FR3071781A1 - Systeme de surveillance de l'usure d'une bande de frottement d'un pantographe - Google Patents

Systeme de surveillance de l'usure d'une bande de frottement d'un pantographe Download PDF

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Fabrice Lamide
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Faiveley Transport Tours SAS
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Abstract

Système de surveillance de l'usure de la bande d'usure de la bande de frottement (226) d'un pantographe d'un véhicule, le pantographe comportant un châssis monté sur une caisse dudit véhicule, un archet (208) et des moyens de liaison entre le châssis et l'archet, l'archet comprenant une bande de frottement destinée à entrer en contact avec une caténaire, ledit système comprenant au moins un circuit primaire (301) destiné à être monté sur la caisse du véhicule, au moins un circuit secondaire (302) de type RLC destiné à être monté sur le pantographe ; ledit circuit primaire comprenant des moyens de mise en interaction fonctionnelle dudit circuit secondaire, ledit circuit secondaire comprenant ladite bande de frottement, ainsi que des moyens de connexion électrique, propres à relier ladite bande aux moyens de mise en interaction fonctionnelle ; ledit système comprenant en outre des moyens de contrôle de la réponse instantanée dudit circuit secondaire à ladite mise en interaction fonctionnelle. Ladite mise en interaction fonctionnelle peut être une excitation inductive.

Description

SYSTEME DE SURVEILLANCE DE L’USURE D’UNE BANDE DE FROTTEMENT D’UN PANTOGRAPHE
Domaine technique
La présente invention relève du génie mécanique et électrique et concerne le domaine des pantographes, en particulier pour un véhicule ferroviaire. Plus particulièrement, l’invention concerne les bandes de frottement des pantographes et les systèmes de surveillance de l’usure des bandes de frottement. Ces systèmes présentent un intérêt particulier dans la maintenance des trains afin de programmer le remplacement des pièces usées en atelier et ainsi éviter les problèmes de disponibilité en ligne.
Etat de la technique
Pour un véhicule ferroviaire muni d’un moteur de traction électrique, les pantographes assurent le contact électrique entre l’unité de traction (par exemple la locomotive) et la caténaire. Plus précisément, le pantographe comprend une pièce de frottement qui entre en contact mécanique frottant avec la caténaire. La pièce de frottement est une bande disposée horizontalement et sensiblement perpendiculaire à la caténaire. Cette pièce appelée aussi « bande de frottement » comprend une bande d’usure fixée sur un étrier qui est un support métallique qui sert comme embase pour la bande d’usure, et une bande d’usure, qui est un conducteur électrique apte à collecter et transmettre le courant électrique de la caténaire au pantographe, par l’intermédiaire de l’étrier, pour alimenter le système de traction électrique.
Afin d’assurer un contact électrique stable, le pantographe exerce contre la caténaire une force de pression. Cette force n’est pas constante mais peut dépendre, d’une part, du développement du pantographe (qui dépend de la hauteur de la caténaire par rapport à la voie ferroviaire), et, d’autre part, des effets aérodynamiques, ces derniers étant fonction du développement du pantographe, de la vitesse d’avancement du véhicule ferroviaire, et de la vitesse et direction du vent.
La bande d’usure est réalisée en un matériau conducteur électrique moins dur que la caténaire, afin d’éviter l’usure précoce de la caténaire ; ce matériau est typiquement un mélange à forte contenance de carbone. C’est donc la bande d’usure qui s’use de manière prépondérante : la bande de frottement est une pièce consommable qu’il faut remplacer régulièrement, sachant qu’il n’est normalement pas prévu de remplacer uniquement la bande d’usure. En cas de rupture de la bande d’usure, le contact électrique entre la caténaire et le pantographe peut s’interrompre : cela perturbe l’alimentation électrique du train, pouvant conduire à l’arrêt du train en rase campagne. La rupture de la bande d’usure peut conduire à la montée incontrôlée du pantographe, qui continuera à exercer une force contre la caténaire pendant l’avancement du train : ainsi la rupture de la bande d’usure peut provoquer l’endommagement de la caténaire par l’étrier ou par le pantographe, ou peut provoquer l’arrachement de la tête du pantographe. Cela représente un incident lourd qui nécessite l’intervention d’une équipe de techniciens sur le lieu, avec interruption de la circulation ferroviaire pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours.
L’usure de la bande d’usure n’est pas une simple fonction du nombre de kilomètres parcourus par le train : l’usure dépend de la force de pression de la bande de frottement contre la caténaire, de la vitesse du train, de la vitesse et direction du vent, des conditions météorologiques (pluie, neige givre, température), des arcs électriques qui peuvent se produire au cours du contact frottant entre la bande et la caténaire. Par ailleurs, une température excessive non seulement accélère l’usure de la bande, mais encore favorise le décollement de la zone de transition entre la bande d’usure et l’étrier.
Il existe des systèmes qui visent à détecter l’usure de la bande d’usure, pour permettre de la remplacer avant sa rupture. Typiquement cette détection doit se situer à un stade suffisamment précoce pour permettre au véhicule ferroviaire d’atteindre sa gare de destination, où le service technique peut ensuite procéder au remplacement de la bande de frottement. Même dans le cas où cet objectif n’est pas atteint, il serait déjà désirable que le dispositif de détection puisse empêcher le pantographe de monter en cas de rupture de la bande d’usure, pour éviter l’endommagement de la caténaire par le pantographe. Ces systèmes de détection sont de différentes natures.
De nombreux documents décrivent des systèmes dans lesquels la bande de frottement comprend une enceinte longitudinale étanche contenant un fluide, de sorte qu’en cas d’usure au-delà d’une certaine valeur, ou en cas de rupture de la bande d’usure, il y a perte d’étanchéité de ladite enceinte, entraînant la fuite ou un changement de pression dudit fluide. Cet évènement peut être détecté pour déclencher le retrait du pantographe. Dans les brevets GB 1 374 972 et GB 2 107 662 (Morganite Carbon) ladite enceinte est un tube en matériau plastique ou caoutchouc pouvant résister à la température de fonctionnement qui peut atteindre 200 °C. Dans FR 2 663 592 (Le Carbone Lorraine) l’enceinte est un tube en matériau carboné présentant les mêmes caractéristiques mécaniques que la bande d’usure. Dans US 5,189,903 (Hoffmann & Co), EP 0 402 666 A1 (Ringsdorff-Werke), et dans EP 0 394 972 A2 et EP 1 384 972 (Schunk Bahntechnik) l’enceinte est formée au moins en partie par les parois d’une rainure aménagée dans la partie inférieure de la bande de frottement. EP 0 872 374 A1 (Le Carbone-Lorraine) propose d’utiliser un tube étanche en aluminium ou cuivre, d’une dureté inférieure à 4 sur l’échelle de Mohs. Un autre dispositif utilisant un tube en laiton entaillé est décrit dans WO 2014/102508 (Mersen France Amiens).
Ces dispositifs présentent certains inconvénients. Ils doivent être reliés à un circuit de fluide, par exemple d’air comprimé, ce qui alourdit à la fois le dispositif et sa maintenance.
Ils ne permettent qu’un seul niveau de détection (intégrité de l’enceinte ou fuite de fluide), ce qui ne permet une maintenance prévisionnelle que lorsque le seuil d’usure de la bande de frottement qui déclenche la perte de fluide a été effectivement atteint.
Le principal inconvénient de ces systèmes automatiques d’abaissement d’urgence (connus sous le signe ADD = Automatic Drop Device) qui mettent en oeuvre la détection pneumatique associée à un système de rétractation automatique est qu’ils entraînent une descente automatique du bras du pantographe afin d’éviter des dommages importants du matériel roulant et/ou de l’infrastructure; cela perturbe l’alimentation du véhicule ferroviaire et impacte la disponibilité du train
D’autre part comme ces systèmes font appel à un circuit d’air comprimé dont les véhicules légers de type tramway ne sont pas équipés, cette solution ne peut s’appliquer tous les segments du secteur ferroviaire.
EP 0 525 595 A1 (Siemens AG) décrit une bande de frottement dans laquelle ont été noyées des fibres optiques à une profondeur différente. Au fur et à mesure que l’épaisseur de la bande d’usure diminue par l’usure, les fibres optiques sont endommagées. Par des moyens optiques on peut ainsi en déduire autant de niveaux d’usure de la bande de frottement qu’il y a de fibres optiques à une profondeur différente. Cela donne une certaine idée de l’épaisseur de bande de frottement restante, mais cette solution est techniquement assez compliquée, à la fois pour la fabrication de la bande de frottement et pour le système de détection optique. WO 2006/065 985 (Pantrac GmbH) propose de percer des trous borgnes sur la partie inférieure de la bande d’usure ; l’usure de ces trous peut être relevée par une fibre optique noyée dans le trou. L’utilisation de trous d’une profondeur différente peut permettre de détecter plusieurs niveaux d’usure, mais ce dispositif optique est complexe et ne permet une surveillance que dans des zones discrètes de la bande.
D’une manière générale, le pantographe d’un engin de traction ferroviaire, et surtout dans le cas d’un train à grande vitesse, représente un environnement très perturbé sur le plan mécanique (vitesse, vent, vibration, gel), thermique (températures d’été et d’hiver, température augmentée dû au frottement) électrique (haute tension, fort courant, arc électrique, humidité, neige) et électronique (champ électromagnétiques, machines électriques tournantes, transformateurs, rupteurs) : ce n’est pas un environnement propice pour installer des dispositifs métrologiques de précision. Par ailleurs, ce n’est pas un environnement spécialement accessible pour la maintenance : Toute intervention humaine sur le pantographe doit suivre des procédures rigoureuses pour ne pas mettre en danger le personnel ; le respect de ces procédures rallonge la durée de l’intervention.
Il existe manifestement un besoin pour un dispositif de surveillance de l’usure de la bande de frottement qui soit simple et robuste et qui permette une surveillance continue et en temps réel sans impacter la disponibilité de l’équipement, et qui puisse être utilisé également sur des véhicules légers de type tramway, non équipés de circuit à air comprimé.
Objets de l’invention
Selon l’invention, le problème a été résolu par un système qui mesure la résonance d’un circuit secondaire au niveau du pantographe, et qui est excité par un circuit primaire intégré au niveau du véhicule ferroviaire. Ledit circuit secondaire est un circuit résistif ; il est passif et ne comporte aucun composant électronique. A cette fin, la bande de frottement contient un élément conducteur isolé électriquement du reste de la bande et qui fait partie de la boucle électrique que constitue le circuit secondaire.
Un premier objet de l’invention est un système de surveillance de l’usure de la bande d’usure de la bande de frottement d’un pantographe d’un véhicule, dans lequel le pantographe comporte un châssis, un archet et des moyens de liaison, notamment d’articulation, entre le châssis et l’archet, ledit châssis étant monté sur une caisse dudit véhicule, et ledit archet comprend une bande de frottement comportant une bande d’usure destinée à entrer en contact avec une caténaire ; ledit système comprend au moins un circuit primaire destiné à être monté sur la caisse du véhicule, et au moins un circuit secondaire de type RLC destiné à être monté sur le pantographe ; ledit circuit primaire comprend des moyens de mise en interaction fonctionnelle dudit circuit secondaire, et ledit circuit secondaire comprend ladite bande de frottement, ainsi que des moyens de connexion électrique, propres à relier ladite bande aux moyens de mise en interaction fonctionnelle ; et ledit système comprenant en outre des moyens de contrôle de la réponse instantanée dudit circuit secondaire à ladite mise en interaction fonctionnelle.
Selon un mode de réalisation, ladite mise en interaction fonctionnelle est une excitation inductive. Lesdits moyens de mise en interaction fonctionnelle entre ledit circuit primaire et ledit circuit secondaire peuvent comprendre une inductance dite primaire appartenant au circuit primaire, et une inductance dite secondaire appartenant au circuit secondaire.
Ledit système peut comprendre en outre des moyens d’alerte qui seront activés lorsque ladite réponse instantanée se situe en dehors d’une plage prédéterminée de réponses. Ladite plage prédéterminée de réponses peut comprendre la présence d’un signal d’une certaine intensité. Dans ce cas lesdits moyens d’alerte seront activés lorsque l’intensité dudit signal devient inférieure à une valeur prédéterminé, ou disparaît complètement.
Ledit circuit secondaire comprend des moyens de connexion électrique, notamment de type filaire, aptes à connecter ledit insert et les moyens de mise en interaction fonctionnelle.
Selon un mode de réalisation le système de surveillance selon l’invention est caractérisé en ce que le ou chaque circuit secondaire comprend au moins un insert, monté dans la bande de frottement, ledit insert étant réalisé en un matériau présentant une meilleure conductivité électrique que le matériau de la bande d’usure, ledit insert étant placé à distance de la caténaire en fonctionnement normal du véhicule, et ledit insert étant électriquement isolé par rapport au matériau de la bande d’usure.
Dans une variante de ce mode de réalisation on prévoit deux inserts, chaque insert appartenant à un circuit secondaire respectif, un premier insert étant tourné vers la caténaire en fonctionnement normal du véhicule de manière à fournir un premier degré d’alerte, alors que le deuxième insert est opposé à la caténaire en fonctionnement normal du véhicule de manière à fournir un deuxième degré d’alerte. Le premier circuit secondaire comprend ledit premier insert, des premiers moyens de mise en interaction fonctionnelle, et des premiers moyens de connexion électrique, alors qu’un deuxième circuit secondaire comprend ledit deuxième insert, des deuxièmes moyens de mise en interaction fonctionnelle, et des deuxièmes moyens de connexion électrique.
Ces inserts peuvent être réalisés en cuivre.
Le système de surveillance selon l’invention peut comprendre en outre des moyens de retrait dudit pantographe, propres à retirer le pantographe de la caténaire, en réponse aux moyens d'alerte. Ces moyens peuvent être notamment de nature électrique (tel qu’un moteur électrique) ou de nature pneumatique.
Un autre objet de l’invention est un procédé de mise en oeuvre du système de surveillance selon l’invention, dans lequel on excite le circuit secondaire au moyen du circuit primaire, on contrôle la réponse instantanée dudit circuit secondaire à ladite excitation, on détecte au moins une occurrence, pour laquelle ladite réponse instantanée se situe en dehors d’une plage prédéterminée de réponses, et on identifie au moins un dysfonctionnement de la bande de frottement, à partir de cette détection. De manière avantageuse, on excite le circuit secondaire à une fréquence voisine de la fréquence de résonance dudit circuit secondaire.
Dans un premier mode de réalisation de ce procédé de mise en oeuvre, un premier dysfonctionnement de la bande de frottement peut correspondre à la mise en contact de la caténaire avec au moins un insert. Dans une variante de ce mode de réalisation de ce procédé de mise en œuvre, on identifie la mise en contact de la caténaire avec ledit premier insert et on ne retire pas le pantographe de la caténaire, de manière à autoriser la poursuite de l’avancement du véhicule.
Dans un deuxième mode de réalisation de ce procédé de mise en œuvre, le système de surveillance comprend deux inserts, chaque insert appartenant à un circuit secondaire respectif, et on identifie la mise en contact de la caténaire avec ledit deuxième insert et on retire le pantographe de la caténaire.
Un dernier objet de l’invention est véhicule ferroviaire comprenant une caisse et un pantographe, ledit pantographe comportant un châssis, un archet et des moyens de liaison, notamment d’articulation, entre le châssis et l’archet, ledit châssis étant monté sur ladite caisse dudit véhicule, l’archet comprenant une bande de frottement destinée à entrer en contact avec une caténaire, caractérisé en ce que le véhicule comprend en outre un système de surveillance selon l’invention, le circuit primaire dudit système de surveillance étant monté sur la caisse du véhicule et le circuit secondaire dudit système de surveillance étant monté sur le pantographe.
DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures 1 à 7 illustrent des modes de réalisation de l’invention, mais ne limitent pas la portée de l’invention.
La figure 1 est une vue de profil d’un véhicule ferroviaire mettant en œuvre l’invention.
La figure 2 est une vue de profil d’un pantographe du véhicule ferroviaire de la figure 1.
La figure 3 montre de manière schématique le dispositif selon l’invention.
La figure 4 montre de manière schématique un pantographe selon l’invention avec les systèmes qui constituent le circuit secondaire d’un circuit RLC.
La figure 5(a) montre de manière schématique une bande de frottement selon l’invention, comprenant un élément résistif.
La figure 5(b) montre de manière schématique une bande de frottement selon l’invention, comprenant deux éléments résistifs distincts.
La figure 6 montre la réponse d’un circuit RLC en fonction de la fréquence d’excitation.
La figure 7 montre de manière schématique l’évolution de l’intensité dans un circuit RLC en fonction de la résistance du circuit secondaire.
Les repères numériques suivants sont utilisés dans les figures :
100 Véhicule ferroviaire 230 Câble
102 Voie ferroviaire 300,500 Système selon l’invention
104 Caténaire 301 Circuit primaire
106 Toit du véhicule 100 302 Circuit secondaire
108 Pantographe 303 Couplage inductif
202 Châssis du pantographe 108 310 Système électronique de contrôle
204 Cadre du châssis 202 320 Insert conducteur
206 Isolateurs électriques 321 Bande d’usure
208 Archet 410 Capacité
210 Bras articulé 420 Inductance du circuit secondaire
214 Tige inférieure principale 430 Inductance du circuit primaire
216 Tige supérieure principale 501 Circuit primaire
218 Tige inférieure auxiliaire 502 Circuit secondaire
220 Tige supérieure auxiliaire 504,505 Couplage inductif
224 Dispositif de compensation 510,511 Insert conducteur
222 Dispositif de rappel 520 Bande d’usure
226 Bande de frottement 531,532 Inductance du circuit primaire
224 Dispositif de déploiement 515,561, 562 Pont de matière (bande d’usure)
226 Bande de frottement
Description
En référence à la figure 1, un véhicule ferroviaire 100 mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit. Le véhicule ferroviaire 100 est conçu pour circuler sur une voie ferroviaire 102 au-dessus de laquelle s’étend une caténaire 104 dans laquelle passe un courant électrique d’alimentation. Le véhicule ferroviaire 100 comporte un toit 106 sur lequel est fixé un pantographe 108 conçu pour capter le courant électrique d’alimentation de la caténaire 104 et ainsi alimenter électriquement le véhicule ferroviaire 100.
En référence notamment à la figure 2, le pantographe 108 va à présent être décrit plus en détail. Ce pantographe représente un mode de réalisation typique selon l’état de la technique et ne comporte pas de système de surveillance de l’usure de la bande de frottement.
Le pantographe 108 comporte un châssis 202 fixé au toit 106 du véhicule ferroviaire 100. Dans l’exemple décrit, le châssis 202 comporte un cadre 204 et des isolateurs électriques
206 reliant le cadre 204 au toit 106 du véhicule ferroviaire 100. Le pantographe 108 comporte en outre un archet 208 destiné à être au contact de la caténaire 104 afin de capter le courant d’alimentation.
La caténaire 104 est située verticalement à une distance du châssis 202 qui peut fortement varier. Par exemple, cette distance peut varier entre 600 mm et 3 600 mm.
Pour pallier les variations de la distance entre la caténaire 104 et le châssis 202, le pantographe 108 comporte en outre un bras articulé 210 reliant l’archet 208 au châssis 202, de sorte que l’archet 208 se trouve à une distance D variable du châssis 202. Le bras articulé 210 est conçu pour se développer verticalement afin de déplacer l’archet 208 par rapport au châssis 202 dans le but de maintenir l’archet 208 au contact de la caténaire 104. Ainsi, le bras articulé 210 est conçu pour, d’une part, se développer verticalement afin d’écarter l’archet 208 du châssis 202 lorsque la distance entre la caténaire 104 et le châssis 202 augmente et, d’autre part, se replier verticalement afin de rapprocher l’archet 208 du châssis 202 lorsque la distance entre la caténaire 104 et le châssis 202 diminue.
Dans l’exemple décrit, le bras articulé 210 est en deux parties et comporte une tige inférieure principale 214 (montée transversalement pivotante sur le châssis 202, par exemple, sur le cadre 204) présentant un angle A1 avec la direction longitudinale, ainsi qu’une une tige supérieure principale 216 montée transversalement pivotante sur la tige inférieure principale 214 et présentant un angle A2 avec la direction longitudinale. L’archet 208 est monté transversalement pivotant sur la tige supérieure principale 216.
Le bras articulé 210 comporte en outre une tige inférieure auxiliaire 218 montée transversalement pivotante sur le châssis 202 (par exemple, sur le cadre 204) et sur la tige supérieure principale 216, de manière à asservir l’angle A2 de la tige supérieure principale 216 à l’angle A1 de la tige inférieure principale 214, de sorte que l’augmentation de l’angle A1 entraîne l’augmentation de l’angle A2.
Le bras articulé 210 comporte en outre une tige supérieure auxiliaire 220 montée transversalement pivotante sur la tige inférieure principale 214 et sur l’archet 208, de manière à ce que l’archet 208 garde un angle sensiblement constant avec la direction longitudinale L quel que soit le développement du bras articulé 210.
Le pantographe 108 comporte en outre un dispositif de rappel 222 conçu pour inciter le bras articulé 210 à se développer. Ainsi, l’archet 208 est maintenu au contact de la caténaire 104. Le dispositif de rappel 222 comporte par exemple un coussin d’air, un ressort ou bien un moteur électrique. Par ailleurs, le pantographe 108 comporte un dispositif de déploiement 224 permettant de déployer ou de retirer le pantographe selon le besoin de service du véhicule ferroviaire.
L’archet 208 montré sur la figure 2 est archet double : il porte à son sommet deux bandes de frottement 226 qui se trouvent en contact mécanique frottant avec la caténaire 104 lorsque le pantographe 108 est déployé ; elles assurent le contact électrique dynamique entre la caténaire 104 et le pantographe 108.
En référence à la figure 3, le système 300 selon l’invention comprend un circuit primaire 301 et un circuit secondaire 302 reliés entre eux par un couplage inductif (symbolisé par le repère 303). Le circuit primaire 301 comprend un système électronique de contrôle 310 localisé de préférence à l’intérieur du véhicule ferroviaire 100 portant le pantographe 108. Le circuit secondaire 302 comporte un système résonnant 320 représenté par le pantographe 108 ; il comprend notamment la bande de frottement 226.
Nous décrivons ici en détail le fonctionnement de la surveillance par résonance à l’aide du système 300 en relation avec la figure 4 qui montre un pantographe à archet simple, avec une seule bande de frottement 226. Le circuit secondaire 302 du système comprend le pantographe 108 ; il se comporte comme un circuit comprenant une résistance électrique, une inductance et une capacité (circuit connu sous le sigle RLC), dans lequel :
La résistance (R) est composée par la résistance R^ du câblage de la boucle électrique du pantographe 108 et surtout de la résistance R2du conducteur intégré à la bande de frottement 226 dont la valeur augmente avec la température de ladite bande de frottement ;
La capacité (C) est intégrée au circuit secondaire 302 ;
L’inductance (L) résulte du couplage 303 du circuit secondaire 302 avec le circuit primaire 301.
Sur la figure 4 le câblage de la boucle électrique du pantographe 108 est représenté par le repère 230, la capacité par le repère numérique 410, l’inductance du circuit secondaire par le repère numérique 420, l’inductance du circuit primaire par le repère numérique 430. Le conducteur 510 intégré à la bande de frottement est montré sur la figure 5.
Avantageusement la résistance R2 représente plus de 90 % de la résistance du circuit secondaire ; cela permet d’améliorer la précision de la surveillance. Dans la plage des températures opératoires, la résistance R2 évolue typiquement entre 100 % et 140 %.
Le circuit secondaire 302 est excité par le circuit primaire 301 avec une fréquence qui correspond à la fréquence de résonance du circuit secondaire afin de maximiser l’amplitude de la réponse en intensité du circuit secondaire, ce qui permet d’optimiser la sensibilité du système de surveillance du courant du secondaire. La fréquence de résonance f0 d’un circuit RLC est donnée par l’équation f0 = (1/2tt) V(LC). La réponse en intensité d’un circuit RLC en fonction de la fréquence d’excitation rnest représentée sur la figure 6.
La surveillance de la réponse en intensité du circuit secondaire selon l’invention est basée sur deux principes :
(i) Surveillance de l’usure et/ou de l’endommagement de la bande de frottement : Le circuit secondaire arrête d’osciller dès que le conducteur de la bande de frottement est sectionné et ouvre le circuit ; selon le positionnement dudit conducteur 510 au sein de la bande de frottement 226 cet évènement est interprété comme l’atteinte du niveau d’usure ou comme l’endommagement de la bande de frottement ; dans le deuxième cas on peut prévoir que le dispositif de déploiement 224 retire le pantographe 108 de la caténaire 104 pour protéger cette dernière.
(ii) Surveillance de la température de la bande de frottement :
La résistance du circuit secondaire 302 augmente avec la température de la bande de frottement 226. L’intensité / dans le circuit secondaire 302 évolue selon la formule
I = l0 / V[/?2+(wL - 1/a>C)].
Dans le cas où la fréquence d’excitation est la fréquence propre du circuit, la formule devient : 1= l0/ R.
Dans la plage de température surveillée, le courant va donc évoluer dans une plage de 100 % à 73 %. Plus la température de la bande de frottement 226 augmente, plus la résistance du circuit secondaire 302 augmente, plus l’intensité du circuit secondaire baisse. La figure 7 montre l’évolution de l’intensité dans un circuit RLC en fonction de la résistance du circuit pour trois valeurs de résistance : résistance élevée (courbe (a), résistance élevée (courbe (c), résistance moyenne (courbe (b)).
Selon l’invention, à la mise en service du système 300, la température extérieure et la résistance du circuit secondaire 302 sont mesurés. La mesure de la température peut se faire par une sonde de température (non montrée sur les figures) à l’arrêt, en l’absence de toute perturbation électrique. L’évolution de l’intensité du circuit secondaire 302 permet alors de connaître la température atteinte par la bande de frottement en service.
La surveillance de la température au cœur de la bande de frottement en temps réel permet d’identifier les zones du réseau où la commutation est difficile et permet de générer une alerte en cabine si la température dépasse un certain seuil. Il est alors possible d’adapter la vitesse du train ou bien de prévoir une intervention d’ajustement de la tension de la caténaire. Un enregistrement de ces données par l’enregistreur d’évènement du train permet d’autre part de garder un historique des conditions de circulation et d’élaborer à terme des modèles de vieillissement de la bande carbone.
La figure 5(a) montre de manière schématique une bande d’usure 321 d’une bande de frottement selon l’invention, comprenant un élément conducteur isolé 510 unique. Cet élément conducteur 510 forme un insert noyé dans l’épaisseur de la bande d’usure 321, mais électriquement isolé de son environnement (i.e. de la bande d’usure et de l’étrier). Sa conductivité électrique doit être meilleure que celle du matériau de la bande d’usure 321 ; ainsi l’usure de la bande d’usure par la caténaire ne modifie pas la fréquence propre du circuit secondaire, qui reste déterminée par la conductivité électrique de llnsert.
L’insert 510 peut être réalisé en cuivre. Il peut s’agir par exemple d’un fil ou d’une lamelle. Son montage dans le corps de cette bande peut être réalisé par tout moyen approprié. A titre d’exemple, on peut aménager dans la bande d’usure une rainure et poser un fil conducteur isolé dans cette rainure, qui est ensuite scellée avec une colle, une résine ou une pâte carbonée.
L’insert 510 appartient au circuit secondaire du système selon l’invention. En fonctionnement normal du véhicule, ledit insert 510 est placé à distance de la caténaire. En d’autres termes, il est séparé de la caténaire au moyen d’un pont 515 de matière, appartenant au corps de la bande d’usure. L’épaisseur de ce pont 515 de matière est comprise entre 10 mm et 50 mm, dans le cas où la bande de frottement est neuve. Au fur et à mesure de l’utilisation du véhicule, la bande de frottement est soumise à une usure du fait de son contact avec la caténaire, et son épaisseur diminue. À un certain moment, le pont 509 de matière disparaît totalement, de sorte que l’insert 510 se trouve en contact avec la caténaire. On détecte alors une réponse anormale du circuit secondaire 302, à l’égard de l’excitation émise par le circuit primaire ; cette réponse anormale étant caractérisée par un arrêt de l’oscillation du circuit secondaire 302 qui est alors ouvert. Cette information est alors récupérée par le système de déploiement du pantographe qui déclenche un retrait du bras du pantographe, replaçant ainsi le système classique de l’ADD. Cette variante du système est adaptée aux applications de type tramway.
La figure 5(b) montre de manière schématique une bande d’usure 520 d’une bande de frottement selon une variante de l’invention, comprenant deux inserts 510,511 résistifs, noyés chacun à une épaisseur différente de la bande d’usure 521. Chaque insert 510,511 appartient à un circuit secondaire 501,502 respectif, à savoir qu’on retrouve deux circuits secondaires distinct possédant des câblages séparés. Chaque circuit secondaire 501,502 est destiné à être excité par l’intermédiaire d’un circuit primaire respectif. En d’autres termes, dans ce mode de réalisation, le système de surveillance comprend deux circuits primaires distincts, dont les structures sont analogues. Chacun de ces circuits primaires possède sa propre inductance 531,532 dont les valeurs peuvent être identiques ou différentes. Chacun de ces circuits primaires est relié à son circuit secondaire par couplage inductif 504,505.
Le premier insert 510, tourné vers la face 560 de la bande d’usure 520 en contact avec la caténaire, est dénommé insert externe. Par ailleurs, le deuxième insert 511, opposé à cette face de contact, est dénommé insert interne. Comme dans le premier mode de réalisation, l’insert externe 510 est séparé de la caténaire par un premier pont 561 de matière, appartenant à la bande de frottement. Par ailleurs, les deux inserts respectivement interne et externe sont séparés par un deuxième pont 562 de matière, formé dans cette bande de frottement. Ces deux inserts présentent des épaisseurs, qui sont analogues à celles de l’insert unique du premier mode de réalisation.
Dans un exemple, on a réalisé un système de surveillance de l’usure de la bande d’usure d’une bande de frottement d’un pantographe selon l’invention avec un insert 510 conducteur en cuivre d’une épaisseur d’environ 0,4 mm. Dans le circuit secondaire de type RLC, la valeur de l’inductance L était de l’ordre de 15 mH, la valeur de la capacité C était de l’ordre de 100 pF, et la valeur de la fréquence de résonance était de l’ordre de 13 000 Hz.
Nous décrivons ici une utilisation d’un système 500 de surveillance de l’usure de la bande de frottement avec deux niveaux de détection.
Contrairement au premier mode de réalisation, lorsque que la caténaire entre en contact avec l’insert externe 510, une simple alerte est donnée à l’opérateur pour lui indiquer qu’un changement de la bande de frottement est à programmer. Le véhicule peut cependant continuer à rouler car le pont de matière 562 restant le permet. Si l’opération de maintenance n’est pas effectuée consécutivement à cette première alerte, la caténaire peut alors entrer en contact avec l’insert interne 511. Dans cette occurrence, l’information est récupérée par le système de déploiement du pantographe qui déclenche un retrait du bras du pantographe, afin de ne pas mettre en danger la caténaire.
Le système 300,500 selon l’invention présente de nombreux avantages. II permet d’identifier un arrachement de la bande de frottement 226 ou de sa bande d’usure 321,520, ou l’atteinte d’un certain niveau d’usure : le circuit secondaire 302 arrêtera alors d’osciller (le circuit secondaire s’ouvre). II permet également de déterminer la température de la bande de frottement 226 et de connaître ainsi la qualité de commutation entre la bande 226 et la caténaire 104 : l’amplitude du signal sera alors diminuée. II permet de s’affranchir de l’installation de détecteurs dans la tête du pantographe et dans la bande de frottement, qui est un endroit exposé et perturbé (chocs, arcs électriques, pollution électromagnétique, températures ponctuellement élevées). Le circuit primaire mesure la réponse en amplitude du circuit secondaire pour en déduire l’évolution de l’état de la bande de frottement (rupture, montée en température, niveau d’usure, épaisseur résiduelle). Le pantographe ne comprend pas de dispositifs de mesure additionnels (sauf, peut-être, la sonde de température, qui n’a cependant pas besoin d’être localisé dans le pantographe) ; la pièce de frottement doit simplement comprendre un insert à haute conductivité, qui est un composant passif. Les circuits primaire et secondaire ne sont pas perturbés par les nombreux facteurs de perturbation présents dans l’environnement proche.
Ce système peut remplacer ou bien venir en complément d’un système automatique d’abaissement d’urgence (ADD) de type connu. Il est plus léger, plus simple et plus facile à monter et à démonter qu’un système à circuit pneumatique.
Il permet d’apporter un équivalent au système ADD sur les véhicules de type tramway qui sont dépourvus de circuit d’air comprimé.
La présente invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment, mais 10 est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
Par ailleurs, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être compris comme limités aux éléments du mode de réalisation décrit précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l’homme du métier peut déduire à partir de ses connaissances générales.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (300,500) de surveillance de l’usure de la bande d'usure (321, 520) d’une bande de frottement (226) d’un pantographe (108) d’un véhicule (100), le pantographe
    5 comportant un châssis (202), un archet (208) et des moyens de liaison, notamment d’articulation, entre le châssis et l'archet, ledit châssis étant monté sur une caisse dudit véhicule, l’archet comprenant une bande d’usure destinée à entrer en contact avec une caténaire (104), ledit système comprenant
    10 - au moins un circuit primaire (301) destiné à être monté sur la caisse du véhicule, au moins un circuit secondaire (302) destiné à être monté sur le pantographe ;
    ledit circuit primaire comprenant des moyens de mise en interaction fonctionnelle dudit circuit secondaire, ledit circuit secondaire comprenant ladite bande de frottement (226), ainsi que des 15 moyens de connexion électrique, propres à relier ladite bande aux moyens de mise en interaction fonctionnelle ;
    ledit système comprenant en outre
    - des moyens de contrôle de la réponse instantanée dudit circuit secondaire à ladite mise en interaction fonctionnelle.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mise en interaction fonctionnelle est une excitation inductive.
  3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens 25 d’alerte qui seront activés lorsque ladite réponse instantanée se situe en dehors d'une plage prédéterminée de réponses.
  4. 4. Système de surveillance selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lequel lesdits moyens de mise en interaction fonctionnelle entre ledit circuit primaire et ledit
    30 circuit secondaire comprennent une inductance dite primaire (430) appartenant au circuit primaire, et une inductance dite secondaire (420) appartenant au circuit secondaire.
  5. 5. Système de surveillance selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou chaque circuit secondaire comprend au moins un insert (510,511), monté dans la
    35 bande de frottement, ledit insert étant réalisé en un matériau présentant une meilleure conductivité électrique que le matériau de la bande de frottement, ledit insert étant placé à distance de la caténaire en fonctionnement normal du véhicule, et ledit insert étant électriquement isolé par rapport au matériau de la bande de frottement
  6. 6. Système de surveillance selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend des moyens de connexion électrique, notamment de type filaire, aptes à connecter ledit insert et les moyens de mise en interaction fonctionnelle.
  7. 7. Système de surveillance selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il comporte deux inserts, chaque insert appartenant à un circuit secondaire respectif, un premier insert étant tourné vers la caténaire en fonctionnement normal du véhicule de manière à fournir un premier degré d'alerte, alors que le deuxième insert est opposé à la caténaire en fonctionnement normal du véhicule de manière à fournir un deuxième degré d’alerte.
  8. 8. Système de surveillance selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel le ou chaque insert (510,511) est réalisé en cuivre.
  9. 9. Système de surveillance selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu’un premier circuit secondaire comprend ledit premier insert (510), des premiers moyens de mise en interaction fonctionnelle, et des premiers moyens de connexion électrique, alors qu’un deuxième circuit secondaire comprend ledit deuxième insert (511), des deuxièmes moyens de mise en interaction fonctionnelle, et des deuxièmes moyens de connexion électrique.
  10. 10. Système de surveillance selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens de retrait dudit pantographe (108), propres à retirer ie pantographe de la caténaire, en réponse aux moyens d'alerte.
  11. 11. Procédé de mise en œuvre du système de surveillance selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel :
    - on excite le circuit secondaire au moyen du circuit primaire,
    - on contrôle la réponse instantanée dudit circuit secondaire à ladite excitation,
    - on détecte au moins une occurrence, pour laquelle ladite réponse instantanée se situe en dehors d’une plage prédéterminée de réponses,
    - on identifie au moins un dysfonctionnement de la bande de frottement, à partir de cette détection.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel un premier dysfonctionnement de la bande de frottement (226) correspond à la mise en contact de la caténaire avec au moins un insert.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on identifie la mise en contact de la caténaire (104) avec ledit premier insert (510) et on ne retire pas le pantographe (108) de la caténaire, de manière à autoriser la poursuite de l’avancement du véhicule.
  14. 14. Procédé selon la revendication 12 dépendante de la revendication 7, dans lequel on 5 identifie la mise en contact de la caténaire (104) avec ledit deuxième insert (511) et on retire le pantographe (108) de la caténaire.
  15. 15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on excite le circuit secondaire à une fréquence voisine de la fréquence de résonance dudit circuit secondaire
  16. 16. Véhicule ferroviaire (100) comprenant une caisse et un pantographe (108), ledit 10 pantographe comportant un châssis (202), un archet (208) et des moyens de liaison, notamment d’articulation, entre le châssis et l’archet, ledit châssis étant monté sur ladite caisse dudit véhicule, l’archet comprenant une bande de frottement (226) destinée à entrer en contact avec une caténaire, caractérisé en ce que le véhicule comprend en outre un système de surveillance (300) 15 selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, le circuit primaire dudit système de surveillance étant monté sur la caisse du véhicule et le circuit secondaire dudit système de surveillance étant monté sur le pantographe.
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