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62 ZFP AN RAD UND SCHIENE NDT FOR RAILWAY SYSTEMS Auch im Jahr 2011 erwies sich das Geschäftsfeld Bahn/Schiene als wesentlicher Antriebsmotor für die Entwicklung innovativer Prüfelektronik des Fraunhofer IZFP. Für zwei Aufträge im Bereich der Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern musste eine hochleistungsfähige Prüfelektronik eingesetzt werden, mit der Gruppenstrahler-Prüfköpfe und konventionelle Prüfköpfe bei hohen Zyklusfolgefrequenzen betrieben werden können. Dadurch wurde es möglich, die hohen Anforderungen aufgrund der äußerst geringen Taktzeiten der Produktionslinie zu erfüllen. Hierfür wurden mehrere Module der neu entwi- ckelten Multikanalelektronik ETHUS zum Parallelbetrieb der Ultraschallprüfköpfe miteinander vernetzt. Die Prüfelektronik und die Software zur Datenerfassung und Auswertung wurden dabei auf höchste Verarbeitungsgeschwindigkeiten ausgelegt. Die Nachfrage nach Systemen zur zerstörungsfreien Messung von Eigenspannungen im Radkranz von Eisenbahnrädern ist ungebrochen. Seit 1992 sind weltweit mehr als 50 stationäre und portable UER-Systeme des Fraunhofer IZFP im Einsatz. Im Jahr 2011 wurde ein aufwändiges Redesign der Hard- und Software durchgeführt und die UER-Systeme mit Kenntnis der praktischen Erfahrungen an die Bedürfnisse der modernen Werksinfrastrukturen angepasst. Bei gleichbleibend einfacher Bedienung durch das Prüfpersonal wurden vielfältige Möglichkeiten zur kundenspezifischen Dokumentation und Protokollerstellung neu hinzugefügt. Speziell zur Prüfung von neu hergestellten Rädern ist jetzt ein optionales Software- Auswertemodul nach Vorgabe der DIN EN13262 verfügbar. In 2011 too, the Railways/Tracks Business Unit was a major motivator for the development of innovative testing electronics in the Fraunhofer IZFP. To complete two contracts in the context of the production testing of railway wheels, a high-performance testing electronics which allows the operation of phased arrays and conventional probes at high cycle repetition rates had to be adapted to the very low clock cycles of the production line. For this, several modules of the newly developed multi-channel electronics ETHUS were net- worked together to allow parallel operation of the ultrasonic probes. The inspection electronics and the software for data acquisition and analysis were optimized in terms of the highest processing speeds. The demand concerning systems for the nondestructive measurement of residual stresses in the rim of railway wheels is unbroken. To address this demand, more than 50 stationary and portable UER systems of the Fraunhofer IZFP are in use worldwide since 1992. In 2011, a costly redesign of the hardware and software was performed to meet the changing operating conditions. These new UER systems have been specified to the needs of modern business infrastructure with knowledge of the practical experiences. With constant ease of use by the test personnel, manifold features for customer- specific documentation and protocol preparation were added. As specified by the DIN EN13262 an optional software evaluation module now is available, which is specially designed for testing of newly manufactured wheels. Radsatz-Fabrik Bangalore / Railwheel Factory Bangalore ETHUS Multikanal-Ultraschallelektronik / Multi-channel ultrasound electronics ETHUS

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ZFP AN RAD UND SCHIENENDT FOR RAILWAY SYSTEMS

Auch im Jahr 2011 erwies sich das Geschäftsfeld Bahn/Schiene

als wesentlicher Antriebsmotor für die Entwicklung innovativer

Prüfelektronik des Fraunhofer IZFP. Für zwei Aufträge im

Bereich der Fertigungsprüfung von Eisenbahnrädern musste

eine hochleistungsfähige Prüfelektronik eingesetzt werden, mit

der Gruppenstrahler-Prüfköpfe und konventionelle Prüfköpfe

bei hohen Zyklusfolgefrequenzen betrieben werden können.

Dadurch wurde es möglich, die hohen Anforderungen

aufgrund der äußerst geringen Taktzeiten der Produktionslinie

zu erfüllen. Hierfür wurden mehrere Module der neu entwi-

ckelten Multikanalelektronik ETHUS zum Parallelbetrieb der

Ultraschallprüfköpfe miteinander vernetzt. Die Prüfelektronik

und die Software zur Datenerfassung und Auswertung

wurden dabei auf höchste Verarbeitungsgeschwindigkeiten

ausgelegt.

Die Nachfrage nach Systemen zur zerstörungsfreien Messung

von Eigenspannungen im Radkranz von Eisenbahnrädern ist

ungebrochen. Seit 1992 sind weltweit mehr als 50 stationäre

und portable UER-Systeme des Fraunhofer IZFP im Einsatz. Im

Jahr 2011 wurde ein aufwändiges Redesign der Hard- und

Software durchgeführt und die UER-Systeme mit Kenntnis der

praktischen Erfahrungen an die Bedürfnisse der modernen

Werksinfrastrukturen angepasst. Bei gleichbleibend einfacher

Bedienung durch das Prüfpersonal wurden vielfältige

Möglichkeiten zur kundenspezifischen Dokumentation und

Protokollerstellung neu hinzugefügt. Speziell zur Prüfung von

neu hergestellten Rädern ist jetzt ein optionales Software-

Auswertemodul nach Vorgabe der DIN EN13262 verfügbar.

In 2011 too, the Railways/Tracks Business Unit was a

major motivator for the development of innovative testing

electronics in the Fraunhofer IZFP. To complete two contracts

in the context of the production testing of railway wheels,

a high-performance testing electronics which allows the

operation of phased arrays and conventional probes at high

cycle repetition rates had to be adapted to the very low clock

cycles of the production line. For this, several modules of the

newly developed multi-channel electronics ETHUS were net-

worked together to allow parallel operation of the ultrasonic

probes. The inspection electronics and the software for data

acquisition and analysis were optimized in terms of the highest

processing speeds.

The demand concerning systems for the nondestructive

measurement of residual stresses in the rim of railway wheels

is unbroken. To address this demand, more than 50 stationary

and portable UER systems of the Fraunhofer IZFP are in use

worldwide since 1992. In 2011, a costly redesign of the

hardware and software was performed to meet the changing

operating conditions. These new UER systems have been

specified to the needs of modern business infrastructure with

knowledge of the practical experiences. With constant ease

of use by the test personnel, manifold features for customer-

specific documentation and protocol preparation were

added. As specified by the DIN EN13262 an optional software

evaluation module now is available, which is specially designed

for testing of newly manufactured wheels.

Radsatz-Fabrik Bangalore / Railwheel Factory Bangalore ETHUS Multikanal-Ultraschallelektronik /

Multi-channel ultrasound electronics ETHUS

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63www.izfp.fraunhofer.de | Jahresbericht 2011

Weiterhin befasst sich das Fraunhofer IZFP auch mit Systemen

zur Überwachung des Schienenweges, z. B. durch Beteiligung

an dem EU-Projekt »ACEM-Rail«, das seit 2011 die Ziele

• optimierte Wartung der Schienenwege,

• Erhöhung der Verfügbarkeit der Schieneninfrastruktur,

• Erhöhung von Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit des

Schienennetzes sowie

• Senkung der Wartungs- und Instandhaltungskosten

verfolgt. Das Fraunhofer IZFP entwickelt hierfür eine in die

Hohlwelle eines Radsatzes integrierte Messtechnik, die Aussa-

gen über die Qualität der Schiene und des Schienenunterbaus

ermöglicht.

Das EU-Projekt EURAXLES verfolgt das Ziel, europaweit

gemeinsam genutzte Vorschriften zur Auslegung, Wartung

und zerstörungsfreien Prüfung von Radsatzwellen zu

etablieren. Zur Erfassung der derzeit geübten Prüfpraxis und

einer darauf aufbauenden Schwachstellenanalyse wurde

vom Fraunhofer IZFP mit Unterstützung des Internationalen

Eisenbahnverbandes UIC eine Fragebogenaktion durchgeführt,

die sich an die Hersteller von Radsatzwellen, Bahnbetreiber

und Instandhaltungsunternehmen richtete. Die Fragebögen

wurden getrennt für Radsatzwellen mit Längsbohrung und für

Vollwellen erstellt. Die Auswertung der Fragebögen bestätigte,

dass die eingesetzten Prüftechniken und Prüfvorschriften

sehr unterschiedlich sind, wobei manuelle Prüfungen

derzeit überwiegen, speziell bei der Prüfung von Vollwellen.

Europaweit ergibt sich ein erhebliches Potential zum Einsatz

fortschrittlicher automatisierter Prüfverfahren. Weiterhin

wurde gemeinsam mit der spanischen Eisenbahn Renfe, der

DB Systemtechnik und dem Fraunhofer IZFP ein Benchmark-

Test für die Prüfung von hohlgebohrten Radsatzwellen und

Vollwellen organisiert, der im Zeitraum vom 3. bis 5. Mai bei

der DB Systemtechnik in Brandenburg-Kirchmöser durchge-

führt wurde. Prüfteams von DB, Lucchini, Trenitalia, Renfe und

ULTRASEN setzten das von ihnen im Prüfalltag genutzte Equip-

Additionally Fraunhofer IZFP also deals with systems for

railway monitoring, e. g. in the framework of the EU project

“ACEM-Rail“, which since 2011 pursues the objectives

• optimize the maintenance of rail infrastructure,

• increase the availability of rail infrastructure,

• increase quality, safety and reliability of the rail network

• reduce maintenance and repair costs.

To do this, Fraunhofer IZFP has developed a measuring

technique which is built-in in the hollow shaft of a wheelset.

This technique allows the analysis of the structure-borne noise

resulting from the wheel/rail contact.

The EU project EURAXLES aims at establishing shared rules

for design, maintenance and nondestructive testing of axles

in Europe. To record current inspection practices for a weak

point analysis, Fraunhofer IZFP run an EU-wide questionnaire

campaign, addressing axle manufacturers, train operators

and maintenance companies that was supported by the

International Union of Railways UIC. Separate questionnaires

were created for axles with longitudinal bore and for solid

shafts. The evaluation of the questionnaires confirmed that

the applied testing techniques and test procedures are very

different and that the tests mostly are still being performed

manually, especially the testing of solid shafts. Hence, there

is great potential all over Europa to use advanced automated

testing methods. Furthermore, a benchmark test for the ins-

pection of hollow-drilled axles and solid shafts was organized

in joint cooperation between Spanish National Railways Renfe,

DB Systemtechnik, and Fraunhofer IZFP, which was performed

at DB Systemtechnik in Brandenburg Kirchmöser during the

period of 3 to 5 May. Inspection teams from Deutsche Bahn,

Lucchini, Trenitalia, Renfe and ULTRASEN presented the ins-

pection equipment used by these companies. This very open

minded exchange between the experts – completed by further

reports of inspection teams which could not participate in

Teilnehmer EURAXLES-Benchmark-Test /

Participants of the EURAXLES Benchmark test

Wellen für EURAXLES-Benchmark-Test /

Shafts for the EURAXLES Benchmark test

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ment für die Vergleichsuntersuchungen an Testwellen ein. Der

sehr offene Erfahrungsaustausch – ergänzt durch Berichte

von in Kirchmöser nicht teilnehmenden Prüfteams anderer

Firmen – lieferte einen wesentlichen Beitrag zur Analyse des

Standes der Prüftechnik. Die Schwachstellenanalyse erfolgt auf

Basis der Fragebogenaktion und des Benchmark-Tests bis zum

Frühjahr 2012.

Im Rahmen der Aktivitäten der Fraunhofer-Allianz Verkehr,

Arbeitsgruppe Rail, bot das Fraunhofer IZFP seine Expertise im

Rahmen eines Konzeptes an die DB International an, die vom

Emirat Qatar einen Auftrag zum Aufbau eines Eisenbahnnetz-

werkes für den Personen- und Güterverkehr erhalten hat. Mit

Investitionen von fast 17 Milliarden Euro will das Emirat bis

zur Fußball-Weltmeisterschaft im Jahr 2022 ein den ganzen

Golfstaat umfassendes Schienenverkehrsnetz aufbauen. Das

Fraunhofer IZFP hat seine Kompetenzen u. a. für die Bestim-

mung von Längsspannungen in endlos geschweißten Schienen

angeboten. Darüber hinaus orientiert sich das Fraunhofer

IZFP mit seinem Portfolio auch in Richtung des indischen und

südostasiatischen Raumes.

Themen, die in den nächsten Jahren für das Geschäftsfeld

Bahn/Schiene interessante Anwendungen erschließen können,

sind

• Verbesserung der Prüfaussage bei der Prüfung von Rad-

satzwellen mit und ohne Längsbohrung

• Qualitätskontrolle und Schadensanalyse an Leichtbaustruk-

turen, z. B. Sandwichbauteilen, die bei der Auslegung des

Next Generation Train (NGT) zum Einsatz kommen sollen

• umweltfreundliche Alternativen zu den klassischen Metho-

den der Oberflächenrissprüfung an Rädern, Radsatzwellen

und Schienen

• Condition Monitoring, z. B. bei Güterwagen zur Überwa-

chung von Radsatzlagern, Bremsen und verrutschter

Kirchmöser – provided a significant contribution to the analysis

of the state-of-the-art. The questionnaires and the benchmark

tests resulted in a weak point analysis which will be finished

until spring 2012.

Within the framework of the Fraunhofer Alliance Transport,

working group Rail, Fraunhofer IZFP also offered its expertise

to DB International, which has obtained a contract for the

construction of a railway network for passengers and freight

from the Emirate of Qatar. An investment of almost 17 billion

euros is planned to establish a rail network that covers the en-

tire Gulf State by the FIFA World Cup in 2022. Fraunhofer IZFP

has offered his expertise for the determination of longitudinal

stresses in continuous welded rail. Furthermore, our institute is

currently engaged in the Indian and Southeast Asian region.

Other issues that may develop in the coming years for the

division train / rail interesting applications are

• improvement of the examination findings in the exami ­

nation of axles with and without longitudinal bore

• quality control and failure analysis of lightweight structu-

res, such as Sandwich components of the Next Generation

Train (NGT)

• development of environmentally friendly alternatives to

traditional methods of surface crack detection on wheels,

axles and rails

• condition monitoring, e. g. on wagons to monitor wheel-

set, brakes and askew charge, along railway lines, e. g.

monitoring of switch blades and crossings.

Schieneninfrastruktur / Rail infrastructure

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65www.izfp.fraunhofer.de | Jahresbericht 2011

Ladung, an Schienenwegen, z. B. zur Überwachung von

Weichenzungen und Herzstücken

• Untersuchung der Entwicklung der Eigenspannungen bei

der Nutzung von neuartigen Bremsklötzen aus Verbund-

stoffen (K-Sohlen und LL-Sohlen), die für den lärmredu-

zierten Güterverkehr von Bedeutung sind

Abschließend ein Blick auf die Erträge und die eingesetzten

Eigenforschungsmittel im Geschäftsfeld Bahn/Schiene: Im Jahr

2011 erhielt das Fraunhofer IZFP Industrieaufträge aus dem

Bahnsektor in Höhe von 6,23 Mio €, rund 575 000 € wurden

im Rahmen der Eigenforschung zur Weiterentwicklung von

Hardware und Software vorhandener Prüfsysteme und zur

Entwicklung von neuen Ansätzen für die Lösung von Prüfauf-

gaben im Bereich der Schienenverkehrstechnik eingesetzt.

Die hohen Industrieerträge ergaben sich hauptsächlich durch

Aufträge für Hohlwellenprüfsysteme bzw. Komponenten

für solche Systeme, Lieferungen von UER-Systemen und von

Systemkomponenten für AUROPA-Prüfanlagen zur Detektion

von Schäden in der Lauffläche von Eisenbahnrädern.

Ansprechpartner / Contact

Dipl.-Phys. Wolfgang Kappes

+49 681 9302 3860

[email protected]

• Study the evolution of residual stresses in the use of

new brake shoes made of composite materials (K­blocks

and LL­blocks) that are for the noise­reduced freight of

meaning

Finally, this paper will review the income and the applicants’

own research funds in the financial train/rail field. In 2011,

Fraunhofer IZFP received industrial orders in the railway sector

in the amount of 6.23 million euros. Of this, approximately

575.000 euros was allocated to conduct its own research on

the development of hardware and existing test systems and

the software used to develop new approaches for the solution

of test tasks in the field of railway technology.

The high industrial revenue resulted primarily from contracts

for hollow shaft testing systems and the components for such

systems, the supply of UER systems, and system components

for AUROPA test systems for the detection of damage to the

tread of railway wheels.

Next Generation Train, © DLR