DE4334632C2 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Erfassung von Defekten in einer Achse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung einer zerstörungsfreien Untersuchung von Achsen nach Defekten, zum Beispiel Achsen für elektrischen Eisenbahnwagen.

Fig. 1 enthält eine schematische Darstellung der Aus­ bildung einer der Anmelderin intern bekannten Ultraschall-Vorrichtung zur Erfassung von Defekten in einer Achse. Diese weist auf: eine Achse 1 eines elektrischen Eisenbahnwagens als zu untersuchendes Objekt, Treiberanordnungen 3a, 3b zur Bewegung und Verschiebung von Prüfköpfen 2a, 2b in drei zueinander senkrechten Richtungen, einen Ultraschall-Fehlerdetektor 4, welcher bewirkt, daß die Prüfköpfe 2a, 2b Ultraschallwellen aussenden und entsprechende Echos empfangen, eine Anzeigevorrich­ tung 5 zur Anzeige des Ausgangssignals des Ultra­ schall-Fehlerdetektors 4, eine Ölzuführungseinheit 6 zum Füllen eines Spaltes zwischen den Prüfköpfen 2a, 2b und den Endflächen der Achse 1 mit Öl, und eine Operationssteuervorrichtung 7 zur Ausgabe von Opera­ tionsbefehlen zu den Treiberanordnungen 3a, 3b sowie zur Ölzuführungseinheit 6.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Endes der Achse 1 eines elektrischen Eisenbahnwagens, und Fig. 2(a) ist eine Seitenansicht der Achse 1, während Fig. 2(b) die Draufsicht auf eine Endfläche der Achse 1 darstellt. In diesen Figuren bezeichnet N₀ ein Mit­ telbohrung zur Positionierung einer Radsatzdrehbank, die zum schneiden eines Rades an seiner Mitte verwen­ det wird, N₁, N₂ und N₃ bezeichnen Achsenpaßbohrungen zur Aufnahme von Beschlägen zur Befestigung des Rades an der Achse 1, die in Winkelabständen von 120° angeord­ net sind, und N₄ bezeichnet eine Markierung zur An­ zeige einer Radnummer.

Wenn ein Schalter der Operationssteuervorrichtung 7 für die Bewegung des Prüfkopfes 2a in einer ersten Richtung gedrückt wird, um den Prüfkopf 2a in Kontakt mit einer Endfläche der Achse 1 zu bringen, wird ein Steuersignal von der Operationssteuervorrichtung 7 zur Treiberanordnung 3a gesandt und der Prüfkopf 2a wird durch diese in der ersten Richtung bewegt. Ent­ sprechend der Bewegung in der ersten Richtung kann der Prüfkopf 2a auch in der zweiten und dritten Rich­ tung durch die Treiberanordnung 3a bewegt werden in Abhängigkeit von der Betätigung des zweiten und drit­ ten Richtungsknopfes in der Operationssteuervorrich­ tung 7. Bei Beendigung der vorstehenden Operationen kommt der Prüfkopf 2a in Kontakt mit der Mitte einer Endfläche der Achse 1. In derselben Weise kann auch der Prüfkopf 2b in Kontakt mit der Mitte der anderen Endfläche der Achse 1 gebracht werden. Nachdem die Prüfköpfe 2a und 2b in Kontakt mit der Mitte beider Endflächen der Achse 1 gelangt sind, gibt die Opera­ tionssteuervorrichtung 7 den Befehl, daß Öl zugeführt wird. Wenn ein Befehl zur Zuführung von Öl ausgegeben ist, wird ein Steuersignal von der Operationssteuer­ vorrichtung 7 zur Ölzuführungseinheit 6 gesandt und die Spalte zwischen den Endflächen der Achse 1 und den Prüfköpfen 2a und 2b werden jeweils mit Öl ge­ füllt. Als nächstes wird der Ultraschall-Fehlerdetek­ tor 4 betätigt, um eine Ultraschallwelle von einer in den Prüfkopf 2a eingebauten Sonde auszusenden, und Echos werden von der in den Prüfkopf 2a eingebauten Sonde empfangen und über den Ultraschall-Fehlerdetek­ tor 4 zur Anzeigevorrichtung 5 übertragen, die die Echos wie in Fig. 3 dargestellt anzeigt.

Fig. 3(a) zeigt eine typische Wellenform für den Fall, daß die Achse 1 keinen Defekt enthält, während Fig. 3(b) eine typische Wellenform für den Fall zeigt, daß ein Defekt innerhalb der Achse 1 existiert. In diesen Figuren stellen S ein Oberflä­ chenecho, B ein Bodenecho, F ein Defektecho und H ein Stufenecho dar.

Wenn als nächstes ein Schalter der Operationssteuer­ vorrichtung 7 zum Drehen des Prüfkopfes 2a gedrückt wird, wird ein Steuersignal von der Operationssteuer­ vorrichtung 7 zu der Treiberanordnung 3a gesandt, und die Treiberanordnung 3a dreht den Prüfkopf 2a. Wäh­ rend der Drehung des Prüfkopfes 2a überwacht eine Bedienungsperson die Wellenformen, die auf der Anzei­ gevorrichtung 5 angezeigt werden, und hält durch Be­ tätigung der Operationssteuervorrichtung 7 die Dre­ hung des Prüfkopfes 2a an, wenn eine einen Defekt anzeigende Wellenform gemäß Fig. 3(b), die unter­ schiedlich ist gegenüber der Standard-Wellenform nach Fig. 3(a), erscheint. Wenn der Prüfkopf 2a anhält, wird die Amplitude jedes Echos ausgewertet, um auf der Grundlage einer auf der Anzeigevorrichtung 5 an­ gezeigten Wellenform zu bestimmen, ob es als von ei­ nem Defekt ausgehend zu betrachten ist oder nicht. Wenn bestimmt ist, daß ein Echo durch einen Defekt erzeugt ist, wird der Abstand von einer Endfläche der Achse 1 bis zum Defekt durch Auswertung der Wellen­ form auf der Anzeigevorrichtung 5 erhalten und dann aufgezeichnet. Eine Position des Defekts in Umfangs­ richtung wird ebenfalls aufgezeichnet als eine Win­ kelposition relativ zum Gewindeloch N₂, das rechts von der Markierung N₄ in Fig. 2(b) angeordnet ist.

Wenn der Prüfkopf 2a über den Achsenpaßbohrungen N₁, N₂ und N₃, die an einer Endfläche der Achse 1 ausgebil­ det sind, hinweggeführt wird, wird eine angezeigte Wellenform gestört und die Erfassung von Defekten wird in diesen Bereichen nicht durchgeführt.

Durch Verwendung der Treiberanordnung 3b und des Prüfkopfes 2b wird die Erfassung von Defekten auch für die andere Endfläche der Achse 1 durchgeführt.

Da die bekannte Vorrichtung zur Erfassung von Defek­ ten wie vorstehend erläutert ausgebildet ist, besteht für die Bedienungsperson die Forderung, einen Prüf­ kopf manuell zu positionieren, so daß er in Kontakt mit der Mitte einer Endfläche einer Achse kommt. Hieraus ergibt sich das Problem, daß die Positionie­ rungsgenauigkeit beträchtlich schwankt und daß für die Positionierung eine erhebliche Zeit benötigt wird.

Da zusätzlich zur manuellen Positionierung eines Prüfkopfes das Ergebnis der Erfassung von Defekten visuell beurteilt wird, kann darüber hinaus die Re­ produzierbarkeit des Ergebnisses der Erfassung von Defekten beeinträchtigt werden, wenn dieselbe Achse mehrere Male untersucht wird. Eine visuelle Beurtei­ lung hat auch den Nachteil, daß eine geschickte Be­ dienungsperson wesentlich ist.

Aus der US 3,685,350 ist eine Ultraschallsonde zur Überprüfung von Inhomogenitäten in Eisenbahnachsen bekannt. Die Stirnfläche der Achse weist ein Zen­ trierloch auf, in das ein mit einer Feder vorspann­ barer Stift eines Sondenkopfes zur Zentrierung des­ selben eingreift. An den Sondenkopf sind an unter­ schiedlichen Stellen der Stirnfläche Schallwandler angeordnet, die mit unterschiedlichem Abstrahlwinkel arbeiten und in bezug auf die Stirnfläche drehbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur zerstörungsfreien Erfassung von Defekten zu schaffen, die eine automatische und schnelle Er­ fassung der Defekte ermöglicht sowie eine ausgezeich­ nete Reproduzierbarkeit des Ergebnisses der Erfassung von Defekten sicherstellt und keine besonders ge­ schickte Bedienungsperson bei der Bestimmung der De­ fekte erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale der Hauptansprüche in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Der vorbeschriebene Detektor von Defekten stellt an­ fänglich ein Detektionstor ein, das den gesamten De­ tektionsbereich enthält und ein maximales Echo inner­ halb dieses Tores erfaßt. Dann wird dieses Tor enger eingestellt, um eine Seite und dann die andere Seite des anfänglichen Tores relativ zu einem erfaßten ma­ ximalen Echo zu enthalten, und maximale Echos werden in den jeweiligen Toren erfaßt. Auf diese Weise wird das Tor aufeinanderfolgend in zwei Subtore für eine Erfassung maximaler Echos geteilt.

Wie vorstehend erläutert wurde, kann gemäß der Erfin­ dung, da der Sensorkopf durch automatische Erfassung der Mitte einer Mittelbohrung in der Endfläche der Achse mit dieser Endfläche in Kontakt gebracht wird, die Positionierungsgenauigkeit des Sensorkopfes er­ höht werden und die für die Positionierung des Sen­ sorkopfes erforderliche Zeit kann verkürzt werden.

Da Achsenpaßbohrungen konzentrisch um die Mittelbohrung in der Endfläche der Achse vorgesehen sind und der Indi­ kator für die Darstellung der Achseninformation er­ faßt werden kann, kann eine automatische Überprüfung der Endfläche der Achse realisiert werden.

Zusätzlich können, da die Erfassung von Defekten durch automatische Auswertung durch aufeinanderfol­ gende Erfassung von Defekten von den größten aus durchgeführt werden kann, die Erfassungszeit verkürzt und die Reproduzierbarkeit des Erfassungsergebnisses verbessert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Aus­ bildung einer bekannten Ultraschall- Vorrichtung für die Erfassung von De­ fekten einer Achse,

Fig. 2(a) die Ansicht einer Endfläche der Achse 1 nach Fig. 1,

Fig. 2(b) eine vergrößerte Darstellung der End­ fläche der Achse 1,

Fig. 3(a) auf der Anzeigevorrichtung nach Fig. 1 angezeigte Ultraschallechos, wenn kein Defekt erfaßt wird,

Fig. 3(b) Ultraschallechos, wenn ein Defekt in der Achse 1 erfaßt wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Aus­ bildung einer Ultraschall-Vorrichtung zum Erfassen von Defekten einer Achse nach der Erfindung,

Fig. 5 die Anordnung von Sonden und einem Sensor in einem Prüfkopf nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 7 die Wege des Prüfkopfes zum Zwecke der Erfassung einer Mittelbohrung mit der Vorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung, wie die Mittelbohrung mit der Vorrichtung nach Fig. 4 erfaßt wird,

Fig. 9 die Wege bei der Drehung des Prüfkop­ fes zum Zwecke der Erfassung der Mitte einer Achsenpaßbohrung mit der Vorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung, wie die Mittelbohrung mit der Vorrichtung nach Fig. 4 erfaßt wird,

Fig. 11 Diagramme zur Erläuterung, wie Tore während der Erfassung von Defekten mit der Vorrichtung nach Fig. 4 einge­ stellt werden,

Fig. 12(a) die Ansicht einer Antriebseinheit zum Verschieben eines Prüfkopfes in einer Richtung,

Fig. 12(b) eine Querschnittsansicht hiervon entlang der Linie I-I in Fig. 12(a),

Fig. 13(a) die Ansicht einer Antriebseinheit zum Drehen eines Prüfkopfes, und

Fig. 13(b) eine Querschnittsansicht hiervon entlang der Linie II-II in Fig. 13(a).

In Fig. 4 sind die mit denselben Bezugszeichen ver­ sehenen Bauelemente die gleichen wie in den Fig. 1 bis 3. Die Figur enthält weiterhin Prüfköpfe 10a, 10b, die jeweils einen eine erste und eine zweite Sonde enthaltenden zweiten Sensor zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen, eine Abstandsmeßsonde als ersten Sensor und einen Versetzungssensor als dritten Sensor aufwei­ sen, Bewegungsgrößen-Detektoren 11a, 11b zur Erfas­ sung der Bewegungsgrößen der Prüfköpfe 10a, 10b, ei­ nen Ultraschall-Detektor 12 für Defekte, welcher be­ wirkt, daß die erste und die zweite Sonde sowie die Abstandsmeßsonde, die in den Prüfköpfen 10a, 10b vor­ gesehen sind, Ultraschallwellen senden und von Defekten reflektierte Echos empfangen sowie Daten vom Versetzungssensor empfangen, einen Datenprozessor 13 zum Empfang von Defekte erfassenden Daten vom Ultra­ schall-Detektor 12, welcher bewirkt, daß diese Daten als Graphik angezeigt oder auf einem Aufzeichnungs­ blatt ausgedruckt werden, und welcher verschiedene Parameter wie eine Länge der Achse 1 und Torpositio­ nen im Ultraschall-Detektor 12 einstellt, eine Opera­ tionssteuervorrichtung 14 zum Aussenden von Opera­ tionsbefehlen zu den Treiberanordnungen 3a, 3b und der Ölzuführungseinheit 6 und zum Empfang der Größe der Bewegungen der Prüfköpfe 10a, 10b von den Bewe­ gungsgrößen-Detektoren 11a, 11b, eine Recheneinheit 15, die die Größe der von den Bewegungsgrößen-Detek­ toren 11a, 11b erfaßten Bewegungen von der Opera­ tionssteuervorrichtung 14 empfängt, um die Größe der Rückbewegungen der Prüfköpfe 10a, 10b für die Treiber­ anordnungen 3a, 3b zu berechnen.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten der Ausbildung jedes Prüf­ kopfes 10a oder 10b. Wie gezeigt ist, weist der Prüf­ kopf 10a (10b) eine Abstandsmeßsonde 101 als ersten Sensor zum Messen eines Abstandes zwischen dem Prüfkopf 10a (10b) und einer Endfläche der Achse 1 zur Erfassung der Mittelbohrung N₀ (Fig. 2(b)), einen zweiten Sensor mit einer ersten Sonde 102 zur Durchführung einer vertikalen Erfassung von Defekten zur Feststellung der aus Achsenpaßbohrungen N₁, N₂, N₃ und einer zweiten Sonde 103 zur Durchführung einer Schrägfassung von Defekten sowie einen Versetzungssensor 104 zur Erfassung einer Markierung N₄ auf.

Die Sonden 101-103 und der Versetzungssensor 104 sind an vorbestimmten Positionen vorgesehen, die je­ weils der Mittelbohrung N₀, den Achsenpaßbohrungen N₁, N₂, N₃ und der Markierung N₄ in einer Endfläche der Achse 1 entsprechen. Genauer gesagt, ist die Abstandsmeß­ sonde 101 auf dem Prüfkopf 10a (10b) gegenüber der Mittelbohrung N₀ vorgesehen, während die erste Sonde 102, die zweite Sonde 103 und der Versetzungssensor 104 jeweils um einen Winkel von 120 Grad gegeneinan­ der versetzt auf einem Kreis angeordnet sind, in des­ sen Mittelpunkt sich die Abstandsmeßsonde 101 befin­ det.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4 wird mit Bezug auf das Flußdiagramm in Fig. 6 erläutert.

In dieser Figur werden in einem Schritt 21 verschie­ dene Parameter wie die Länge der Achse 1, die zu mes­ sen ist, und für die Erfassung von Defekten erforder­ lichen Torpositionen im Datenprozessor 13 einge­ stellt. Nach Beendigung der Einstellung der Parameter überträgt der Datenprozessor 13 solche voreingestell­ ten Daten zum Ultraschall-Detektor 12, wodurch sich die Einstellung des Ultraschall-Detektors 12 in einem Wartezustand für den Start der Erfassung von Defekten ergibt. Es ist festzustellen, daß der Prüfkopf 10a in einer Position mit einem vorbestimmten Abstand von einer Endfläche der Achse 1 entlang einer geraden Linie L₁ (Fig. 7), die einen Bereich in der Nähe der Mitte der Mittelbohrung N₀ passiert, voreingestellt ist.

In einem Schritt 22 gibt, wenn eine Bedienungsperson einen Startschalter der Operationssteuervorrichtung 14 für die Erfassung von Defekten drückt, die Opera­ tionssteuervorrichtung 14 einen Operationsbefehl zu der Treiberanordnung 3a aus, um den Prüfkopf 10a an­ fänglich entlang der geraden Linie L₁ zur Mittelboh­ rung N₀ zu bewegen, wie in Fig. 7 gezeigt ist, um die Mittelbohrung N₀ der Achse 1 zu erfassen.

Zur selben Zeit, zu der sich der Prüfkopf 10a zu be­ wegen beginnt, gibt die Operationssteuervorrichtung 14 ein Abstandsmeß-Startsignal an den Ultraschall- Detektor 12 aus, welches bewirkt, daß die Abstands­ meßsonde 101 die Ultraschallwelle aussendet und Echos empfängt. Die Größe der Bewegung des Prüfkopfes 10a in Richtung der geraden Linie L₁ wird vom Bewegungs­ größen-Detektor 11a erfaßt und dann über die Opera­ tionssteuervorrichtung 14 zur Recheneinheit 15 über­ tragen. Der Detektor 12 zeichnet die von der Ab­ standsmeßsonde 104 empfangenen Echos für jede Bewe­ gung um einen vorbestimmten Abstand auf, während der Prüfkopf 10a entlang der geraden Linie L₁ bewegt wird. Wenn sich der Prüfkopf 10a zu einer Position bewegt hat, in der das Echo entlang der geraden Linie L₁ am kleinsten ist, gibt die Operationssteuervor­ richtung 14 einen Haltebefehl an die Treiberanordnung 3a und ein Abstandmeß-Beendigungssignal an den Detek­ tor 12 aus. Die Folge ist, daß der Prüfkopf 10a im Mittelpunkt der Mittelbohrung N₀ anhält. Dieser Vor­ gang wird nachfolgend im einzelnen erläutert.

Die Recheneinheit 15 erhält eine Mittelposition A₁ entlang der geraden Linie L₁ auf einer Endfläche der Achse 1, d. h. einen Schnittpunkt der gerade Linie L₁ mit einer diese orthogonal kreuzenden Linie L₂, die durch den Mittelpunkt A₂ der Mittelbohrung N₀ hin­ durchgeht, auf der Grundlage der Amplitude von vom Ultraschall-Detektor 12 zu jeder Zeit, zu der sich der Prüfkopf 10a um einen vorbestimmten Abstand be­ wegt hat, gemessenen Echos und eines Bewegungsab­ stands der Abstandsmeßsonde 101 zwischen den Bewe­ gungsstart- und -Stoppositionen, und berechnet dann einen Abstand F₁ zwischen der Stopposition des Prüf­ kopfes 10a und der Mittelposition A₁ zur Ausgabe ei­ nes berechneten Ergebnisses zur Operationssteuervor­ richtung 14. Die Operationssteuervorrichtung 14 gibt dann den Abstand F₁ zur Treiberanordnung 3a aus, da­ mit der Prüfkopf 10a zum Mittelpunkt A₁ entlang der geraden Linie L₁ zurückkehrt.

Ein Verfahren zur Ermittlung des Mittelpunkts A₁ wird nun mit Bezug auf Fig. 8 erläutert. In dieser zeigt eine horizontale Achse den in die Recheneinheit 15 eingegebenen Bewegungsabstand des Prüfkopfes 10a, während die vertikale Achse die Amplitude von Echos zeigt, die von der Abstandsmeßsonde 101 in den Ultra­ schall-Detektor 12 eingegeben werden. Eine Echoampli­ tude ist hoch und stabil, wenn sich die Sonde 101 außerhalb des Bereichs der Mittelbohrung N₀ befindet, da die Endfläche der Achse 1 flach ist. Wenn die Son­ de 101 über die Mittelbohrung N₀ hinweggeht, nimmt der Pegel des Echos ab, da die Mittelbohrung N₀ eine schräge Seitenwand hat, wie in Fig. 2(a) gezeigt ist. Die Recheneinheit 15 ermittelt einen Abstand am Punkt D₁, an welchem der Pegel des Echos kleiner wird als ein vorbestimmter Entscheidungspegel, und einen Ab­ stand an einem Punkt D₂, an welchem der Pegel des Echos größer wird als der Entscheidungspegel, und ermittelt dann den Mittelpunkt A₁ zwischen den Punk­ ten D₁ und D₂ auf der Grundlage dieser Abstände.

Die Recheneinheit 15 ermittelt weiterhin einen Ab­ stand von der Stopposition des Prüfkopfes 10a zum Punkt A₁, nämlich die Größe der umgekehrten Strecke F₁, und gibt dann diese Größe an die Operationssteu­ ervorrichtung 14 aus. Die auf das Ausgangssignal der Recheneinheit 15 ansprechende Operationssteuervor­ richtung 14 bewegt den Prüfkopf 10a entlang der gera­ den Linie L₁, so daß die Sonde 101 am Mittelpunkt A₁ positioniert wird, und bewegt danach den Prüfkopf 10a zu einer Bewegungsstartposition der zweiten geraden Linie L₂. Dann wird die Operation des Prüfkopfes 10a, nämlich die Bewegung von einer Bewegungsstartposition zu einer Stopposition auf der zweiten geraden Linie L₂ und die Rückkehr von der Stopposition zum Mittel­ punkt A₂ entlang der geraden Linie L₂ in der gleichen Weise durchgeführt wie die entlang der geraden Linie L₁, wodurch der Prüfkopf 10a am Mittelpunkt A₂ der Endfläche positioniert wird. Danach gibt die Opera­ tionssteuervorrichtung 14 der Treiberanordnung 3a den Befehl, den Prüfkopf 10a zu bewegen, bis er in Kon­ takt mit der Endfläche der Achse 1 gelangt, und den Prüfkopf 10a anzuhalten. Der Bewegungsabstand des Prüfkopfes 10a ist gleich dem Abstand vom Prüfkopf 10a zur Endfläche der Achse 1 und kann von dem Ultra­ schall-Detektor 12 aus dem von der Abstandsmeßsonde 101 empfangenen Echo ermittelt werden.

Wenn der Prüfkopf 10a in Kontakt mit der Endfläche der Achse 1 kommt und die Bewegung anhält, wird ein Schritt zur Erfassung der Achsenpaßbohrungen N₁-N₃ im Schritt 23 von Fig. 6 ausgeführt. Dieser Schritt wird nachfolgend im einzelnen erläutert.

Wenn die Operationssteuervorrichtung 14 ein Ölzufüh­ rungs-Befehlssignal zur Ölzuführungseinheit 6 aus­ gibt, wird zuerst der Spalt zwischen der Endfläche der Achse 1 und dem Prüfkopf 10a durch die Treiber­ anordnung 3a und den Prüfkopf 10a mit Öl gefüllt. Nachdem eine bestimmte Zeitspanne vergangen ist, gibt die Operationssteuervorrichtung 14 der Treiberanord­ nung 3a den Befehl, den Prüfkopf 10a zu drehen, und die Treiberanordnung 3a dreht den Prüfkopf 10a im Uhrzeigersinn um den Mittelpunkt A₂, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Beim Starten der Drehung des Prüfkopfes 10a gibt die Operationssteuervorrichtung 14 ein Startsignal für die Erfassung von Defekten an den Ultraschall-Detektor 12 aus, damit dieser eine Ultra­ schallwelle von der ersten Sonde 102 aus sendet und Echos empfängt.

Die Größe der Drehung dem Prüfkopfes 10a wird vom Bewegungsgrößen-Detektor 11a erfaßt und dann über die Operationssteuervorrichtung 14 zur Recheneinheit 15 geliefert.

Der Ultraschall-Detektor 12 zeichnet die Echos (Bo­ denflächenechos) auf, die von der ersten Sonde 102 für jeden bestimmten Drehwinkel des Prüfkopfes 10a empfangen werden. Da ein Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Achsenpaßbohrungen N₁, N₂ und N₃ 120 Grad beträgt, dreht die Operationssteuervorrichtung 14 den Prüfkopf 10a um einen vorbestimmten Winkel (zum Beispiel 150 Grad), der ausreichend ist, um eine der Achsenpaßbohrungen zu erfassen (Achsenpaßbohrung N₃ in Fig. 9 gezeigten Fall). Wenn der Prüfkopf 10a um den vor­ bestimmten Winkel gedreht ist, gibt die Operations­ steuervorrichtung 14 einen Stopbefehl an die Treiber­ anordnung 3a, um den Prüfkopf 10a anzuhalten, sowie ein Defekt-Erfassungsendsignal an den Ultraschall- Detektor 12 aus. Die Recheneinheit 15 ermittelt den Mittelpunkt A₃ der Achsenpaßbohrung N₃, über das die erste Sonde 102 hinweggegangen ist, auf der Grundlage der Echoamplituden, die von dem Ultraschall-Detektor 12 für jede Drehung des Prüfkopfes 10a um den vorbe­ stimmten Winkel gemessen wurden, berechnet eine Größe für die Rückkehr (Winkel) F₃ des Prüfkopfes 10a von der Stopposition zum Mittelpunkt A₃ der Achsenpaßbohrung N₃, und gibt ein Rechenergebnis an die Operationssteuervorrichtung 14 aus. Die Operationssteuervorrichtung 14 gibt eine derartige Rückkehrgröße F₃ an die Treiberanordnung 3a, die ihrerseits den Prüfkopf 10a zum Mittelpunkt A₃ der Achsenpaßbohrung N₃ bewegt.

Ein Verfahren zur Ermittlung des Mittelpunktes A₃ der Achsenpaßbohrung N₃ wird mit Bezug auf Fig. 10 erläutert. Hierin zeigt die horizontale Achse den in die Rechen­ einheit 15 eingegebenen Drehwinkel des Prüfkopfes 10a an, während die vertikale Achse die von der Sonde 102 empfangene und in den Ultraschall-Detektor 12 für jeden Drehwinkel eingegebene Amplitude von Echos an­ gibt. Die Echoamplitude ist stabil bei einem höheren Pegel, da die Endfläche der Achse 1 flach ist, wenn die Sonde 102 sich außerhalb des Bereichs der Achsenpaßbohrungen N₁, N₂ und N₃ befindet. Wenn die Sonde 102 über eine der Achsenpaßbohrungen N₁, N₂, N₃ hinweggeht, geht keine Ultraschallwelle durch die Achse 1 hindurch und der Echopegel nimmt ab, da jede Achsenpaßbohrung einen Hohlraum bildet, wie in Fig. 2(a) gezeigt ist.

Die Recheneinheit 15 berechnet einen Gesamtdrehwinkel des Prüfkopfes 10a vom Start bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Echopegel niedriger wird als ein vorbestimm­ ter Entscheidungspegel. Genauer gesagt, ermittelt die Recheneinheit 15 einen Winkel W₁, wenn der Echopegel kleiner wird als der Entscheidungspegel, und einen Winkel W₂, wenn der Echopegel größer wird als der Entscheidungspegel, sowie einen Mittelwinkel W₀ zwi­ schen diesen Winkeln W₁ und W₂. Die Recheneinheit 15 ermittelt auch einen Winkel zwischen der Position, in der der Prüfkopf 10a anhält, und der Position A₃ ent­ sprechend dem Winkel W₀, nämlich eine Rückkehrgröße F₃, die zur Operationssteuervorrichtung 14 ausgegeben wird.

Die Operationssteuervorrichtung 14 und der Ultra­ schall-Detektor 12 speichern die Position des Mittel­ punkts A₃ des Gewindelochs N₃, über dem der Prüfkopf 10a anhält, als einen vorläufigen oder vorübergehenden Nullpunkt für den Beginn der Erfassung von Defekten. Da die gleichen Achsenpaßbohrungen N₀-N₃ auch in der anderen Endfläche der Achse 1 vorgesehen sind, gibt nachfolgend die Operationssteuervorrichtung 14 einen Befehl an die Treiberanordnung 3b aus, um den Prüf­ kopf 10b an der Stelle zu positionieren, die dem vor­ übergehenden Nullpunkt A₃ entspricht.

Wenn die Prüfköpfe 10a, 10b an den vorübergehenden Nullpunkten anhalten, beginnt die Operationssteuer­ vorrichtung 14 in einem Schritt 24 (Fig. 6) mit der Erfassung von Defekten. Insbesondere gibt die Opera­ tionssteuervorrichtung 14 Drehbefehle an die Treiber­ anordnung 3a, 3b aus, und die Treiberanordnungen 3a, 3b drehen jeweils die Prüfköpfe 10a, 10b um einen vorbestimmten Winkel (beispielsweise 30 Grad). Wenn die Prüfköpfe 10a, 10b um den vorbestimmten Winkel gedreht werden und anhalten, gibt die Operationssteu­ ervorrichtung 14 ein Defekt-Erfassungs-Startsignal an den Ultraschall-Detektor 12 aus, welcher dann auf­ grund dieses Signals mit der Erfassung von Defekten beginnt.

Der von der Vorrichtung nach Fig. 4 durchgeführte Vorgang der Erfassung von Defekten wird nun mit Bezug auf Fig. 11 erläutert. Wie hierin gezeigt ist, setzt der Ultraschall-Detektor 12 ein erstes Defekt-Erfas­ sungstor G₁, das den gesamten Defekt-Erfassungsbe­ reich einschließt. Als nächstes erfaßt der Ultra­ schall-Detektor 12 einen Defekt DF₁, der ein maxima­ les Echo im voreingestellten Tor G₁ erzeugt, und speichert dann einen Abstand des Defekts DF₁ in axia­ ler Richtung von einer Endfläche der Achse 1 sowie eine Winkelposition des Defekts DF₁. Als nächstes stellt der Detektor 12 ein zweites Defekt-Erfassungs­ tor G₂ ein, das eine der Seiten des Defekt-Erfas­ sungstors G₁ in bezug auf den Defekt DF₁ einschließt, erfaßt einen Defekt DF₂, der ein maximales Echo im Tor G₂ erzeugt, und speichert die axiale und die Win­ kelposition des Defekts DF₂ in einer dem Defekt DF₁ entsprechenden Weise. Als nächstes stellt der Ultra­ schall-Detektor 12 ein Defekt-Erfassungstor G₃ ein, das die verbleibende Seite des Defekt-Erfassungstors G₁ relativ zum Defekt DF₁ einschließt, erfaßt einen Defekt DF₃, der ein maximales Echo im Tor G₃ erzeugt, und speichert die axiale und die Winkelposition des Defekts DF₃. Auf diese Weise werden die Defekt-Er­ fassungstore aufeinanderfolgend eingeengt, das maxima­ le Echo in jedem eingeengten Tor wird erfaßt und die axialen und die Winkelpositionen der die maximalen Echos erzeugenden Defekte werden gespeichert. Wenn eine vorbestimmte Anzahl von Defekten erfaßt wurde oder eine Echoamplitude von einem Defekt niedriger wird als ein vorbestimmter Pegel, gibt der Ultra­ schall-Detektor 12 ein Defekterfassungs-Unterbre­ chungssignal an die Operationssteuervorrichtung 14 aus. Während dieser Periode führen die erste Sonde 102 und die zweite Sonde 103 jeweils aufeinanderfol­ gend Defekterfassungs-Operationen durch. In dem Fall, in dem die Sonde 102 oder die Sonde 103 sich über einer der Achsenpaßbohrungen befindet, wird die Defekter­ fassung nicht durchgeführt, sondern eine Winkelposi­ tion des Gewindelochs wird gespeichert.

Die Operationssteuervorrichtung 14 gibt Drehbefehle an die Treiberanordnungen 3a, 3b in Abhängigkeit vom Defekterfassungs-Unterbrechungssignal vom Ultra­ schall-Detektor 12 aus und dreht die Prüfköpfe 10a, 10b um den vorbestimmten Winkel. Wenn die Prüfköpfe 10a, 10b jeweils um den vorbestimmten Winkel gedreht sind und dann von den Treiberanordnungen 3a, 3b ange­ halten werden, wird ein Defekterfassungstor einge­ stellt, um eine Defekterfassung zu ermöglichen. Da­ nach gibt, wenn die Defekterfassung an allen vorbe­ stimmten Umfangspositionen durch Wiederholung glei­ cher Operationen beendet ist, die Operationssteuer­ vorrichtung 14 ein Defekterfassungs-Beendigungssignal an den Ultraschall-Detektor 12 sowie ein Steuersignal an die Treiberanordnungen 3a, 3b aus, um die Prüfköp­ fe 10a, 10b zu der Anfangsposition (Punkt A₄ in Fig. 9) zurückzuführen. Gleichzeitig gibt die Operations­ steuervorrichtung 14 ein Ölzuführungs-Stopsignal an die Ölzuführungseinheit 6 aus, um die Ölzuführung anzuhalten. Der Ultraschall-Detektor 12 überträgt gespeicherte Defekt-Erfassungsdaten an den Datenpro­ zessor 13 aufgrund des Defekterfassungs-Beendigungs­ signals. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein Schritt 25 zur Erfassung der Markierung N₄ parallel mit dem Schritt 24 der Defekterfassung ausgeführt. Während der Prüfkopf 10a gedreht wird, mißt der Versetzungs­ sensor 104 eine Größe, um die auf die Endfläche der Achse 1 gedruckte Markierung N₄ auf der Grundlage des Meßergebnisses zu erfassen, derart, daß ein Winkel θ zwischen dem vorübergehenden Nullpunkt A₃ und der Markierung N₄ festgestellt wird. Mit dem Winkel θ und dem durch zwei benachbarte Achsenpaßbohrungen gebildeten Winkel wird der Mittelpunkt A₄ der Achsenpaßbohrung N₂, das der Markierung N₄ am nächsten ist, als der wirk­ liche Nullpunkt gesetzt und zusammen mit Defekterfas­ sungsergebnissen zum Datenprozessor 13 übertragen. Der wirkliche Nullpunkt wird gesetzt, weil dieselbe Defekterfassung unabhängig von einer Winkelposition der Achse 1 durchgeführt wird, um eine gute Reprodu­ zierbarkeit der Defekterfassung zu realisieren. Der Datenprozessor 13 zeigt vom Ultraschall-Detektor 12 eingegebene Defekterfassungsergebnisse als Graphik an und druckt die Ergebnisse aus.

In Fig. 12 ist eine Beispiel einer Antriebseinheit 3a1 zum Bewegen des Prüfkopfes 10a in einer der drei einander senkrechten Richtungen gezeigt. Die An­ triebseinheit 3a1 umfaßt eine Grundplatte 30, einen an einer Seitenwand der Grundplatte 30 montierten Impulsmotor 31, der sich in Abhängigkeit von der An­ zahl der ihm zugeführten Impulse dreht, eine drehbar zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seitenwän­ den der Grundplatte 30 gelagerte Kugelumlaufspindel 32, die vom Impulsmotor 31 gedreht wird, einen beweg­ baren Tisch 33, der durch die Drehung der Kugelum­ laufspindel 32 linear bewegt wird, sowie Führungsach­ sen 34 für die Führung des Tisches 33. Zwischen dem bewegbaren Tisch 33 und den Führungsachsen 34 sind Kugellager vorgesehen, und die Drehung der Kugelum­ laufspindel 32 wird in eine lineare Bewegung des Ti­ sches 33 mittels Kugellagern umgewandelt, die am Tisch 33 befestigt sind.

Um den Prüfkopf 10a in einer Richtung zu bewegen, führt die Operationssteuervorrichtung 14 dem Impuls­ motor 31 Impulse zu, wobei die Anzahl der Impulse dem Abstand entspricht, um den der Tisch 33 bewegt werden soll. Aufgrund der zugeführten Impulse dreht der Im­ pulsmotor 31 die Kugelumlaufspindel 32 um einen der Anzahl der zugeführten Impulse entsprechenden Winkel. Die Drehung der Kugelumlaufspindel 32 bewegt den Tisch 33 linear entlang der Führungsachsen 34, wobei der Prüfkopf 10a um einen gewünschten Abstand ver­ schoben wird.

Es ist festzustellen, daß die Treiberanordnung 3a mit zwei weiteren, der Antriebseinheit 3a1 entsprechenden Antriebseinheiten ausgestattet ist, um den Prüfkopf 10a in den verbleibenden zwei Richtungen zu verschie­ ben, und daß die Treiberanordnung 3b denselben Aufbau wie die Treiberanordnung 3a hat.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel für eine Antriebseinheit 3a2 zum Drehen der Prüfkopfes 10a. Die Antriebsein­ heit 3a2 umfaßt eine Grundplatte 40, einen an einer Seite der Grundplatte 40 befestigten Impulsmotor 41, der sich in Abhängigkeit von der Anzahl der ihm zu­ geführten Impulse dreht, eine vom Impulsmotor 41 ge­ drehte Getriebeschnecke 42, einen von der Getriebe­ schnecke 42 gedrehten Drehtisch 43, ein die Drehung der Getriebeschnecke 42 auf den Drehtisch 43 übertra­ gendes Schneckenrad 44, eine Achse 45 zur Lagerung des Drehtisches 43 und ein Lager 46 zwischen der Grundplatte 40 und dem Drehtisch 43.

Die Operationssteuervorrichtung 14 führt den Impuls­ motor 41 Impulse zu, um den Prüfkopf 10a zu drehen, wobei die Anzahl der zugeführten Impulse dem Winkel entspricht, um den der Drehtisch 43 gedreht wird. In Abhängigkeit von den zugeführten Impulsen dreht der Impulsmotor 41 die Getriebeschnecke 42 um einen der Anzahl der zugeführten Impulse entsprechenden Winkel. Die Drehung der Getriebeschnecke 42 dient zur Drehung des Drehtisches 43 über das Schneckenrad 44, wodurch der Prüfkopf 10a um einen gewünschten Winkel gedreht wird.

Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde eine Vor­ richtung zur Erfassung von Defekten bei Achsen eines elektrischen Eisenbahnwagens unter Verwendung einer Ultraschallwelle erläutert; jedoch kann die vorlie­ gende Erfindung auch auf andere Achsen als die von einem elektrischen Eisenbahnwagen angewendet werden und es ist auch möglich, Röntgenstrahlen oder einen Neutronenstrahl anstelle einer Ultraschallwelle zu verwenden.

Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Mittelboh­ rung N₀, die Achsenpaßbohrungen N₁-N₃ und die Markierung N₄ in beiden Endflächen einer Achse gebildet, jedoch ist es selbstverständlich, daß die vorliegende Erfin­ dung auf eine Achse angewendet werden kann, die nur die Mittelbohrung N₀ besitzt, oder eine Achse, die die Mittelbohrung N₀ und Gewindelöcher N₁-N₃ besitzt.

Schließlich ist es auch möglich, daß ein Indikator wie eine auf einer Endfläche einer Achse vorgesehene Markierung zur Anzeige von Achseninformationen bei­ spielsweise durch eine Bildaufnahmevorrichtung gele­ sen werden kann, um die von jeder Achse erhaltenen Defekterfassungsdaten zu bearbeiten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Erfassung von Defekten bei einer Achse, deren Endfläche eine Mittelbohrung aufweist, mit einem an der Endfläche der Achse anzuordnenden Sensorkopf mit relativ zu der Endfläche bewegbaren Sensoren gekennzeichnet durch
einen am Sensorkopf (10a, 10b) angebrachten ersten Sensor (101) zur Erfassung der Mitte der Endfläche und einen zweiten Sensor (102, 103) zur Erfassung eines Defektes, der in einer gegenüber dem ersten Sensor (101) unterschiedlichen Position bewegbar und drehbar gegenüber der Endfläche am Sensorkopf (10a, 10b) angeordnet ist, eine Antriebsvorrichtung (3a, 3b) zum Antrieb des Sensorkopfes (10a, 10b), um zu bewirken, daß sich der erste Sensor (101) rela­ tiv zur Endfläche entlang einer ersten geraden und einer zweiten geraden, zur ersten senkrechten Li­ nie, die durch die Mittelbohrung (N₀) hindurchge­ hen und einander schneiden, bewegt und daß sich der zweite Sensor (102, 103) in einer Umfangsrich­ tung um die Mittelbohrung (N₀) dreht, eine Rechen­ vorrichtung (15), enthaltend eine Einrichtung zum Bestimmen des Schnittpunktes (A1) der ersten und der zweiten geraden Linie bei einem Minimum eines vom ersten Sensor (101) erhaltenen Signalpegels, wenn sich der Sensorkopf (10a, 10b) entlang der ersten geraden Linie bewegt, und eine Einrichtung zum Bestimmen der Mitte (A2) der Endfläche bei einem Minimum eines vom ersten Sensor (101) erhal­ tenen Signalpegels, wenn sich der Sensorkopf (10a, 10b) entlang der zweiten geraden Linie be­ wegt,
eine Steuereinrichtung (14) zum Steuern der An­ triebsvorrichtung (3a, 3b) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Rechenvorrichtung (15), um den Sensorkopf (10a, 10b) zu drehen, wenn sich der er­ ste Sensor (101) in der Mitte der Endfläche befin­ det und der Sensorkopf (10a, 10b) in Kontakt mit der Endfläche ist, und
eine Defekt-Erfassungseinrichtung (12) zum Erfas­ sen des Defektes der Achse (1) mit dem zweiten Sensor (102, 103), während der Sensorkopf (10a, 10b) sich dreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Defekt-Erfassungseinrichtung (12) sich stufenweise verengende Defekt-Erfassungstore einstellt und prüft, ob in dem jeweils eingestell­ ten Defekt-Erfassungstor ein maximales Echo vom zweiten Sensor (102, 103) erfaßt wird, um die Posi­ tion eines Defektes zu erhalten, der das maximale Echo erzeugt, wobei die Defekt-Erfassungstore (G1 bis G5) bei Erfassung eines maximalen Echos jeweils abhängig von der Lage des im jeweiligen Tor erfaßten maximalen Echos durch Teilen des je weiligen Tores in zwei engere Tore benachbart zum maximalen Echo unter Ausschluß desselben verengt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse (1) die eines elektrischen Wa­ gens ist, daß der erste (101) und der zweite (102, 103) Sensor Ultraschallsonden sind, wobei der zweite Sensor (102, 103) eine Sonde (102) mit ver­ tikaler Einschallung und eine Sonde (103) mit schräger Einschallung aufweist, und daß ein drit­ ter Sensor (104) ein Versetzungssensor ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste (101) und zweite (102, 103) Sensor an vorbestimmten Positio­ nen vorgesehen sind, die jeweils der Mittelbohrung (N₀) und Achsenpaßbohrungen (N₁, N₂, N₃) entsprechen, wobei der erste Sensor (101) gegenüber der Mittel­ bohrung (N₀) vorgesehen ist und mehrere Achsenpaß­ bohrungen (N₁, N₂, N₃) auf einem Kreis mit der Mit­ telbohrung (N₀) als Mittelpunkt angeordnet sind, daß die Rechenvorrichtung (15) eine Einrichtung zum Bestimmen des Mittelpunktes einer Achsenpaß­ bohrung bei einem Minimum eines vom zweiten Sensor (102, 103) erhaltenen Signalpegels aufweist, wenn der Sensorkopf (10a, 10b) gedreht wird und über der Achsenpaßbohrung hinweggeht, während sich der er­ ste Sensor (101) in der Mitte der Achse (1) befin­ det und der Sensorkopf (10a, 10b) in Kontakt mit der Endfläche der Achse (1) ist, und daß die Steu­ ereinrichtung (14) die Antriebsvorrichtung (3a, 3b) abhängig vom Ausgangssignal der Rechenvorrichtung steuert (15).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Indikator (N₄) zur Darstellung von Achseninformationen auf der End­ fläche der Achse (1) angeordnet ist, daß am Sen­ sorkopf (10a, 10b) ein dritter Sensor (104) zur Erfassung des Indikators (N₄) vorgesehen ist, daß die Rechenvorrichtung (15) eine Einrichtung zur Erfassung des Indikators auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Sensors (104), während der Sensorkopf (10a, 10b) gedreht wird, und eine Einrichtung zum Ermitteln des wirklichen Nullpunk­ tes der Achsenpaßbohrung aus den Positionen des Mittelpunktes der Achsenpaßbohrung des Indikators (N₄) aufweist, und daß die Steuereinrichtung (14) die Antriebsvorrichtung (3a, 3b) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Rechenvorrichtung (15) steuert.