandards entsprechende Eisenbahnräder hergestellt werden. Mit RWI Rail Wheel Inspection haben die TEG-Entwicklungsingenieure ein System realisiert, das eine schnelle und zuverlässige Ultraschall-Einzel-Prüfung von Radreifen und Vollrädern ermöglicht. Auch berücksichtigten sie die von der europäischen Norm seit 2002 geforderte Prüfempfindlichkeit entsprechend Kreisscheibenreflektor mit Durchmesser 1 mm, statt bisher 2 mm.

Die Stuttgarter Ingenieure haben sich bei RWI für eine Ultraschallprüfung mittels Tauchtechnik entschieden. Das hat den Vorteil, dass die Prüfköpfe in einem definierten Abstand zu dem zu prüfenden Rad angebracht sind und sie dadurch keine Verschleißerscheinungen zeigen. Spezielle Prüfsystemträger sorgen dafür, dass sich die RWI Anlage automatisch verschiedenen Radgrößen anpasst, so dass Räder von 690 bis 1.350 mm Durchmesser bei einem Gewicht bis ca. 1000 kg vom RWI System ohne aufwendiges mechanisches Umrüsten geprüft werden können.

Die Basis-Version von RWI ist ausgelegt für die Prüfung des Radkranzes von Radreifen und Vollrädern. Dafür sind je nach Prüfaufgabe fünf bis zwölf Tauchtechnik-Prüfköpfe notwendig. Die optionale Einbindung weiterer Prüfkopfträger ermöglicht bei Vollrädern erstmals in Tauchtechnik die Prüfung von Scheibe, Nabe und Spurkranz eines Rades in einem Durchgang. Dieses komplette Prüfsystem mit allen Optionen ist mit 5 bis 28 Tauchtechnik-Prüfköpfen ausgestattet. Das RWI Basis-System kann also durch flexibel wählbare Prüfmodule aufgestockt und genau auf die Kundenbedürfnisse zugeschnitten werden.

Vollautomatisiertes Verfahren benennt Schäden exakt

Die Stuttgarter Ingenieure entwickelten mit RWI eine vollautomatisierte Prüfanlage, die problemlos in jeden bestehenden Fertigungsablauf implementiert werden kann. An einem vereinbarten Punkt in der Produktionslinie wird eine Übergabestation errichtet. Hier entnehmen Greifer, die über ein Teleskop-System an einem Kran montiert sind, das Rad und heben es in das nebenstehende Tauchbecken. Hochempfindliche Sensoren führen jetzt mittels Ultraschall eine Volumenprüfung durch. Während des Prüfvorgangs wird das Rad mit Hilfe einer speziellen Mechanik mehrmals gedreht, um eine komplette Prüfung an allen Bereichen des Rades zu ermöglichen. Nach jeder Drehung verschieben sich die Prüfköpfe, die in einem Prüfkopfblock angeordnet sind, quer zur Achse. Anschließend entnimmt der Kran den Prüfling dem Wasserbecken und legt ihn zurück auf die Übergabestation, wo er wieder in die Produktionslinie integriert wird. Das ebenfalls von der Fraunhofer TEG entwickelte und realisierte vollautomatische Handhabungssystem, das die Verbindung zwischen Produktionslinie und Tauchbecken schafft, wird den Schnittstellen exakt angepasst und ermöglicht eine reibungslose Überführung der Räder hin zum Wasserbecken und wieder zurück in die Fertigung.

Der Prüfvorgang wird durch eine spezielle Ultraschall-Elektronik ermöglicht, die in einen Industrie-Computer integriert ist. Sie dokumentiert bei der Prüfung eines beschädigten Rades unmittelbar, um welche Art von Materialfehler es sich handelt, wo er sich exakt befindet und wie groß er ist. Die Bedienung und Steuerung der Mechanik und Elektronik von RWI erfolgt mittels benutzerfreundlicher Software über nur einen einzigen Leit-PC, der die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine darstellt. Dadurch kann die gesamte Anlage von nur einer einzigen geschulten Person bedient werden.

RWI bietet individuelle Lösungen

Neben der von der europäischen Norm geforderten höheren Prüfempfindlichkeit optimierten die Stuttgarter Ingenieure auch die Takt- und Prüfzeit. Die Taktzeit, d.h. der Zeitraum von der Entnahme des Rades aus der Produktionslinie bis zu seiner Rückführung, beträgt drei Minuten, hierbei beträgt die reine Prüfzeit ca. 1,5 Minuten. Dass die Fraunhofer TEG auch bei individuellen Sonderwünschen hochflexibel reagieren kann, stellte sie jetzt für einen Kunden aus Russland unter Beweis. Die Vorgabe war hier eine Taktzeit von lediglich einer Minute. Die Ingenieure begegneten dieser Herausforderung mit der Entwicklung eines Doppelsystems. Statt wie üblich einer Transporteinheit befördern zwei parallel agierende Einheiten die Vollräder und Radreifen zum Prüfbecken und wieder zurück in die Fertigungslinie. Die schon beim standardmäßigen RWI System komplexe Steuerungstechnik ist hier noch anspruchsvoller. Denn die hochentwickelte Transportsystemsteuerung musste so realisiert werden, dass nicht der eine Teil des Transportsystems schon ein weiteres Rad an das Tauchbecken liefert, während dort das vorige Rad noch geprüft wird. Auch musste die Verfahrstrategie der beiden Transportsysteme dergestalt optimiert werden, daß die vom Kunden geforderte Taktzeit sicher erreicht werden kann.

Einbeziehen der äußeren Bedingungen

In die RWI Anlage ist eine moderne Filtertechnik integriert, die das Wasser im Tauchbecken ständig aufbereitet und für langanhaltende Sauberkeit sorgt. Wo an-derswo schon nach kurzer Zeit Schmutzpartikel oder Späne das Wasser verunreinigen und einen erheblichen Störfaktor bei der Ultraschallprüfung und der übrigen Sensorik darstellen, ist hier noch nach längerer Zeit sauberes Wasser in der Prüfwanne. Neben der Reinheit des Wassers ist auch seine Temperatur für eine erfolgreiche Ultraschallprüfung ausschlaggebend. Da die TEG-Ingenieure bei jedem neuen Auftrag auch das räumliche und thermische Umfeld der Prüfanlage in ihre Planung mit einbeziehen, machten sie sich deshalb im Falle des Kunden aus Russland besonders Gedanken zu den dortigen Temperaturbedingungen: Aufgrund der hohen Minusgrade während des russischen Winters entschied das Entwicklungsteam, bei dieser Anlage eine Sonderfunktion einzubauen. Um zu ver-hindern, dass die Prüftechnik, die sich größtenteils unter Wasser befindet, bei zu großer Kälte beschädigt wird, erfolgt eine automatische Wasserentleerung des Beckens: Bei einem Temperaturabfall unter den kritischen Bereich von fünf Grad Celsius fließt das Wasser ab, um so die integrierte Technik zu schützen.

Neues Prüfsystem auch für S- und U-Bahnräder einsetzbar

Nachdem die Experten der Fraunhofer TEG die neue Prüfanlage im Vorfeld umfangreich mittels Testrädern und Testrad-reifen erprobt haben, unterstützen sie die auftraggebenden Unternehmen auch bei der Implementierung der Radprüfanlage in bestehende Produktionsprozesse. Ihre jahrelange Zusammenarbeit bei der Entwicklung kundenspezifischer, innovativer Produkte und Verfahren mit Partnern aus der Industrie kommt den Stuttgarter Ingenieuren hierbei zu Gute. Ebenso wie ihre Erfahrung als interdisziplinärer Entwicklungsspezialist innerhalb der Fraunhofer Gesellschaft. Außerdem kann die Fraunhofer Gesellschaft bei Bedarf das Know-how verschiedener Institute bündeln: Bei der Entwicklung von RWI führte die TEG das Systems Engineering durch und realisierte die gesamte Mechanik, Anlagensteuerung und Steuerungssoftware, das Schwesterinstitut IZFP entwickelte die Prüfelektronik und Prüfsoftware.

Die RWI-Anlage dürfte das größte Projekt sein, das innerhalb der Fraunhofer Gesellschaft jemals im Kundenauftrag realisiert wurde. Und das Potential von RWI ist heute noch nicht ausgeschöpft: Es bestehen beispielsweise Möglichkeiten, das neue System nicht nur wie bisher bei der Qualitätsprüfung von Eisenbahnrädern, sondern auch bei S- und U-Bahnrädern sowie Regionalbahnen einzusetzen.

Ansprechpartner Fraunhofer TEG
Dr.-Ing. Thomas Bartsch
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart
Tel.: 0711-970-3711, Fax: -3996
E-Mail: tbb@teg.fraunhofer.de