Brevet FR2463707A1 — publié le 19810227

L'invention se rapporte à la sécurité sur les voies ferro- viaires et notamment à la détection des éboulements susceptibles de se produire dans les tunnels et les voies en tranchées ou ouvertes à une telle menace par l'environnement, en vue de leur signalisa- tion. Le recours à des dispositifs de sécurité de type sismo- graphique présente l'inconvénient que la transmission des secousses dues à un éboulement est très vite amortie par le terrain, ce qui implique une multiplication prohibitive d'appareillage et des cau- ses de défaillance éventuelles. La présente invention a pour objet un procédé de détection d'éboulements sur voie ferroviaire dont la mise en oeuvre n'exige qu'un appareillage relativement réduit pour une bonne qualité de détection. A cet effet, le procédé de détection selon l'invention d'éboulement(s) sur voie ferroviaire, est essentiellement caracté- risé en ce qu'on détecte les vibrations induites par le ou les éboulements dans au moins un rail de la voie, utilisé comme trans- ducteur mécanique privilégiant au moins une bande de fréquences détectée pour déclencher une signalisation d'alarme. L'invention concerne aussi un dispositif de détection fondé sur un tel procédé et qui est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de vibrations destiné à être fixé sur le côté d'un rail et produisant des signaux électriques de sortie fonction des vibrations détectées, des moyens d'amplification des signaux recueillis par le capteur, au moins un filtre passe-bande ajusté sur une bande de fréquences ayant une propagation privilé- giée dans les rails de la voie et raccordé à la sortie desdits moyens d'amplification, et un dispositif de commutation d'une si- gnalisation d'alarme répondant à un certain niveau de signal à la sortie du filtre passe-bande. De préférence, le dispositif de détection selon l'inven- tion comprend deux filtres passe-bande en parallèle, ces deux fil- t tres étant ajustés sur les bandes de fréquences qui se sont avérées comme englobant les domaines principaux de fréquences engendrées dans les rails par les phénomènes à détecter, soit d'une part, 1100 à 1500 Hz et, d'autre part, 6400 à 9600 Hz pour les rails 2 2463707 normalement utilisés en France. L'invention s'étend encore à l'application d'un tel dis- positif à la détection d'approche des trains, pouvant notamment 9tre utile à la protection de chantiers en voie. L'invention, est d'ailleurs ci-après plus complètement décrite sous une forme de réalisation d'un dispositif de détection qui en est donnée, à titre d'exemple seulement, avec référence au dessin annexé, dans lequel t - la figure 1 est une vue schématique illustrative de la fixation prévue du capteur de vibrations sur un rail; - la figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de détection selon l'invention; - la figure 3 est un schéma électrique de détail d'un ensemble de circuits associés au capteur de vibrations et faisant suite à un amplificateur de charge de ce dernier. Le dispositif de détection selon l'invention fait appel à un capteur de vibrations, de préférence constitué par un accéléro- mètre piézoélectrique de type connu, couvrant une gamme de fré- quences de 0 à 9700 Hz, et ayant une sensibilité de 20 mV/g. Cet accéléromètre, désigné par 1 dans son ensemble et pourvu d'un connecteur de sortie la, es-t destiné à être fixé, comme l'illustre la figure 1, sur le flanc externe du champignon 2 d'un rail 3 de la voie, qui s'est avéré être la meilleure zone de détection de vibrations sur le rail. Cette fixation est ici effectuée par l'intermédiaire d'une monture s'adaptant sur le patin 4 du rail et maintenant l'embase de l'accéléromètre appuyée élastiquement sur le flanc du champignon 2 par l'intermédiaire d'un ressort 5. La monture forme une sorte d'équerre de support, dont une branche constitue une se- melle'6 engageable sous le patin 4 entre deux traverses de voie et ayant une extrémité 7 qui forme crochet d'agrippage d'un bord du patin, tandis qu'est prévu un crapaud de serrage 8 sur l'autre bord du patin, monté sur un goujon 9 que porte la semelle et blo- cable à l'aide d'un écrou 10 et contre-écrou 11. Le crapaud 8 pré- sente une lumière oblongue 12 d'engagement sur le goujon 9, per- mettant l'adaptation éventuelle de la monture à toute forme de patin pouvant 8tre rencontrée. L'autre branche 13 de l'équerre de support présente à sa partie supérieure une lumière oblongue 14 que traverse la queue filetée 15 d'une pièce-guide 16 du ressort de maintien de l'accéléromètre 1. Le positionnement de ce der- nier peut ainsi être effectué par ajustement de la queue filetée 15 dans la lumière 14, avant son blocage par écrou 17 et contre- écrou 18. À cet accéléromètre est associé un amplificateur de char- ge, désigné par 19 à la figure 2 et pouvant être de tout type connu permettant notamment d'obtenir un gain de tension de 1000. Ainsi, une vibration se traduisant par une accélération de 0,1.10-3g peut conduire dans cet exemple à une tension de crête de 2 mV à la sor- tie dudit amplificateur de charge. La sortie de l'amplificateur de charge 19, qui fournit un signal sur basse impédance, est connectée à un circuit d'analyse des vibrations que l'on verra plus loin, par l'intermédiaire d'un amplificateur d'entrée désigné par 20 dans son ensemble et qui est ici constitué, comme l'illustre la figure 3, à l'aide d'un ampli- ficateur différentiel 21 dont l'entrée inverseuse est reliée à la sortie de l'amplificateur 19 par une résistance 22 et l'entrée non-inverseuse à la masse par une résistance 23, tandis qu'une boucle de contre-réaction prévue entre sortie et entrée non- inverseuse comporte,en parallèle, une résistance 24 d'impédance ici cent fois plus élevée que celle de la résistance 22 et deux diodes de limitation 25, 26 disposées tête-bêche. Un tel amplifi- cateur 20 est à fort gain pour les faibles signaux (40 dB sans saturation) . Aux forts signaux, sa réponse devient logarithmique et le signal est écrété par les diodes 25-26 afin d'éviter un risque de saturation des étages du circuit d'analyse des vibrations. Ce dernier comprend ici deux filtres passe-bande désignés par 27 et 28 dans leur ensemble, disposés en parallèle et aux en- trées desquels est reliée la sortie de l'amplificateur différen- tiel 21, le passe-bande 27 étant ajusté sur les fréquences de 1100 à 1500 Hz et le passe-bande 28 sur les fréquences de 6400 à 9600 Hz. Chaque filtre passe-bande est ici composé (voir fig. 3) d'un filtre passe-haut 27a ou 28a-suivi d'un filtre passe-bas 27b ou 28b, chacun de ces filtres passe-haut ou passe-bas étant ici constitué par un filtre de type bien connu dont le schéma ne sera pas plus avant décrit et dont on se contentera de rappeler que les résistances connectables au choix de ces filtres, respectivement désignées par 29 pour le filtre 27a, 30 pour le filtre 27b, 31 pour le filtre 28a et 32 pour le filtre 28b, déterminent avec les condensateurs associés 33 la fréquence limite de coupure de ces filtres, tandis que la sortie passe-haut est prélevée sur la sor- tie du premier amplificateur différentiel constitutif de chaque filtre alors que la sortie passe-bas est prélevée sur la sortie du dernier amplificateur différentiel de chaque filtre. Ainsi, les filtres sont ajustés de sorte que le filtre passe-haut 27a ne transmette au filtre passe-bas 27b que les fré- quences supérieures à 1100 Hz, ce dernier bloquant les fréquences supérieures à 1500 Hz, de sorte que sa sortie passe-bas 34 ne transmet que les fréquences comprises entre 1100 et 1500 Hz. De façon analogue, le filtre passe-haut 28a ne transmet au filtre passebas 28b que les fréquences supérieures à environ 6400 Hz, ce dernier bloquant les fréquences supérieures à 9600 Hz, de sorte que sa sortie passe-bas 35 ne transmet que les fréquences comprises entre 6400 et 9600 Hz. Comme représenté à la figure 2, les sorties des filtres passe-bande 27, 28 peuvent ensuite 8tre simplement reliées par un amplificateur d'adaptation 36 à un dispositif de commutation 37 d'une signalisation d'alarme, lequel peut prendre diverses formes. En particulier, ce dispositif de commutation 37 sera prévu à mémoire ou automaintien en rionse à toute détection d'ébou- lements o le phénomène a un caractère temporaire mais o la signa- lisation doit demeurer jusqu'à vérification de sécurité-et remède apporté à l'incident. La signalisation d'alarme elle aussi peut prendre diver- ses formes. Ce peut être une signalisation visuelle lumineuse 38 prévue en voie à distance appropriée du détecteur, ou une signa- lisation faisant appel au circuit de sécurité de voie bien connu dit "bloc automatique lumineux", à tronçons de voie court-circui- tables par le passage des trains, la signalisation d'éboulements résultant alors de la fermeture maintenue d'un circuit de mise en court- circuit du ou des tronçons de voie adjacents à la zone protégée par le détecteur ou plusieurs de ceux-ci. Comme dispositif de commutation à mémoire 37 actionné par la sortie de l'amplificateur 36, on peut ainsi utiliser no- tamment un thyristor à gâchette commandée par ladite sortie, une bascule bistable à entrée de commande liée à ladite sortie et à entrée d'initialisation ou retour au repos à commande manuelle, ou un relais à automaintien et à commande de désexcitation manu- elle. Un exemple de dispositif de commutation à relais est donné à la figure 3, dans laquelle un ensemble amplificateur tenant également lieu de redresseur est prévu pour alimenter un relais 39 à courant continu, dont le contact à fermeture 40 est placé sur le circuit d'alimentation de la signalisation lumineuse 38 et dont le contact de réouverture 41 à commande manuelle est placé sur son circuit d'automaintien. Cet ensemble amplificateur-redresseur comprend à la sor- tie 34, 35 de chaque filtre passe-bande 27, 28 un amplificateur séparateur 42 suivi d'un amplificateur détecteur de crête 43, les sorties de ces derniers étant toutes deux reliées à la borne d'en- trée du solénoïde du relais 39. Chaque amplificateur séparateur 42 est constitué à l'aide d'un amplificateur différentiel 42a attaqué à son entrée non- inverseuse et agencé pour avoir un gain d'environ 10 dB. Chaque amplificateur détecteur de crête 43 est constitué a l'aide d'un amplificateur différentiel 43a attaqué sur son entrée non-inverseuse par l'intermédiaire d'une diode d'écrétage 44 en dérivation par rapport à laquelle est disposé un circuit à résis- tance 45 et condensateur 46 ayant une constante de temps RC de l'ordre de 0,1S, de sorte que le condensateur 46 forme condensa- teur réservoir d'alimentation continue de l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur différentiel 43a lorsqu'il est chargé par les demi-ondes passant la diode d'écrétage. Cet amplificateur 43a présente en outre une boucle de contre-réaction à résistance 47 entre sortie et entrée inverseuse, qui lui confère ici un gain d'environ 27 dB. Ainsi, en réponse à l'excitation vibratoire de l'accéléro- -2463707 mètre 1 et à un certain niveau de signal à la sortie des filtres passe-bande 27 et/ou 28, le solénoïde du relais 39 se trouve no- tamment alimenté en courant continu d'appel et maintien de son contact à fermeture mettant en fonctionnement la signalisation lumineuse 38. À titre indicatif, avec un gain d'ensemble du circuit de la figure 3 correspondant à 70 dB et pour un niveau de sortie de V nécessaire pour actionner le relais 39, il suffit d'une ten- sion de 2 mV à l'entrée de ce circuit, laquelle, compte tenu des caractéristiques précitées de l'accéléromètre et de son amplifica- teur de charge, correspond à un seuilad'accélération en flexion transversale du champignon du rail de 0,1 mg. On a ainsi obtenu expérimentalement, en simulant des éboulements par des chutes de matériaux de nature et quantité minimale propre à provoquer une obstruction de voie sous tunnel, des distances de détection allant de 200 a 300 et même 500 mètres, selon que la chute affecte le ballast seul, le ballast et au moins une traverse, ou le rail de détection. Bien entendu un tel dispositif de détection d'éboule- ment(s) doit être neutralisé en temps utile au passage des trains, et ceci peut être simplement effectué par un équipement de voie à contacts à pédale usuels actionnés par les trains à leur pssage, en vue de couper l'alimentation électrique de la détection ou signalisation sur un parcours suffisant pour éviter tout actionnement intempes- tif provenant des vibrations induites dans le rail par le roule- ment du train (une marge d'un kilomètre par rapport à la zone pro- tégée semble devoir être largement suffisante en tous les cas). Enfin, un tel dispositif de détection est aussi applica- ble, ainsi que déjà évoqué, à la détection d'approche des trains, pour laquelle il a été obtenu expérimentalement une détection si- gnalée à une distance moyenne de 500 mètres, la signalisation d'alarme étant alors sonore dans le cas de chantiers en voie. On notera qu'avec le circuit décrit a la figure 3, on peut alors n'utiliser qu'un relais simple de commutation de l'a- larme sonore, c'est-à-dire sans automaintien, de sorte que cette signalisation d'urgence fonctionnera automatiquement avant et jusqu'après un certain temps par rapport au passage du train devant le dispositif de détection considéré, sans intervention huamine sur celui-ci, Bien entendu, diverses variantes de réalisation d'un tel dispositif de détection ou de son mode d'exploitation peuvent être imaginées sans pour autant sortir du domaine de l'invention. 8 2463707 REVENDICATIONS 1. Procédé de détection d'éboulement(s) sur voie ferro- viaire, caractérisé en ce qu'on détecte les vibrations induites par le ou les éboulements dans au moins un rail de la voie, uti- lisé comme transducteur mécanique privilégiant au moins une bande de fréquences détectée pour déclencher une signalisation d'alarme. 2. Dispositif de détection d'éboulement(s) sur voie ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de vibra- tions destiné à être fixé sur le c8té d'un rail et produisant des signaux électriques de sortie fonction des vibrations détectées, des moyens d'amplification des signaux recueillis par le capteur, au moins un filtre passe-bande ajusté sur une bande de fréquences ayant une propagation privilégiée dans les rails de la voie et raccordé à la sortie desdits moyens d'amplificption, et un dispo- sitif de commutation d'une signalisation d'alarme répondant à un certain niveau de signal à la sortie du filtre passe-bande. 3. Dispositif de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de neutralisation de son fonctionnement actionnables à chaque passage de train. 4. Dispositif de détection selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le capteur de vibrations est un accéléro- mètre piézoélectrique destiné à être fixé sur le flanc externe du champignon du rails 5. Dispositif de détection selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le filtre passe-bande est ajusté sur la bande de fréquences de 1100 à 1500 Hz. 6. Dispositif de détection selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux filtres passe-bande en parallèle, l'un des filtres étant ajusté sur la bande de fré- quences de 1100 à 1500 Hz et l'autre sur la bande de fréquences de 6400 à 9600 Hz. 7. Dispositif de détection selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'un amplificateur d'adaptation, éven- tuellement redresseur, est interposé entre le ou les filtres passe-bande et le dispositif de-commutation. 9 2453707 8. L'application d'un dispositif de détection selon l'une des revendications 2, 4, 5, 6 et 7 à la détection d'approche des trains.