Brevet FR2595823A1 — publié le 19870918

Procédé et dispositif de détermination du coefficient d'adhérence de deux pièces en contact l'une sur i'au- tre avec possibilité de glissement'. L'invention concerne un procédé qui per- met de déterminer la valeur du coefficient d'adhérence de deux pièces se trouvant en contact l'une avec l'autre et susceptiblesde glisser l'une sur l'autre. Ce procédé peut en particulier être utilisé pour déterminer le coefficient d'adhérence d'une roue de matériel ferroviaire sur le rail de roulement. La détermination du coefficient d'adhérence permet en particulier de calculer les caractéristiques de dispositifs tels que des embrayages, dans lesquels deux disques sont en contact par friction, l'une entraînant l'autre. Un cas particulier important est constitué par le problème de la détermination de l'adhérence des roues d'un véhicule fer- roviaire sur le rail de roulement, en effet, la connaissance précise du coefficient d'adhérence permet d'améliorer la circulation des véhicules ferroviaires en particulier leur freinages et leurs accélérations. Actuellement dans le cas du coefficient d'adhérence d'une roue sur un rail, on arrive à déterminer le coefficient d'adhérence par le calcul de l'effort à la jante à partir d'enregistrements de paramètres physiques tels que le courant moteur ou la pression exercée sur les freins lorsqu'il y a un début de patinage ou d'enrdyage. Le résultat obtenu est un résultat très ponctuel et il faut effectuer de nombreuses tentatives pour obtenir par exemple la représentation de l'adhérence sur une section de voie donnée en fonction de la vitesse puisgue l'adhérence varie avec cette dernière.Il s'agit d'une méthode lourde et qui nécessite un temps important pour sa mise en oeuvre et il est souhaitable de dis disposer d'un procédé et d'un dispositif qai permettent de déterminer de façon rapide et continue le long d'une voie la valeur du coefficient d'adhérence en fonction des conditions de roulement, en particulier de la vi- tesse. L'invention a donc pour objet mn procédé qui permet de déterminer en continu le coefficient d'adhérence de deux pièces en contact l'une sur l'autre avec possibilité de glissement sans nécessiter l'amor- ce d'un patinage des deux pièces l'une sur l'autre; de ce fait on peut alors faire des mesures cantines Le procédé selon l'invention est notam- ment remarquable en ce que l1on accouple mécaniquement par l'intermédiaire des pièces précitées un alternateur et un moteur asynchrone ayant le même nombre de pôles et brancs électriquement en opposl- tion, le couplage mécanique étant tel qu'il existe un glissement électrique initial du moteur asynchrone par rap à l'alternateur en l'absence de glissement mécanique entre lesdites pièces, en ce qu'on entratne mécani- quement la pièce reliée directement à l'alternateur, en ce qu'on mesure la vitesse angulaire de l'alternateur, la vitesse angulaire ou le glissement électrique réel du moteur asynchrone par rapport à l'alternateur et la tension électrique fournie par l'alternateur au moteur synchrone et en ce que l'on calcule le coefficient d'adhérence des deux pièces à partir desdites mesures. Les mesures précités se font en régime stable, c'est à dire lorsque les deux pièces glissent l'une sur l'autre sans qu'if y ait d' enrayage complet et on peut donc faire une série de mesures variant les conditions, par exemple la vitesse, puisqu'il n'y a pas de nécessité d'amorcer un patinage entre les deux pièces. Dans le cas particulier de la détermination du coefficient d'adhérence d'une roue de véhicule ferroviaire sur un rail, le couplage mécanique des deux machines électriques est obtenu au moyen d'une roue liée mécaniquement à l'alternateur et d'une roue liée mécaniquement au moteur asynchrone, les deux roues précitées roulant sur un même rail à la même vitesse, la roue liée mécaniquement à l'alternateur étant portée par un chariot tractée sur la voie.Dans ce cas, l'entraSnement mécanique de la pièce reliée directement à l'alternateur est obtenue par le roulement sans frottement de la roue portée par le chariot précité. L'invention permettant d'effectuer une mesure en continu, on peut effectuer un enregistrement simultané des mesures effectuées pour des vitesses différentes de l'alternateur et on calcule ensuite les coefficients d'adhérence pour les différentes vitesses. I1 est également possible de calculer directement pour chaque série de mesure, en continu et de manière simultané le coefficient d'adhérence pour chaque vitesse. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit. Ce dispositif comprend un alternateur et un moteur asynchrone ayant le même nombre de pôles,branchés électriquement en opposition et accouplés mécaniquement par l'intermédiaire des pièces précitées, un dispositif d'entrainement mécanique de l'alternateur ou de la pièce liée directement à l'alternateur et un dispositif de mesure des vitesses angulaires des deux machines électriques et de la tension fournie par l'alternateur au moteur asynchrone. Le dispositif précité peut avantageusementcomporter un dispositif intégré de calcul du coefficient d'adhérence à partir des mesures effectuées. Dans le cas particulier de la détermination du coefficient d'adhérence d'une roue d'un véhicule ferroviaire sur le rail, le dispositif de détermination de l'adhérence est essentiellement constitué d'un chariot tracté ou poussé par un véhicule ferroviaire et dont une première roue est reliée mécaniquement à l'alternateur et une deuxième roue est reliée mécaniquement au moteur asynchrone; dans ce cas le dispositif dlentraSne- ment mécanique précité est constitué par le véhicule ferroviaire tractant ou poussant ledit chariot. Avantageusement, le glissement initial du moteur asynchrone par rapport à l'alternateur est obtenu au moyen d'au moins un dispositif de transmission mécanique interposé entre une roue et l'alternateur ou le moteur asynchrone; en faisant varier le rapport de transmission dudit dispositif, on peut faire varier le glissement initial du moteur par rapport à l'alternateur. Le glissement initial du moteur par rapport à l'alternateur peut également être obtenu par le fait que la première roue reliée mécaniquement à l'alternateur a un diamètre légèrement inférieur au diamètre de la deuxième roue reliée mécaniquement au moteur asynchrone. Selon encore une autre caractéristique de 1 'invention, le chariot comporte un lest réglable pour chacune des deux roues. Ce lest permet d'ajuster la charge des roues et en particulier, le lest de la première roue reliée mécaniquement à l'alternateur est réglé pour que cette roue roule sans glissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés sur lesquels - la Fig. 1 est un schéma de principe illustrant le procédé selon l'invention; - la Fig.2 est un schéma de principe illustrant le procédé selon l'invention appliqué à la mesure de l'adhérence de roues sur des rails; - la Fig 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif destiné à la détermination de l'adhérence de roues sur des rails; - la Fig.4 est un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif de la figure 3. La figure i illustre le principe du procédé selon l'invention; deux pièces 1 et 2 qui sont en contact mutuel et qui peuvent glisser l'une par rapport à l'autre sont disposées de manière à réaliser un accouplement mécanique entre un alternateur 3 et un moteur asynchrone 4 qui comportent le même nombre de pôleset qui sont branchés électriquement en opposition, l'alternateur 3 fournissant la tension d'alimentation du moteur asynchrone 4.Le couplage mécanique de l'alternateur et du moteur est réalisé en reliant d'une part la pièce 1 à l'arbre 5 de l'alternateur de manière à entraîner la pièce 1 en rotation et en reliant d'autre part l'arbre 6 du moteur à la pièce 2 de manière à entrainer cette pièce également en rotation; les sens de rotation respectifs de l'alternateur et du moteur sont choisis de telle manière que les pièces 1 et 2 tournent dans le même sens.Par ailleurs l'accouplement mécanique est réalisé de telle manière qu'en l'absence de glissement mécanique entre les pièces 1 et -2, il existe un glissement électrique initial du moteur asynchrone par rapport à l'alternateur; dans ce but on peut par exemple prévoir un dispositif de transmission mécanique 7 interposé entre l'arbre d'une des machines et la pièce correspondante; dans l'exemple représenté, ce dispositif de transmission mécanique est interposé entre l'arbre 5 de l'alternateur et la pièce 1. Dans le cas où le dispositif de transmission présente un rapport de transmission variable, on peut alors faire varier le glissement initial du moteur par rapport à l'alternateur. Le moteur asynchrone 4 et l'alternateur 3 sont branchés électriquement en opposition, lé moteur entratnant l'alternateur par l'intermédiaire du dispositif d'entraînement mécanique constitué par les deux pièces 1 et 2. Pour fournir l'énergie correspondant awpertes de l'ensemble de l'alternateur et du moteur, la pièce 1 qui est en liaison mécanique avec l'alternateur 3 est entraîné par un moteur 8 dont on peut faire varier la vitesse de manière à mesurer le coefficient d'adhérence des deux pièces 1 et 2 en fonction de leur vitesse d'entrainement. En fait, il se produit un certain glissement mécanique entre les pièces 1 et 2 ce qui se traduit par le fait que le moteur 4 entrasse la pièce 2 à une vitesse un peu plus rapide que celle déterminée par le dispositif d'entratnement mécanique décrit ci-dessus et il s'ensuit que le moteur a un glissement réel qui est supérieur au glissement électrique initial décrit ci-dessus. Ce fonctionnement est un point de fonctionnement stable c'est-à-dire que celà n'entraîne pas un patinage important de la pièce 2 sur la pièce 1 et on mesure donc les paramètres de cet état de fonctionnement stable, à savoir les vitesses de rotation des deux machines électriques, ce qui permet de déterminer le glissement réel,et la valeur de la tension fournie par l'alternateur 3 au moteur 4. I1 est connu que le couple C délivré par un moteur asynchrone est donné par la formule suivante dans le cas d'un moteur et d'un alternateur triphasés : dans laquelle p est le nombre de paire de pôles, X la vitesse angulaire de synchronisme, V la tension entre phases fournie par l'alternateur, r' la résistance de cage, g le glissement réel et N' l'inductance de la self de fuite. De la valeur du couple fournie par le moteur asynchrone, on peut alors calculer le coefficient d'adhérence des deux pièces. Ce calcul peut être fait de manière simultanée mais on peut également enregistrer les différentes valeurs mesurées en faisant par exemple varier la vitesse puis calculer le coefficient d'adhérence ultérieurement sur la base de ces mesures. Le procédé qui vient d'être décrit ainsi que le dispositif pour sa mise en oeuvre peuvent avantageusement être utilisés pour la détermination du coefficient d'adhérence des roues d'un véhicule ferroviaire sur le rail de roulement. La figure 2 illustre de manière schématique une telle application. On y retrouve le moteur asynchrone il et l'alternateur 12 qui sont toujours branchés électriquement en opposition comme schématisé par la ligne triphasée 13. Dans ce cas, chacune de ces deux machines électriques est reliée mécaniquement à une roue roulant sur un rail de roulement 14; l'arbre 15 du moteur 11 est relié mécaniquement à une roue 16 et l'arbre 17 de l'alternateur 12 est relié mécaniquement à une autre roue 18. L'entratnement mécanique de la roue 18 qui est liée mécaniquement à l'alternateur 12 est obtenu par le fait que l'ensemble de l'alternateur 12 et de la roue 18 est entraSné sur le rail 14, par exemple cet ensemble est porté par un chariot tracté par un véhicule ferroviaire; la roue 18 est chargée de telle manière que son roulement sur le rail 14 s'effectue sans glissement. En effectuant les mesures qui viennent d'étire indiquées, on peut déterminer le couple fourni par le moteur asynchrone il; de la valeur du couple on peut déduire la valeur de l'adhérence limite lim en utilisant la formule suivante dans laquelle t est le rapport de réduction de la transmission mécanique existant entre le moteur 11 et la roue 16, C est le couple calculé, D est le diamètre de la roue 16 et IJ est la réaction normale du rail sur la roue. Les roues 16 et 18 peuvent être en fait des essieux de type ferroviaire, c'est-à-dire des essieux d'une seule pièce avec les roues, mais on peut également faire les mesures en utilisant des roues folles, c'est-à-dire libres par rapport aux essieux qui les portent. Dans le premier cas, on obtiendra une valeur de l'adhérence qui sera en fait une adhérence moyenne pour les deux rails; par contre, en utilisant des roues folles 16 et 18 roulant sur le même rail on peut déterminer le coefficient d'adhérence pour chacun des rails de la voie. Dans ce dernier cas, on peut par exemple prévoir deux dispositifs de mesure, un pour le rail gauche, un pour le rail droit. La figure 4 représente la courbe du couple fournie par le moteur asynchrone en fonction de sa vitesse de rotation, ce couple est nul pour la vitesse de synchronisme (piont A). Lorsque le système tourne à sa charge maximum sans glissement mécanique de la roue 18 sur le rail 14, le point de fonctionnement est le point B qui correspond à un glissement électrique maximal. Le point C correspond au point de fonctionnement stable dans lequel il existe un glissement mécanique de la roue 18 sur le rail 14 et la valeur du glissement électrique du moteur asynchrone est alors plus faible que le glissement maximal correspondant au point 3. La figure 3 représente de manière schématique un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention appliqué à la mesure du coefficient d'adhérence d'une roue sur un rail. Le dispositif est essentiellement constitué d'un chariot 21 qui est remorqué sur une voie22 par un véhicule ferroviaire non représenté auquel il est accroché par un crochet de remorque 23. Ce chariot comporte deux essieux, un premier essieu 24 qui est relié mécaniquement à un moteur asynchrone 25 et un deuxième essieu 26 relié mécaniquement à un alternateur 27; ces deux machines sont bien entendu, branchées électriquement en opposition.Pour obtenir le glissement initial du moteur asynchrone 25 par rapport à l'alternateur 27, le diamètre de la roue liée au moteur 24 est légèrement supérieur au diamètre de la roue liée à l'alternateur 26, la différence étant de l'ordre de quelque pourcents. Le chariot porte également un coffret de mesure et de commande 28 ainsi que des lests 29 et 30 servant à charger respectivement l'essieu relié au moteur 24 et l'essieu relié à l'alternateur 26. Comme indiqué plus haut, il peut s'agir d'un essieu à roue fixe de type connu ou bien d'un essieu à rouesindépendanteZ auquel cas, on prévoit alors deux dispositifs distincts comprenant chacun un moteur, un alternateur et un coffret de mesure.Du fait de'. la différence de diamètre des deux roues 24 et 26, en l'absence de glissement de ces roues sur le rail, l'alternateur est entraîné à une vitesse légèrement supérieure à celle du moteur. Par ailleurs, tant qu'il n'y a pas de glissement mécanique entre l'essieu relié au moteur, le moteur est chargé par absence de synchronisme et, de ce fait il existe un effort à la jante sans apport d'énergie extérieure. Le lest 30 de l'alternateur est réglé pour que l'essieu 26 ne s'enraye jamais et qu'il n'y ait aucun glissement entre cet essieu et le rail 22. En faisant varier le chargement de l'essieu 24 relié mécaniquement au moteur en modifiant le lest 29, on peut définir le niveau d'adhérence désiré. Lorsque l'adhérence de l'essieu 24 sur le rail 22 diminue, il se produit un glissement mécanique entre cet essieu et le rail et l'on parvient à un équilibre lorsque l'effort à la jante fourni par le moteur a suffisamment diminué pour être compatible avec l'adhérence existant entre l'essieu et le rail; on est alors parvenu au point de fonctionnement stable défini plus haut et on peut procéder aux mesures permettant de déterminer le coefficient d'adhérence. En ce qui concerne le fonctionnement du dispositif décrit, on peut noter que l'élément tracteur qui entraîne le chariot 21 fournit la puissance des pertes du montage des deux machines tournantes en opposé. Par ailleurs, les efforts à la jante des deux essieux 24 et 26 ont des valeurs absolues voisines mais de direction opposées.Il n'y a donc pas ou peu de phénomènes de déchargement d'un essieu par rapport à l'autre; pour maintenir cet état, il est avantageux que l'effort de traction exercé sur le chariot 21 par l'attache 23 soit appliqué à une hauteur qui corresponde à la hauteur du centre de gravité du chariot; en d'autre termes la hauteur du crochet d'attelage 23 correspond à la hauteur du centre de gravité de l'ensemble du chariot. Le dispositif qui vient d'être décrit permet donc d'effectuer simplement une mesure continue du coefficient d'adhérence d'une roue dans le domaine ferroviaire; la mesure se faisant en continu, il est possible d'obtenir directement une courbe de l'adhérence de la voie considérée, et on peut en particulier repérer les emplacements où il existe une rupture de l'adhérence (une telle rupture peut par exemple entre de à la présence de graisse sur les rails), même si ces emplacements à rupture d'adhérence sont de faible longueur, par exemple deux mètres. Ces mesures peuvent être faites en faisant varier des pa paramètres tels que la charge de l'essieu par modifications du lest 29 chargant l'essieu 24 relié au moteur. L'invention permet également de faire des mesures d'adhérence lors du freinage; il suffit alors de permuter les essieux à"petites"et"grandes"roues, l'essieu relié au moteur fonctionnant alors en frein et l'alternateur fournissant la puissance réactive du moteur asynchrone. On voit donc que l'on peut mesurer l'adhérence d'une voie ferroviaire dans toutes les conditions de fonctionnement. Selon une variante de l'invention, on peut prévoir un dispositif de transmission analogue à celui décrit sur la figure 1 pour engendrer un glissement électrique initial.variable dans le dispositif. Par ailleurs on peut utiliser un alternateur à excitation variable. Ces deux mesures permettent d'obtenir toutes les conditions possibles pour la mesure de l'adhérence. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du coefficient d'adhérence de deux pièces (1 et 2, 14 et 16, 22 et 24) en contact l'une sur l'autre avec possibilité de glissement, caractérisé en ce qu'on accouple mécaniquement par l'intermédiaire desdites pièces un alternateur et un moteur asynchrone ayant le même nombre de pâles et branchés électriquement en opposition, le couplage mécanique étant tel qu'il existe un glissement électrique initial du moteur asynchrcnepar rapport à l'alternateur en l'absence de glissement mécanique entre lesdites pièces, en ce qu'on entraxe mécaniquement la pièce 1 reliée directement à l'alternateur, en ce qu'on mesure la vitesse angulaire de l'alternateur, la vitesse ou le glissement réel du moteur asynchrone et la tension électrique fournie par l'alternateur au moteur asynchrone et en ce que l'on calcule le coefficient d'adhérence des deux pièces à partir desdites mesures. 20. Procédé selon la revendication 1, appliqué à la détermination du coefficient d'adhérence d'une roue(16,24)de véhicule ferroviaire sur un rail (14,22), caractérisé en ce que le couplage mécanique est obtenu au moyen d'une roue(18,26)liée mécaniquement à l'alternateur (12,27) et d'une roue(16,24) liée mécaniquement au moteur asynchrone (11,25), les deux roues précitées roulant sur un même rail (14), la roue liée mécaniquement à l'alternateur étant portée par un chariot (21) tracté sur la voie. 3 . Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on éffectue un enregistrement simultané des mesures effectuées pour des vitesses différentes de l'alternateur et en ce que l'on calcule ensuite les coefficients d'adhérence pour les différentes vitesses. 40. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on calcule directement en continu et de manière simultanée le coefficient d'adhérence pour chaque vitesse. 50. Procédé selon la revendication 2, ca ractérisé en ce que, pour la détermination du coefficient d'adhérence en freinage, on inverse le rôle de l'alternateur et du moteur asynchrone qui fonctionne alors en freins à une vitesse supérieure à celle de l'alternateur. 60. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un alterna teur (3,12,27) et un moteur asynd=one (4,11,25) ayant le nombre de pôles branchés électriquement en opposition et couplés mécaniquement par l'intermédiaire des pièces (1,24 précitées, un dispositif d'entrat- nement mécanique (8) de l'alternateur ou de la pièce liée directement à l'alternateur et un dispositif de mesure (28) des vitesses angulaires des deux machines électriques et de la tension électrique fournie par l'alternateur au moteur asynchrone. 70 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif intégré de calcul du coefficient d'adhérence. 80. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, destiné à la determination du coefficient d'adhérence d'une roue (16,24) de matériel ferroviaire sur un rail (14,22) caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'un chariot (21) tracté par un véhicule ferroviaire et dont une première roue (26) est reliée mécaniquement à l'alternateur (27) et une deuxième roue (24) est reliée mécaniquement au moteur synchrone (25), le dispositif d'entraînement mécanique précité étant constitué par le véhicule ferroviaire. 99. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le glissement électrique initial du moteur synchrone par rapport à l'alternateur est obtenu au moyen d'au moins un dispositif de transmission 17) interposé entre une roue et l'alternateur ou le moteur synchrone. 100. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le glissement électrique initial du moteur asynchronepar rapport à l'alternateur est obtenu par le fait que la roue (26) reliée mécaniquement à l'alternateur à un diamètre légèrement inférieur au diamètre de la roue (24) reliée mécaniquement au moteur asynchrone 110. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les roues précitées sont constituées chacune par un essieu à roues fixes. 120. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les roues précitées sont des roues folles montées à rotation libre sur un essieu et roulant sur un même rail. 130. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les roues sont des roues folles montées à rotation libre sur un essieu et roulant chacune sur un rail différent (14). 140. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13,caractérisd en ce que le chariot comporte un lest réglable (29,31) pour chaque roue.