Inspection intelligente des roues de chemin de fer à l'aide de matrices

1. Introduction

L'agrandissement des réseaux, l'augmentation des charges et des vitesses dans le secteur ferroviaire posent d'importants défis pour la mise en œuvre de normes de sécurité appropriées. Dans ce contexte, les roues ferroviaires représentent l'un des composants les plus critiques. La situation est actuellement aggravée par les difficultés rencontrées dans l'acquisition de nouvelles roues en raison de goulets d'étranglement dans les chaînes d'approvisionnement, ce qui nécessite des cycles de vie plus longs pour les roues de train usagées. Selon les normes ferroviaires mondiales, l'inspection par ultrasons est effectuée non seulement après la production, mais aussi pendant le service de manière régulière [1-3]. De cette manière, il devrait être possible de détecter les défauts des matériaux à un stade précoce et de déclencher des procédures de sécurité avant que des accidents dus à la fatigue des matériaux ne se produisent. Cependant, des défaillances de roues se produisent encore [4,5]. Par exemple, des incidents récents ayant causé d'importants dégâts matériels ont révélé qu'une fissure existante pouvait se propager dans le temps sans être détectée [6,7]. Il est donc évident que les normes existantes doivent être étendues, en incluant l'inspection obligatoire du disque de la roue en plus des mesures de la semelle sur le traitement et la jante. Comme l'illustre la figure 1, la tâche d'inspection des roues de train est difficile en raison de la complexité de leur géométrie. Dans la plupart des cas, il existe différentes géométries de roues pour un même type de train, qui sont en outre influencées par le kilométrage des roues. Pour faire face à ces tâches exigeantes à grande échelle, un système adaptatif est nécessaire, ce qui ne peut être réalisé que par une configuration appropriée des sondes en combinaison avec des méthodes PAUT avancées. Pour ces dernières, la mise en œuvre de sondes matricielles jouera un rôle crucial. Cet article illustre des méthodes brevetées [8-10] faisant référence à l'utilisation d'un réseau matriciel et résume les résultats obtenus pour la mesure de la bande de roulement et de la face.

Fig. 1 Accès aux différentes parties de la roue (à gauche) et exemples typiques de différentes géométries de roue (à droite)

2. Principes et méthodes

En principe, il existe deux positions de sondes qui peuvent être utilisées soit pour les roues ou les essieux démontés, soit pour les essieux assemblés sur le train. La figure 2 donne un aperçu des configurations typiques. L'inspection radiale s'applique à la bande de roulement et à l'âme, tandis que l'inspection axiale donne accès à la face et au rebord de la jante. Alors que les ondes longitudinales à incidence perpendiculaire sont utilisées pour les défauts volumétriques, les fissures sont détectées par des faisceaux d'angle provenant de deux directions sonores opposées I et II. Pour l'orientation radiale et tangentielle des fissures dans l'âme, l'inspection est réalisée avec la technique de l'écho d'impulsion et de la double sonde, respectivement. Une large plage angulaire doit être couverte pour assurer une couverture complète. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre la technologie des réseaux phasés pour conserver un facteur de forme raisonnable. Le nombre de sondes peut être réduit en faisant fonctionner les sondes radiales (a, b et a',b' dans la figure 2) à la fois en mode écho d'impulsion et en mode double sonde.

Fig. 2 Illustration schématique des dispositions typiques des sondes pour l'inspection des roues de train

3. Solutions industrielles

Les roues des trains doivent être inspectées régulièrement, soit en cours d'exploitation, soit démontées après la production, soit lors d'intervalles de maintenance importants. La figure 3, en haut, illustre une solution industrielle pour l'inspection sur site des roues de train, qui est bien établie, par exemple pour les trains à grande vitesse en Allemagne [11]. Dans cette configuration, les sondes ultrasoniques sont couplées par le bas, alors que les solutions robotiques les plus récentes pour les essieux démontés fixent les mécanismes d'essai par le haut, ce qui réduit l'encombrement global et permet de tirer parti de meilleures conditions de couplage. Le temps d'inspection net typique par roue est d'environ 90 secondes. L'inspection complète d'une paire de roues (voile, bande de roulement, jante, face intérieure et extérieure) ne prend généralement pas plus de 15 minutes, y compris le changement, l'analyse et l'établissement d'un rapport. Des intervalles d'inspection encore plus rapides, de l'ordre de 6 minutes, peuvent être atteints dans le cas de solutions robotisées. Une analyse multicouche assistée, comprenant par exemple la reconnaissance automatisée des défauts et la suppression de l'écho géométrique [12], aide l'opérateur à prendre la décision finale. Le concept global d'inspection met en œuvre tous les concepts de base nécessaires au NDT4.0 [13]. En particulier, la création d'un jumeau numérique permet de suivre les essieux sur toute leur durée de vie. Les deux systèmes illustrés peuvent être équipés de sondes matricielles dotées d'une électronique puissante, ce qui permet un fonctionnement flexible et l'application de méthodes PAUT avancées, y compris pour les grandes ouvertures [14].

Fig. 3 Solutions industrielles pour l'inspection en ligne des roues de train (A) et des roues de train démontées (B)

4. Mise en œuvre de la technologie matricielle

4.1 Réduction du nombre de sondes et de types de sondes

Dans l'état actuel de la technique, les sondes à réseau 1D sont déjà utilisées pour faire face à la tâche d'essai exigeante de l'inspection des roues. Cependant, alors qu'une direction électronique flexible est possible dans une direction, le second angle est toujours fixe. Par conséquent, une paire de sondes distincte est nécessaire pour inspecter la surface intérieure et extérieure de l'âme, respectivement. Pour la même raison, quatre sondes doivent être fixées sur la face pour inspecter les fissures au niveau du bord et de la bride. En revanche, le grand avantage des sondes matricielles est la direction électronique dans l'angle solide complet, c'est-à-dire de l'angle vertical et horizontal (βV et βH et Fig. 2). Il est donc possible d'obtenir la même fonctionnalité de test avec beaucoup moins de sondes. Le facteur de forme réduit permet une conception très compacte, ce qui est particulièrement intéressant pour les solutions robotiques et mobiles. En outre, l'utilisation de sondes matricielles réduit non seulement le nombre de sondes, mais aussi le nombre de types de sondes différents, car il est possible d'imiter différentes géométries de coins telles qu'elles sont actuellement appliquées dans les machines d'essai.

4.2 Vérification du couplage direct

À ce jour, l'un des principaux défis de la détection des roues est le contrôle du couplage car, dans la plupart des cas, il n'existe pas d'échos de forme appropriés. En raison des techniques de contact direct, même l'utilisation de l'écho d'interface est exclue. Par conséquent, toutes les approches existantes sont basées sur des mesures indirectes, soit par une analyse du bruit, soit par le transfert des résultats obtenus avec des sondes supplémentaires dédiées aux échos de forme accessible. L'utilisation de sondes matricielles peut combler cette lacune car il est désormais possible d'ajuster l'angle du faisceau en direction d'un écho de forme accessible et de vérifier ainsi directement la qualité du couplage. Les options possibles sont illustrées à titre d'exemple sur la figure 4. Grâce aux réglages optimisés, le contrôle de couplage introduit est extrêmement précis. La fluctuation maximale du signal de couplage pour les sondes radiales sur toute la circonférence reste typiquement bien en dessous de ±0,5dB.

Fig. 4 Vérification directe du couplage pour l'inspection radiale (A) et axiale (B)

4.3 Réglages optimisés de la machine

Comme nous l'avons vu plus haut, l'un des principaux avantages des sondes matricielles est le réglage électronique du second angle. Par conséquent, outre un contrôle de couplage de haute précision, il est également possible d'optimiser la sensibilité pour chaque type de défaut et pour différentes géométries de roue de manière indépendante. Un exemple de cette optimisation pour les sondes radiales est illustré à la figure 5. La plage de valeurs pour le deuxième angle (βH) est comprise entre 2° et 12°, avec des tendances opposées pour les défauts radiaux et tangentiels. Par conséquent, dans les configurations actuelles, il faut trouver un compromis entre un réglage optimal pour les défauts radiaux (petits angles) et les défauts tangentiels (grands angles). L'amélioration apportée par les sondes matricielles se traduit par des valeurs de gain plus faibles et permet d'éviter les faux appels. Elle a également un impact direct sur la qualité de l'image de projection (voir Fig. 6).

Fig. 5 Résultat de l'optimisation de l'angle de braquage horizontal (βH) pour l'inspection radiale obtenue pour deux types de roues différents. Une grande différence de 8° à 10° apparaît pour les mêmes types de défauts à différentes profondeurs et entre les différents types de défauts.

Fig. 6 Données de projection améliorées obtenues après optimisation de l'angle de direction horizontal (βH). Dans le cas des sondes matricielles, l'encoche radiale dans le prolongement du trou est clairement visible. Dans l'état actuel de la technique, les opérateurs doivent analyser les données acquises (A-Scan et TD-scan) pour identifier clairement le défaut.

4.4 Fonctionnalité accrue

Au-delà de la seule optimisation de l'état actuel de la technique, les sondes matricielles donnent également accès à une fonctionnalité accrue. Dans ce contexte, l'orientation électronique vers les échos de forme circonférentielle peut être utilisée pour identifier le type de roue inspecté (voir figure 7). La mesure sur place de l'état de l'essieu inspecté, qui permet une compensation directe, est la plus prometteuse et la plus pertinente pour les applications quotidiennes. Un exemple est l'extraction de l'angle de saut supplémentaire de la bande de roulement usée, qui entraîne une diminution de la probabilité de détection dans le cas d'un profil nominal (voir figure 8). Une autre option permettant de tirer parti de la vérification de haute précision de l'accouplement est donnée par une correction du transfert de gain pour les canaux d'essai des sondes axiales, qui prend en compte les écarts assez importants des conditions d'accouplement par rapport à la face.

Fig. 7 Reconnaissance du type de roue dans le modèle de réponse angulaire de l'écho de forme à partir de la transition entre la bande de roulement et la jante.

Fig. 8 Angles d'obliquité extraits pour une chute d'amplitude de 6 dB pour des entailles radiales et tangentielles dans l'âme à différentes profondeurs. Les valeurs moyennes sont comprises entre 3° et 7°. Les mesures sur site permettent de déterminer l'angle d'inclinaison actuel, qui est lié à la déformation en cours d'exploitation, et de procéder à une compensation électronique afin de conserver la même probabilité de détection.

5. Conclusions

Les exigences croissantes en matière d'inspection dans le secteur ferroviaire impliqueront la nécessité d'un système d'essai fiable capable de s'adapter à une grande variété de géométries de roues. Dans ce contexte, la mise en œuvre de sondes matricielles offre la plus grande flexibilité pour s'adapter à différentes configurations d'essai et facilite le réglage global pour l'opérateur. En particulier, l'utilisation de sondes matricielles permet un contrôle direct du couplage, comblant ainsi une lacune dans l'état actuel de la technique. Combinée à l'optimisation possible pour chaque type de défaut et pour différentes géométries de roue, la technologie matricielle permet d'obtenir des mesures très fiables et de réduire les appels d'urgence, qui sont liés à des coûts élevés évitables. En outre, la mise en œuvre de sondes matricielles donne accès à des fonctions supplémentaires telles que la reconnaissance automatique du type de roue et la mesure et la compensation de l'état des roues au moment de l'inspection. Ces fonctions fournissent les données nécessaires à une véritable inspection intelligente.

Références

[1] EN 13262, “Railway applications - Wheelsets and bogies - Wheels - Product requirements”, CEN (2020)  [2] ISO 5948:2018, “Railway rolling stock material - Ultrasonic acceptance testing”, ISO (2018) [3] MxV Rail, “Manual of Standards and Recommended Practices: Section G-II, Mandatory and recommended shop practices for wheel and axle shops”, Association of American Railroads (2022) [4] European Union Agency for Railways, “Report on Railway Safety and Interoperability in the EU”, ISBN 978-92-9477-411-8 (2022) [5] U.S. Department of Transportation, “Wheel Failure Investigation Program: Phase I”, Federal Railroad Administration (2022) [6] Transportation Safety Board of Canada, “Rail transportation safety investigation report R18W0007”, ISBN: 978-0-660-33092-1 (2019) A. Schweizerische Sicherheitsuntersuchungsstelle, “Zwischenbericht der Schweizerischen Sicherheitsuntersuchungsstelle SUST über die Entgleisung eines Güterzuges im Gotthard-Basistunnel”, Swiss Confederation (2023)   [7] S. Falter, A. Franzen, F. Henrix and D. Werner, “Ultrasonic testing inspection with coupling validation”, WO2019075347A1 (2019) [8] A. Franzen, F. Henrix and D. Werner, “In-service high speed rail wheel testing”, EP3739330A1 (2020) [9]  A. Franzen, F. Henrix, D. Werner, “Methods and devices for ultrasonic non-destructive testing devices”, WO2021202143A1 (2021)  [10] D. Werner, T. Würschig, “In-Service Ultrasonic Wheel Inspection thought beyond - New Generation with Focus on improved Ergonomics, Digitalization and Operator Support”, 13th European Conference on Non-Destructive Testing 2023. e-Journal of Nondestructive Testing Vol. 28(8). (2023) [11] S. Falter, T. Heckel and U. Völz,“Device and method for determining material faults in rotationally symmetrical test samples by means of ultrasound”, EP2821783A1 (2015) [12]  D. Werner, A. Franzen, F. Henrix, U. Phillips, P. Buschke, “Digitalization for RailwayNDT”, 2nd European NDT & CM Days, Oct 4-7, Prague, Czech Republic (2021) [13]  Waygate Technologies, “High-End Electronics Platform for Ultrasonic Testing Machine USIP|xx”, Data sheet, BHCS38592 (2020)