<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Les ultrasons multiéléments au service du contrôle des organes de roulement en maintenance ferroviaire

Bastien RICHARD¹, David BEAUBIER², Stéphane CATO³

1,2,3 Centre de Compétence END de l'Agence d'Essai Ferroviaire SNCF, France;

*corresponding author, E-mail: bastien.richard@sncf.fr

## Résumé

Que ce soit pour les contrôles d'organes ferroviaires en production dans les Technicentres de maintenance ou pour les expertises en laboratoire, les contrôles ultrasons réalisés à la SNCF par la technique multiéléments modernisent considérablement les applications. Ils apportent un gain de temps significatif, un contrôle plus efficient, des possibilités de traçabilité bien supérieures aux ultrasons conventionnels et une plus grande ergonomie pour l'opérateur. Dans le cadre de la révision des organes de roulement en Technicentre, indispensable à la remise en service pour les pièces de sécurité, plusieurs applications de contrôle ultrasons ont évolué vers cette technique ou sont en cours de mise en production : examen des pistes de roulement, santé interne des roues, recherche de fissuration de fatigue dans les axes. A ce jour, les travaux de déploiement des applications ultrasons multiéléments ont consisté à remplacer la technique conventionnelle en adaptant les modes opératoires des contrôles existants que ce soit en manuel ou en automatique : appareillage, paramétrage, application du traducteur, visualisation opérateur. Aujourd'hui, le domaine ferroviaire bénéficie pleinement des avancés de la technique ultrasons multiéléments pour réinventer l'existant. Ses atouts pourront maintenant directement être mis à disposition pour de nouveaux contrôles, notamment pour les examens volumiques. Quant aux examens surfaciques, ils s'orientent vers des développements d'examens en multiéléments par courants de Foucault.

## 1. Introduction

Dans le domaine de la maintenance ferroviaire, les organes de roulements tels que les roues, les essieux-axes et les roulements font l'objet d'une surveillance spécifique en raison de leur caractère hautement sécuritaire.

Ces éléments sont, tout d'abord, contrôlés en fabrication chez les équipementiers ; en santé de surface par magnétoscopie et en santé interne par ultrasons, conformément aux normes de fabrication ainsi qu'aux exigences qualité de la SNCF.

En maintenance, il est souvent économiquement préférable de contrôler un organe plutôt que de le remplacer par du neuf. Ainsi, beaucoup d'entre eux sont contrôlés régulièrement afin de rechercher tout endommagement généré par les sollicitations du service avant qu'il ne conduise à une défaillance portant préjudice au matériel roulant ou pire encore, aux personnes.

Pour cela, depuis les années 70, la SNCF a mis en place des contrôles par ultrasons des roues, des essieux-axes et des roulements. Le secteur ferroviaire présente des spécificités : géométries complexes des zones à contrôler ou des zones d'application des traducteurs, présence d'éléments d'assemblage, état de surface après plusieurs années de service, distances de sondage importantes, ...

Ce contexte et l'offre réduite du matériel de l'époque ont conduit la SNCF à concevoir son propre matériel afin de répondre à ses besoins très spécifiques avec notamment la fabrication de traducteurs droits et à angle, fonctionnant avec des filtres à bande étroite et comportant ses propres impédances ainsi que son matériel de vérification et d'étalonnage. De plus, la collection documentaire de modes opératoires SNCF de près de 200 fiches de contrôle ultrasons a été réalisée avec ce matériel SNCF.

Depuis quelques années, grâce à l'augmentation de l'offre de matériel, la SNCF a entamé une mise à jour des modes opératoires afin d'intégrer des traducteurs standards.

C'est dans ce processus de changement et grâce à la démocratisation des techniques ultrasons multiéléments dans l'industrie que la SNCF fait évoluer les applications ultrasons. Cette technique ultrasons multiéléments s'intègre parfaitement, que ce soit au quotidien pour les contrôles d'organes en production de maintenance dans les technicentres ou encore pour les expertises en laboratoire : homologations de produits, qualifications de pièces étalons, analyses de défaillance, ...

## 2. Application aux roulements de boite d'essieu

Depuis 2017, la technique des ultrasons multiéléments est utilisée pour le contrôle en maintenance périodique des roulements intérieurs de boite d'essieux TGV. Le dessin ci-après présente un essieu TGV avec à chaque extrémité les roulements de boite d'essieu (Figure 1).
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Dessin d'un essieu TGV monté avec les roulements de boite d'essieu à chaque extrémité</figcaption></figure>

Cet organe est très sensible d'un point de vue sécurité ferroviaire en raison notamment de la grande vitesse des circulations et des efforts auxquels il est soumis : à 320 km/h, un roulement de 150 mm de diamètre tourne à 33 tr/s, tout en supportant la charge du TGV de l'ordre de 17 tonnes par essieux et les efforts transversaux importants dus au tracé de voie. Ces fortes sollicitations du service peuvent dégrader le roulement, notamment au niveau des pistes de celui-ci, c'est-à-dire les parties du roulement sur lesquelles les éléments roulants, ici des rouleaux, sont en appuis. Les dégradations surfaciques que l'on peut rencontrer sur les pistes sont des écaillages (Figure 2).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Dégradation importante de type écaillage au niveau de la piste du roulement</figcaption></figure>

Lors du démontage du roulement en maintenance, la bague extérieure peut être inspectée visuellement ou par un examen par magnétoscopie, ce qui n'est pas le cas de la bague intérieure qui comporte les éléments roulants et la cage du roulement. En effet, l'inspection visuelle de la piste est rendue impossible en l'état car l'assemblable est réalisé en force lors de la fabrication. Le démontage n'est pas possible sans une découpe de la cage. Cette opération rend le contrôle chronophage et couteux. La Figure 3 ci-après présente une bague intérieure sans les éléments roulants (à gauche) et une bague intérieure avec les éléments roulants (à droite).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Vue de bagues de roulement intérieure</figcaption></figure>

Les technicentres industriels de maintenance TGV de Hellemmes (Lille) et Bischheim (Strasbourg) sont équipés d'installation ultrasons multiéléments automatisées afin de contrôler les bagues de roulement intérieures (Figure 4).

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Photo de l'installation UT bagues de roulement</figcaption></figure>

La technique ultrasonore employée est le contrôle en immersion totale. Le traducteur multiéléments est placé à l'intérieur du roulement, l'onde ultrasonore rentre par l'intérieur de la bague et se réfléchit sur la piste du roulement. L'inclinaison mécanique, les lois focales angulaires et de focalisation du traducteur sont telles que l'onde arrive perpendiculaire sur la piste avec un maximum d'énergie, ce qui permet d'optimiser la réponse ultrasonore après réflexion sur cette piste (Figure 5). La dimension du capteur et le nombre d'éléments couvrent l'intégralité de la hauteur de la piste, permettant ainsi l'examen de l'organe en une seule révolution.
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : Principe de contrôle ultrasons des bagues de roulement intérieure</figcaption></figure>

Les étalonnages et vérifications des conditions opératoires sont effectués sur des pièces de référence comportant des défauts artificiels qui simulent un début d'écaillage. Le critère est tel que tout défaut équivalent, en termes de réponse ultrasonore, à un TFP de 0,5 mm de diamètre et 0,5 mm de profondeur sera pris en compte par le système. A l'issue du contrôle, une cartographie du roulement (Cscan, en rouge) est construite à partir de tous les enregistrements ultrasons (Figure 6). La largeur de piste du roulement pour une position angulaire donnée est représentée par une ligne verticale sur le Cscan. La visualisation de l'examen dans cette position particulière est donnée par le Lscan. Enfin, chaque ligne verticale du Lscan est construite avec un Ascan dont la visualisation est donnée à droite pour une position donnée par le curseur sur le Lscan.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6 : Visualisations opérateur Cscan, Lscan et Ascan pour le contrôle multiéléments des bagues de roulement</figcaption></figure>

La présence d'un défaut de surface sur la piste du roulement entraînera une chute localisée de l'écho de fond visible sur le Ascan ; cela se traduira donc également par une tache sur la cartographie Cscan (en jaune). En effet, à son arrivée sur l'écaillage, l'onde ultrasonore est dispersée par la micro-géométrie du défaut et l'énergie renvoyée au traducteur est alors plus faible que sur une zone saine.

La Figure 7 ci-dessous présente les traçabilités de contrôle d'une pièce de production : à gauche, absence de défaut avec une hauteur d'écho de fond de l'ordre de 70% et à

droite, présence d'une indication avec une atténuation de l'écho de fond qui tombe à environ 40%.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 7 Exemple de traçabilité Ascan : sans défaut à gauche (hauteur ~70%) et avec défaut à droite (hauteur ~40%).</figcaption></figure>

Cette application nécessite l'emploi d'une sonde de 128 éléments apportant une très haute résolution d'examen. Afin de garantir la qualité du rapport signal sur bruit de l'examen, il est nécessaire de bloquer la cage du roulement par une griffe mécanique lors de la rotation du roulement. L'examen réalisé en une seule révolution est aujourd'hui bien plus rapide qu'avec les anciennes installations (année 2000), qui avec leur traducteur monoélément focalisé, devaient réaliser un balayage hélicoïdal pour examiner la totalité de la hauteur de la piste, soit environ 100 tours.

### 3. Application au contrôle de roue en maintenance

En novembre 2018, l'équipement Aquascan a été mis en production pour le contrôle par ultrasons en multiéléments de la santé interne des roues en maintenance réalisé en manuel par un opérateur. Le dispositif Aquascan a été mis au point après deux ans de recherche et développement à l'Agence d'Essai Ferroviaire et a fait l'objet d'un brevet SNCF.

Ce contrôle, réalisé sur plus de 15000 essieux par an, couvre le matériel voyageur roulant à une vitesse supérieure ou égale à 200km/h, à savoir principalement le TGV et le CORAIL, et cela à intervalles kilométriques réguliers : entre 250 000 km et 500 000 km selon les types d'essieux. Le but du contrôle est la recherche de défauts internes évoluant en fatigue dans le volume du bandage de la roue et dont la propagation s'oriente parallèlement à la table de roulement. Ces défauts peuvent apparaître en service suite aux sollicitations de l'organe de roulement (Figure 8).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 8 : Exemple de fissuration interne du bandage-roue</figcaption></figure>
La zone à contrôler est constituée du volume de la jante bandage comme défini sur le schéma ci-dessous avec une profondeur de sondage maximum de l'ordre de 60 mm (Figure 9).

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 9 : Zone à contrôler : volume de la jante bandage</figcaption></figure>

L'idée de l'Aquascan consiste à utiliser un traducteur multiéléments, composé de 64 cellules alignées sur une largeur totale de la sonde d'environ 10 centimètres de manière à couvrir l'intégralité de la largeur de la table roulement, ce qui permet de contrôler la roue en une seule révolution.

De plus, la sonde est encapsulée dans un dispositif « porte-sonde » créant une immersion localisée du capteur multiéléments et de la zone de la roue à contrôler (Figure 10). Cette chambre à eau est alimentée en eau pure, sans additif et en circuit fermé assurant une légère pression qui chasse les bulles d'air parasites. Une mousse de contact, formée au profil de la table de roulement, garantit l'étanchéité de la chambre à eau ; il existe un suintement résiduel sur la roue mais qui est négligeable et tout à fait compatible avec les contraintes en maintenance.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 10 : Vue du porte-sonde Aquascan sur la roue</figcaption></figure>

Ce scanner est relié à un appareil ultrasons dont le paramétrage a été réalisé de manière à afficher à l'écran la vue en coupe du bandage de la roue au droit de la sonde. Cette cartographie de type Lscan est reconstruite après traitement du signal et un traitement d'image d'un peu plus de 50 Ascans.

Le contrôle présenté ci-dessous donne un exemple d'examen de roue sur un bloc de référence dans lequel a été usiné un trou à fond plat (TFP) de 3 mm de diamètre à 35 mm de profondeur d'acier (Figure 11). Ce dernier équivaut au défaut de taille minimum qui doit être détecté dans la zone à contrôler par l'équipement. Ce type de bloc de référence est donc utilisé pour étalonner le système en sensibilité et pour vérifier les conditions opératoires.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 11 : Vue en coupe de la roue et TFP / Détail du TFP</figcaption></figure>

La visualisation (Figure 12) présente en haut de l'image, le profil de la roue avec, de gauche à droite : la contrepente, la table de roulement, le congé de raccordement du boudin. Ce profil correspond à l'écho d'interface.

Une suspicion de défaut se traduit par l'apparition d'une indication sous la table de roulement, dans la zone à contrôler, ou encore par un élargissement localisé de l'écho d'interface. Après optimisation de la position du scanner sur la roue, l'opérateur peut alors placer un curseur vertical sur la réponse ultrasonore du défaut afin d'afficher le Ascan correspondant qui apparaît alors sur le graphique à droite (en vert). Les portes G1 et G2 (en jaune) permettent de caractériser les indications selon les deux critères de conformité dont les seuils limites sont définis dans les documents de maintenance : l'amplitude en pourcentage et la profondeur en millimètre.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 12 : Exemple de cartographie Lscan sur un bloc de référence présentant un défaut artificiel : Ø3 mm et 35 mm de profondeur</figcaption></figure>
En pratique, les défauts naturels de roue qui sont découverts en maintenance ont des réponses ultrasonores caractéristiques qui sont décelées facilement par les opérateurs ultrasons. L'exemple ci-dessous présente un défaut réel rencontré en maintenance. (Figure 13). Cet exemple compare les ultrasons conventionnels (Ascan seul, à gauche) et les ultrasons multiéléments composés de la vue en coupe Lscan et du Ascan au niveau du défaut (à droite) sélectionné grâce au curseur vertical ; on peut alors constater l'équivalence des Ascans des deux techniques.

Par ailleurs, on peut également distinguer sur la cartographie Lscan des indications dues à la géométrie de l'organe, en particulier le raccordement face latérale externe / toile de la roue (entourées en vert).

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 13 : Comparatif, sur une même indication entre les ultrasons conventionnels (Ascan à gauche) et les ultrasons multiéléments (Lscan à droite accompagné du Ascan correspondant au curseur vertical)</figcaption></figure>

Le défi majeur rencontré lors de la mise au point de l'équipement Aquascan a porté sur l'étanchéité du porte-sonde qui crée une immersion localisée pour le couplage ultrasonore entre la sonde et la roue. La moindre fuite rend le contrôle impossible.

La mise en production de l'équipement Aquascan a permis des gains significatifs en maintenance. Tout d'abord un gain de temps évident lors de la réalisation du contrôle grâce à la possibilité de réaliser l'examen en un seul tour de roue : globalement le temps de contrôle est divisé par deux par rapport à la méthode conventionnelle (traducteur monoélément). Si l'on considère par exemple les rames TGV qui sont contrôlées en Technicentre en ultrasons manuels sur les voies en fosse, la technique multiéléments nécessite trois heures pour l'ensemble des vingt-six essieux de la rame au lieu de six heures avec les ultrasons conventionnels. De plus, le contrôle ultrasons à lui seul ne dure que quelques secondes alors que la majorité de temps d'opération est passée au déplacement du matériel le long de la rame, à la mise en place des vireurs automatiques et au nettoyage des roues.

Cette technique permet également de gagner en fiabilité de contrôle, notamment grâce à la qualité du couplage ultrasonore par immersion localisée. Si toutefois des bulles d'air dans la chambre à eau venaient parasiter le contrôle, l'opérateur le détecte immédiatement à l'écran et celui-ci doit alors repositionner le porte-sonde. Par ailleurs, la couverture totale de la largeur de la table de roulement par le traducteur augmente la probabilité de détection d'un défaut.

Le gain est également économique et environnemental car cette nouvelle technique n'utilise que de l'eau comme agent de couplage alors que les ultrasons conventionnels nécessitent l'emploi d'un couplant type gel ou graisse.

Enfin, cette nouvelle technique procure des gains de qualité de vie au travail pour les opérateurs : l'attention est monopolisée sur un temps plus court, l'équipement est plus ergonomique, plus propre (couplant) et plus moderne.

## 4. Application aux essieux-axes en maintenance

Fort des expériences ultrasons multiéléments sur roulements et roues, l'AEF travaille actuellement sur la mise en production de l'équipement SUMAX : Scanner Ultrasons Multiélément AXe.

Les essieux-axes sont contrôlés en maintenance par magnétoscopie pour les parties accessibles et par ultrasons pour les parties calées : portées de calage de roue ou de disque ; et les parties inaccessibles : pont moteur, zone du corps de l'axe sous disque de frein déporté, ... (Figure 14).

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 14 : Essieux comportant des roues, disque de frein et pont moteur</figcaption></figure>

Les défauts recherchés sont des fissures de fatigue dues aux sollicitations du service qui ont pour zone d'amorçage la surface de l'axe, particulièrement dans les zones de changement de section. D'orientation circonférentielle, elles se propagent radialement et cela potentiellement jusqu'à la rupture comme l'a montré l'accident dramatique de Viareggio en 2009 en Italie (Figure 15).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 15 : Rupture d'essieu de Viareggio (Italie) en 2009</figcaption></figure>
Les contrôles historiques sont réalisés en ultrasons conventionnels, à l'aide de traducteurs monoélément en parcours obliques (onde longitudinale et transversale) ciblant la zone à contrôler. Le schéma ci-dessous illustre cette application par la présentation d'un examen de portée de calage de roue contrôlée en deux examens complémentaires (Figure 16) :

* le premier ayant pour zone d'application du traducteur le corps de l'axe, en vert, pour le début de la zone à contrôler,

* le deuxième ayant pour zone d'application l'extrémité de l'axe, en rouge, pour la fin de la zone à contrôler.

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 16 : Contrôle par ultrasons conventionnels d'une portée de calage de roue (traducteurs mono-élément).</figcaption></figure>

Ces contrôles ultrasons conventionnels nécessitent des déplacements des traducteurs de manière à balayer la totalité de la zone à contrôler ; par exemple pour le traducteur à angle sur le corps (en vert) le déplacement est axial et circonférentiel. Par ailleurs, la visualisation opérateur est un simple Ascan à observer en direct.

L'idée d'employer un traducteur multiéléments pour cette application consiste à couvrir l'intégralité de la zone à contrôler grâce au balayage sectoriel électronique permettant d'éliminer le balayage axial ; reste alors le déplacement circonférentiel (Figure 17).

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 17 : Balayage sectoriel d'une portée de calage de roue avec un traducteur multiéléments en position fixe</figcaption></figure>

Le système comprend un appareil ultrasons multiéléments et un traducteur de 32 éléments, un sabot de pré-angle irrigué, un bras porte-sonde comprenant un codeur et un chariot intégrant le tout ainsi qu'un système d'irrigation basse pression (Figure 18).

Le couplant est composé d'eau avec un additif anti-oxydant afin de préserver l'axe qui a été grenaillé avant le contrôle.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 18 : Equipement SUMAX AEF en cours d'essais</figcaption></figure>

Le paramétrage ultrasons présente un balayage sectoriel de 37° à 63° sur lequel un équilibrage est réalisé avec une pièce de référence de manière à homogénéiser la sensibilité sur toute la plage angulaire. Après un réglage de sensibilité, un balayage circonférentiel en position axiale fixe est réalisé sur l'axe à contrôler (Figure 19).

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 19 : Balayage circonférentiel en position axiale fixe</figcaption></figure>
Les preuves de performance sont réalisées sur un axe étalon comportant des fissures artificielles de 2 mm de profondeur : en début (F1), au milieu (F2) et en fin de zone (F3) à contrôler (Figure 20). Les fissures F5 et F4 placées dans les congés adjacents (hors zone à contrôler) peuvent apparaître également et sont une preuve de recouvrement avec le contrôle magnétoscopie réalisé sur les zones accessibles.

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 20 : Plan de l'axe étalon avec les fissures 2mm de profondeur</figcaption></figure>

Grace à l'odomètre, le codage circonférentiel permet de générer une cartographie de la zone contrôlée (Figure 21) : la portée de calage de roue représentée en rouge, avec :

* en abscisse : les 360° de circonférence de l'axe plus environ 20° de recouvrement,

* en ordonnée : la longueur de la portée de calage ; ici 170mm.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 21 : cartographie de la portée de calage roue</figcaption></figure>

La ligne rouge en bas de la cartographie est générée par la géométrie de l'axe : réflecteur dû au coin de la portée de calage de roue. Cet écho normal est par définition circonférentiel ; sa présence et son homogénéité sont la preuve de la qualité du couplage ultrasons.

Cette cartographie est le résultat synthétique d'un volume de données ultrasons très important : plus de 30000 Ascans sont enregistrés puis traités.

Il est alors possible de post-traiter les données afin de caractériser les indications en position (parcours sonores et distance projetée) et en importance relative (hauteur d'écran en %).

La Figure 22 ci-dessous présente la caractérisation du défaut F1 en début de portée de calage, optimisé pour un angle de 43,40° et d'une hauteur d'écran de 74,6%.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 22 : Caractérisation du défaut F1 en début de portée de calage de roue</figcaption></figure>

Le système SUMAX est en cours de développement avant un déploiement en production de maintenance dans les technicentres de maintenance industriels.

Les difficultés techniques sont nombreuses en raison des fortes contraintes de l'application :

* distances de sondage importantes de l'ordre de 500mm d'acier ; c'est globalement 10 fois supérieur aux applications soudures !

* grande ouverture du faisceau ultrasonore (37° à 63°) nécessitant une grande dynamique de pondération du gain lors de l'équilibrage en angle de la sonde.

* les éléments de calage tels que les roues génèrent des échos normaux dont les trajets sont difficiles à identifier.

* la grande sensibilité du contrôle : une fissure de 2mm à une distance de 500mm environ réduit la qualité du rapport signal sur bruit.

En raison de ces spécificités, le réglage des paramètres ultrasons est très délicat. L'équilibrage du balayage sectoriel apparaît comme un élément clé de la performance du contrôle.

Au-delà des difficultés techniques, l'évolution des contrôles UT conventionnels vers la technique UT multiéléments est un bouleversement pour les ingénieries qui doivent mettre à jour la documentation de maintenance avec les nouveaux modes opératoires. Les opérateurs en production ont également besoin d'un accompagnement de ces nouveaux outils sur le terrain.

## 5. Conclusion

Cet éventail d'applications de contrôle ultrasons multiéléments montre l'avancée du déploiement de la technique en maintenance ferroviaire.

Les examens ultrasons multiéléments sont très rapides ; en général seulement quelques secondes pour balayer la zone à contrôler. Le facteur limitant sur les opérations en
production devient alors tout autre : manutention des organes, déplacement du matériel, nettoyage de la pièce,...
Les gains en production sont nombreux :

* temps d'immobilisation des trains réduits,

* sensibilité de contrôle élevée,

* bonne fiabilité de l'examen notamment en raison de la qualité du couplage ultrasons à l'eau,

* qualité du contrôle traçable grâce aux cartographies générées par les équipements,

* bonne ergonomie pour les opérateurs.

Le matériel est néanmoins plus couteux et il est nécessaire de prévoir des formations complémentaires pour les opérateurs END.

Pour chacune des problématiques, les défis de développement des équipements consistent à ajuster les éléments de contrôle aux spécificités propres au domaine ferroviaire.

Fort de ces premiers éléments ultrasons multiéléments pour les contrôles volumiques, le domaine ferroviaire s'oriente également vers des développements d'examen surfaciques en multiéléments par courants de Foucault.

Les nouvelles séries de train telles que le TGV du futur et le RER nouvelle génération pourront alors bénéficier de ces avancées technologiques en contrôle non destructif.