Brevet FR2572033A1 — publié le 19860425

"Pantographe pour des véhicules à traction électrique, par exemple des locomotives" L'invention concerne un pantographe pour des véhicu- les à traction électrique, par exemple des locomotives, avec deux barres de frottement parallèles, perpendiculaires au sens de la marche et appliquées au câble conducteur, ces barres for- mant, avec un tube de crête, un archet de pantographe. Les pantographes de véhicules ferroviaires sont cons- truits avec des barres profilées ayant les sections transver- sales et les diamètres les plus divers; ils sont largement dis- symétriques. A mesure que la vitesse de marche (nombre de Rey- noldc augmente, ils sont toujours plus soumis à des forces aé- rodynamiques de portance (positive ou négative), qui agissent d'une manière toujours plus décisive sur la pression d'appui des barres de frottement en charbon sur le câble conducteur. Les pantographes courants aujourd'hui sont prévus pour une plage de vitesse de marche allant au plus jusqu'à 250 km/h, mais ils ne sont pas neutres aérodynamiquement. Des publications montrent qu'avec des spoilers et des ailerons,on essaie de ren- dre les forces agissant sur le pantographe indépendantes de la vitesse de marche et de compenser des forces secondaires éven- tuellement restantes. Indiquons par exemple, dans cette direc- tion, la demande de brevet allemand 23 63 683. De même, le problème de l'usure de la barre de frot- tement en charbon pendant sa durée de vie et du changement du profil soumis à l'écoulement ainsi donc que des forces en ac- tion n'est pas encore résolu. Il faut indiquer deux valeurs limites: en marche con- ventionnelle, le pantographe est appuyé mécaniquement contre le câble conducteur avec une pression statique d'appui d'environ N. Avec des vitesses de marche allant jusqu'à 200 km/h, cette pression d'appui garantit: a. Que l'usure ne soit pas trop grande. Cela serait le cas avec une pression d'appui plus forte, à cause de forces aérodynami- ques supplémentaires de portance. b. Que le pantographe ne se décolle pas du câble conducteur pendant la marche. Cela empêcherait une transmission conti- nue de l'électricité et contribuerait à une usure plus rapide à cause de l'arc électrique ainsi créé. Cela pourrait se pro- duire dans le cas de portance aérodynamiques négatives sup- plémentaires. Un défaut de l'état actuel de la technique est qu'il - n'existe guère d'expédient simple concernant la portance aéro- dynamique positive ou négative, au moyen duquel on puisse com- penser ou au moins maintenir dans certaines limites, indépendam- ment de la vitesse de marche, toute la force d'entraînement aérodynamique transversale agissant sur le pantographe. Des sys- tèmes actifs-de pantographes, qui permettraient de mesurer et de compenser dans une boucle d'asservissement les forces aéro- dynamiques actives ne sont pas au point et ils sont mis à l'écart aussi pour des raisons de prix. Le but de l'invention est de développer un pantogra- phe, qui, jusqu'à des vitesses élevées de marche d'au moins 350 km/h, ne soit pas soumis autant que possible à des forces et des moments aérodynamiques fixes supplémentaires, pour que les deux cas extrêmes indiqués de la charge soient évités. Mais il ne faut pas non plus que des forces et des moments aérodyna- miques mobiles supplémentaires soient exercés, pour que soient évités les phénomènes des "vibrations induites par l'écoulement" et du "galop", qui sont connus par la mécanique des fluides de pièces entourées par un écoulement. En particulier, grâce à un façonnage passif de l'archet de pantographe, qui ne doit pas être adapté à la vitesse de marche, il faut agir sur la struc- ture de l'écoulement, dans le mouvement inertiel derrière les deux barres de frottement et un tube de crête, de manière que le coefficient de portance CA, le coefficient du moment de tan- gage CM ainsi que les gradients CA/ " et M/4X sur l'angle d'attaque " de l'archet par rapport au flux horizontal puissent changer de manière convenable. "Convenable" signifie ici que C et C doivent être aussi petits que possible ou égaux à zéro. CA eCMdovn teasipttquposbeo au zr. En cas de changement du sens de flux de l'archet, les gradients &CA/& et 4CM/I" doivent évoluer des angles d'attaque négatifs aux angles d'attaque positifs de manière que CA et CM deviennent plus grands. Le sens de l'angle d'attaque e est défini exacte- ment de la même façon qu'en construction aéronautique: pour O positif, l'archet est attaqué par en bas et pour " négatif, il l'est par en haut. De plus, le comportement dynamique doit être indépendant de l'usure momentanée des barres de frottement. Ce but est atteint suivant l'invention en ce qu'entre les barres de frottement se trouvent des éléments d'assemblage, qui agissent sur l'allure de l'écoulement décollé entre les bar- res de frottement, de sorte que la portance aérodynamique est réduite et que l'allure par rapport à des vibrations excitées par l'écoulement est stabilisée. Ces éléments de liaison peu- vent être une plaque perforée. Mais ils sont constitués de pré- férence par des barres ou échelons approximativement parallè- les au sens de la marche. Ils sont disposés avantageusement à égales distances les uns des autres, sur toute la largeur du pantographe. La section transversale des barres est, sur toute leur largeur, égale et de préférence rectangulaire. Il est spé- cialement avantageux que la surface libre entre les barres re- présente environ 43 à 45 % de la surface totale. Un tube de crê- te peut être placé utilement dans l'axe, parallèlement aux bar- res de frottement. Les barres ou échelons sont faits de préfé- rence dans des profilés creux. Un pantographe réalisé de cette façon atteint le but recherché et il a en même temps l'avantage de pouvoir être fabri- qué d'une manière extrêmement économique. De plus, sa fiabili- té est très grande, parce qu'on a pu se passer entièrement d'or- ganes actifs, comme des moteurs, et qu'on a utilisé seulement des pièces constitutives passives. Celles-ci sont rigides et fixées au pantographe. Il n'y a pas d'articulations quelconques, de sorte qu'il n'y a ni usure ni entretien. Le poids peut être très faible, de sorte que l'influence sur le bâti du pantogra- phe est négligeable et qu'ici non plus il ne faut pas prendre de dispositions coûteuses. Quelques formes d-exécution de l'invention vont être expliquées plus en détail à l'aide des dessins annexes. Sur ceux-ci: la figure 1 représente une vue de côté du pantographe conforme à l'invention, avec son bâti, sur le toit d'une loco- motive; la figure 2 représente une vue de devant du pantographe; la figure 3 représente une vue de dessus du pantographe; la figure 4 représente une vue de cÈté du pantographe; la figure 5 représente une coupe schématique du pan- tographe, pour la représentation des différents sens d'attaque de l'écoulement; la figure 6 représente des allures possibles et re- cherchées du coefficient de portance CA en fonction de l'angle d'attaque "; la figure 7 représente un schéma du coefficient de portance CA en fonction de la surface libre FO. la figure 8 représente une coupe transversale de dif- férents profils de barres de frottement; les figures 9 à 12 représentent des schémas du coef- CA ficient de portanceAen fonction de l'angle d'attaque ", pour différentes modifications des barres de frottement; la figure 13 représente un schéma du coefficient de portance CA en fonction du coefficient de Reynolds; la figure 14 représente un schéma du coefficient de résistance Cw en fonction du coefficient de Reynolds; les figures 15 et 16 représentent des schémas du coef- ficient de portance CA en fonction de l'angle d'attaque, pour différents profils des barres de frottement et avec différents coefficients de Reynolds. Le pantographe est appliqué, avec ses barres de frot- tement 1, au câble conducteur 12. Il s'appuie alors par un bâti au toit d'une locomotive. Le bâti est traditionnel et il ne sera pas expliqué plus en détail. Les extrémités supérieures des brasr i 10 portent, à leurs extrémités, un tube de crête 2, qui est perpendiculaire au sens de la marche. Aux extrémités du tube de crête 2, il y a des nervures et/ou des supports 8 pour recevoir /les barres de frottement 1. Celles-ci sont parallèles entre elles et parallèles au tube de crête 2. A part les dimensions - ssenYiellement spéciales, les barres de frottement 1 sont de construction/tra- ditionnelle et elles peuvent présenter sur le dessus, comme sur- face de contact, un insert en charbon. Leurs extrémités sont par ailleurs munies de cornes 5, qui empêchent le câble conduc- teur 12 de venir sous les barres de frottement 1. Le tube de crête finit dans les cornes latérales isolantes 3. Pendant la marche, l'archet est maintenu comme d'habitude sur la locomo- tive par un bâti à bras articulés. Sur la figure 2,par contre, le bâti est représenté avec des revêtements aérodynamiques pour des essais en soufflerie. Entre les barres de frottement 1, il y a des éléments d'assemblage, qui peuvent être maintenus sur le tube de crête 2 par des étais 6. Ces éléments d'assemblage peuvent être constitués par une plaque perforée ou encore, comme le montre spécialement la figure 3, par des barres individuelles 7, qui ont entre elles des espaces libres 11. Les caractéristiques principales du dispositif vont être expliquées plus en détail. La réalisation du comportement du coefficient de por- tance CA, qui est désiré et représenté sur la figure 6, réus- sit avec la construction suivante: Entre les deux barres de frottement 1, il faut un système de barres 7 de section transversale rectangulaire, dis- posé de sorte que les barres de frottement 1 forment, avec les barres 7, une échelle, les barres de frottement 1 servant de montants et les barres 7, de barreaux. Cette disposition découle de recherches faites en soufflerie sur différentes géométries d'assemblage, entre les deux barres de frottement 1, comme étant la meilleure forme et elle est représentée sur les figures 2 à 4. On y montre que les barres de frottement doivent être munies, sur toute leur longueur horizontale et à intervalles réguliers, de barreaux d'échelle. Un paramètre important est alors le pourcentage de la surface libre FO0 par rapport à la surface totale F comprise entre l[es] longueur[s] horizontale[s] des barres de frottement 1. Les essais en soufflerie ont montré que la meilleure IFO surface libre/est d'environ 30 à 45 %. Avec une surface libre de cette importance, la valeur CA disparaît dans le cas d'un flux horizontal sur l'archet du pantographe (angle de flux r = 0 , voir figure 5). C'est ce qu'on reconnaît sur la figure 7. On y a porté le coefficient de portance CA en tant que fonction de la surface libre FO, pour les différents maquettes employés dans les essais en soufflerie. Les désignations des maquettes sont inscrites,sur la figure 7, sur les points de mesures. Elles désignent les différentes sections de barres de frottement et les modifications de l'archet utilisées pendant les essais. Les formes des barres de frottement proposées jusqu'à mainte- nant découlent de la figure 8. On y a indiqué aussi le profil D (hexagone régulier), comme étant une forme de section trans- versale qui n'a plus été utilisée ensuite. 1. significations des différents profils: profil A = profil rectangulaire avec une forme rectangulaire en caisson de l'élément support se trouvant sous une barre de frottement rectangulaire en charbon; profil D = profil hexagonal. Tous les autres profilsteprésentés sur la figure 8 étaient l'objet d'un essai préliminaire et ils n'ont pas été employés ensuite pour l'optimisation de la valeur CA. 2. Les modifications de l'archet qui vont être décri- tes ensuite sont sans exception des versions du profil A, qui a l'avantage d'être largement symétrique par rapport à une médiane horizontale. Les essais ont montré pourtant que la sy- métrie exacte n'est pas absolument nécessaire. Les modifications suivantes ont été étudiées: 2.1. AL = profil A avec une plaque de tôle à petites perfora- tions, comme plaque d'assemblage au-dessous de l'élé- ment support rectangulaire. Etat neuf: hauteur de pro- fil H = 95 mmo Diamètre de trou: 3.15 mm; surface sans trou FO0 = 36 %. 2.2. AL_1 = profil AL à l'état usé; hauteur de profil H = 72 mm. 2.3. AS = profil A avec une liaison en forme debarreaux d'é- chelle entre les barres de frottement, à la place de la tôle perforée. On a ici plusieurs variantes, seu- lement pour l'étude de l'influence de la surface li- bre FO AS - largeur de pontet 18 cm (hauteur 3 cm); nombre de pon- tets: 6. Surface libre F = 45 %. Section transversa- le des pontets rectangle / caisson, hauteur de profil mm. AS_1 Disposition comme AS, état usé, hauteur de profil 72 mm. AS 2 Largeur de pontet 8 cm (hauteur 3 cm); nombre de pon- tets: 12; surface libre FO = 51 %; section transver- sale des pontets: trapézoïdale (triangle allongé). AS 3 Largeur de pontet 1.8 cm; nombre de pontets: 12; sur- face libre FO = 91 %; section transversale des pon- tets: rectangle debout 1.8 cm x 3 cm. AS 6 Largeur de pontet 8 cm; hauteur 3 cm; nombre des pon- tets 14; surface libre FO0 = 43 %; section transver- sale des pontets: rectangulaire. Mais le tube de crête est placé plus bas que la position normale H = 95 mm. AS 7 Disposition comme pour AS 6, mais le tube de crête est en position normale. Deux autres variantes sont: AS 4 Profil A avec une tôle perforée à grand degré de per- foration (FO = 40 %), avec disposition non pas sur le bord inférieur, mais exactement au milieu du profil des barres de frottement, pour que l'archet soit dis- posé symétriquement. Tube de crête en position nor- male. H = 155 mm pour maquette 2,5/1. AS 5 Disposition AS 4, mais seulement avec le tube de crête -plus bas, pour renforcer l'effet de symétrie (c'est- à-dire pour éloigner encore plus la barre de frotte- ment du mouvement inertiel du tube de crête). De ces différentes modifications de l'archet, on a porté sur la figure 7 les variantes A, AL, AS, AS2, AS3, AS4 et AS7, mais pas AL -AS AS ni AS6, parce qu'eles ne don- naient aucune autre variante pour FOO Par contre, on a porté aussi deux autres modèles, DL et DL2/3, comme modifications du profil hexagonal D. La figure 7 indique que CA ->O pour FO = 43 à 45 % doit être maintenu pour les sections transversales de profil AS et AS7. Par ailleurs, les tôles perforées décrites avec les esquisses précédentes pour DL, AL, AS4 et AS5 et formant des éléments d'assemblage entre les barres de frottement n'ont pas eu l'effet attendu, visiblement parce que le degré de perfora- tion n'était pas adapté. Des essais sur une tôle perforée ayant un degré de perforation adapté restent à faire. Un autre critère pour l'allure recherchée de CA = f (x) est, comme le montre la figure 6, le gradient du coefficient de portance sur l'angle d'attaque SCA/S.Ce critère concerne le comportement dynamique de l'archet sur le câble conducteur. Quand n'importe quels corps sont soumis à un écoule- ment, en plus des moyennes statiques des forces correspondantes de portance et de résistance il entre en jeu des forces alternantes qui font vibrer les corps se trouvant dans l'écou- lement; ces forces doivent être évitées aussi bien sur les bâ- timents et les ponts que sur les pantographes. C'est surtout le phénomène de "galop" qu'il faut em- pêcher. On entend par là que des corps placés dans un écoulement peuvent se comporter d'une manière instable par rapport à des changements infinitésimaux de l'angle d'attaque et que l'écou- lement peut les exciter à vibrer à leur fréquence propre. Cette 257 2033 instabilité se produit au-delà d'une vitesse critique, qui dé- pend de la masse, de la rigidité, de l'amortissement structu- rel, du gradient du coefficient de portance sur l'angle d'atta- que et du coefficient de résistance. - La vitesse critique Ucr est alors: cr Uc = - 4fEm / ( CL C cr D Soit: fE = fréquence propre du système; m = masse par unité de longueur; D = dimension caractéristique du corps; = amortissement structurel; = densité de l'air; r SCL È = gradient du coefficient de portance CL i5 $0 sur l'angle d'attaqueo CD = coefficient de résistance. On ne peut pas calculer à l'avance o est cette vi- tesse critique et en tout cas pas pour des profils fixés à l'avan- ce, par exemple pour les barres de frottement. Parmi les grandeurs inscrites, p, D et m sont soit connues soit faciles à trouver. Par ailleurs, il faudrait trou- ver par un essai de vibration continu sur le modèle fini: f o et l'amortissement structurel g = le décrément logarithmique de la diminution d'amplitude dans l'essai de vibration continu. Pour SCL/, la détermination en soufflerie est iné- L vitable. Mais il suffit pour cela, suivant la"théorie du galop", qui est bien développée et confirmée expérimentalement, de me- surer les forces fixes d'entraînement transversal sur le profil, dans une petite plage de l'angle d'attaque. L'exigence, découlant de la théorie,concernant l'allure de CA = f (o) et, à partir de là, CA/ à proximité de (= O est lisible sur la figure 6. Les valeurs de CA doivent augmenter des angles d'attaque négatifs vers les angles d'at- taque positifs. Le montage d'un élément d'assemblage entre les barres de frottement, soit comme tôle perforée avec les profils DL et/ou AL, soit comme barreaux d'échelle avec les profils AS à AS7 change d'une manière "dramatique" l'allure de CA = f( Ceci est montré sur les figures 9 à 12. La figure 9 montre l'allure CA 3 f( res rectangulaires de frottement A dans l'archet, sans assembla- ge entre ces barres. Cette allure correspond à la courbe de "ga- lop" instable, avec CA i O pour C = O de la figure 6. Sur la figure 10, pour le profil AL, l'allure s'est inversée dans le sens souhaité. La surface libre est ici de 36 % et CA a, pour = 0O, encore la valeur finie CA = + 0. 45 à 0.55. Par contre, les figures 11 et 12 montrent, pour les profils optimisés AS et AS7, la même allure dans la tendance. Le profil AS apparaît un peu plus défavorable à cause du passage du gradient négatif au gradient positif près de " = O et parce que CA = - 0.05 pour = 0 est encore plus éloigné de CA = O qu'avec le profil AS7, o, pour l = 0 , le coefficient de portance CA devient - 0.01; quoique le gradient 6CA/&i y devienne plus petit, il garde la même tendance positive. On reconnait donc qu'avec le montage des échelons entre les barres de frottement, comme décrit plus haut, l'exi- gence d'un comportement aérodynamiquement neutre de l'archet de pantographe, d'un point de vue fixe ou non, peut être satis- faite. La description faite jusqu'à maintenant des essais aérodynamiques sur un archet de pantographe se référait àunema- quette agrandie à l'échelle 2.5/1 et fortement simplifiée avec laquelleon pouvait simuler seulement le segment médian de l'ar- chet, avec les barres de frottement au charbon et le tube de crête (donc la partie sous tension) et pas la configuration d'ensemble, avec les cornes d'isolation correspondantes. Cette limitation était conditionnée par les dimensions et le rendement de la soufflerie disponible à basse vitesse. La section transversale de la veine d'expérience est de 2.00 m x 1.414 m et la vitesse d'attaque qui peut être atteinte est de m/s. Sur la maquette en grandeur nature à l'échelle 1/1, il faudrait obtenir une vitesse d'attaque de 100 m/s, pour attein- dre aussi le nombre réel de Reynolds pour la vitesse de marche prévue de 350 km/h. Pour le premier essai décrit, on a donc agrandi lamaquet- te à l'échelle 2,5/1, pour étudier l'influence du profil sur l'allure des forces et des moments aérodynamiques. Il a fallu alors renoncer à la configuration des cornes isolantes, à cause de leur taille. Dans cet essai, on a constaté seulement une faible dé- pendance des coefficients aérodynamiques par rapport au nombre de Reynolds (voir figure 13). C'est pourquoi, dans une deuxième étape de l'essai, la configuration réelle de l'ensemble de l'archet à l'échelle 1/1, y compris les cornes d'isolation et les cornes des barres de frottement (voir figure 14) ainsi que des ailerons aérodynamiques supplémentaires, a été soumis aux mêmes étapes d'essai que la maquette à l'échelle 2.5/1. On a obtenu alors, pour la maquette 1/1, en utilisant l'invention décrite plus haut, le même retournement de tendan- ce qu'avec la maquette 2.5/1 pour l'allure du coefficient aéro- dynamique CA sur l'angle d'attaque o, L'assemblage en pont pro- posé entre les barres de frottement stabilise l'archet par rap- port au galop. Mais c'est un peu plus difficile d'obtenir une réduc- tion du coefficient de portance CA avec l'angle d'attaque d = 00, comme cela a été représenté sur la figure 6, sous la forme de l'allure souhaitée. Pour la barre de frottement usée, il suffit de rédui- re la valeur de portance CA à 0.15 (voir figure 15). De cette façon, la portance totale sur l'archet serait maintenue dans les limites exigées par la vitesse de marche de 350 km/h. Comme conséquence pour la réalisation de l'archet de pantographe, on obtient ceci-: les rapports ainsi trouvés 1. entre la profondeur du profil t et sa haute H: t/H 1.4; 2. entre la distance T entre les barres de frottement et la hauteur du profil H: T/H 11.5 doivent être respectés pour l'état neuf de tout l'archet. L'usu- re pendant la durée de vie des barres de frottement en charbon améliore l'allure aérodynamique et elle n'a donc pas besoin d'être prise en compte pour l'état de départ. Cela signifie pourtant que, par rapport aux profils employésl usque là des barres de frottement et à la géométrie de l'archet, il faut augmenter la profondeur t de profil et la distance T entre les barres de frottement. Dans des mesures sur la maquette 1/1 avec des cornes isolantes, en combinaison avec l'assemblage en pont entre les barres de frottement, on a pu constater entretemps que l'élément d'assemblage décrit entraîne aussi un rayonnement plus faible du son de l'ensemble de l'archet dans la zone de Fraunhofer. REVENDICATIONS 1. Pantographe pour des véhicules à traction électri- que, par exemple des locomotives, avec des barres de frottement parallèles, perpendiculaires au sens de la marche et appliquées au câble conducteur, ces barres formant, avec un tube de crête, un archet de pantographe, caractérisé en ce qu'entre les barres de frottement (1) se trouvent des éléments d'assemblage (7) qui agissent sur l'allure de l'écoulement décollé,entre les barres de frottement, de sorte que la portance aérodynamique est réduite et que l'allure par rapport à des vibrations exci- tées par l'écoulement est stabilisé. 2. Pantographe suivant la revendication 1, caractéri- sé en ce que les éléments d'assemblage (7) sont constitués par une plaque perforée. 3. Pantographe suivant la revendication 1, caractéri- sé en ce que les éléments d'assemblage (7) sont des barres ou échelons (7) approximativement parallèles au sens de la marche. 4. Pantographe suivant la revendication 3, caractéri- sé en ce que les barres ou échelons (7) sont plaxés à égale dis- tance les uns des autres, sur la largeur du pantographe, 5. Pantographe suivant les revendications 3 et 4, ca- ractérisé en ce que les barres (7) ont une même section trans- versale sur leur longueur. 6. Pantographe suivant les revendications 3 à 5, ca- ractérisé en ce que les barres (7) ont une section transversale rectangulaire. 7. Pantographe suivant les revendications 3 à 6, ca- ractérisé en ce que la surface libre FO comprise entre les bar- res (7) prend environ 43 à 45 % de la surface totale (F). 8. Pantographe suivant les revendications 3 à 7, ca- ractérisé en ce que les barres ou échelons (7) sont faits dans des profilés creux. 9. Pantographe suivant les revendications 1 à 8, ca- ractérisé en ce que les dimensions du pantographe, comportant les barres de frottement (1) sont choisies de manière que le rapport entre la profondeur de profil (t) des barres de frot- tement (1) et la hauteur (H) de leur profil soit environ t/H - 1.4 et que le rapport entre la distance (T) existant entre les barres de frottement et la hauteur de profil (H) soit environ T/H * 11.5. 10. Pantographe suivant les revendications 1 à 9, ca- ractérisé en ce que le bâti (10) du pantographe a un revêtement aérodynamique.