Reitz, Tobias: Referenzfreies ultraschallbasiertes Verfahren zur Zustandsüberwachung rotierender Bauteile - Anwendung auf Radsätze von Schienenfahrzeugen. 2021
Inhalt
- Inhaltsverzeichnis
- Nomenklatur
- Kurzfassung
- Abstract
- 1 Einleitung
- 1.1 Problemstellung und Motivation
- 1.2 Ultraschallbasierte „Structural Health Monitoring“-Konzepte
- 1.3 Ziele und Struktur der Arbeit
- 2 Grundlagen
- 2.1 Radsätze von Schienenfahrzeugen
- 2.1.1 Auslegungskonzept, Betrieb und Ermüdung von Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen
- 2.1.2 Konventionelle und permanente Verfahren zur Zustandsüberwachung von Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen
- 2.2 Bruchmechanische Konzepte zur Beschreibung des Rissspitzennahfeldes und der Rissausbreitung
- 2.3 Ultraschallwellenausbreitung in Festkörpern
- 2.3.1 Aufspaltung des Vektorfeldes der Verschiebungen
- 2.3.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinal- und Transversalwellen
- 2.4 Beeinflussung der Ultraschallwellenausbreitung
- 2.5 Ultraschallwandler für die Anwendung zur Zustandsüberwachung
- 2.5.1 Piezoelektrische Materialien
- 2.5.2 Elektromechanische Impedanz piezoelektrischer Ultraschallwandler
- 2.6 Analyse von Sensorsignalen im Ultraschallbereich
- 3 Referenzfreies SHM-Verfahren zur Zustandsüberwachung rotierender Bauteile
- 3.1 Risse in rotierenden Bauteilen
- 3.1.1 Rissatmen in rotierenden Bauteilen
- 3.1.2 Änderung der Spannungsverteilung infolge des Rissatmens
- 3.2 Unterschied in der Ultraschallwellenausbreitung zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Riss
- 3.3 Automatisierte Datenaufnahme des referenzfreien SHM-Verfahrens
- 3.4 Numerische Simulation der Sensorsignale des Verfahrens der „Dynamischen Referenz“ infolge des Rissatmens
- 3.5 Verfahren der „Dynamischen Referenz“
- 3.6 Referenzfreier Schadensindikator des Verfahrens der „Dynamischen Referenz“
- 4 Messeinrichtung zur Validierung des Verfahrens der „Dynamischen Referenz“ für Radsätze in Schienenfahrzeugen
- 4.1 Beschreibung des Versuchsobjekts
- 4.2 Prüfstände zur Validierung des Verfahrens
- 4.2.1 Prüfstand zur Initiierung eines Ermüdungsrisses in einer Radsatzwelle
- 4.2.2 Rollenprüfstand für Drehgestelle eines Schienenfahrzeugs
- 4.3 Bauform der piezoelektrischen Ultraschallwandler und Optimierung des Anregungssignals
- 4.4 Positionierung des Sensorsystems an einem Drehgestell eines Schienenfahrzeugs
- 5 Zustandsüberwachung von Radsätzen in Schienenfahrzeugen während der Rissinitiierung mit dem Verfahren der „Dynamischen Referenz“
- 5.1 Änderung der Ultraschallwellenausbreitung infolge eines umlaufenden Biegemoments
- 5.2 Ergebnisse der Zustandsüberwachung während der Rissinitiierung und des Rissfortschritts in einer Hohlwelle
- 5.3 Validierung des Verfahrens an einer Vollwelle eines Radsatzes
- 5.4 Detektion eines Ermüdungsrisses in einer Radscheibe eines Radsatzes
- 5.5 Einfluss der Amplitude des umlaufenden Biegemoments auf das Ergebnis der Zustandsüberwachung
- 6 Anwendung des Verfahrens der „Dynamischen Referenz“ während Messfahrten auf einem Rollenprüfstand für Schienenfahrzeuge
- 6.1 Messfahrten mit ungeschädigtem Radsatz
- 6.2 Ermittlung der notwendigen Beladungen des Drehgestells zur Öffnung eines Risses in einer Radsatzwelle
- 6.3 Messfahrten mit geschädigtem Radsatz
- 6.4 Vergleich von Ergebnissen der Zustandsüberwachung während der Rissinitiierung und während der Messfahrten
- 6.5 Beeinflussung des Verfahrens der „Dynamischen Referenz“ während der Messfahrten
- 7 Zusammenfassung und Diskussion
- Literaturverzeichnis
- Anhang