EP1285264A2 - Verfahren und vorrichtung zur detektion und bewertung von oberflächenschäden an verlegten schienen und weichenbauteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion und bewertung von oberflächenschäden an verlegten schienen und weichenbauteilen

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EP1285264A2
EP1285264A2 EP01951344A EP01951344A EP1285264A2 EP 1285264 A2 EP1285264 A2 EP 1285264A2 EP 01951344 A EP01951344 A EP 01951344A EP 01951344 A EP01951344 A EP 01951344A EP 1285264 A2 EP1285264 A2 EP 1285264A2
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EP
European Patent Office
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rail
probe
rails
measuring head
designed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01951344A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Pohl
Hans-Martin Thomas
Hartmut Hintze
Martin Junger
Volker Kiesow
Ronald Krull
Juergen Rohmann
Sven Ruehe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FER-PROZESSAUTOMATISIERUNG GMBH
POHL, RAINER
Thomas Hans-Martin
Prueftechnik Dieter Busch AG
DB Netz AG
Rohmann GmbH
Original Assignee
FER-Prozessautomatisierung GmbH
Prueftechnik Dieter Busch AG
Rohmann GmbH
Deutsche Bahn AG
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Filing date
Publication date
Application filed by FER-Prozessautomatisierung GmbH, Prueftechnik Dieter Busch AG, Rohmann GmbH, Deutsche Bahn AG filed Critical FER-Prozessautomatisierung GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013Arrangements for scanning
    • G01N27/902Arrangements for scanning by moving the sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61KAUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/08Measuring installations for surveying permanent way
    • B61K9/10Measuring installations for surveying permanent way for detecting cracks in rails or welds thereof

Definitions

  • the object of the invention is to create a method and a device with which damage in the near-surface area of installed rails and switch components can be detected precisely, reliably and precisely and quantitatively analyzed.
  • two rails which are laid next to one another at a fixed distance, are moved with at least one probe each and the measurement signals of the probes are recorded in parallel.
  • the device achieving the object has an eddy current test probe, a location signal transmitter and a recording unit, to which the measurement signal of the probe (s) and the location signal of the location signal transmitter are transferred for simultaneous recording.
  • the probe (s) are seated on a measuring head which is guided on the rail.
  • the measuring head can slide like a sled over the rail and / or be guided on the rail or the switch component with rollers.
  • the location signal transmitter is preferably a GPS unit (Global Positioning System).
  • GPS unit Global Positioning System
  • a GPS unit that is commercially available for civil applications enables location determination with an accuracy of approx. 3 m. Once recognized, surface damage can be easily found. This enables the damage development to be tracked, the damage repair to be optimally planned and its success to be monitored. Modern quality management is possible on the rail network, and valuable knowledge can be gained for the future planning of track systems.
  • the GPS unit includes a gyro module.
  • An acceleration measurement is thus carried out, which enables the location signal to be extrapolated when the GPS signal is interrupted, e.g. B. when driving through a tunnel.
  • a variant of the device according to the invention is designed to be operated as a manual test system by a distance runner who preferably travels only a single rail with it. This comparatively complex form of testing is required for track areas that are currently not accessible to automated testing, for example switch areas.
  • Another variant of the device according to the invention is designed to be carried along by a rail-bound trolley.
  • the latter can be powered both by human muscle power and by a motor.
  • both rails on which the trolley is running are scanned.
  • variants of the device according to the invention which are designed to be carried along by a rail test train or rail grinding train.
  • a rail test train you get over the Duration of approximately one year of operation. Test data for the entire rail network.
  • the device carried by a rail grinding train helps to optimize the grinding work during operation so that a perfect surface quality of the rail is achieved with as little material removal as possible.
  • the recording unit of a device according to the invention which is carried by a rail vehicle, is provided with a displacement pulse signal by a displacement sensor relating to the rail or the switch component.
  • FIG. 1 shows the perspective view of a rail with surface damage typically to be detected
  • Fig. 2 shows the block diagram of an eddy current testing device for the
  • FIG. 3 shows the block diagram of a GPS unit belonging to the eddy current testing device.
  • FIG. 1 shows a steel railroad track with typical surface damage in the form of squats 12 and head checks 14.
  • Squats 12 are flat separations lying below the top of the rail 18, preferably running parallel to the surface.
  • Head checks 14 are oblique cracks in the area of the driving edge 16, which preferably occur in the arches on the outer rail.
  • the detection and evaluation of head checks 14 is difficult because they run into the rail 10 at an angle to the direction of travel and at a flat angle.
  • the location and the distance and the depth of the head checks 14 must be measured with an accuracy of a few meters and with millimeter precision.
  • FIG. 2 shows the block diagram of an eddy current test device used for this purpose.
  • This includes an eddy current test probe 20, which lies opposite the driving edge 16 and scans the rail 10 according to the magnetic induction method, in order to detect and evaluate head checks 14.
  • the probe 20 is connected to a multi-channel eddy current tester 22. Each additional channel can be occupied by another probe, not shown, which e.g. scans the top 18 of the rail 10 on squats 12.
  • the eddy current test device can be located on a rail test train that drives a pair of rails to be examined.
  • a displacement pulse signal 24 is obtained from a displacement sensor.
  • a GPS unit 26 (Global Positioning System) delivers with a current uncertainty of approx. 3 m location coordinates.
  • the GPS unit 26 includes an antenna 28, a decoder 30 and a gyromodule 32, to which the path pulse signal 24 is present.
  • the gyromodule 32 is used to extrapolate the location when the GPS reception is interrupted, for example when driving through a tunnel.
  • the output signal of the eddy current test device 22, the displacement pulse signal 24 and the location signal are applied to a PC 34.
  • the signals undergo analog-to-digital conversion 36 and online data processing, and are stored on a hard disk 38.
  • Table 1 contains information on the data flow at different driving speeds. When evaluating 6 channels of 12 bits, the current version has a data flow of 1 megabyte / s and a memory requirement of 3.6 gigabytes / h.

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Abstract

Die Schienen (10) oder Weichenbauteile werden mit einer oder mehreren Wirbelstrom-Prüfsonde(n) (20) abgefahren und das Meßsignal der Sonde(n) ortsabhängig aufgezeichnet. Die Sonde(n) (20) sitzt/sitzen an einem Meßkopf, der an der Schiene (10) Führung hat. Als Ortssignalgeber dient eine GPS-Einheit (26) mit Gyromodul (32).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Bewertung von Oberflächenschäden an verlegten Schienen und Weichenbauteilen
Beschreibung
Es ist Stand der Technik, verlegte Eisenbahnschienen und Weichen von einem Streckenläufer visuell auf Oberflächenschäden prüfen zu lassen. Des weiteren existieren Schienenprüfzüge, die mit Ultraschall- Prüftechnik ausgerüstet sind. Diese Ultraschallprüfung ermöglicht es, Trennungen im Schieneninneren zu detektieren. Trennungen und Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie z.B. Head Checks und Squats, werden mit dieser Ultraschallprüfung dagegen nicht erfaßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich Schäden im oberflächennahen Bereich von verlegten Schienen und Weichenbauteilen präzise, sicher und ortsgenau detektieren und quantitativ analysieren lassen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem man die Schiene oder das Weichenbauteil mit einer oder mehreren Wirbelstrom-Prüfsonden abfährt und das Meßsignal der Sonde (n) ortsabhängig aufzeichnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens werden zwei in festem Abstand nebeneinander verlegte Schienen mit mindestens je einer Sonde abgefahren und die Meßsignale der Sonden parallel aufgezeichnet .
Die die Aufgabe lösende Vorrichtung weist eine Wirbelstrom-Prüfsonde, einen Ortssignalgeber und eine AufZeichnungseinheit auf, der das Meßsignal der Sonde (n) und das Ortssignal des Ortssignalgebers zur simultanen Aufzeichnung überstellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sitzt/sitzen die Sonde (n) an einem Meßkopf, der an der Schiene Führung hat. Der Meßkopf kann schlittenartig über die Schiene gleiten und/oder mit Rollen an der Schiene oder dem Weichenbauteil geführt sein.
Bei dem Ortssignalgeber handelt es sich vorzugsweise um eine GPS- Einheit (Global Positioning System) . Eine für zivile Anwendungen kommerziell verfügbare GPS-Einheit ermöglicht eine Ortsbestimmung mit einer Genauigkeit von ca. 3 m. Einmal erkannte Oberflächenschäden können damit problemlos wiedergefunden werden. Das ermöglicht es, die Schadensentwicklung zu verfolgen, die Schadensbehebung optimal zu planen und ihren Erfolg zu kontrollieren. Es ist ein modernes Qualitätsmanagement an dem Schienennetz möglich, und es können wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Planung von Gleisanlagen gewonnen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehört zu der GPS-Einheit ein Gyromodul . Damit erfolgt eine Beschleunigungsmessung, die eine Extrapolation des Ortssignals ermöglicht, wenn das GPS-Signal eine Unterbrechung erfährt, z. B. beim Durchfahren eines Tunnels.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darauf ausgelegt, als HandprüfSystem von einem Streckenläufer bedient zu werden, der vorzugsweise nur eine einzelne Schiene damit abfährt. Diese vergleichsweise aufwendige Form der Prüfung ist für Gleisbereiche erforderlich, die einer automatisierten Prüfung derzeit nicht zugänglich sind, beispielsweise Weichenbereiche.
Eine andere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darauf ausgelegt, von einer schienengebundenen Draisine mitgeführt zu werden. Letztere kann sowohl mit menschlicher Muskelkraft, als auch durch einen Motor angetrieben sein. Vorzugsweise werden in einer automatisierten Prüfung beide Schienen abgetastet, auf denen die Draisine läuft.
Dasselbe gilt für Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die darauf ausgelegt sind, von einem Schienenprüfzug oder Schienenschleif- zug mitgeführt zu werden. Mit dem Schienenprüfzug erhält man über die Dauer ca. eines BetriebsJahres Prüfdaten für das gesamte Gleisnetz der Bahn. Die von einem Schienenschleifzug mitgeführte Vorrichtung verhilft dazu, die Schleifarbeiten im laufenden Betrieb zu optimieren, so daß mit möglichst geringem Materialabtrag eine einwandfreie Oberflächenqualität der Schiene erzielt wird.
In den von einer Draisine oder einem Zug mitgeführten Varianten empfiehlt es sich, den Meßkopf mit der/den Sonde (n) schwimmend an das Schienenfahrzeug anzubinden und von der Schiene selbst geführt daran entlanggleiten oder darüber rollen zu lassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der AufZeichnungseinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die von einem Schienenfahrzeug mitgeführt wird, von einem auf die Schiene oder das Weichenbauteil bezogenen Weggeber ein Wegimpulssignal überstellt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Schiene mit typischerweise zu detektierenden Oberflächenschäden; Fig. 2 das Blockdiagramm einer Wirbelstrom-PrüfVorrichtung für die
Prüfung von Schienen und Weichenbauteilen; und Fig. 3 das Blockdiagramm einer zu der Wirbelstrom-PrüfVorrichtung gehörigen GPS-Einheit.
Fig. 1 zeigt eine Eisenbahnschiene aus Stahl mit typischen Oberflächenschäden in Form von Squats 12 und Head Checks 14.
Squats 12 sind unterhalb der Schienenoberseite 18 liegende flächige Trennungen, vorzugsweise parallel zur Oberfläche verlaufend.
Head Checks 14 sind schräg liegende Risse im Bereich der Fahrkante 16, die bevorzugt in den Bögen an der Außenschiene auftreten. Die Detektion und Bewertung von Head Checks 14 gestaltet sich dadurch schwierig, daß sie schräg zur Fahrtrichtung und in einem flachen Winkel in die Schiene 10 einlaufen. Es muß mit einer Genauigkeit von einigen Metern der Ort und millimetergenau der Abstand und die Tiefe der Head Checks 14 gemessen werden.
Fig. 2 zeigt das Blockdiagramm einer dazu verwendeten Wirbelstrom- PrüfVorrichtung. Zu dieser gehört eine Wirbelstrom-Prüfsonde 20, die der Fahrkante 16 gegenüberliegt und die Schiene 10 nach dem magnetinduktiven Verfahren abtastet, um Head Checks 14 zu detektieren und zu bewerten.
Die Sonde 20 ist an ein Mehrkanal-Wirbelstromprüfgerät 22 angeschlossen. Jeder weitere Kanal kann mit einer nicht näher dargestellten weiteren Sonde belegt sein, die z.B. die Oberseite 18 der Schiene 10 auf Squats 12 abtastet.
Die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung kann sich an einem Schienenprüfzug befinden, der ein zu untersuchendes Schienenpaar befährt. In diesem Fall erhält man von einem Weggeber ein Wegimpulssignal 24.
Eine GPS-Einheit 26 (Global Positioning System) liefert mit einer derzeitigen Unsicherheit von ca. 3 m Ortskoordinaten.
Wie in Fig. 3 gezeigt, gehören zu der GPS-Einheit 26 eine Antenne 28, ein Dekoder 30 und ein Gyromodul 32, an dem das Wegimpulssignal 24 anliegt. Das Gyromodul 32 dient zur Extrapolation der Ortsbestimmung, wenn der GPS-Empfang unterbrochen ist, beispielsweise beim Durchfahren eines Tunnels .
Das Ausgangssignal des Wirbelstrom-Prüfgeräts 22, das Wegimpulssignal 24 und das Ortssignal liegen an einem PC 34 an. Die Signale erfahren eine Analog-Digital-Wandlung 36 und online Datenverarbeitung, und sie werden auf einer Festplatte 38 gespeichert. Tabelle 1 enthält Angaben zum Datenfluß bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten. Bei Auswertung von 6 Kanälen ä 12 bit hat man in der derzeitigen Ausführung einen Datenfluß von 1 Megabyte/s und einen Speicherbedarf von 3,6 Gigabyte/h.
Tabelle 1
Minimum Normal Maximum
Fahrgeschwindigkeit 30 70 100 km/h
Prüfgeschwindigkeit 8 19,5 28 m/s
Abtastrate 13 33 50 kS/s
Meßpunktabstand bei 50 kS/s 0,16 0,39 0,56 mm
Liste der Bezuαszeichen
Schiene Squat Head Check Fahrkante Oberseite Sonde Wirbelstromprüfgerät Wegimpulssignal GPS-Einheit Antenne Dekoder Gyromodul PC Analog-Digital-Wandler Festplatte

Claims

Ansprüche
1. Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Bewertung von Oberflächenschäden (12, 14) an verlegten Schienen (10) und Weichenbauteilen, bei dem man die Schienen (10) und Weichenbauteile mit mindestens einer Wirbelstrom-Prüfsonde (20) abfährt und das Meßsignal der Sonde (n) (20) ortsabhängig aufzeichnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei in festem Abstand nebeneinander verlegte Schienen (10) mit mindestens je einer Sonde (20) abfährt und die Meßsignale der Sonden (20) parallel aufzeichnet.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einer Wirbelstrom-Prüfsonde (20) , mit einem Ortssignalgeber und mit einer AufZeichnungseinheit, der das Meßsignal der Sonde (n) (20) und das Ortssignal des Ortssignalgebers zur simultanen Aufzeichnung überstellbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (n) (20) an einem Meßkopf sitzt/sitzen, der an den Schienen (10) oder Weichenbauteilen Führung hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf über die Schienen (10) oder Weichenbauteile gleitet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf mit Rollen an der Schiene (10) oder dem Weichenbauteil geführt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ortssignalgeber eine GPS-Einheit (26) (Global Positioning System) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu der GPS-Einheit (26) ein Gyromodul (32) gehört.
9. Vorrichtung nach .einem der Ansprüche 3 bis 8, die darauf ausgelegt ist, als HandprüfSystem von einem Streckenläufer bedient zu werde .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, die darauf ausgelegt ist, von einer schienengebundenen Draisine mitgeführt zu werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, die darauf ausgelegt ist, von einem Schienenprüfzug mitgeführt zu werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, die darauf ausgelegt ist, von einem Schienenschleifzug mitgeführt zu werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 und 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf mit der/den Sonde (n) (20) schwimmend an das Schienenfahrzeug angebunden und an der Schiene (10) oder dem Weichenbauteil selbst geführt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der AufZeichnungseinheit von einem auf die Schiene (10) oder das Weichenbauteil bezogenen Weggeber ein Wegimpulssignal überstellbar ist.
EP01951344A 2000-05-23 2001-05-21 Verfahren und vorrichtung zur detektion und bewertung von oberflächenschäden an verlegten schienen und weichenbauteilen Withdrawn EP1285264A2 (de)

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