DE102015108720A1 - Ultrasonic testing device and method for non-destructive testing of a wheel and a wheel disc - Google Patents
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Abstract
Ultraschall-Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades (2) und/oder einer Radscheibe (4), mit zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfen (12a, b), wobei jeder der Ultraschall-Prüfköpfe (12a, b) eine Ultraschallwandleranordnung (16a, b) mit mehreren in einer Reihe nebeneinander angeordneten, jeweils eine Sende-/Empfangsfläche (26) aufweisenden Ultraschallwandlern (18) umfasst, die auf einer Fläche (22) eines gemeinsamen Trägers (20a, b) angeordnet sind, wobei die Fläche (22) jedes Trägers (20a, b) in einer ersten, vertikalen Richtung (RV) und in einer zweiten, lateralen Richtung (RL) gegenüber einer Koppelfläche (24) geneigt ist und wobei die zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfe (12a, b) derart zueinander ausrichtbar sind, dass sie sowohl in Impuls-Echo-Technik als auch in V-Durchschallung betreibbar sind. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades (2) und/oder einer Radscheibe (4) mit einer solchen Ultraschall-Prüfvorrichtung, bei dem die Ultraschall-Prüfköpfe (12a, b) akustisch an eine Lauffläche (8) des Rades (2) angekoppelt werden und die von den Ultraschallwandleranordnungen (16a, b) emittierten Schallstrahlen (S) elektronisch geschwenkt werden, wobei ein von einer ersten Ultraschallwandleranordnung (16a) emittierter Schallstrahl (S) sowohl von der ersten Ultraschallwandleranordnung (16a) als auch von einer zweiten Ultraschallwandleranordnung (16b) empfangen wird.Ultrasonic testing apparatus for non-destructive testing of a wheel (2) and / or a wheel disc (4), comprising at least two ultrasonic probes (12a, b), each of the ultrasound probes (12a, b) having an ultrasonic transducer arrangement (16a, b) comprising a plurality of juxtaposed in a row, each having a transmitting / receiving surface (26) having ultrasonic transducers (18) arranged on a surface (22) of a common carrier (20 a, b), wherein the surface (22) of each carrier (20a, b) is inclined in a first, vertical direction (RV) and in a second, lateral direction (RL) with respect to a coupling surface (24) and wherein the at least two ultrasound probes (12a, b) are aligned with one another in such a way, that they can be operated both in pulse-echo technique and in V-transmission. Method for non-destructive testing of a wheel (2) and / or a wheel disc (4) with such an ultrasonic testing device, in which the ultrasonic probes (12a, b) are acoustically coupled to a running surface (8) of the wheel (2) and the sound beams (S) emitted by the ultrasonic transducer assemblies (16a, b) are electronically tilted, with a sound beam (S) emitted from a first ultrasonic transducer assembly (16) receiving from both the first ultrasonic transducer assembly (16a) and a second ultrasonic transducer assembly (16b) becomes.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades und einer Radscheibe.The invention relates to an ultrasonic testing device and a method for nondestructive testing of a wheel and a wheel disc.
Um Radbrüche oder daraus resultierende Folgeschäden zu vermeiden, müssen Räder und die dazugehörigen Radscheiben, insbesondere Eisenbahnräder, in regelmäßigen Abständen auf Fehler, beispielsweise sich in dem Rad bzw. der Radscheibe ausbreitende Risse, überprüft werden. Hierfür kommen beispielsweise schräg zur Lauffläche angestellte Ultraschall-Prüfköpfe zum Einsatz, wodurch erreicht wird, dass die jeweils gegenüberliegende Seitenfläche der Radscheibe von einem Schallstrahl überstrichen wird, um eventuelle Oberflächenfehler aufzufinden. Da die nachzuweisenden Fehler oftmals klein sind und infolgedessen ein geringes Reflexionsvermögen aufweisen, ist eine hohe Prüfempfindlichkeit bzw. ein hoher Signal-Störabstand erforderlich. Die Laufflächen weisen jedoch infolge des Betriebs Verschleißerscheinungen wie z.B. Unebenheiten oder Abweichungen vom nominellen Laufflächenprofil auf, welche eine zuverlässige Ankopplung des standardmäßig schräg gestellten Ultraschall-Prüfkopfes an die Lauffläche erschweren. Des Weiteren kann die Ankopplung des Ultraschall-Prüfkopfes durch verschieden große Raddurchmesser beeinträchtigt werden.In order to avoid wheel fractures or consequential damages resulting therefrom, wheels and the associated wheel disks, in particular railway wheels, must be checked for faults at regular intervals, for example cracks spreading in the wheel or the wheel disk. For this purpose, for example, employed obliquely to the tread ultrasound probes are used, whereby it is achieved that the respective opposite side surface of the wheel disc is swept by a beam of sound to find any surface defects. Since the errors to be detected are often small and as a result have a low reflectivity, a high test sensitivity or a high signal-to-noise ratio is required. The treads, however, show signs of wear, such as wear, due to operation. Unevenness or deviations from the nominal tread profile, which complicate a reliable coupling of the standard tilted ultrasonic probe to the tread. Furthermore, the coupling of the ultrasonic probe can be affected by different sized wheel diameter.
Die
Die
Aus der
In der
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Ultraschall-Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades und einer Radscheibe anzugeben, die eine vollständige Prüfung des Rades und der Radscheibe mit der erforderlichen Prüfempfindlichkeit ermöglicht.It is an object of the invention to provide an ultrasonic testing device and a method for non-destructive testing of a wheel and a wheel disc, which allows a complete examination of the wheel and the wheel disc with the required test sensitivity.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Die Ultraschall-Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades und/oder einer Radscheibe umfasst zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfe, wobei jeder der Ultraschall-Prüfköpfe eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren in einer Reihe nebeneinander angeordneten, jeweils eine Sende-/Empfangsfläche aufweisenden Ultraschallwandlern umfasst, die auf einer Fläche eines gemeinsamen Trägers angeordnet sind. Die Fläche jedes Trägers ist dabei in einer ersten, vertikalen Richtung und in einer zweiten, lateralen Richtung gegenüber einer Koppelfläche geneigt. Die zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfe sind derart zueinander ausrichtbar, dass sie sowohl in Impuls-Echo-Technik als auch in V-Durchschallung betreibbar sind.The first object is achieved with a device having the features according to claim 1. The ultrasonic testing device for nondestructive testing of a wheel and / or a wheel disc comprises at least two ultrasonic probes, each of the ultrasonic probes an ultrasonic transducer assembly with several in a row next to each other arranged, each having a transmitting / receiving surface having ultrasonic transducers, which are arranged on a surface of a common carrier. The surface of each carrier is inclined in a first, vertical direction and in a second, lateral direction relative to a coupling surface. The at least two ultrasound probes can be aligned with one another in such a way that they can be operated both in pulse-echo technology and in V-sound transmission.
Unter Koppelfläche ist dabei diejenige Fläche zu verstehen, die mit einer Lauffläche des Rades in Kontakt steht und aus der der von der Ultraschallwandleranordnung bzw. dem Gruppenstrahler emittierte Schallstrahl aus dem Ultraschall-Prüfkopf austritt. Under coupling surface is to be understood that surface which is in contact with a running surface of the wheel and from the emitted from the ultrasonic transducer assembly and the array emitters sound beam exiting the ultrasonic probe.
Die Fläche des Trägers und somit eine von den einzelnen Sende-/Empfangsflächen der Ultraschallwandler gebildete gemeinsame Sende-/Empfangsfläche ist in einer ersten, vertikalen Richtung gegenüber der Koppelfläche geneigt. Dadurch wird erreicht, dass der Schallstrahl unter einem von null verschiedenen Einschallwinkel in das zu prüfende Rad bzw. in die zu prüfende Radscheibe eintritt. Eine zusätzliche Variation des Einschallwinkels wird durch zeitlich nacheinander erfolgendes Ansteuern der Ultraschallwandler der Ultraschallwandleranordnung erreicht, sodass eine Prüfung der Radscheibe in unterschiedlichen Abständen von der Mitte des Rades bzw. der Radnabe, also in unterschiedlichen Tiefenbereichen erfolgen kann. The surface of the carrier and thus one of the individual transmitting / receiving surfaces of the ultrasonic transducer formed common transmitting / receiving surface is inclined in a first, vertical direction relative to the coupling surface. This ensures that the sound beam enters the wheel to be tested or the wheel disc to be tested at a different sound angle from zero. An additional variation of the insonification angle is achieved by triggering the ultrasonic transducers of the ultrasound transducer arrangement successively in time, so that a test of the wheel disc at different distances from the center of the wheel or the wheel hub, that can be done in different depth ranges.
Zusätzlich ist die Fläche des Trägers und die gemeinsame Sende-/Empfangsfläche in einer zweiten, lateralen Richtung geneigt, sodass ein gewünschter Schielwinkel erreicht wird. Auch die Variation des Einschallwinkels bewirkt eine geringfügige zusätzliche Veränderung des Schielwinkels, die sich zusätzlich positiv auf die Auftreffbedingungen im jeweiligen radialen Prüfbereich auswirkt. Unter Schielwinkel ist derjenige Winkel zu verstehen, der notwendig ist, um eine Einschallung in die Radscheibe derart zu erreichen, dass der Schallstrahl die jeweils gegenüberliegende Seitenfläche der Radscheibe überstreicht. Dies wurde bisher durch den Einsatz schräg gestellter Ultraschall-Prüfköpfe erreicht, die in Laufrichtung des Rades gesehen unter einem von null verschiedenen Anstellwinkel ausgerichtet sind.In addition, the surface of the carrier and the common transmitting / receiving surface are inclined in a second, lateral direction so that a desired squint angle is achieved. The variation of the insonification angle also causes a slight additional change in the squint angle, which additionally has a positive effect on the impact conditions in the respective radial test area. The term "squint angle" is to be understood as meaning the angle which is necessary in order to achieve an insonification in the wheel disc in such a way that the sound beam passes over the respectively opposite side surface of the wheel disc. This has previously been achieved by the use of tilted ultrasonic probes, which are aligned in the direction of the wheel at a non-zero angle of attack.
Die vorliegende Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, dass der Schielwinkel durch die laterale Neigung der Fläche des Trägers realisiert wird und somit keine Schiefstellung des Ultraschall-Prüfkopfes in Bezug auf die Lauffläche erforderlich ist. Der Ultraschall-Prüfkopf kann also parallel zu einer Laufrichtung des Rades auf die Lauffläche aufgesetzt werden. Dadurch wird die Ankopplung des Ultraschall-Prüfkopfes an die Lauffläche und das Rad deutlich verbessert, da der Ultraschall-Prüfkopf in Querrichtung der Lauffläche eine geringere Auflagedimension als ein schräg gestellter Ultraschall-Prüfkopf erfordert. Somit reicht der erfindungsgemäße Ultraschall-Prüfkopf in geringerem Maße in den Krümmungsbereich des Laufprofils in Richtung des Spurkranzes, wodurch die Ankopplung verbessert wird. Zusätzlich haben quer zur Laufrichtung verlaufende Unebenheiten und/oder Abweichungen vom Sollprofil der Lauffläche des Rades einen deutlich geringeren Einfluss auf die Ankopplung des Ultraschall-Prüfkopfes.The present invention has the advantage that the squint angle is realized by the lateral inclination of the surface of the carrier and thus no skewing of the ultrasonic probe is required with respect to the tread. The ultrasonic probe can therefore be placed parallel to a running direction of the wheel on the tread. As a result, the coupling of the ultrasonic probe to the tread and the wheel is significantly improved because the ultrasonic probe in the transverse direction of the tread requires a smaller support dimension than a tilted ultrasonic probe. Thus, the ultrasonic probe according to the invention extends to a lesser extent in the curvature region of the running profile in the direction of the wheel flange, whereby the coupling is improved. In addition, transverse irregularities and / or deviations from the nominal profile of the running surface of the wheel have a significantly smaller influence on the coupling of the ultrasonic test head.
Gemäß der Erfindung ist die Ultraschallwandleranordnung also auf einer Dachfläche des Trägers angeordnet, die unter einem Dachwinkel gegenüber der Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung geneigt ist, wobei der Dachwinkel eine vertikale und eine laterale Komponente aufweist. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Trägers bzw. Wahl des Dachwinkels kann sowohl der Einschallwinkel in das Bauteil variiert als auch der gewünschte Schielwinkel eingestellt werden.According to the invention, the ultrasonic transducer assembly is thus arranged on a roof surface of the carrier, which is inclined at a roof angle with respect to the coupling surface of the ultrasonic transducer assembly, wherein the roof angle has a vertical and a lateral component. By a corresponding design of the carrier or choice of the roof angle, both the insonification angle can be varied in the component as well as the desired squint angle can be adjusted.
Die zwei Ultraschall-Prüfköpfe sind derart ausrichtbar, dass sie gegensinnig schallend und sowohl in Impuls-Echo-Technik als auch in V-Durchschallung betreibbar sind, sodass sowohl in Umfangsrichtung orientierte Fehler mittels V-Durchschallung als auch Radialfehler mittels Impuls-Echo-Technik detektiert werden können. The two ultrasonic probes are aligned so that they are in the opposite direction sounding and in both pulse-echo technique as well as in V-sound can be operated, so that both circumferentially oriented errors detected by V-sounding as well as radial errors by means of pulse-echo technique can be.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Ultraschall-Prüfvorrichtung ist die Ultraschallwandleranordnung zusätzlich derart auf der Fläche angeordnet, dass eine Spur bzw. eine Spurgerade der Schwenkebene der Ultraschallwandleranordnung und eine Mittellängsachse der Fläche einen von null verschiedenen Winkel γ zwischen sich einschließen. Unter der Spur oder Spurgeraden der Schwenkebene ist dabei die Schnittgerade der mit dem Ultraschall-Prüfkopf bzw. der Ultraschallwandleranordnung erreichbaren Schwenkebene des Schallstrahls mit einer gemeinsamen Sende-/Empfangsfläche der Ultraschallwandleranordnung zu verstehen. Hierfür ist beispielsweise die Ultraschallwandleranordnung selbst verdreht auf der Fläche des gemeinsamen Trägers angeordnet, wobei eine Mittellängsachse der Ultraschallwandleranordnung der Spur der Schwenkebene entspricht bzw. deckungsgleich mit dieser verläuft. Mit anderen Worten: Die Ultraschallwandleranordnung ist dann derart auf der Fläche angeordnet, dass eine Mittellängsachse der Ultraschallwandleranordnung und eine Mittellängsachse der Fläche einen von null verschiedenen Winkel γ zwischen sich einschließen. Dadurch können die Auftreffbedingungen in dem jeweiligen Prüfbereich des Rades bzw. der Radscheibe weiter optimiert werden. Dabei ist der Winkel γ üblicherweise kleiner als 8°. Durch Simulation können sowohl der Winkel γ als auch der Dachwinkel optimiert werden.In a preferred embodiment of the ultrasonic testing device, the ultrasonic transducer assembly is additionally arranged on the surface such that a track or a straight line of the pivot plane of the ultrasonic transducer assembly and a central longitudinal axis of the surface include a non-zero angle γ between them. Under the track or track straight the pivot plane is to be understood as the cutting line of the achievable with the ultrasonic probe or the ultrasonic transducer assembly pivot plane of the sound beam with a common transmitting / receiving surface of the ultrasonic transducer assembly. For this purpose, for example, the ultrasonic transducer assembly is itself arranged twisted on the surface of the common carrier, wherein a central longitudinal axis of the ultrasonic transducer assembly of the track corresponds to the pivot plane and extends congruent thereto. In other words, the ultrasound transducer assembly is then disposed on the surface such that a central longitudinal axis of the ultrasound transducer assembly and a central longitudinal axis of the surface enclose a non-zero angle γ therebetween. As a result, the impact conditions in the respective test area of the wheel or the wheel disk can be further optimized. The angle γ is usually smaller than 8 °. Through simulation both the angle γ and the roof angle can be optimized.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verringert sich die Breite der Ultraschallwandleranordnung von einem zentralen Ultraschallwandler ausgehend zu einem ersten und/oder zweiten Rand der Ultraschallwandleranordnung. Unter Breite der Ultraschallwandleranordnung ist vorliegend die sich senkrecht von der Mittellängsachse der Ultraschallwandleranordnung weg erstreckende Dimension der Ultraschallwandleranordnung zu verstehen. Die Ultraschallwandleranordnung ist somit – in Bezug auf ihre Mittellängsachse – an ihrem Rand schmaler als in der Mitte. Mit anderen Worten: Die Sende-Empfangsfläche zumindest eines an einem ersten Rand der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandlers und zumindest eines an einem zweiten Rand der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandlers ist gegenüber einem jeweils benachbarten Ultraschallwandler in einer senkrecht zu der Mittellängsachse verlaufenden Richtung größenmäßig verringert. Eine solche Verjüngung der Ultraschallwandleranordnung von der Mitte der Ultraschallwandleranordnung zum Rand hin, hat den Vorteil, dass das Gehäuse des Ultraschall-Prüfkopfes insgesamt schmäler ausgestaltet sein kann. Zudem wird der laterale Einschallwinkel vergrößert, was die Prüfbereichsabdeckung an der Radscheibenoberfläche verbessert.In a further preferred embodiment, the width of the ultrasound transducer assembly decreases from a central ultrasound transducer to a first and / or second edge of the ultrasound transducer assembly. In the present case, the width of the ultrasound transducer arrangement is understood to mean the dimension of the ultrasound transducer arrangement extending perpendicularly away from the central longitudinal axis of the ultrasound transducer arrangement. The ultrasound transducer assembly is thus - in relation to its central longitudinal axis - narrower at its edge than in the middle. In other words, the transmitting-receiving surface of at least one ultrasonic transducer arranged on a first edge of the ultrasonic transducer arrangement and at least one ultrasonic transducer arranged on a second edge of the ultrasonic transducer arrangement is reduced in size relative to a respective adjacent ultrasonic transducer in a direction perpendicular to the central longitudinal axis. Such a taper of the ultrasonic transducer assembly from the center of the ultrasonic transducer assembly to the edge, has the advantage that the housing of the ultrasonic probe can be made narrower overall. In addition, the lateral insonification angle is increased, which improves the Prüfbereichsabdeckung on the Radscheibenoberfläche.
Die Fläche des gemeinsamen Trägers bzw. der Ultraschall-Prüfkopf muss also nicht vergrößert werden, sodass die Dimension des Ultraschall-Prüfkopfes bzw. des Trägers sowohl in Laufrichtung als auch vor allem quer zur Laufrichtung möglichst gering gehalten werden kann bzw. hinsichtlich des Oberflächenprofils der Lauffläche optimiert ist. Die Vorrichtung erlaubt daher eine verbesserte Ankopplung an die Lauffläche bei vergleichbaren Abmessungen der Ultraschallwandleranordnung, da ein Ultraschall-Prüfkopf mit gleichbleibenden oder vielmehr geringeren Dimensionen ausreichend ist. Damit ist eine Verbesserung des Signal-Störabstandes gegeben The area of the common carrier or the ultrasound probe therefore does not have to be increased, so that the dimension of the ultrasound probe or of the carrier can be kept as low as possible both in the running direction and, above all, transversely to the running direction or with respect to the surface profile of the tread is optimized. The device therefore allows an improved coupling to the tread at comparable dimensions of the ultrasonic transducer assembly, since an ultrasonic probe with consistent or rather smaller dimensions is sufficient. This is an improvement of the signal-to-noise ratio
Dabei ist zudem die Sende-Empfangsfläche zumindest eines an einem ersten Rand der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandlers und zumindest eines an einem zweiten Rand der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandlers gegenüber einem jeweils benachbarten Ultraschallwandler verringert. Die Größe der Sende-/Empfangsfläche eines Ultraschwallwandlers nimmt dann von einem an dem ersten und/oder zweiten Rand der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandler zu einem zentral in der Ultraschallwandleranordnung angeordneten Ultraschallwandler zu.In this case, moreover, the transmitting-receiving surface of at least one ultrasonic transducer arranged on a first edge of the ultrasonic transducer arrangement and at least one ultrasonic transducer arranged on a second edge of the ultrasonic transducer arrangement is reduced with respect to a respectively adjacent ultrasonic transducer. The size of the transmitting / receiving surface of an ultrasonic wall converter then increases from an ultrasonic transducer arranged on the first and / or second edge of the ultrasonic transducer arrangement to an ultrasonic transducer arranged centrally in the ultrasonic transducer arrangement.
Vorzugsweise ist eine von den jeweiligen Sende-Empfangsflächen der Ultraschallwandler gebildete gemeinsame Sende-Empfangsfläche der Ultraschallwandleranordnung in Form eines Polygons, insbesondere in Form eines Hexagons, ausgebildet. Der von einer Ultraschallanordnung gebildete Gesamtschwinger ist also z.B. als Sechseck ausgebildet, welches auf der Fläche des gemeinsamen Trägers verdreht angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zu einer Rechteck-Geometrie des Gesamtschwingers bzw. der gemeinsamen Sende-Empfangsfläche keine Verbreiterung des Ultraschall-Prüfkopfes erforderlich ist, auch wenn die Spur der Schwenkebene der Ultraschallwandleranordnung und die Mittellängsachse der Fläche einen von null verschiedenen Winkel γ zwischen sich einschließen, die Ultraschallwandleranordnung also verdreht auf der gemeinsamen Fläche angeordnet ist. Preferably, one of the respective transmitting-receiving surfaces of the ultrasonic transducer formed common transmitting-receiving surface of the ultrasonic transducer assembly in the form of a polygon, in particular in the form of a hexagon formed. The total oscillator formed by an ultrasonic arrangement is thus e.g. formed as a hexagon, which is arranged twisted on the surface of the common carrier. This has the advantage that, compared to a rectangular geometry of the total oscillator or the common transmitting-receiving surface no broadening of the ultrasonic probe is required, even if the track of the pivot plane of the ultrasonic transducer assembly and the central longitudinal axis of the surface of a non-zero angle γ enclose between them, the ultrasonic transducer assembly is thus arranged twisted on the common surface.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die gemeinsame Sende-Empfangsfläche der Ultraschallwandleranordnung in Form eines schrägen Parallelogramms ausgebildet und die Sende-Empfangsflächen jedes Ultraschallwandlers der Ultraschallwandleranordnung sind gleich groß. Die einzelnen Ultraschallwandler weisen also dieselbe Fläche auf und sind ebenfalls als schräges Parallelogramm ausgebildet, sodass die Breite der Ultraschallwandler bleibt ausgehend vom Rand der Ultraschallwandleranordnung zur Mitte hin konstant bleibt. Dadurch ist der Schalldruck für jeden Ultraschallwandler gleich groß und der Gesamtschalldruck einer solchen Ultraschallwandleranordnung gegenüber dem eines Hexagons vergrößert, ohne dass signifikante Einbußen der lateralen Bündeldivergenz auftreten. Durch eine solche Schrägstellung bzw. Scherung der gesamten Ultraschallwandleranordnung und der einzelnen Ultraschallwandler ergibt sich, dass die Spur der Schwenkebene ebenfalls einen Winkel γ mit der Mittellängsachse der Fläche des Trägers einschließt.In an alternative embodiment, the common transmitting-receiving surface of the ultrasonic transducer assembly is formed in the form of an oblique parallelogram and the transmitting-receiving surfaces of each ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer assembly are the same size. The individual ultrasonic transducers thus have the same area and are likewise designed as oblique parallelogram, so that the width of the ultrasound transducers remains constant starting from the edge of the ultrasound transducer arrangement toward the center. As a result, the sound pressure for each ultrasound transducer is the same and the overall sound pressure of such an ultrasound transducer arrangement is increased compared to that of a hexagon, without significant losses of the lateral beam divergence occurring. As a result of such an inclination or shear of the entire ultrasound transducer arrangement and of the individual ultrasound transducers, the track of the swiveling plane likewise includes an angle γ with the central longitudinal axis of the surface of the support.
Die Fläche des gemeinsamen Trägers ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung in der ersten, vertikalen Richtung gegenüber der Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung bzw. des Ultraschall-Prüfkopfes derart geneigt, dass ein Einschallwinkel von 17° bis 50° der Transversalwelle in das Rad und die Radscheibe erreicht wird. Hierfür wird der Neigungswinkel, den die Koppelfläche und die Dachfläche des Trägers, also die Fläche auf der die Ultraschallwandleranordnung angeordnet ist, zwischen sich einschließen, entsprechend gewählt. Mit anderen Worten: Der Winkel, den die Koppelfläche und die Dachfläche in vertikaler Richtung, also in Laufrichtung zwischen sich einschließen, wird derart gewählt, dass durch zeitlich verzögerte Ansteuerung der Ultraschallwandler einer Ultraschallwandleranordnung ein Einschallwinkel von 17° bis 50° der Transversalwelle erreicht wird. Zusätzlich kann die Longitudinalwelle in einem Winkelbereich von 0° bis über 70° zur Erweiterung des Prüfumfangs herangezogen werden.The surface of the common carrier is inclined in a preferred embodiment in the first, vertical direction relative to the coupling surface of the ultrasonic transducer assembly or the ultrasonic probe such that a Einschallwinkel of 17 ° to 50 ° of the transverse wave is achieved in the wheel and the wheel disc. For this purpose, the inclination angle, which includes the coupling surface and the roof surface of the carrier, so the area on which the ultrasonic transducer assembly is arranged between them, selected accordingly. In other words, the angle enclosed by the coupling surface and the roof surface in the vertical direction, that is to say in the running direction, is chosen such that an acoustic angle of 17 ° to 50 ° of the transverse wave is achieved by a time-delayed activation of the ultrasonic transducer of an ultrasonic transducer arrangement. In addition, the longitudinal wave in an angle range from 0 ° to over 70 ° can be used to extend the Prüfumfangs.
In der zweiten, lateralen Richtung ist die Fläche des gemeinsamen Trägers bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gegenüber der Koppelfläche in einem Bereich von 3° bis 12° geneigt. Mit anderen Worten: Der Winkel, den die Koppelfläche und die Dachfläche in lateraler Richtung, also quer zur Laufrichtung zwischen sich einschließen, beträgt zwischen 3° und 12°.In the second, lateral direction, the surface of the common carrier is inclined in an advantageous embodiment with respect to the coupling surface in a range of 3 ° to 12 °. In other words, the angle between the coupling surface and the roof surface in the lateral direction, ie transverse to the running direction, is between 3 ° and 12 °.
Um eine Prüfung in V-Durchschallung zu ermöglichen, sind die zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfe bei einer vorteilhaften Ausgestaltung derart zueinander ausrichtbar, dass die Sende-Empfangsflächen der Ultraschallwandler einer auf einem ersten Träger angeordneten, ersten Ultraschallwandleranordnung und die Sende-Empfangsflächen der Ultraschallwandler einer auf einem zweiten Träger angeordneten, zweiten Ultraschallwandleranordnung einander zugewandt sind. In order to enable a test in V-transmission, the at least two ultrasonic probes are aligned in such an advantageous embodiment to each other that the transmitting-receiving surfaces of the ultrasonic transducer arranged on a first carrier, the first ultrasonic transducer assembly and the transmitting-receiving surfaces of the ultrasonic transducer on a second carrier arranged, second ultrasonic transducer assembly facing each other.
Prinzipiell ist es möglich, dass die Fläche des gemeinsamen Trägers eines ersten Ultraschall-Prüfkopfes und die Fläche des gemeinsamen Trägers eines zweiten Ultraschallprüfkopfes in der ersten, vertikalen Richtung und in der zweiten, lateralen Richtung gegenüber der Koppelfläche um geringfügig voneinander abweichende Winkel geneigt sind. Mit anderen Worten: Die Dachflächen der beiden Träger weisen unterschiedliche Dachwinkel auf. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind jedoch die Fläche des gemeinsamen Trägers eines ersten Ultraschall-Prüfkopfes und die Fläche des gemeinsamen Trägers eines zweiten Ultraschall-Prüfkopfes sowohl in der ersten, vertikalen Richtung als auch in der zweiten, lateralen Richtung gegenüber der Koppelfläche um denselben Winkel geneigt. Die erste und die zweite Ultraschallwandleranordnung sind also spiegelbildlich zueinander bzw. unter demselben vertikalen und lateralen Neigungswinkel zueinander angeordnet. Die Schallstrahlachsen der jeweils emittierten Schallwellen schneiden sich folglich in einem zwischen den Ultraschallwandleranordnungen vorhandenen Raum. Die spiegelbildliche Anordnung stellt hinsichtlich der Prüfempfindlichkeit und der Prüfbereichserfassung eine weitere Optimierung dar.In principle, it is possible that the Surface of the common carrier of a first ultrasonic probe and the surface of the common carrier of a second Ultraschallprüfkopfes in the first, vertical direction and in the second, lateral direction relative to the coupling surface are inclined at slightly different angles. In other words, the roof surfaces of the two beams have different roof angles. In a preferred embodiment, however, the surface of the common carrier of a first ultrasonic probe and the surface of the common carrier of a second ultrasonic probe in both the first, vertical direction and in the second, lateral direction relative to the coupling surface are inclined by the same angle. The first and the second ultrasonic transducer arrangement are therefore arranged in mirror image with respect to one another or with the same vertical and lateral angle of inclination to one another. The sound beam axes of the respectively emitted sound waves consequently intersect in a space existing between the ultrasonic transducer arrangements. The mirror-image arrangement represents a further optimization with regard to the test sensitivity and the test area detection.
Die Ultraschall-Prüfköpfe sind zur Ausrichtung vorteilhafterweise in einem Prüfkopfsystemträger angeordnet. Die Ultraschall-Prüfköpfe sind dabei in dem Prüfkopfsystemträger in verschiedenen Prüfpositionen zueinander ausrichtbar und fixierbar. In dem Prüfkopfsystemträger sind die Ultraschall-Prüfköpfe beispielsweise paarweise zueinander ausrichtbar, sodass jeweils zwei Ultraschall-Prüfköpfe in V-Durchschallung betreibbar sind. Zusätzlich ist mit jedem Ultraschall-Prüfkopf eine Prüfung in Impuls-Echo-Technik durchführbar. Sowohl bei dem Betrieb in Impuls-Echo-Technik als auch in V-Durchschallung wird eine Scheibenfläche der Radscheibe mit dem Schallstrahl überstrichen. Die Geometrie der Ultraschallwandleranordnung und des Trägers bzw. dessen Fläche bewirkt, dass durch eine Variation des vertikalen Einschallwinkels und der damit verbundenen Veränderung des lateralen Einschallwinkels der gesamte zu prüfende Oberflächenbereich der Radscheibe mit hinreichender Prüfempfindlichkeit überstrichen wird.The ultrasonic probes are advantageously arranged in a probe head system carrier for alignment. The ultrasonic probes are in the Prüfkopfsystemträger in different test positions aligned with each other and fixed. In the Prüfkopfsystemträger the ultrasonic probes are aligned, for example, in pairs to each other, so that in each case two ultrasonic probes are operated in V-sound transmission. In addition, a pulse-echo test can be performed with each ultrasonic probe. Both in the operation in pulse-echo technique as well as in V-sound transmission, a disc surface of the wheel disc is swept with the sound beam. The geometry of the ultrasound transducer arrangement and of the carrier or its surface causes the entire surface area to be tested of the wheel disc to be swept over with sufficient sensitivity by a variation of the vertical insonification angle and the associated change in the lateral insonification angle.
Um die Radscheibe gleichzeitig sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite prüfen zu können, werden z.B. vier Ultraschall-Prüfköpfe eingesetzt, die jeweils paarweise zueinander ausrichtbar sind. Dabei wird die jeweils gegenüberliegende Scheibenfläche der Radscheibe mit dem Schallstrahl überstrichen. Auf einer Außenseite der Lauffläche des Rades positionierte Ultraschall-Prüfköpfe dienen also zur Prüfung der Innenseite der Radscheibe, auf einer Innenseite der Lauffläche angeordnete Ultraschall-Prüfköpfe zur Prüfung der Außenseite. Um den Prüfumfang sowohl in radialer Richtung der Radnabe als auch z.B. in der Umgebung von in einem Rad vorhandenen Bohrungen zu erhöhen, ist es von Vorteil, weitere, als zusätzliche Empfänger dienende Ultraschall-Prüfköpfe einzusetzen, sodass ein von einem ersten Ultraschall-Prüfkopf emittierter und von vorhandenen Fehlern reflektierter Schallstrahl von mehreren Ultraschall-Prüfköpfen erfasst werden kann.In order to be able to test the wheel disc both on the outside and on the inside at the same time, e.g. four ultrasonic probes inserted, which are aligned in pairs to each other. The respective opposite disc surface of the wheel disc is covered with the sound beam. Ultrasonic probes positioned on an outer side of the tread of the wheel thus serve for testing the inside of the wheel disc, ultrasound probes arranged on an inner side of the tread for testing the outside. In order to check the extent of testing in the radial direction of the wheel hub as well as e.g. in the vicinity of existing in a wheel existing holes, it is advantageous to use other, serving as an additional receiver ultrasonic probes, so that a sound emitted from a first ultrasonic probe and reflected by existing errors sound beam from multiple ultrasonic probes are detected can.
Zur Ansteuerung der Ultraschall-Prüfköpfe und zur Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale umfasst die Ultraschall-Prüfvorrichtung vorteilhafterweise eine Steuer- und Auswerteeinheit, in der eine Software zur Prüfung des Rades und der Radscheibe implementiert ist.To control the ultrasound probes and to evaluate the received ultrasound signals, the ultrasound test device advantageously comprises a control and evaluation unit in which software for testing the wheel and the wheel disc is implemented.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 13. Zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rades und einer Radscheibe mit einer Ultraschall-Prüfvorrichtung, die entsprechend den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgebildet ist, werden die Ultraschall-Prüfköpfe akustisch an eine Lauffläche des Rades angekoppelt und die von den Ultraschallwandleranordnungen emittierten Schallstrahlen werden elektronisch geschwenkt, sodass diese unter unterschiedlichen Einschallwinkeln in das Rad und die Radscheibe eintreten. Ein von einer ersten Ultraschallwandleranordnung emittierter Schallstrahl wird zur Prüfung des Rades und der Radscheibe sowohl von der ersten Ultraschallwandleranordnung als auch von einer zweiten Ultraschallwandleranordnung empfangen. Zumindest ein Ultraschall-Prüfkopf wird also in Impuls-Echo-Technik betrieben und die zumindest zwei Ultraschall-Prüfköpfe sind derart zueinander orientiert, dass die Ultraschall-Prüfvorrichtung in V-Durchschallung betreibbar ist. Das Rad bzw. die Radscheibe wird somit zeitlich nacheinander in Impuls-Echo-Technik und in V-Durchschallung geprüft. Dadurch lassen sich sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung orientierte Fehler detektieren. Insbesondere wird dabei eine Scheibenfläche der Radscheibe sowohl während der Prüfung in Impuls-Echo-Technik als auch in V-Durchschallung mit dem Schallstrahl prüfend überstrichen.The second object is achieved with a method having the features according to claim 13. For non-destructive testing of a wheel and a wheel disc with an ultrasonic test device, which is designed according to the features described above, the ultrasonic probes are acoustically coupled to a running surface of the wheel and the sound beams emitted from the ultrasonic transducer assemblies are electronically tilted so that they enter the wheel and wheel disc at different angles of incidence. A sound beam emitted by a first ultrasonic transducer assembly is received by both the first ultrasonic transducer assembly and a second ultrasonic transducer assembly for testing the wheel and wheel disc. So at least one ultrasonic probe is operated in pulse-echo technology and the at least two ultrasonic probes are oriented to each other such that the ultrasonic tester is operable in V-sound transmission. The wheel or the wheel disc is thus checked consecutively in pulse-echo technique and in V-transmission. As a result, errors oriented in the circumferential direction as well as in the radial direction can be detected. In particular, a disk surface of the wheel disc is swept over both during the test in pulse-echo technique as well as in V-sound transmission with the sound beam testing.
Dabei ist es von Vorteil, wenn ein von einem ersten Ultraschall-Prüfkopf bzw. einer ersten Ultraschallwandleranordnung emittierter und von vorhandenen Fehlern reflektierter Schallstrahl von mehreren, also zumindest zwei, als Empfänger dienenden Ultraschall-Prüfköpfen bzw. Ultraschallwandleranordnungen empfangen wird. Dadurch wird der Prüfumfang sowohl in radialer Richtung der Radnabe als auch z.B. in der Umgebung von in einem Rad vorhandenen Bohrungen erhöht. It is advantageous if a sound beam emitted by a first ultrasonic test head or a first ultrasonic transducer arrangement and reflected by existing errors is received by a plurality of ultrasound probes or ultrasound transducer arrangements serving as receivers, ie at least two. Thereby, the test amount in both the radial direction of the wheel hub and, e.g. increased in the vicinity of existing in a wheel holes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jeder Ultraschallwandler der Ultraschallwandleranordnung individuell angesteuert. Es wird also für jeden der Ultraschallwandler eine Amplitude und/oder Pulsform und/oder Pulsdauer des von dem Ultraschallwandler emittierten Ultraschallsignals individuell festgelegt. Mit anderen Worten wird der Sendeimpuls individuell festgelegt, jeder Ultraschallwandler also amplituden- und zeitspezifisch angeregt. Dadurch lässt sich der für eine zuverlässige Prüfung erforderliche Schallstrahl optimieren. Ebenso lässt sich die Signal-Empfangsverstärkung individuell für jeden Ultraschallwandler einstellen.In a preferred embodiment, each ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer assembly is individually controlled. Thus, for each of the ultrasonic transducers, an amplitude and / or pulse shape and / or pulse duration of the ultrasound signal emitted by the ultrasound transducer is determined individually. In other words, the transmission pulse is set individually, so each ultrasonic transducer excited amplitude and time-specific. This allows the sound beam required for a reliable test to be optimized. Likewise, the signal reception gain can be adjusted individually for each ultrasonic transducer.
Um den radialen Prüfumfang zu erweitern wird zur Prüfung des Rades und/oder der Radscheibe vorzugsweise sowohl die Transversalwelle als auch die jeweils ergänzende Longitudinalwelle in einem Winkelbereich von 0° bis 70° verwendet. In order to expand the radial test scope, both the transverse shaft and the respectively complementary longitudinal shaft in an angular range of 0 ° to 70 ° are preferably used for testing the wheel and / or the wheel disc.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:The invention will be explained below with regard to further features and advantages with reference to the description of exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings. Each shows in a schematic schematic diagram:
Zur Ansteuerung der Ultraschall-Prüfköpfe
In
Die Ultraschallwandler
Die Fläche
Prinzipiell kann die Ultraschallwandleranordnung
In
Des Weiteren nimmt die Größe der Sende-Empfangsfläche
Eine von den jeweiligen Sende-Empfangsflächen
Bei dem in
Zur Prüfung des Rades
Zum Nachweis radial orientierter Fehler
Zur Erweiterung des erfassbaren Prüfbereichs sind zwei weitere Ultraschall-Prüfköpfe
Im Prüfkopfsystemträger
Zur Prüfung der Lauffläche und des Radkranzes (Prüfbereiche „A, K“) können zudem mindestens drei weitere Ultraschall-Prüfköpfe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Rad wheel
- 44
- Radscheibe wheel disc
- 66
- Spurkranz flange
- 88th
- Lauffläche tread
- 1010
- Radnabe wheel hub
- 12a, b, c12a, b, c
- Ultraschall-Prüfkopf Ultrasound probe
- 13a, b13a, b
- Ultraschall-Prüfkopf Ultrasound probe
- 14a, b14a, b
- Fehler error
- 16a, b, c16a, b, c
- Ultraschallwandleranordnung Ultrasound transducer assembly
- 17a17a
- Ultraschallwandleranordnung Ultrasound transducer assembly
- 1818
- Ultraschallwandler ultrasound transducer
- 20a, b c20a, b c
- Träger carrier
- 22a, b, c22a, b, c
- Fläche area
- 2424
- Koppelfläche coupling surface
- 2626
- Sende-/Empfangsfläche Transmission / reception area
- 2828
- Prüfkopfsystemträger Prüfkopfsystemträger
- 3030
- Steuer- und Auswerteeinheit Control and evaluation unit
- 3232
- Laufflächen-Tangentialebene Tread tangential plane
- 3434
- Einschallebene Einschallebene
- 3636
- gemeinsame Sende-/Empfangsfläche common transmission / reception area
- αα
- Winkel Koppelfläche – Dachfläche in vertikaler Richtung Angle coupling surface - roof surface in vertical direction
- ββ
- Winkel Koppelfläche – Dachfläche in lateraler Richtung Angle Coupling surface - Roof surface in lateral direction
- γγ
-
Winkel zwischen Spur der Schwenkebene MUS der Ultraschallwandleranordnung und der Mittellängsachse MF der Fläche
22 Angle between track of the pivot plane M US of the ultrasonic transducer assembly and the central longitudinal axis M F of thesurface 22 - φφ
- Einschallwinkel beam angle
- RV R V
- erste, vertikale Richtung first, vertical direction
- RL R L
- zweite, laterale Richtung second, lateral direction
- MUS M US
- Spur der Schwenkebene der Ultraschallwandleranordnung Trace of the pivot plane of the ultrasonic transducer assembly
- MF M F
- Mittellängsachse der Fläche Center longitudinal axis of the area
- B1, B2 B 1 , B 2
- Breite width
- SS
- Schallstrahl supersonic jet
- A, K, E, FA, K, E, F
- Prüfbereiche testing areas
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19834587 C1 [0006] DE 19834587 C1 [0006]
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-
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