Les rails du métro sous le regard des courants de Foucault. de voie. Ce dispositif à poste fixe mesure. court-circuit qui actionne un relais.
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- Suzanne Lebrun
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1 Solutions MESURES PHYSIQUES Les rails du métro sous le regard des courants de Foucault Détecter un rail cassé, c est bien. Mais prévenir ce type de défaut majeur, avant la rupture, c est mieux. Et si le système de détection est utilisable en exploitation, c est encore mieux. C est l objectif atteint par l Inrets dans le cadre d un projet de développement mené avec et qui porte sur un capteur à courants de Foucault capable de détecter fissures ouvertes et zones écaillées sur les rails. En phase opérationnelle, les résultats de mesure permettent de délivrer une note d intégrité du rail analysé et d améliorer la maintenance préventive du réseau. L e rail joue un rôle primordial que, actuellement, cette rupture de rail dans la sécurité du transport est détectée par un dispositif propre aux ferroviaire. En France, c est à réseaux ferrés (RATP et SNCF), le circuit l exploitant qu incombe la responsabilité de son entretien afin d assurer en permanence l impédance entre les de voie. Ce dispositif à poste fixe mesure les niveaux de sécurité très élevés dans deux files du rail pour des zones de taille le transport. Pour assurer la sécurité des variable. Lorsqu un train roule, il y a un passagers, il faut donc inspecter très régulièrement les rails afin de vérifier leur état même lorsqu un rail rompt, le circuit est court-circuit qui actionne un relais. De d usure. Le problème majeur reste bien coupé et un relais est activé. Cependant, évidemment la rupture d un rail. Cet lorsqu un tel événement arrive, malgré incident grave crée une discontinuité une occurrence faible, de l ordre de deux physique dans la structure du rail. Dans fois par an sur le réseau parisien, le mal les cas où le rail est utilisé pour transporter les courants de retour de traction ainsi qui en découlent en terme de perturba- est déjà fait avec toutes les conséquences que certains signaux de signalisation, la tion de trafic. Pour prévenir ce type d incident, il est donc préférable d utiliser des rupture du rail entraîne également une discontinuité électrique. Dans la prati- techniques d inspections régulières qui Dans le cadre du développement dans les années à venir de trains automatisés sans conducteurs, réfléchit à de nouveaux moyens de contrôle des voies. Alors qu à l heure actuelle la surveillance du réseau est assurée par le biais de campagnes régulières d inspection, dans le futur il faudra que les moyens de mesure soient utilisables en exploitation. Ce qui pose de nombreux problèmes à résoudre pour adapter les techniques traditionnelles de contrôle non destructif au cahier des charges imposé par. L Inrets, en partenariat avec, a mis au point une solution. Celle-ci consiste à adapter les courants de Foucault à la détection en exploitation de fissures ouvertes en sommet de rail. permettent d analyser l état de santé du rail et éventuellement d évaluer les risques de ruptures. Au sein de, ces travaux sont réalisés par le biais de campagnes régulières, deux fois par an sur les voies du métro, cinq à six fois par an sur le réseau du RER, avec la technique des ultrasons. Deux contraintes limitent l efficacité de la méthode. D une part, la technique, de par son principe, n inspecte que le cœur du rail et ne met donc en évidence que ses défauts internes (souvent liés à L essentiel La technique par courants de Foucault permet de détecter les défauts de surface des rails Mais elle est difficile à mettre en œuvre sur un matériel roulant car l environnement électromagnétique est sévère Un montage à plusieurs bobines permet de surmonter des difficultés et de travailler à 35-mm du rail 35
2 Vu à Solutions Évolution d un signal brut sur une portion de 500 mètres de rail S1 JS JS aiguillage Exemple d enregistrement de signaux bruts où les défauts et caractéristiques du rail apparaissent clairement. C est à partir de l agrégation de ces informations que des classes de défauts sont générées avec leurs alarmes correspondantes. A la fin de l inspection, une note d intégrité est donnée à la portion de rail analysée. Elle reflète principalement l état d usure de la bande de roulement du rail. Ec m des problèmes de métallurgie, amplifiés par les contraintes imposées au rail)-; elle ne permet donc pas de localiser des fissures sur le sommet du rail. D autre part, la mise en place d une auscultation par ultrasons impose un couplage mécanique étroit entre le rail et le capteur et ne peut donc s envisager dans un contexte d exploitation. De plus, bien que l on puisse détecter de l ordre de 80-% des défauts, les 20-% restants sont aussi des causes potentielles de rupture du rail. Il s agit pour l essentiel de fissures ouvertes sur la partie supérieure du champignon du rail, indétectables avec les ultrasons. Parallèlement, le développement de trains automatisés, sans conducteur, amène la RATP à réfléchir sur de nouveaux moyens de contrôle opérationnels des rails, mais cette fois-ci en cours d exploitation, c està-dire sans avoir à mobiliser des véhicules spécialisés dans l inspection des rails. C est dans ce cadre que l Inrets (Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité) et ont développé un projet de recherche commun, qui a abouti à la mise au point d une méthode de détection des fissures ouvertes sur le rail en mettant en œuvre un capteur original basé sur la technologie des courants de Foucault. Un capteur à courants de Foucault à distance Dans son principe, le capteur développé par l Inrets se compose d un double bobinage à double fréquence. Ces deux couples de bobines ont un espacement différent entre les bobines (30-mm et Une technique maîtrisée La méthode des courants de Foucault est une des techniques classiques du contrôle non destructif. Rappelons qu il s agit de créer des courants induits dans le matériau à analyser (qui doit donc être conducteur) grâce à l excitation d une bobine qui crée un champ magnétique alternatif. La distribution de ces courants induits, appelés Courants de Foucault du nom du physicien français qui a mis en évidence le phénomène, varie selon Circuit magnétique Courants de Foucault 0,15 mm > épaisseur de peau > 0,5 mm Alimentation 10 khz /100 khz Direction d'avancement les caractéristiques électriques (conductivité), magnétique (perméabilité) et géométrique du matériau analysé. La méthode permet donc de détecter des anomalies de petites tailles situées à proximité de la surface. Elle est aussi très efficace pour la mesure de la qualité de revêtement sur des pièces métalliques. Le capteur mis au point par l Inrets pour la surveillance des rails du réseau de fonctionne en mode différentiel de manière dynamique et à deux fréquences simultanées. La combinaison des différents signaux recueillis représente une grande richesse d information (plus ou moins grande profondeur analysée, géométries diverses des défauts ) et le traitement de signal associé permet de dégager des classes de défauts. Une des originalités de ce capteur est qu il a été conçu pour fonctionner à une distance de 35 à 40-mm au-dessus du rail, une situation peu courante dans les méthodes des courants de Foucault où la plupart du temps le capteur doit être installé à quelques m i l l i m è t r e s d e l a surface à analyser. Défaut : fissure complète Défaut : écaille 36
3 Solutions Vu à 120-mm), ce qui les dédie à la détection de types de défauts différents-: étroits et profonds pour les bobines proches (ce sont les fissures), larges et moins profonds pour les bobines les plus éloignées (ce sont les phénomènes d écaillage sur la partie roulante du rail). Sur ces bobines, deux fréquences simultanées sont appliquées (10 et 100-kHz) afin d explorer des épaisseurs différentes-: 0,10 à 0,15-mm pour la fréquence la plus haute, jusqu à 0,5-mm pour la fréquence la plus basse. Enfin, il s agit d une mesure différentielle (en fait, il y a huit bobines au total sur le capteur, deux couples de quatre bobines). Pourquoi une mesure différentielle-? «-Parce que le contexte de mesure est particulièrement difficile, explique Patrice Aknin, directeur de recherche au Laboratoire des Technologies Nouvelles de l Inrets. En effet, la position du capteur par rapport au rail varie continûment, ce qui induit une modification de la réluctance* des bobines fois supérieures aux valeurs absolues des mesures liées Géométrie du capteur à courant de Foucault Bobine d'alimentation Blindage 35 mm Ferrite Bobines de mesure Ligne de champ Partie supérieure du champignon du rail Le capteur développé par l Inrets pour a été spécialement conçu en fonction de la géométrie du rail et des types de défauts à détecter. Le choix s est porté sur un capteur à double fréquence et mesures différentielles. La taille des bobines, l espacement entre bobines, l entrefer ont été ajustés pour que le capteur puisse travailler à une hauteur de 30 à 40 mm au-dessus du rail, et ceci en dynamique (essais validés à 60 km/heure). 37
4 Vu à Solutions Synoptique de la chaîne d acquisition fréquences Capteur Alimentation Détection synchrone f1 f2 Rail bobinages 1et 2 signaux numérisés s1 à s8 Numérisation 8 registres à décalage Détection Acquisition constante au pas de 5 mm (signal odotachymétrique) Classification Alarmes majeures Alarmes mineures Classes de défauts La chaîne d acquisition et de mesure Eddyscan développée par la société CMS gère la totalité du processus : alimentation, détection synchrone, numérisation des signaux, prétraitement et génération d alarmes sur les classes de défauts. aux défauts à détecter. De plus, la CEM est ici un gros problème car le rail véhicule des courants de retour de traction et les champs rayonnés sont loin d être négligeables. Une des difficultés à résoudre était donc d éliminer ces effets perturbateurs par le biais des mesures différentielles, naturellement mais aussi grâce à un traitement du signal-». La géométrie du capteur (distance de l entrefer des bobines, hauteur des bobines ) a été spécialement étudiée en fonction de la géométrie du rail mais aussi de la hauteur du capteur par rapport au rail. En effet, l objectif est d avoir un système de mesure utilisable en exploitation, c est-à-dire que l on peut monter facilement sur n importe quel matériel roulant. A priori, la technique des courants de Foucault va à l encontre de cette volonté car elle impose, du moins dans son expression classique, de rapprocher le capteur au plus près du matériau à analyser. Mais les travaux de l Inrets ont prouvé qu à une distance optimale de 35-mm au-dessus du rail, le capteur détectait parfaitement les défauts superficiels de sa partie supérieure (fissures et écailles). Cet ensemble de mesure génère quatre signaux complexes (en phase et en qua- *Dans un circuit magnétique, la reluctance est le rapport entre la force magnétomotrice et le flux magnétique total. C est l équivalent de la résistance dans un circuit électrique. Elle est notée R et s exprime en henrys. drature), soit huit signaux réels. La fréquence d acquisition de ces signaux se fait à pas géométrique constant (tous les 5-mm) grâce à l utilisation du système odotachymétrique du train. Il s agit d une horloge synchronisée sur la vitesse réelle du véhicule ferroviaire via le signal d une roue codeuse optique posée sur l essieu du véhicule roulant. C est ce signal d horloge qui pilote le système d acquisition. Une validation sur site et des perspectives d amélioration Dans la version actuelle du système, quatre cartes d acquisition et de traitement des signaux (une par couple de bobine) sont insérées dans un PC classique. Ces cartes développées par la société CMS (Contrôle Mesures Système), spécialisée dans les applications de contrôle non destructif à base de courants de Foucault, assurent l intégralité du processus de mesure, y compris l alimentation des capteurs, la détection synchrone des signaux, l ajustement des gains et les traitements post-acquisition avec les émissions de niveaux d alarmes. La validation de la méthode s est faite dans des conditions réelles sur véhicule embarqué à une vitesse de 60-km/h. Quatre campagnes d essais ont eu lieu. A chaque fois, la totalité des signaux a été enregistrée sur bande magnétique afin de rejouer la séquence en laboratoire. Pour chacune de ces étapes, des améliorations ont été apportées au capteur et à la chaîne d acquisition. Sur la portion de rail examinée, l ensemble des caractéristiques physiques visuellement constatées a été cartographié afin de corréler les signaux enregistrés avec la réalité. C est grâce à ce travail d étiquetage des anomalies observées sur le rail, corrélées à celles enregistrées sur le capteur, que les ajustements de seuils ont pu être effectués sur la chaîne d acquisition. «-Dans la méthode mise au point, il n y a pas de métrologie des défauts à proprement parler, explique M.-Aknin. Par exemple, un joint éclissé peut avoir une réponse légèrement différente d un rail à l autre. L objectif est de détecter des anomalies puis de les classer selon un arbre de décision. En fait, sur les signaux différentiels, nous appliquons un filtrage de Wiener qui permet de recréer des signaux pseudo absolus et qui élimine les variations lentes ainsi que le bruit haute fréquence. C est sur ces signatures absolues reconstituées que l on réalise une classification des défauts-». Pour chaque pas de temps, le système réalise l agrégation des défauts pseudo absolus et détermine si un seuil réglé en fonction des connaissances acquises sur le terrain est dépassé ou non afin 38
5 Solutions Vu à de générer une alarme. Pour les défauts majeurs, il s agit donc d un axe de décision. Pour les défauts mineurs, c est-àdire les écailles, il s agit d une surface de décision. Sur un des axes, on porte les informations relatives aux bobines espacées de 30-mm, sur l autre les bobines écartées de 120-mm. Là aussi, les valeurs analysées sont celles des signaux pseudo absolus agrégés. Selon la forme prise par la courbe obtenue, qui ressemble à une figure classique de Lissajous, on décide de la présence ou non d une écaille. Cette classification, réalisée grâce à un arbre de décision hiérarchisé, a été développée avec le logiciel Simulink de The Mathworks. L algorithme, relativement léger en terme de puissance de calcul, est directement implanté dans la carte de traitement des signaux. Les résultats montrent une détection à 100-% de tous les joints présents sur la voie, qu il s agisse de joints éclissés (les rails sont mis bout à bout grâce à une éclisse) ou de joints soudés. Ces relevés montrent que la détection de fissures (qui représente exactement le même type de géométrie que les joints éclissés) est assurée avec une grande fiabilité. Cette détection parfaite des joints sur la voie a imposé à la mise au point d un système de balisage spécifique car en fait, il s agit de faux défauts-: la solution adoptée consiste à placer un système de repérage par étiquettes électromagnétiques posées à côté des joints. De plus, les relevés montrent que le capteur détecte plus de 90-% des phénomènes d écaillage qui apparaissent sur la zone de roulement du rail. Ces renseignements permettent de donner en fin de traitement une note d intégrité globale du rail, une information utile pour les responsables de la maintenance préventive du réseau car ils peuvent ainsi évaluer la dégradation dans le temps de telle ou telle portion du réseau. Pour le futur, ce capteur, propriété de la RATP, devrait équiper les véhicules d inspection pour réaliser une cartographie des écaillages sur le réseau, information jusque-là impossible à recueillir. Pour ce qui concerne l installation de ce capteur directement sur des rames normales pour une analyse du rail en exploitation, le problème de l industrialisation reste à résoudre-: choix du nombre des bobines, des fréquences utilisées, simplification de l électronique embarquée Enfin, pour tout ce qui touche au traitement du signal de nouveaux travaux sont en cours pour utiliser notamment les réseaux de neurones dans l aide à l analyse et à la classification des défauts enregistrés. François Gauthier Renseignements Inrets 2, av. du général Malleret Joinville Arceuil Cedex Tél.-: Fax-: Contrôle Mesure Systèmes 1, chemin des Bruyères La Charmée (Chalon-sur-Saône) Tél.-: Fax-:
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