Brevet FR2561779A1 — publié le 19850927

- 1 - L'invention concerne le contrôle des rails de voies ferrées, et plus particulièrement un procédé de contrôle non destructif d'un rail de voie ferrée, en voie et en continu, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Les contraintes et les surcharges dynamiques auxquelles la voie est soumise provoquent le développement de défauts internes dans le rail, tels que taches ovales, fissures horizontales, transversales ou longidudinales, étoilu- res, etc. Il est important de pouvoir détecter ces défauts en voie par une méthode non destructrice, afin de pouvoir changer à temps les portions de rails défectueux. La méthode la plus répandue de contrôle non destructif de l'état interne des rails en voie est l'auscultation du rail par ultrasons. Cette technique consiste à mettre en contact avec le champignon du rail des sondes émettrices, récep- trices ou émettrices-réceptrices dont l'orientation est adaptée aux types de défauts que l'on recherche. Les échos captés des ultrasons émis sont généralement visua- lisés sur des écrans cathodiques. Ces échos sont également enregistrés graphiquement, ce qui permet la détermination de la position et de la nature des défauts détectés. L'inter- prétation des défauts s'effectue également à l'aide d'une calculatrice digitale dont l'imprimante délivre un rapport direct sur l'emplacement et la nature des défauts. Les sondes sont installées sur des chariots, roulant sur les rails, et maintenues en contact sonore avec le métal du rail par l'intermédiaire d'un film d'eau. Les sondes à utiliser et leur positionnement sont déterminés par les caractéristiques des défauts à détecter. En exploi- -2 - 2561779 tation, il est important que chaque sonde reste constamment positionnée avec précision par rapport au rail de la voie auscultée. Pour les sondes travaillant avec un faisceau réfléchi sous incidence non nulle sous le patin du rail, l'espacement lon- gitudinal doit être fonction de la hauteur du rail pour une bonne réception. Pour les sondes destinées à rechercher les défauts de l'âme du rail, relativement étroite, c'est leur positionnement transversal par rapport à l'axe du rail qui doit être assuré avec précision. Dans les réalisations existantes le positionnement latéral des sondes par rapport au rail est réalisé par l'appui forcé, par un vérin ou un ressort, d'une pièce mécanique rigidement liée au chariot porte-sondes, contre la face latérale interne du champignon du rail considérée comme référence géométrique transversale du profil du rail. Ces réalisations présentent des inconvénients importants liés à la diversité des largeurs des champignons des rails posés en voie, provenant aussi bien des différents types de rails posés que des divers degrés d'usure latérale ou sur- largeur due à l'écrasement des champignons de rails. Les sondes sont ainsi mal positionnées et ne peuvent garantir une bonne qualité du contrôle. Il existe sur certaines réalisations des commandes manuelles du positionnement transversal et/ou longitudinal des sondes. Ces équipements ne donnent toutefois pas satisfaction, car ces commandes doivent être actionnées en fonction d'une observation visuelle de l'état du champignon du rail, ce qui ne peut conduire qu'à un résultat approximatif et est illu- soire à partir d'une certaine vitesse de déplacement du véhicule de contrôle. - 3 2 2561779 La présente invention a pour but de permettre le positionne- ment automatique des palpeurs dans leurs positions optimales par rapport au champignon du rail pour obvier aux inconvé- nients précités des dispositifs existants. L'invention a donc pour objet un procédé de contrôle non destructif d'un rail d'une voie ferrée, en voie et en con- tinu, ainsi qu'un dispositif simple et efficace conçu pour la mise en oeuvre automatique d'un tel procédé sur un véhi- cule se déplaçant sur le rail à une vitesse d'environ km/h. Selon le procédé de contrôle, en voie et en continu, non destructif d'un rail d'une voie ferrée objet de la présente invention, on ausculte le rail à l'aide d'un faisceau d'ondes ultrasonores émis et capté à l'aide d'au moins une sonde émettrice et/ou réceptrice en contact avec la surface du champignon du rail et portée par un chariot roulant sur le rail. Ce procédé se distingue par le fait qu'on modifie la position d'au moins une sonde par rapport au chariot pour maintenir une position optimale relative de la sonde par rapport au rail, et par le fait qu'on commande ces varia- tions de position de la sonde par les variations d'intensité d'un faisceau ultrasonore réfléchi, dans les conditions de fonctionnement normales, par la face inférieure de la semel- le du rail ausculté. Le dispositif de contrôle, en voie et en continu, non des- tructif d'un rail d'une voie ferrée objet de l'invention comprend un chariot roulant sur le rail et tracté par un vé- hicule ferroviaire, ce chariot porte au moins une sonde ul- trasonore émettrice et/ou réceptrice en contact avec la sur- face du champignon du rail. Ce dispositif se distingue par le fait qu'au moins une sonde est déplaçable par rapport à ce chariot, par le fait qu'il comporte des moyens d'action- nement de cette sonde dans ses déplacements ainsi que des moyens de commande de ces moyens d'actionnement en fonction des variations de l'énergie reçue par la sonde réceptrice. - 4 - 2561779 Les caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront plus en détail dans la description ci-après, relative à deux formes de réalisation du dispositif, données à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés. La figure 1 illustre, vu de coté, un chariot porte-sondes portant des sondes destinées à l'exploitation du faisceau avec une réflexion sous incidence non nulle sous la semelle du rail et muni d'un dispositif provoquant un déplacement, dans le sens de l'axe du rail, d'une sonde émettrice par rapport à une sonde réceptrice pour ajuster automatiquement la distance séparant ces deux sondes en fonction de la hau- teur réelle du rail. La figure 2 illustre un schéma bloc d'un circuit de commande électronique du déplacement des sondes par rapport au cha- riot porte-sondes. La figure 3 iliustre, vu de face, un chariot porte-sondes portant des sondes émettrices et réceptrices destinées à la recherche de défauts de l'âme du rail et muni d'un dispo- sitif provoquant un déplacement des sondes par rapport au chariot transversalement par rapport au rail pour maintenir celles-ci dans une position centrée sur l'âme du rail. On utilise pour ausculter le rail, des sondes émettrices et réceptrices travaillant par paire, exploitant un faisceau d'ondes ultrasonores émis sous incidence non nulle se réflé- chissant sur la surface inférieure de la semelle du rail, l'écartement entre les sondes, ou leur inclinaison, étant réglé en fonction de la hauteur du rail. Le procédé selon la présente invention consiste à asservir automatiquement la position transversale des sondes émet- trices et réceptrices des ondes ultrasonores par rapport au plan médian ou âme du rail et/ou la position -de ces sondes en fonction de la hauteur du rail. - - 5- 2561779 Pour réaliser cet asservissement au moins une sonde est montée déplaçable transversalement respectivement longitu- dinalement ou angulairement par rapport au chariot por- te-sondes et des moyens sont prévus pour modifier la -posi- tion des ou au moins d'une sonde par rapport à ce chariot porte-sondes. Pour commander les moyens modifiant la posi- tion des sondes on utilise des sondes émettrices et récep- trices à ultrasons placées sur la surface de roulement du champignon du rail et on commande lesdits moyens de dépla- cement de ces sondes avec un.signal fonction de l'énergie reçue par la sonde réceptrice. Pour permettre une auscultation du rail indépendante des variations de hauteurs de ce rail,- on utilise une sonde émettrice dont le faisceau ultrasonore traverse le cham- pignon et l'âme du rail,.formant avec l'axe longitudinal du rail un angle qui peut être par exemple d'environ 30 à 40 . Ce faisceau incident est réfléchi par la surface inférieure de la semelle du rail et est renvoyé vers la surface de roulement du rail. La distance séparant les points d'inter- section de la surface de roulement du'rail avec les fais- ceaux émis et réfléchis dépend évidemment de la hauteur du rail. Ainsi, si la distance séparant la sonde réceptrice de la sonde émettrice correspond à la hauteur du rail, l'éner- gie reçue sera maximum. On peut commander des moyens de déplacement des sondes l'une par rapport à l'autre dans le sens de l'axe du rail en fonction du niveau d'énergie reçue par la sonde réceptrice. On peut également assurer un niveau de réception optimum, quelle que soit la hauteur du rail, en modifiant l'incli- naison de l'axe de la sonde émettrice par rapport à l'axe longitudinal du rail. Les moyens modifiant l'inclinaison de la sonde émettrice sont commandés également par les varia- tions d'énergie reçues par la sonde réceptrice. - 6 - 2561779 Pour maintenir les sondes alignées dans le plan médian du rail le faisceau ultrasonore émis est envoyé perpendiculai- rement à la'surface de roulement du rail,.il se propage sur toute la hauteur de ce rail et si les sondes sont correc- tement positionnées, il se réfléchit sur la surface infé- rieure de la semelle du rail, retraverse l'âme et le champi- gnon du rail et est capté par la sonde réceptrice. Si le positionnement transversal des sondes est défectueux, le faisceau ultrasonore se réfléchit sur la surface inférieure du champignon du rail et est déflecté latéralement, cette ' surface n'étant pas perpendiculaire aux rayons émis. I1 s'ensuit que l'énergie captée en retour est nulle ou beaucoup plus faible du fait de ces réflexions parasites que si les sondes sont correctement positionnées. La commande des moyens de déplacement des sondes est ainsi réalisée par un signal qui est fonction de l'énergie ultrasonore reçue, ce qui permet de maintenir en permanence les sondes dans le plan longitudinal du rail. Une première forme d'exécution du dispositif de contrôle non destructif des rails d'une voie ferrée comportant un asser- vissement de la distance, comptée parallèlement à l'axe du rail, séparant une sonde émettrice d'une sonde réceptrice en fonction de la hauteur du rail est illustrée aux figures 1 et 2. Ce dispositif comporte un chariot porte-sondes (1) relié de façon connue et non illustrée, au bogie d'un véhicule de contrôle d'une voie ferrée. Ce chariot (1) roule sur le rail (2) à l'aide de galets (3) réglables en hauteur. Ce chariot (1) comporte un support (4) portant la ou les sondes émet- trices, respectivement réceptrices, en contact sonore avec le rail, destinées à la détection par ultrason de. certains défauts particuliers du rail exploitant un faisceau d'ondes ultrasonores avec une réflexion sous incidence non nulle sous la semelle du rail. Ces sondes d'auscultation tra- vaillent par paire, émettrices-réceptrices, et la distance - 7 2561779 les séparant dépend de la hauteur du rail. Les sondes récep- trices, respectivement émettrices, sont portées par un coulisseau (5) monté coulissant sur un ou plusieurs guides longitudinaux (6) du chariot (1). Ces guides (6) sont soli- daires du chariot (1) et s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal du rail (2). Le dispositif illustré comporte une sonde émettrice ou réceptrice de positionnement (7) portée par le support (4) et une sonde réceptrice (8) ou émettrice, portée par le O10 coulisseau (5). Toutes les sondes d'auscultation du profil ainsi que les sondes de positionnement (7) et (8) sont disposées de telle façon sur le chariot (1) que leurs faces actives soient en contact étroit et permanent avec la surface supérieure du rail (2). Bien entendu, les sondes de positionnement (7) et (8) peuvent également servir de sondes d'auscultation du rail. Le coulisseau (5) est relié au chariot (1) par l'inter- médiaire d'un vérin (9) dont le cylindre est articulé sur le chariot (1) tandis que le piston est articulé sur le coulis- seau (5). Ce vérin est actionné à l'aide d'un fluide sous pression provenant d'un groupe d'alimentation hydraulique ou pneumatique (10) délivrant du fluide sous pression aux chambres du vérin (9) par l'intermédiaire d'une servo-valve (11). A l'aide de ce dispositif d'actionnement (9, O10, 11), il est possible de modifier la distance D séparant les sondes (7) et (8) parallèlement à l'axe du rail (2). La commande de la servo-valve (11) est assurée par un dispo- sitif électronique dont un schéma de fonctionnement est donné à la figure 2. Ce dispositif électronique comporte un élément de mémoire (12) alimenté par le signal R de la sonde réceptrice (8), et mémorisant la valeur de ce signal R au temps t qui est pro- portionnel à l'énergie du faisceau ultrasonore réfléchi r au - a - 2561779 temps t. Au terme d'un intervalle de temps At la valeur mémorisée dans la mémoire (12) est transférée dans une me- moire (13) mémorisant cette valeur Rt tandis que la mémoire (12) mémorise la valeur AR(t+ t). Un comparateur (14) compare les valeurs mémorisées dans les mémoires (12) et (13) et délivre un signal i dont l'amplitude correspond à la différence AR = {R(t+A.t)-Rt} et d'autre part un signal s indiquant le signe de la différence AR. Le signal s est mémorisé dans une mémoire (15) commandant un inverseur de signe (16), tandis que le signal i commande un amplificateur de puissance (17) au travers de l'inverseur de signe (16). L'amplificateur (17) commande la servo-valve (11). En fonctionnement normal, l'intensité et l'angle d'incidence du faisceau d'ultrasons e émis par la sonde (7) sont constants, et si la distance D séparant les sondes (7) et (8) correspond à la hauteur H du rail, le faisceau réfléchi r frappe le centre de la sonde (8) de sorte que le signal R délivré par celle-ci est maximum. Lorsque le chariot (1) est déplacé le long du rail (2) et tant que la hauteur H de ce rail reste constante, le signal reçu R reste constant à sa valeur maximum et la différence AR est nulle, de sorte que la servo- valve (11) e-st maintenue à son état de repos pour lequel aucune des chambres du vérin (9) n'est alimentée en fluide. La distance D séparant les sondes d'une même paire et parti- culièrement la sonde (7) de la sonde (8) reste donc inchan- gée. Si la hauteur du rail (2) est modifiée en H', le faisceau réfléchi r' n'atteint plus ou n'atteint que partiellement la sonde (8) et le signal (R) diminue en valeur absolue, de sorte que la différence AR n'est plus nulle et que son signe (dès le second intervalle de mesure) correspond'à une aug- - 9 -2561779 mentation ou à une diminution de la hauteur H du rail (2). Ce signal AR commande donc un déplacement du coulisseau (5) par l'intermédiaire du vérin (9) de la servo-valve (11) et de l'amplificateur (17) dans le sens déterminé par l'inver- seur (16) de telle façon que la distance D' corresponde à la hauteur H' du rail (2) pour laquelle la réception du fais- ceau réfléchi est maximum. Pour que la commande des déplacements des sondes soit indé- pendante des défauts du rail et donc des variations de haute fréquence de l'intensité du faisceau reçu, on peut prévoir un filtre passe-bas éliminant ces variations instantanées. On réalise ainsi un asservissement de la distance D séparant deux sondes d'une même paire à la hauteur réelle du rail (2). Dans ces conditions les différences de niveau de récep- tion des sondes portées par le coulisseau (5) sont indépen- dantes des variations de la hauteur du rail et correspondent à des défauts du rail (2). Au lieu de modifier la distance D entre une sonde émettrice et la sonde réceptrice qui lui est associée, on peut modi- fier l'inclinaison, ou angle d'incidence, du faisceau émis en fonction de la hauteur H du rail. Une seconde forme d'exécution du dispositif de contrôle non destructif des rails d'une voie comportant un asservissement de la position transversale des sondes par rapport au chariot porte-sondes est illustrée à la figure 3. Ce dispositif comporte un chariot porte-sondes (1) relié de façon connue et non illustrée au bogie d'un véhicule de contrôle d'une voie ferrée, roulant sur les rails (2) de la voie par l'intermédiaire de galets (3). Au dessus de chaque file de rails (2), le chariot (1) comporte un ou plusieurs guides (18) s'étendant parallèlement au plan de la voie et - 10 - 2561779 perpendiculairement aux axes des files de. rails (2) servant de support à un coulis.seau (19) monté coulissant sur ce ou ces guides (18), portant les sondes émettrices et récep- trices ultrasoniques en contact sonore avec le rail, desti- nées à l'auscultation des rails (2) et dont la position transversale par rapport au rail est déterminante pour une bonne auscultation des défauts qu'elles doivent détecter. Ce coulisseau (19) porte encore une sonde émettrice-récep- trice d'ultrasons (20) maintenue en contact avec la surface supérieure du rail (2). Cette sonde (20) émet un faisceau d'ondes ultrasonores (e') (Fig.2) perpendiculairement à la surface de roulement du rail (2) qui, lorsque la sonde (20) est située dans le plan médian du rail, traverse le cham- pignon et l'âme du rail, se réfléchit sur lui-même en r' sur la face inférieure de la semelle du rail et retraverse l'âme et le champignon du rail avant d'être capté. Dans ces condi- tions l'énergie reçue est maximale, par contre si la sonde est décalée transversalement hors du plan médian du rail, des réflexions parasites sur les surfaces latérales infé- rieures du champignon du rail réduisent l'intensité du fais- ceau réfléchi capté par la sonde (20). Le dispositif décrit comporte encore des moyens de dépla- cement transversal du coulisseau (19) constitués dans l'exemple illustré par un vérin (21) dont le cylindre est articulé sur le chariot (1) et le piston sous le coulisseau (19), alimenté en fluide sous pression à partir d'un groupe d'alimentation (10) par l'intermédiaire de servo-valves (22). Ces serve-valves (22) permettent suivant leurs états, soit de blaquer le vérin (8) dans sa position, soit d'alimenter l'une au l'autre de ses chambres et provoquer ainsi un déplacement dans un sens ou dans l'autre du coulisseau (19). Ces servo-valves (22) sont commandées par un dispositif - l1 - 2561779 électronique, piloté par le signal de réception du faisceau réfléchi r' délivré par la sonde émettrice-réceptrice (20), dont le schéma fonctionnel est identique à celui de la figure 2 au fait près, que les sondes (7) et (8) sont rem- placées par la sonde émettrice-réceptrice (20), normale à la surface du rail et que l'amplificateur (17) commande la servo-valve (22) et donc le vérin (20) commandant les dépla- cements transversaux du coulisseau transversal (19). Ainsi, les sondes portées par le coulisseau transversal (19) sont maintenues dans le plan médian du rail (2). Il est évident que dans une forme d'exécution non illustrée, le dispositif peut combiner les asservissements transversaux et longitudinaux décrits, les-guides (6) étant portés par le coulisseau (19) et non pas par le chariot directement, par exemple. Dans une autre variante, on peut remplacer les vérins (9, 20) par des moteurs pas à pas modifiant la position des coulisseaux (5, 19) respectivement. I1 est également possible d'utiliser les sondes émet- trices/réceptrices ultrasonores commandant les moyens de déplacement simultanément comme sondes d'auscultation des défauts du rail. Au cas o l'énergie émise par la sonde émettrice n'est pas constante, on utilise le rapport entre l'énergie émise et l'énergie reçue pour commander le déplacement des sondes. - 12 - 2561779 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle, en voie et en continu, non destruc- tif d'un rail d'une voie ferrée selon lequel on ausculte le rail à l'aide d'un faisceau d'ondes ultrasonores émis et capté à l'aide d'au moins une sonde émettrice et/ou récep- trice en contact sonore avec la surface du champignon du rail et portée par un chariot roulant sur le rail, caracté- risé par le fait qu'on modifie la position d'au moins une sonde par rapport au chariot, par asservissement de ladite position aux variations d'intensité d'un faisceau ultra- sonore réfléchi, dans les conditions de fonctionnement nor- males, par la face inférieure de la semelle du rail aus- culté. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on modifie la position transversale d'une sonde par rapport au chariot pour maintenir cette sonde dans le plan médian du rail. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on modifie la distance sépa- rant une sonde émettrice -de la sonde réceptrice qui lui est associée, en fonction de la hauteur du rail. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on modifie l'angle que forme l'axe du faisceau ultrasonore émis -par la sonde émettrice avec l'axe longitudinal du chariot en fonction de la hauteur du rail. 305. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la sonde émettrice/réceptrice est déplaçable per- pendiculairement au plan médian du rail par rapport au cha- riot qui les porte et par le fait que les déplacements de cette sonde sont commandés par les variations d'intensité du - 13 - 2561779 faisceau réfléchi capté, et par le fait que le faisceau ultrasonore est émis perpendiculairement à la surface de roulement du rail et réfléchi par la surface inférieure de la semelle du rail. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par' le fait qu'on modifie la distance séparant une sonde émettr'ice' de la sonde réceptrice qui lui est associée, comptée parai-- lèlement à l'axe longitudinal du chariot, et par le fait que les variations de cette distance sont commandées par les variations d'intensité d'un faisceau ultrasonore réfléchi par la surface inférieure de la semelle du rail et formant avec celle-ci un angle différent de 900. 7. Dispositif de contrôle, en voie et en continu, non des- tructif d'un rail d'une voie ferrée, comprenant un chariot roulant sur le rail et tracté par un véhicule ferroviaire, ce chariot portant au moins une sonde ultrasonore émettrice et/ou réceptrice en contact sonore avec la surface du cham- pignon du rail, caractérisé par le fait qu'au moins une sonde est déplaçable par rapport à ce chariot, par le fait qu'il comporte des moyens d'actionnement de cette sonde dans ses déplacements ainsi que des moyens de commande de ces moyens d'actionnement en fonction des variations de l'éner- gie reçue par la sonde réceptrice. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les sondes sont portées par au moins un coulisseau se déplaçant sur au moins un guide solidaire du chariot, perpendiculaire au plan médian du rail. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractéris..é par le fait que les sondes réceptrices respectivement émettrices sont portées par au moins un coulisseau se dép;laçant sur au moins un guide longitudinal parallèle à l'axe longitudinal du rail, tandis que les sondes réceptrices respectivement émettrices associées sont montées fixes sur le chariot. - 14 - 256 1779 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la sonde émettrice est montée pivotante sur le cha- riot, autour d'un axe sensiblement perpendiculaire au plan médian du rail.