Brevet FR2227520A1 — publié le 19741122

L'invention concerne un dispositif pour permettre la mesure in situ des forces longitudinales dans des rails de chemins de fer et dans d'autres pièces allongées de structure analogue qui sont soumises à des charges longitudinales, et qui seront tous appelés ci-après "rails". La formation d'un déjettement horizontal de rails soudés de façon continue est déterpdnée, pour des conditions données du ballast, des traverses et des fixations, par l'amplitude et la longueur d'onde de tout défaut latéral d'alignement, et surtout par les forces longitudinales de compression s'exerçant dans le rail. Le rapport entre ces forces et le défaut d'alignement a été l'objet de nombreuses recherches. Bien que les défauts d'alignement puissent être observés et mesurés relativement facilement, il ntexistait jusqu'à une période récente aucun moyen psur mesurer les forces longitudinales dans le rail en dehors du processus consistant à couper ce rail et à enregistrer la modification résultante de la longueur ou de la tension. Le dispositif suivant l'invention a été mis au point pour remédier à cette situation, en fournissant des moyens qui permettent de mesurer ou de contrôler à volonté les forces sans destruction du rail. D'après l'invention, un dispositif pour mesurer les forces longitudinales dans un rail comprend un indicateur placé dans un trou préalablement rienagé dans le rail et disposé de fa çon à détecter les variations de la forte du trou causées par des variations es forces longitudinales dans le rail. Le principe sur lequel est basée l'invention est que, si un trou ayant, par exemple, environ 2,5 cm de diamètre est percé dans un rail, Ta forme de ce trou change si les- forces longitudinales dans le rail changent elles-memes. Pour une augnenta- tion des forces longitudin:les de tension, l'axe longitudinal du trou s'allonge et l'axe transversal se raccourcit, les variations étant en rapport avec les variations des forces dans le rail. Si les variations de longueur de l'un ou le préférence des deux axes peuvent être mestu es avec précision, il est possible de mesurer les forces longitudinales dans le rail. Dans un dispositif suivant l'invention, deux fils sont disposés diamétralement en travers du trou, à angle droit l'un avec l'autre, et sont fixés au rail à leurs extrdmités. De préférente, les fils peuvent être fixés au rail par l'intermédiaire d'une bague qui est emunchée, vissée, collée ou fixée d'une autre arçon dans le trou du-rail. Des variations du diamètre du trou produisent un changement dans la fréquence de vibration des fils quand ceux-ci sont "pincés" pour être mis en vibration. La force d-~ns le rail peut être déduite des fréquences de vibration des deux fils.Ces fils peuvent être des fils fins, de sorte que leur fréquence de vibration est simplement fonction de l'effort de traction, les fils étant soumis à une tension prédéterminée lorsque le rail n'est soumis à aucune charge. En variante, les fils peuvent être suffisamment courts par rapport à leur section pour pouvoir supporter une charge de compression à la manière d'une poutrelle. les fils n'ont dans ce cas pas besoin d'etre soumis à une tension prédéterminée spécifinue. Pour être utilisés dans des rails de chemins de fer, les deux fils doivent être placés dans des sections de rail soudées en continu au moment où le rail est mis hors de tension ou à un moment quelconque approprié, et l'on doit prévoir des moyens appropriés pour que les fils puissent être mis en vibration et leurs fréquences de vibration mesurées. les fils peuvent être zizis en vibration par des moyens magnétiques ou piézo-électriques. Si chacun des fils est mis en vibration par une bobine d'électroaimant, cette bobine peut également être utilise pour détecter la fréquence de vibration et pour mesurer simultanément et indépendamment la température du rail par une mesure précise des variations de la résistance électrique du fil de la bobine. Pour mieux faire comprendre l'invention, on va mainte nant décrire plus en détail, à titre d'exemple et avec référence aux dessins schématiques annexés, un dispositif indicateur suivant l'invention et son mode de fonctionnement en liaison avec un rail de chemins de fer. La figure i montre la façon de monteur le dispositif in dictateur dans le rail. La figure 2 montre, à plus gronde échelle aueAa figure 1, une coupe de l'appareil indicateur. La fissure 3 montre un circuit simple pour un fil vi brant de l'indicateur. La figure 4 montre un graphique d'étalonnage typique utilisable avec le dispositif précité. Pour recevoir un dispositif indicateur i, on perce un trou dans l'âme verticale d'un rail 2 suivent l'axe neutre de ce rail. L'indicateur 1 comprend deux fils d'acier 3 et 4 fortement extensible qui sont disposés à angle droit l'un par rapport à l'autre et fixés par leurs extrémités dans une bague 5. La bague 5, qui a la forme de la périphérie du trou dans le rail, est fixée dans ce trou avec le fil 3 dispos: verticalenent et le fil 4 disposé horizontalement. A l'une de leurs extrémités, les fils 3 et 4 sont fixés i la bague 5 par l'intermédiaire d'un dispositif de tension 6 qui pernet la mise sous tension des f:ls 3 et 4 aprs insertion de la bague dans le rail.La bague 5 est constituée un un cylindre d'acier creux à parois minces dont le milieu pré- sente une cloison transversale 7, le t out étant usiné à partir d'un bloc d'acier unique. Dans la cloison 7 sont montés deux ensembles de bobines d'électro-aimant 8 et 9. L'ensemble 8 sert à la fois à faire vibrer et à détecter les vibrations du fil 3, et l'ensemble 9 joue le meme rôle par rapport au fil 4. Chaque ensemble 8 et 9 comprend deux bobines 10 mottées chacune sur un axe 11. les bobines 10 possedent des connexions électrique qui permettent leur raccordement facile (par exemple par des douilles et des prises co-axiales) :n circuit 12 compteur de vibrations et générateur d'impulsions. Ainsi, le circuit 12, qui est relativenent croûteux, peut être ren u portatif, de sorte ou'on peut le transporter de l'ensemble d'un indicateur à un autre. les fils 3 et 4 sont mis en vibration en excitant les bobines 8 et 9 depuis la partie génératrice d'impulsions du circuit 12. Les axes il sur lesquels sont montées les bobines 10 sont t lacés au voisinage étroit des fils, et une impulsion de tension, d'amplitude et due durée suffisante, est applique pour mettre les fils en oscillation sous la forme d'une onde sinusoïdale qui s'amortit naturellement et décroit exponentiellement. les fils 3 et 4, lorsqu'ils ct été ainsi "pincés", se déplacent librement dans le champ magnétique des ensembles de bobines 8 et 9, et chacun produit dans l'ensemble associé une tension alternative dont la fréquence correspond à la fréquence de vibration du fil. La tension induite e-t amenée à la -partie du circuit 12 qui sert au comptage des vibrations. Lorsqu'il est mis en vibration, chacun des fils 3 et 4 peut vibrer librement suivant une denn-onde à une fréquence déter- renée par la tension du fil, sa longueur et sa masse. La longueur et la masse restent sensiblement constantes pour un fil quelconque donné, de sorté que la variation de la tension et donc la fréquence de vibration dépendent essentielleraent (tes variations de la tension à laquelle est soumis le fil. le circuit 12 servant à compter les vibrations et à engendrer des impulsions n'a pas été représenté en détail sur les dessins. les principes de sa constructicn résultent facilement du fonctionnement5 décrit précédemment, de son alimentation pulsée d'excitation en vue de niettre en vibration les fils 3 et 4, et de la brève description suivante de la façon dont il utilise les ten- sions induites dans les bobines 8 et 9 par suite de la vibration des fils 3 et 4. La partie du circuit qui réalise le comptage des vibratiens coopte digitalement la période de vibration du fil pour un nombre fixe de cycles et fournit donc une césure de la fréquence de vibration du fil. Autrement dit, on réalise un comptage digital du temps mis par la tension produite dans chacune des bobines 10 à effectuer un nombre fixe de cycles, par exemple 100.Si le rail 2, la bague 5 et les fils 3 et 4 ont tous le mebme coefficient de dilatation thermique, les effets thermiques ne faussent pas les lectures, puisqu'aucune tension n'est produite dans le fil par une variation de température Des facilités sont prévues dans le circuit 12 pour retarder le début du comptage de façon à etre sûr que les fils 3 et 4 se sont bien mis à vibrer suivant une fréquence qui s'amortit naturellement. Les fréquences de vibration des deux fils 3 et 4 ne sont pas rapportées les unes par rapport aux autres dans le circuit 12. les deux comptages sont enregistrés indépendamment l'un de l'autre et utilisés dans des calculs subséquents pour déterminer les effets à mesurer. La charge dans le rail peut être mesurée par l'un des fils 3 et 4, de préférence le fil horizontal 4 puisque des essais ont montré que le fil vertical 3 est beaucoup moins sensible; le fil 3 est dcnc incorporé au dispositif indicateur surtout dans un but de vérification et égaleent corme un moyen possible d'établir une discrimination entre différents effets qui seront mentionnés ci-après. Les dispositifs indicateurs suint eux-memes très petits et portatifs, et faciles à installer. Ils peuvent être fixés dans un rail neuf ou usé, ou installés dans une nouvelle section d'un rail non usé qui peut être soudée dans un rail us. Il est avantageux que les dispositiAs indicateurs soient placés dans un rail qui se trouve à l'état "libre" c'est-a-dire n'est soumis à aucun efIort, pour obtenir une lecture du zéro de réftrence de la charge. Ceci, toutefois, n'est pas indispensable, pourvu qu'à un moment quelconque après la mise en place on puisse obtenir la lec ture dans un état où le rail n' et soumis à aucun effort. le travail préparatoire ncesairo/pour lettre en place un dispositif indicateur consiste à percer et à aléser un trou suivant l'axe neutre du rail; Un dispositif est alors collé dans ce trou, ou exceptionnellement y est emmanché. Pour chaque dispo sitif indicateur, on réalise un étalonnage sur place. Des courbes d'étalonnage sont obtenues pour chaque dispositif et ont sensiblement la folle représentée figure 4, sur laquelle l'étalonnage est rapporté à une période t100 (en secondes N; pour cent cycles de vibration (c'est-à-dire de tension induite). Une fois mis en place, chacun des indicateurs peut être lu à n'importe quel moment en utilisant le circuit portatif 12. Si les indicateurs doivent être utilisés pour contrôler des va nations de forces, on doit estimer également la température de l'ensemble du rail au moment de la lecture des indicateurs. La me sure de la température peut être faite en utilisant les bobines 10 suivent le principe du thermomètre à résistance. Ainsi, un pont à résistance 13 (figure 3) pour la mesure de la température est incorporé avec le circuit 12 dans un ensemble portatif unique. Quand le pont 13 est relié à une bobine 10, sa variation de résis tance en v avec la température est mesurée avec précision. A partir des compta-es digitaux réalisés par le circuit 12, on peut déduire les forces dans le rail en utilisant la cour be d'étalonnage. In utilisant les lectures de température, on peut les rapporter à la température à laquelle le rail est mis hors de tension, et calculer la variation depuis la charge du rail non soumis à un effort. Des variations des forces dans le rail peuvent se pro duire, entre autres, par cheminement, affaisser-ent et déformation par roulement des rails. les dispositifs indicateurs permettent d'évaluer ces effets à des intervalles de temps quelconques. L'effet de la déformation par roulement est de réduire la dilata tion due à l'usinage à froid du champignon du rail par le passa- ge des trains. Comme la déform,tion par roule:lent affecte rrinci- palezient le champignon du rail tandis que la dilatation thermique se mallifeste par une augmentation de la section totale, il est possible que les indicateurs réagissent de façon différente aux deux effets différents. La présence du fil détecteur vertical 3 associé au fil détecteur horizontal 4 permet de séparer ces ef fets. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour mesrer les forces longitudinales dans un rail, comprenant un dispositif indicateur placé dans un trou ménagé dans le rail et dont les indications émises varient lorsqu'il se produit une modification de la forme du trou et par suite une variation des forces longitudinales dans le rail, et caractérisé en ce que ce dispositif comprend une bague montée à frot- tement doux dans ce trou et fixée au rail le lon de la périphérie de ce trou, un fil qui s'étend en travers du trou et est fixé à la bague par ses extrémités, le rail, le fil et la bague ayant le même coefficient de dilatation thermique, et des moyens pour mettre le fil en vibration et pour dételer la fréquence de vibration du fil. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fil s'étend longitudinalement par rapport au rail. 3 - Dispositif suivant la combinaison des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un second fil ayant le mye coefficient de dilatatioL thermique que le premier est disposé en traveis du trou à angle droit avec le premier et est fixé à la bague par ses extrémités, et qué l'on a prévu des moyens pour mettre le second fil en vibration et pour détecter sa fréquence de vibration. 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour mettre le premier ou le second fil en vibration compreent une bobine d'élec- tro-aimant associée à ce fil. 5 - Dispositif suivant la combinaison des revendications 3 e et caractérisé en ce que le dispositif ilidicateur comprend une cloison s'étendant à travers la bague dans un plan perpendiculaire à l'axe de cette bague, le premier fil étant fixé à la bague d'un c8té de cette cloison et a une certaine distance d'elle, le secord fil étant fixe à la bague de l'autre ceté de la cloison; ; et à une certaine distance d'elle, et des pièces polaires fixées de part et d'autre de la cloison et s'étendant depuis celle-ci res pectivement en direction du premier et du second fil et sur lesquelles sont montées les bobines d'électro-aimant. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé el ce que la bague et la cloison font corps l'une avec l'autre, la cloison s'étendant à travers la bague à mi-distance ces faces opposées de cette bague.