FR3093115A1 - Dispositif mobile de chauffage d’un rail de voie ferrée par lampes électriques à rayonnement infrarouge et procédé de chauffage associé - Google Patents
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Abstract
Un dispositif mobile de chauffage d’un rail (12) d’une voie ferrée (2) est composé d’un module de chauffage (34) comportant au moins une zone de chauffage (28) et au moins une source de chaleur rayonnante (46) orientée vers la zone de chauffage (28) et d’un véhicule de transport (16) du module de chauffage (34). Une unité de chauffage (36) du module de chauffage (34) comporte des lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) aptes à émettre un rayonnement concentré dans l’infrarouge proche, équipées d’un réflecteur primaire (48) orienté pour réfléchir le rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement (46) vers la zone de chauffage (28). L’unité de chauffage (36) comporte également un réflecteur secondaire (50) présentant une surface réfléchissante concave entourant la zone de chauffage (28) et apte à renvoyer vers la zone de chauffage (28) des rayons réfléchis par le rail passant entre les lampes électriques à rayonnement infrarouge (42).
(Figure 4)
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention se rapporte au chauffage d’un rail d’une voie de chemin de fer, en vue de sa neutralisation ou de sa préneutralisation, avant sa fixation à une traverse de chemin de fer. Elle se rapporte à la fois à un dispositif mobile de chauffage se déplaçant le long de la voie et à un procédé de pose incluant un chauffage du rail.
Les rails des voies ferroviaires sont soumis à d’importantes variations de température selon les saisons et les conditions météorologiques. Les rails tendent à s’allonger et à se dilater sous l’effet d’une hausse de température, et, à l’inverse, à se contracter sous l’effet d’une chute de température.
Autrefois, on prévoyait des joints de dilatation entre rails successifs d’une file de rails de chemin de fer. De nos jours, les rails sont soudés bout à bout sur de très grandes longueurs et fixés ainsi sur les traverses de voie. Sous l’effet d’une température ambiante supérieure à la moyenne annuelle, les rails, ne pouvant se dilater, subissent une force de compression alors que les traverses subissent des efforts tendant à les écarter les unes des autres. À l’inverse, sous l’effet d’une température ambiante inférieure à la moyenne annuelle, les rails, ne pouvant se contracter, subissent une force de traction, alors que les traverses subissent des efforts tendant à les rapprocher les unes des autres.
Lorsque l’on ne maîtrise pas la température du rail lors de la pose, il est nécessaire de procéder à des opérations dites de « neutralisation » mécanique après la pose, et de limiter la vitesse de circulation tant que ces opérations ne sont pas finalisées. La neutralisation mécanique consiste à couper une tranche du rail dont l’épaisseur est fonction d’une différence constatée entre la température au moment de l’intervention et la température « neutre » du lieu, à déboulonner le rail et à le tendre à l’aide d’un tire-rail pour combler l’espace laissé par la tranche découpée, avant de reboulonner et le cas échéant de ressouder le rail. Tant que cette opération de neutralisation n’est pas intervenue, la vitesse de circulation sur la voie doit être limitée, le plus souvent à 50 km/h. On comprend qu’une telle organisation des travaux provoque des perturbations importantes du trafic, tant durant l’intervention de neutralisation que durant la phase précédente, entre la pose du rail et la neutralisation.
Une fixation directe des rails chauffés en continu à une valeur proche ou égale à la température « neutre » permet d’atteindre les meilleurs résultats en termes de minimisation des perturbations de trafic. On appelle une telle opération une neutralisation thermique.
Une solution de chauffe continue des rails exploitée à ce jour fait appel à la technologie de l’induction. Cette méthode permet d’obtenir des chauffes suffisamment précises pour garantir la pose des rails dans la tolérance exigée de la température « neutre ». On peut alors parler de neutralisation thermique directe fine. Mais le matériel nécessaire à l’intervention est relativement complexe, puisqu’il nécessite un générateur de puissance, ainsi qu’un refroidissement des circuits de puissance, du générateur et des inducteurs.
Pour les chantiers nécessitant une stabilisation ultérieure du ballast, il a été proposé une procédure de « pré-neutralisation » thermique, qui consiste à amener le rail, avant sa fixation aux traverses, à une température suffisamment proche de la température « neutre » du lieu, sans pour autant garantir l’atteinte de la température « neutre ». L’intérêt d’une telle « pré-neutralisation » est de permettre immédiatement une circulation à une vitesse de l’ordre de 80 km/h au lieu de 50 km/h, en attendant les opérations de neutralisation finale mécanique décrites précédemment. Une méthode pour effectuer cette préneutralisation thermique consiste à arroser les rails avec de l’eau chaude, solution simple, mais présentant néanmoins des inconvénients d’exploitation, notamment en termes de rendement et d’acheminement et d’évacuation de l’eau, qui réduisent son intérêt.
Par ailleurs, il a été proposé dans le document US6308635 de procéder à un chauffage du rail déjà posé au sol à l’aide d’un module de chauffage radiant électrique comportant des éléments chauffants électriques au carbure de silicium, chacun associé à un réflecteur parabolique dédié. Les performances d’un tel dispositif ne sont toutefois pas documentées.
L’invention vise à remédier aux inconvénients de l’état de la technique et à proposer un mode de chauffage qui soit puissant, précis en termes de quantité de chaleur transmise, et réactif dans les périodes transitoires, de changement de vitesse de pose ou de changement de température ambiante.
Pour ce faire est proposé, selon un premier aspect de l'invention, un dispositif mobile de chauffage d’un rail d’une voie ferrée, comportant : au moins un module de chauffage comportant au moins une zone de chauffage et au moins une source de chaleur rayonnante orientée vers la zone de chauffage ; et un véhicule de transport du module de chauffage, apte à circuler le long d’une voie ferrée suivant une direction de pose, de manière qu’à chaque instant une portion d’un rail de la voie ferrée, non fixée à une traverse de la voie ferrée, traverse la zone de chauffage suivant une direction de progression. De façon caractéristique, le module de chauffage comporte au moins une unité de chauffage, l’unité de chauffage comportant une pluralité de lampes électriques à rayonnement infrarouge réparties à la périphérie de la zone de chauffage et orientées vers la zone de chauffage, chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge comportant au moins une source de rayonnement apte à émettre un rayonnement infrarouge ayant un maximum de densité spectrale de puissance pour une longueur d’onde inférieure à 2µm, de préférence inférieure à 1,4µm, de façon très préférentielle inférieure à 1,2µm, et au moins un réflecteur primaire orienté pour réfléchir le rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement vers la zone de chauffage, la source de rayonnement étant disposée entre le réflecteur primaire et la zone de chauffage, directement en regard de la zone de chauffage, l’unité de chauffage comportant en outre un réflecteur secondaire présentant une surface réfléchissante concave entourant la zone de chauffage et apte à renvoyer vers la zone de chauffage des rayons réfléchis passant entre les lampes électriques à rayonnement infrarouge.
Un rail de chemin de fer en acier présente une absorbance qui augmente lorsque la longueur d’onde diminue, au moins pour les longueurs d’onde supérieures à 0,5 µm. En sélectionnant des lampes à infrarouge dont le pic de rayonnement se situe dans l’infrarouge proche (notamment IR A ou NIR), on obtient une meilleure absorption que pour des lampes qui émettent dans l’infrarouge moyen ou lointain.
La présence de réflecteurs primaires individualisés et d’un réflecteur secondaire commun permet d’augmenter considérablement le rendement, en renvoyant vers le rail le rayonnement que celui-ci réfléchit.
En effet, une partie du rayonnement incident sur le rail, est réfléchie par celui-ci. Ceci est particulièrement vrai pour le dessus du rail qui est brillant, et pour lequel le taux de réflexion peut atteindre 65%. Le réflecteur primaire intégré à chaque lampe à infrarouge est destiné en premier lieu à diriger le rayonnement émis par la lampe vers le rail, mais il a également une fonction de réflecteur secondaire pour rediriger vers le rail le rayonnement que le rail à précédemment réfléchi. Le réflecteur secondaire commun vient compléter l’action des réflecteurs primaires pour rediriger vers le rail le rayonnement qui n’a pas été absorbé. Cette disposition permet d’obtenir un très bon rendement avec des lampes qui ne sont pas jointives.
Les lampes électriques à rayonnement infrarouge proches présentent un temps de réponse extrêmement rapide par rapport à la vitesse d’avance des travaux de pose ferroviaire, ce qui permet d’envisager non seulement des opérations de préneutralisation, mais également des opérations de neutralisation fine.
Suivant un mode de réalisation, il existe au moins un point de la zone de chauffage qui est situé à une distance inférieure à 160 mm, et de préférence inférieure à 120 mm, de la source de rayonnement de chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge.
Suivant un mode de réalisation, il existe au moins un point de la zone de chauffage qui est situé à une distance inférieure à 160 mm, et de préférence inférieure à 120 mm de tout point de la surface réfléchissante du réflecteur secondaire.
Suivant un mode de réalisation, certaines au moins des lampes sont réparties à distances les unes des autres à la périphérie de la zone de chauffage. Suivant un mode de réalisation, certaines au moins des lampes électriques à rayonnement infrarouges sont jointives deux à deux
Pour limiter les déperditions, le réflecteur secondaire doit de préférence entourer au maximum le rail positionné au centre de la zone de chauffage. Ainsi, on peut prévoir de façon préférentielle que la surface réfléchissante du réflecteur secondaire présente, en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression, une section en arc de cercle d’angle supérieur à 180°, de préférence supérieur à 240° ou une section circulaire. De préférence, la surface réfléchissante du réflecteur secondaire présente, en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression un rayon de courbure inférieur à 160 mm, de préférence inférieur à 120 mm, et supérieur à 70 mm, de préférence supérieur à 100 mm.
La surface réfléchissante du réflecteur secondaire doit de préférence présenter une réflectance importante dans le domaine spectral considéré. En pratique, on choisira de préférence une surface réfléchissante présentant une réflectance supérieure à 80% dans le domaine spectral compris entre 0,5 et 2µm, ce qui peut être obtenu à un coût raisonnable notamment avec une surface en aluminium poli, ou le cas échéant avec une surface argentée ou dorée.
De façon similaire, on a intérêt à ce que la réflectance des réflecteurs primaire soit très élevée, de préférence supérieure à 90% dans le domaine spectral compris entre 0,5 et 2µm. De préférence, le réflecteur primaire de chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge est en argent ou en or.
Pour une redirection optimale du flux émis par chaque source de rayonnement vers la zone de chauffage, le réflecteur primaire de chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge est, en coupe suivant un plan de coupe perpendiculaire à la direction de progression, parabolique, ou en arc d’ellipse ou de cercle. La source de rayonnement est de préférence située au niveau d’un foyer de la parabole ou de l’ellipse ou du centre de l’arc de cercle.
En pratique, le maximum de densité spectrale de puissance est observé pour une longueur d’onde supérieure à 0,7µm. On pourra notamment choisir comme source de rayonnement des lampes à incandescence halogènes émettant dans l’infrarouge proche.
De préférence, le nombre de lampes électriques à rayonnement infrarouge est supérieur à 2, et de préférence supérieur à 4.
Suivant un mode de réalisation particulièrement simple à réaliser, le réflecteur secondaire entoure les lampes électriques à rayonnement infrarouge. Le réflecteur secondaire peut alors être constitué par une pièce unique sans découpes.
Alternativement, on peut prévoir que le réflecteur secondaire s’étende entre les lampes électriques à rayonnement infrarouge. Dans cette hypothèse, il est nécessaire de prévoir des découpes ou des emboutissages dans le déflecteur secondaire pour loger les lampes électriques à rayonnement infrarouge.
De préférence, le véhicule de transport du module de chauffage comporte des moyens pour soulever la portion du rail située dans la zone de chauffage par rapport à la voie ferrée, et des moyens pour positionner la portion du rail après apport de la chaleur sur une traverse de la voie ferrée et pour fixer la portion du rail sur la traverse.
De préférence, le véhicule de transport du module de chauffage comporte des moyens pour soulever la portion du rail située dans la zone de chauffage par rapport à la voie, et des moyens pour positionner la portion du rail après apport de la chaleur sur la traverse avant de fixer la portion du rail sur la traverse. Comme on l’a précédemment exprimé, le soulèvement de la portion du rail dans la zone de chauffage permet de mieux entourer le rail en le chauffant non seulement par le dessus, mais également par les côtés, et le cas échéant par le dessous, pour uniformiser l’apport de chaleur sur le pourtour de la portion du rail et minimiser les pertes. Le fait que la zone de chauffage soit éloignée de la voie, et notamment des traverses, permet de mettre en œuvre le cas échéant une puissance de chauffage élevée, sans risque pour la voie.
Suivant un mode de réalisation, le module de chauffage comporte au moins deux unités de chauffage alignées suivant la direction de progression pour définir la zone de chauffage. De préférence, le module de chauffage est pourvu de moyens de guidage pour assurer le guidage de la portion du rail dans la zone de chauffage du module chauffage guidé, les moyens de guidage comportant de préférence des galets roulant sur la portion du rail.
Naturellement, la puissance de chauffe devra être modulée en fonction des conditions extérieures pour obtenir une température de consigne souhaitée pour le rail.
Suivant un mode de réalisation, la pluralité de lampes électriques à rayonnement infrarouge comporte au moins deux lampes électriques à rayonnement infrarouge, de préférence au moins quatre lampes électriques à rayonnement infrarouge, et de manière particulièrement préféré davantage.
Le cas échéant on peut moduler le nombre de lampes électriques à rayonnement infrarouge activées en fonction d’un ou plusieurs paramètres de commande.
De préférence, le ou les paramètres de commande incluent un ou plusieurs des paramètres mesurés ou estimés suivants : une température de la portion du rail avant le chauffage, une température de la portion du rail après le chauffage, une température de la portion du rail durant le chauffage, une température ambiante extérieure, une vitesse de déplacement du véhicule de transport du module de chauffage, une vitesse de déplacement du rail par rapport au dispositif de chauffage, une durée de chauffage, un écart entre une température de consigne et une température mesurée de la portion du rail avant chauffage, un écart entre une température de consigne et une température mesurée de la portion du rail après chauffage, un écart entre une température de consigne et une température mesurée de la portion du rail durant l’apport de la chaleur, une humidité ambiante, ou une vitesse de vent. On pourra notamment prévoir une ou plusieurs de modalités suivantes :
- on mesure au moins une température de la portion du rail après l’apport de chaleur à l’aide d’un capteur de température disposé au niveau d’une zone de sortie de la zone de chauffage ou derrière la zone de chauffage dans la direction de pose ;
- on mesure au moins une température de la portion du rail avant l’apport de chaleur à l’aide d’un capteur de température disposé au niveau d’une zone d’entrée de la zone de chauffage ou devant la zone de chauffage dans la direction de pose ;
- on mesure au moins une température de la portion du rail durant l’apport de chaleur à l’aide d’un capteur de température disposé à l’intérieur de la zone de chauffage.
Pour obtenir un positionnement reproductible de la portion du rail à fixer transitant par la zone de chauffage, on pourra notamment prévoir une ou plusieurs des modalités suivantes :
- on guide la portion du rail par rapport à un bâti du véhicule de transport du module de chauffage de manière que la portion du rail traverse la zone de chauffage lors du déplacement du véhicule de transport du module de chauffage.
- on guide le module de chauffage par rapport à un bâti du véhicule de transport du module de chauffage de manière à ce que la portion du rail traverse la zone de chauffage lors du déplacement du véhicule de transport du module de chauffage.
- on guide le module de chauffage par rapport à la portion du rail, de préférence en faisant rouler le module de chauffage sur la portion du rail, de manière à ce que la portion du rail traverse la zone de chauffage lors du déplacement du véhicule de transport du module de chauffage.
Suivant un mode de réalisation, le déplacement du véhicule de transport du module de chauffage dans la direction de pose est effectué sans arrêt.
L’invention peut être mise en œuvre notamment pour une première pose d’une voie nouvelle, ou pour un renouvellement ou une rénovation. En particulier, et suivant un aspect préféré de l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
: une vue schématique d’un chantier de pose d’un rail de voie de chemin de fer, mettant en œuvre un dispositif de chauffage selon l’invention ;
: une vue schématique de détail du chantier de la figure 1, illustrant la chauffe d’un rail à fixer par le dispositif de chauffage de l’invention ;
: une vue schématique du dessus d’un module de chauffage d’un dispositif de chauffage se l’invention ;
: une vue schématique de face du module de chauffage de la figure 3 ;
: une vue schématique d’une commande du module de chauffage des figures 3 et 4 ;
: une vue schématique de face d’une lampe à rayonnement infrarouge d’un module de chauffage selon une première variante de réalisation ;
: une vue schématique de face d’un module de chauffage selon une deuxième variante de réalisation.
: une vue schématique de face d’un module de chauffage selon une troisième variante de réalisation.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
description DÉTAILLÉE de modes de rÉalisation
Sur la figure1est illustrée une vue globale d’un chantier de renouvellement d’une voie de chemin de fer2dans lequel on procède, au moyen d’un train de travaux4(représenté partiellement), à la dépose d’anciens rails6(secteur avant) et d’anciennes traverses8et à leur remplacement par de nouvelles traverses10et de nouveaux rails12, le tout en continu au fur et à mesure de l’avancée du train dans la direction de pose100. Le train de travaux4comporte des wagons16reposant sur des bogies18,20roulant sur les anciens rails6en partie avant du train de travaux4et sur les nouveaux rails12en partie arrière du train de travaux4. Une partie médiane train de travaux4repose quant à elle sur des chenilles22qui, en l’absence de rails sur la voie2dans cette partie du chantier, roulent directement sur les anciennes traverses8avant leur dépose.
Sur un tronçon avant du chantier, des outils permettent de désolidariser les anciens rails6des traverses8. Au fur et à mesure de leur démontage, les anciens rails6sont soulevés et reposés sur le ballast24sur les côtés de la voie. Sur le tronçon suivant du chantier, les anciennes traverses8sont à nu, ce qui permet de procéder à leur dépose à l’aide d’un groupe d’outils de dépose et leur remplacement par les nouvelles traverses10à l’aide d’un groupe d’outils de pose. Les nouveaux rails12, qui, avant le passage du train de travaux4, ont été disposés au sol de part et d’autre de la voie2, sont soulevés et positionnés en respectant la géométrie souhaitée de la voie2, avant d’être posés sur les nouvelles traverses10. La fixation finale des nouveaux rails12est effectuée au moyen d’attaches après le passage du train de travaux4.
Afin d’éviter ou de limiter les risques d’interruptions ou de rupture de la voie susceptibles d’être provoquées par les variations dimensionnelles des rails12sous l’effet de conditions climatiques ou météorologiques plus sévères, il est prévu de procéder à la fixation définitive des rails nouveaux ou rénovés12sur les traverses en portant ces profilés métalliques à une température moyenne du lieu de pose, dite de « pré-neutralisation » ou de « neutralisation ».
Dans ce but, le tronçon de rail nouveau ou rénové à poser12est porté à une température de consigne dans une zone de conditionnement28située en avant et à proximité de sa zone de fixation30sur une ou plusieurs traverses10. Lorsque l’intervention sur le chantier a lieu à un moment où la température ambiante est inférieure à la température consignée dite de « pré-neutralisation » ou de « neutralisation », ce réglage comporte un chauffage du rail, la zone de conditionnement28étant alors une zone de chauffage.
À cet effet, il est proposé, selon l’invention, d’utiliser un dispositif de chauffage32illustré schématiquement sur les figures2à4, fonctionnant essentiellement par rayonnement thermique dans l’infrarouge proche. Le dispositif de chauffage32comporte au moins un module de chauffage34porté par un des wagons16du train de travaux4. Chaque module de chauffage est composé d’au moins une, et de manière préférentielle, comme illustré sur la figure3, d’au moins deux unités de chauffage36, délimitant une zone de chauffage longiligne28située à distance de la voie et orientée suivant une direction de progression200, de préférence parallèle à la direction de pose100du train de travaux4 . La zone de chauffage28est ouverte à une extrémité avant38et à une extrémité arrière40de façon à permettre à une portion du rail12de pénétrer par une extrémité38et de ressortir par l’autre40. Les deux unités de chauffage36sont disposées l’une derrière l’autre le long de la zone de chauffage, et chacune entoure au moins partiellement la zone de chauffage28.
Chaque unité de chauffage36comporte plusieurs lampes électriques à rayonnement infrarouge42réparties à la périphérie de la zone de chauffage28et orientées vers la zone de chauffage28. Chacune des lampes électriques42comporte un tube44orienté parallèlement à la direction de progression200et renfermant un au moins un filament46. Le filament46constitue une source de rayonnement apte à émettre un rayonnement infrarouge proche, ayant un maximum de densité spectrale de puissance pour une longueur d’onde inférieure à 2µm, de préférence inférieure à 1,4µm, de façon très préférentielle inférieure à 1,2µm. Une face concave intérieure du tube est tapissée d’un matériau de haute réflectivité constituant un réflecteur primaire48, orienté pour réfléchir le rayonnement émis par la source de rayonnement46vers la zone de chauffage28, le ou les filaments46étant disposés entre le réflecteur primaire48et la zone de chauffage28, directement en regard de la zone de chauffage28. Le réflecteur primaire peut avoir, en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression, un rayon de courbure constant. Toutefois, selon différents modes de réalisation, on utilisera un réflecteur ayant un profil parabolique, elliptique ou multi-foyer en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression200. Le filament46passe alors de préférence par le foyer de la parabole ou de l’ellipse.
Les lampes électriques à rayonnement infrarouge42sont jointives ou disposées à distance les unes des autres, et s’étendent chacune parallèlement à la direction de progression200. Chaque unité de chauffage36comporte en outre un réflecteur secondaire50présentant une surface réfléchissante cylindrique concave en aluminium poli, qui entoure la zone de chauffage28et les lampes électriques à rayonnement infrarouge42. Le réflecteur secondaire50peut être un cylindre complet entourant totalement la zone de chauffage28. Alternativement, si l’on souhaite conserver un accès au rail pour son guidage, il peut s’agir d’une portion de cylindre couvrant, dans un plan de section perpendiculaire à la direction de progression200, un angle ϕ supérieur à 180°, et de préférence supérieur à 240°. Le rayon de courbure du réflecteur secondaire50, dans un plan de section perpendiculaire à la direction de progression, et de préférence compris entre 70mm et 160mm. La longueur des lampes électriques à rayonnement infrarouge42et du réflecteur secondaire50, mesurée parallèlement à la direction de progression200, est de préférence supérieure à 80cm.
Des moyens de guidage52sont prévus à l’entrée38et à la sortie40de la zone de chauffage28du dispositif de chauffage pour assurer le guidage du rail12dans la zone de chauffage28. Dans ce mode de réalisation préféré, la portion du rail12traversant la zone de chauffage28est soulevée, c’est-à-dire située verticalement à distance au-dessus de sa position finale à la fin du processus de pose. Le module de chauffage34peut lui-même être pourvu d’un ou plusieurs actionneurs54ou d’un mécanisme de positionnement passif pour assurer son bon positionnement par rapport au rail12, et compenser les variations de positionnement du véhicule de transport des unités de chauffage16par rapport à la trajectoire souhaitée de la voie. De préférence, les moyens de guidage52incluent des galets roulant sur le rail12et supportant le cas échéant le module de chauffage34.
Des capteurs de température56sont positionnés à l’entrée38de la zone de chauffage28, à l’intérieur de la zone de chauffage28et à la sortie40de la zone de chauffage28, et le cas échéant directement à proximité de la zone de fixation30. Ces capteurs de température56sont reliés à une unité de commande58illustrée sur la figure5, qui reçoit des signaux d’autres capteurs60tels que, par exemple : un capteur de vitesse du véhicule de transport des unités de chauffage16, un capteur de vitesse du rail à fixer, un capteur de température ambiante, un capteur de pression atmosphérique, et/ou un capteur d’humidité ambiante. L’unité de commande58est ainsi apte à mesurer, estimer ou calculer un ou plusieurs des paramètres suivants : une température de la portion du rail à fixer avant le chauffage, une température de la portion du rail à fixer après le chauffage, une température de la portion du rail à fixer durant le chauffage, une température ambiante extérieure, une vitesse de déplacement du véhicule de transport des unités de chauffage16, une vitesse de déplacement du rail par rapport au dispositif de chauffage, une quantité de chaleur transmise à la portion du rail par le dispositif de chauffage.
Par ailleurs, l’unité de commande58contient en mémoire une température de consigne qui peut avoir été saisie ou programmée, et est représentative de la température de « pré-neutralisation » ou de « neutralisation » recherchée dans la zone de fixation30, ce qui permet le cas échéant une détermination d’un écart entre la température de consigne et une température mesurée de la portion du rail à fixer avant chauffage, d’un écart entre la température de consigne et une température mesurée de la portion du rail à fixer après chauffage, ou d’un écart entre la température de consigne et une température mesurée de la portion du rail à fixer durant le chauffage.
Enfin, l’unité de commande58est reliée à une source de puissance (source de tension ou de courant alternatif ou continu)62associée à un dispositif de modulation64pour moduler la puissance électrique d’alimentation des lampes électriques à rayonnement infrarouge42.
Il est ainsi possible de moduler chaque lampe électrique à rayonnement infrarouge42de façon relativement continue en puissance électrique, sur une plage autour d’une valeur nominale, par exemple entre 10% et 100% de la valeur maximale, en faisant varier l’amplitude et/ou la fréquence du courant et/ou de la tension d’alimentation au niveau du dispositif de modulation58. En dehors de cette plage de modulation, de plus grandes variations peuvent être obtenues en procédant à l’extinction complète de certaines lampes42, voire d’une unité de chauffage36complète.
Lorsque le véhicule de transport des unités de chauffage16avance dans une direction de pose100, le rail à fixer12se déplace, par rapport au dispositif de chauffage28, dans la direction opposée, et est guidé de sorte qu’à chaque instant une portion soulevée du rail à fixer12traverse la zone de chauffage28. Le cas échéant, le positionnement du module de chauffage34est ajusté grâce aux actionneurs54ou au mécanisme de positionnement. On fait en sorte que les lampes électriques à rayonnement infrarouge42soient proches de la portion du rail à fixer12, de préférence à une distance inférieure à 20cm, de préférence inférieure à 10cm, mais sans contact.
On fait ainsi en sorte qu’à chaque instant, et en fonction de l’avancement du véhicule de transport des unités de chauffage16, une portion du rail à fixer12traverse la zone de chauffage28, où elle est chauffée par l’unité de chauffage36avant de ressortir de la zone de chauffage28et d’être acheminée vers la zone de fixation30, où elle est posée sur une traverse10de la voie ferrée.
L’unité de commande54détermine par un algorithme de calcul, en fonction de tout ou partie des paramètres discutés précédemment, le nombre de lampes électriques à rayonnement infrarouge42et/ou la puissance électrique nécessaire au chauffage du rail à fixer12.
En concentrant le rayonnement infrarouge dans l’infrarouge proche pour se trouver dans un domaine de forte absorption du rayonnement par le rail, et en disposant le réflecteur secondaire de façon à réfléchir vers la zone de chauffage au moins 50% du rayonnement non absorbé, on augmente considérablement le rendement du dispositif. En disposant les lampes à rayonnement infrarouge à faible distance de l’axe central de la zone de chauffage, et autour de la zone de chauffage, on limite le transfert de chaleur par convection.
De préférence, le déplacement du véhicule de transport des unités de chauffage dans la direction de pose est effectué sans arrêt, à une vitesse en pratique supérieure à 30 mm/s, de préférence supérieure 100 mm/s.
Naturellement, les exemples représentés sur les figures et discutés ci-dessus ne sont donnés qu'à titre illustratif et non limitatif.
Chacune des lampes électriques peut comporter plus d’un filament. On peut notamment mettre en œuvre des lampes électriques à rayonnement infrarouge dites jumelées, comportant deux tubes accolés et un réflecteur primaire commun, comme illustré sur la figure6.
Le réflecteur secondaire peut être situé à la même distance de l’axe central de la zone de chauffage que les lampes et s’étendre entre les lampes de façon à constituer avec les déflecteurs primaires une surface réfléchissante quasi continue, de laquelle le rayonnement ne peut s’échapper. À cet effet, on peut prévoir un réflecteur secondaire50dont la paroi est pourvue de découpes150pour encastrer les lampes électriques à rayonnement infrarouge42, comme illustré sur la figure7. Alternativement, on peut prévoir un déflecteur secondaire50dont la paroi est pourvue de logements250formés par exemple par emboutissage, pour loger les lampes électriques à rayonnement infrarouge42, comme illustré sur la figure8.
Le nombre de lampes électriques à rayonnement infrarouge42et leur positionnement dans chaque unité de chauffage36peuvent varier. On peut notamment profiter du soulèvement de la portion du rail12traversant la zone de chauffage28pour orienter au moins une partie du rayonnement thermique de manière atteindre la face inférieure du rail, comme illustré sur les figures7et8. À cet égard, des dispositions. Il est également avantageux d’avoir plusieurs unités de chauffage36disposées en enfilade dans le sens longitudinal d’avancement du véhicule, comme illustré sur la figure3, voire plusieurs modules de chauffage34comme illustré sur la figure2, pour permettre un chauffage progressif en plusieurs étapes ou atteindre une plus grande puissance de chauffage. Les modules de chauffage34situés en enfilade peuvent être directement adjacents ou séparés par un tronçon isotherme d’isolation. Ils peuvent être également séparés par un tronçon à l’air libre.
Le véhicule de transport du module de chauffage peut être constitué par un wagon16du train de travaux4. Il peut également s’agir d’un véhicule autonome sur roues ou sur chenilles avançant sur la voie.
Le cas échéant, seulement certaines des lampes électriques à rayonnement infrarouge42peuvent être équipées d’un dispositif de modulation64.
On peut également envisager que les dispositifs de modulation64ne soient pas proportionnels, mais fonctionnent en tout ou rien, pour éteindre ou allumer les lampes électriques à rayonnement infrarouge42en nombre correspondant aux besoins. On pourra également envisager un mode de fonctionnement pulsé, dans lequel certaines des lampes électriques à rayonnement infrarouge42sont allumées en intermittence. On pourra également envisager d’articuler les unités de chauffage36de manière à pouvoir les écarter rapidement de la zone de chauffage28lorsque l’on souhaite diminuer la quantité de chaleur transmise au rail à poser12.
Du fait du temps de réponse très rapide des lampes électriques à rayonnement infrarouge42, on pourra mettre en œuvre le procédé selon l’invention non seulement pour une préneutralisation thermique, mais également pour une neutralisation thermique fine directe.
La direction de progression200du rail12dans la zone de chauffage28peut être légèrement inclinée par rapport à la direction de pose100, tout en restant globalement parallèle à un plan vertical longitudinal.
En variante, l’opération de chauffage du rail à fixer12peut avoir lieu alors que le rail à fixer12est déjà posé sur les traverses.
Le mode de chauffage des rails qui a été décrit précédemment pour une rénovation de voie ferrée avec remplacement des rails, vaut également pour une rénovation de la voie avec replacement des rails anciens, ou pour une première pose.
Claims (14)
- Dispositif mobile de chauffage d’un rail (12) d’une voie ferrée (2), comportant : au moins un module de chauffage (34) comportant au moins une zone de chauffage (28) et au moins une source de chaleur rayonnante (46) orientée vers la zone de chauffage (28) ; et un véhicule de transport (16) du module de chauffage (34), apte à circuler le long d’une voie ferrée (2) suivant une direction de pose (100), de manière qu’à chaque instant une portion d’un rail (12) de la voie ferrée (2), non fixée à une traverse (8, 10) de la voie ferrée (2), traverse la zone de chauffage (28) suivant une direction de progression (200) ; caractérisé en ce que le module de chauffage comporte au moins une unité de chauffage (36), l’unité de chauffage (36) comportant une pluralité de lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) réparties à la périphérie de la zone de chauffage (28) et orientées vers la zone de chauffage (28), chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) comportant au moins une source de rayonnement (44) apte à émettre un rayonnement infrarouge ayant un maximum de densité spectrale de puissance pour une longueur d’onde inférieure à 2µm, de préférence inférieure à 1,4µm, de façon très préférentielle inférieure à 1,2µm, et au moins un réflecteur primaire (48) orienté pour réfléchir le rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement (44) vers la zone de chauffage (28), la source de rayonnement (44) étant disposée entre le réflecteur primaire (48) et la zone de chauffage (28), directement en regard de la zone de chauffage (28), l’unité de chauffage (36) comportant en outre un réflecteur secondaire (50) présentant une surface réfléchissante concave entourant la zone de chauffage (28) et apte à renvoyer vers la zone de chauffage (28) des rayons réfléchis passant entre les lampes électriques à rayonnement infrarouge (42).
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lampes électriques à rayonnement infrarouge sont tubulaires et orientées parallèlement à la direction de progression (200).
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface réfléchissante du réflecteur secondaire (50) présente, en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression, une section en arc de cercle d’angle supérieur à 180°, de préférence supérieur à 240° ou une section circulaire.
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface réfléchissante du réflecteur secondaire (50) présente, en coupe par un plan perpendiculaire à la direction de progression un rayon de courbure inférieur à 160 mm, de préférence inférieur à 120 mm, et supérieur à 70 mm, de préférence supérieur à 100 mm.
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface réfléchissante du réflecteur secondaire (50) est en aluminium poli, en argent ou en or.
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réflecteur primaire (48) de chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) est en argent ou en or.
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réflecteur primaire (48) de chacune des lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) est, en coupe suivant un plan de coupe perpendiculaire à la direction de progression (200), parabolique, ou en arc d’ellipse ou de cercle.
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le maximum de densité spectrale de puissance est observé pour une longueur d’onde supérieure à 0,7µm.
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de lampes électriques à rayonnement infrarouge (42) est supérieur à 2, et de préférence supérieur à 4.
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réflecteur secondaire (50) entoure les lampes électriques à rayonnement infrarouge (42).
- Dispositif mobile de chauffage (32) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réflecteur secondaire (50) s’étend entre les lampes électriques à rayonnement infrarouge (42).
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le véhicule de transport (16) du module de chauffage (34) comporte des moyens pour soulever la portion du rail (12) située dans la zone de chauffage (28) par rapport à la voie ferrée (2), et des moyens pour positionner la portion du rail (12) après apport de la chaleur sur une traverse (10) de la voie ferrée (2) et pour fixer la portion du rail sur la traverse.
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de chauffage (34) comporte au moins deux unités de chauffage (36) alignées suivant la direction de progression (200) pour définir la zone de chauffage (28).
- Dispositif mobile de chauffage (28) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de chauffage est pourvu de moyens de guidage (52) pour assurer le guidage de la portion du rail (12) dans la zone de chauffage du module chauffage guidé, les moyens de guidage comportant de préférence des galets roulant sur la portion du rail.
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