Brevet FR2634439A1 — publié le 19900126

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE CONTROLE ET L'AMELIORATION DE L'ADHERENCE ROUE/RAIL SUR LES VEHICULES FERROVIAIRES La pressente invention concerne l'industrie des véhicules ferroviaires et elle vise un procédé ainsi qu'un dispositif pour le contrôle et l'amélioration de l'adhérence roue/rail sur de tels véhicules. On sait que certaines propositions ont été faites pour augmenter la securité sur les véhicules ferroviaires, notamment ceux circulant a grande vitesse, par une amélioration de la coopération entre la roue et le rail. C'est ainsi que la demande de brevet français n B8-07418 déoosée le 3.06.1988 au nom des mêmes inventeurs prévoit un système d'amortissement des mouvements oscillatoires (notamment des mouvements oscillatoires verticaux) qui permet d'augmenter l'efficacité de la traction sur les roues motrices et l'effica- cité du freinage sur les roues freinées. On réalise ainsi un "lissage" dans le temps des forces de contact entre roue et rail. On peut citer Également la demande de brevet français N 8808132 déposée le 17.06.1988 au nom des mimes inventeurs qui concerne un système d'orientation des essieux d'un bogie per- mettant d'Éviter la pratique (courante pour les trains a grande vitesse) du graissage des boudins de roue, ou des rails, en courbe. Bien entendu, cette pratique de graissage, si elle est benefi- que sous certains aspects, est nuisible en ce qui concerne l adhérence roue/rail et il est avantageux de pouvoir s'en affranchir. Pour des voies donnÉes, l'augmentation des vitesses maximales pratiquées, mais aussi la conduite plus nerveuse des vÉhicules ferroviaires, rendues possibles par l'application des procédés et dispositifs visés par les demandes précitées trouvent cependant des limitations dans le fait que les performances de propulsion et de freinage sont limitées par l'état du rail et pas seulement par les phénomènes dynamiques au contact de la roue et du rail. Malgré les dispositions favorables rappelées ci-dessus, il subsiste des conditions particuliÈres de mauvaise adhÉrence liées aux intempéries et a des conditions saisonnières défavo rables. En effet, il est notoire que la perte d adhérence peut avoir pour origine les intempÉries (pluie, neige, ect...), des conditions saisonnières défavorables (chutes de feuilles mortes en automne) et la pollution du rail par des matières grasses (graissage intempestif des bandes de roulement, proximité d'usines polluantes, etc...). Cette perte d'adhÉrence et la maniÈre de l appréhender sera mieux comprise a la lumière des commentaires qui vont suivre, donnés a titre de rappel des lois, bien connues maintenant des spÉcialistes, qui régissent le phÉnomÈne du contact entre la roue et le rpil. Ces commentaires seront accompagnés de la figure 1 donnée, elle aussi, a titre de rappel de notions connues. Le roulement d'une roue sur un rail sans glissement n'est qu'une approximation de la réalité, pu moins lorsque s'exercent au contact de la roue et du rail des réactions dont le systÈme de forces n'est pas rÉduit a la seule force normale au plan de contact, et hormis la restriction faite ci-dessus, la roue est le siège d'un mouvement relatif par rapp?rt au rail correspon dant a des vitesses parallÈles au plan de contact. Pour la comprÉhension de la présente invention, il suffit de s'attacher aux seules vitesses longitudinales, au niveau du contact, de la roue par rapport au rail.Ces vitesses, dÉsignÉes par semiglissement longitudinal, sont rapportÉes a la vitesse d'avancement longitudinal du centre de la roue et sont alors désignées sous le terme de semi-glissement longitudinal réduit. Ce dernier est fonction de la rÉaction longitudinale de la roue sur le rail (c'est-à-dire parallèle au rail), Également dÉsignÉe sous le terme de "effort 3 la jante", pour une charge verticale Q donnÉe de la roue sur le rail et pour un état de surface donné du rail et de la roue selon l'une des courbes reprÉsentÉe sur la figure 1 Ou la charge O de la roue a été prise égale à 8 tonnes.Sur cette figure le semi-glissement réduit est porté en abscisse suivant les valeurs que prend la difference entre la vitesse absolue Va d'avancement longitudinal du centre de la a roue par rapport au rail et la vitesse péripherique Vr de la roue par rapport à un systeme d'axes entraîné par le centre de roue et parallèle aux axes terrestres (délivrée par exemple par un tachymètre classique à roue phonique) Cette diffÉrence ramenée à la vitesse absolue, soit constitue le semiglissement réduit (SGR).La réaction longitudinale de la roue sur le rail ou "effort d la jante", rapportée a la charge verticale O de la roue, est porthe en ordonnée Elle est dirigée dans le sens de la marche (cas du freinage) lorsque Va > Vr et change de sens lorsque Va Dans le domaine des faibles semi-glissements rÉduits, la loi de variation de la rÉaction longitudinale roue-rail est assimilable à une loi linéaire. Lorsque l'on s'approche des valeurs de réaction proches de celles données par le glissement franc de la loi de Coulomb, la réaction longitudinale accuse une saturation progressive correspondant a la loi étudiée par Coulomb. Enfin, lorsque l'adhÉrence du rail et de la roue se dégrade, la courbe "s'effondre". C'est ce qui apparait sur la figure 1 ou sont reportées deux courbes correspondant à deux états différents du rail et de la roue : la première, repérée (1), correspond au rail sec avec une charge verticale de la roue de G = S tonnes, l'autre, reperée (2), établie pour la meme charge O de 8 tonnes, correspond à un rail dont l adhérence a diminué d'un certain degré. Dans la pratique, le semi-glissement rÉduit est de l'ordre de plusieurs millièmes comme indiqué sur la figure 1. Ces prÉalables étant rappelés, l adhérence d'un rail pollué peut itre régénérée pour redevenir Égale à celle d'un rail sec et propre, selon une caractÉristique de l'invention, par un ensemble d opérations à faire avant le passage des premiers essieux consistant en un soufflage d'air très énergique, suivi d'un séchage des rails a l'air chaud, au moins sur la bande de roulement, d'ailleurs très Étroite, sur laquelle peut se produire le contact entre les roues et les rails. Avantageusement, l'opération de soufflage-séchage peut être précédée ou suivie d'un brossage de la bande de roulement. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble de ces moyens n'est mis en oeuvre que drns les seuls cas ou l'adhÉrence, mesurée comme il va être décrit dans ce qui suit, tombe en-dessous d'un certain seuil a fixer, tant pour la propulsion que le freinage. Le brossage-soufflage-sÉchage est particulièrement adapté pour les freinages d'urgence des matériels a traction et freinages Électriques, car, dans ce cas, il suffit d'une partie seulement de l'énergie Électrique pour souffler et sécher les bandes utiles sur les champignons des rails. Selon encore une autre caractÉristique de l'invention, les opÉrations ci-dessus de rÉgÉnÉration Éventuelle de l'adhÉrence peuvent être dévolues au véhicule de tête du convoi, mais elles peuvent aussi l'etre, au moins pour partie, à un véhicule moteur de servitude sans conducteur ni passagers, mais utilitaire nÉanmoins (pouvant transporter par exemple du courrier, ou certains baqages) et précédant le convoi, auquel il est asservi et avec lequel il est en contact permanent par ondes hertziennes, d'une distance lÉgÈrement supérieure a chaque instant a la distance de freinage d'urgence pour la vitesse considérée. Un tel véhicule de servitude présente l'avantage supplémental- re qu'il dégage la voie pour le convoi principal de tous les obstacles étrangers. On sait qu'il existe des dispositifs de localisation permettant de déterminer en permanence la position exacte d'un convoi ferroviaire. Un exemple d'un tel systÈme de "tachymétrie. et de localisation" est décrit dans la demande de brevet français ne 88-07419 déposée le 03.06.1988 aux noms des mêmes inventeurs. Mais en admettant que l'ensemble de la flotte des matériels roulants du réseau soit équipé de tels systèmes de localisation, ces derniers ne peuvent permettre une exploitation sur la base d'une distance minimale de sécurité des mobiles entre eux, que dans la mesure Ou chacun des mobiles est équipé, mais non pas avec des mobiles d'une autre famille ou des obstacles non répertoriés. I1 trouve donc une application particuliÈrement intÉressante dans les cas Ou le risque de collision avec un corps étranger sur la voie ne peut être écarté avec une certitude totale et, d'autre part, lorsque l'espacement entre véhicules isoles ou trains successifs est trÈs notablement supérieur a la distance de freinage précitée. Hevenant à la mesure de l'adhÉrence, c'est-a-dire du semiglissement entre roue et rail sous effort connu, elle peut etre faite par l'emploi de dispositifs décrits dans la demande de brevet français n 88-07419 déjà citée plus haut conduisant à disposer, à bord d'un véhicule au moins du convoi, d'une centrale de tachymetrie et de localisation, mais tout autre dispositif délivrant la vitesse d avancement par rapport au sol peut également etre utilisé. La mesure peut Vitre faite, selon caractéristique de l'invention, sans perturber ni les organes de traction ni ceux de freinage pendant les périodes ou le véhicule - ou le convoi - tractionne ou freine et pour autant que soient connus les couples de traction ou de freinage sur l essieu pris pour la mesure. C'est ainsi que pour un moteur electrique de traction, le couple de l'essieu moteur peut outre appréhendé par le coursant Électrique dans le moteur de traction. En revanche, pour un essieu freine par un systÈme de freinage pneumatique, le couple de freinage peut itre apprécié a partir de la mesure de la pression dans le cylindre de frein pendant la periode de freinage.Revenant alors a la mesure de semi-glissement sous effort connu, celle-ci consiste a comparer la vitesse absolue Va de l'essieu de mesure (par rapport au sol) délivree par la centrale de tachymétrie et de localisation prÉcitÉe - ou par des dispositifs équivalents - et la vitesse apparente Vr du même essieu affichée par la roue phonique d'un tachymètre conventionnel branché sur l'essieu en cause, puis d'en déduire le glissement reduit qui lui-meme ramené au couple applique å l'essieu pour les besoins de la conduite - couple moteur ou couple frein - caractérise pour le vehicule considÈre l'adhÉrence entre roue et rail au moment de la mesure. Chaque fois que le rapport dÉpasse un niveau fixe par exemple Où @ù Q designe la charge de la roue et r le rayon du cercle de roulement de la roue) et pour autant que les besoins de la conduite mobilisent l'adhérence maximale (par exemple i effort a la Jante par roue > 0,2 Q, voir figure 1) il est ainsi possible, selon l'invention de procéder au nettoyage du rail comme il a été indique plus haut. Selon une autre caractéristique de l'invention il est possible, par le procÈde qui vient d'être dÉcrit et en alternant les essieux de mesure de manière a faire l'investigation successi- vement sur chacun des essieux du véhicule ou du convoi, de pouvoir localiser de maniÈre automatique parmi l'ensemble des essieux moteurs ou freins ceux qui n'exerceraient pas correctement leur fonction de propulsion ou de freinage pour la part qui leur est devolue et, éventuellement de réduire en conséquence la vitesse maximale praticable. S'il n'y a pas a bord du véhicule ou du convoi une centrale tachymAtrique et de localisation å disposition, ni aucun autre appareillage apte à délivrer la vitesse absolue d'avancement longitudinale d'un essieu, il est cependant encore possible, selon encore une autre caractéristique de l'inventions de procÉder å une mesure directe de l'adhérence Une telle mesure consiste a mesurer le semi-glissement réduit entre deux essieux quelconques, mais de la meme famille, c'est-a-dire recevant le même couple fonctionnel t pour les besoins de la conduite, l'un des essieux recevant additionnellement un couple @ C, connu et constant de préférence, appliqué en sur-imposition du couple # .On choisira de plus la valeur et le sens du couple C C de maniÈre à rester autant que possible dans le domaine de linÉaritÉ des semi-glissements et des reactions longitudinales associées. Sur un plan pratique le couple @ C pourra etre appliqué sur un moteur électrique de traction par exemple par modification du courant électrique traversant l'induit ou l'inducteur (ou les deux) d'une quantitÉ donnée correspondant au couple # C. Sur un essieu freiné pneumatiquement il est de meme possible de modifier la pression dans les cylindres de freinage de l'essieu considéré d'une quantité donnée et correspondante a la valeur du couple @ C désirée. En désignant par ## la variation de vitesse de l'essieu charge par le couple t @ C par rapport a l'essieu de comparaison chargé seulement par le couple # et par Vr la vitesse de roulement ou vitesse périphérique de la roue affichée par un tachymètre classique, l'adhérence est caractérisee par le rapport # # . On procèdera éventuellement à la régénération de Vr.C l'adhérence du rail par les opérations décrites plus haut lorsque ce rapport dÉpassera un seuil fixé a l'avance. Ce procédé utilisant l'addition d'un couple supplémentaire + C a l'avantage sur le précédent (basé sur le semi-glissement cause par le couple normal 8 seul mesuré grace a une centrale de tachymetrie et de localisation) dans le fait qu'il peut Etre pratique de manière continue et pas seulement lorsque le conducteur commande un couple de traction ou un couple de freinage (encore faut-il dans le procédé précédent que ce couple de traction ou de freinage ait une valeur appréciable pour assurer une certaine signification à la mesure, par exemple correspondant à un semi-glissement réduit d'au moins 2/1000).En revanche, l'introduction du couple C introduit une lÉgÈre perturbation dans la conduite du véhicule ou du convoi. Comme précédemment, il est possible en alternant les essieux servant a la mesure de dÉtecter parmi l'ensemble des essieux ceux qui ne remplissent pas correctement @ou meme pas du toutleur fonction de propulsion ou de freinage. Selon le constat fait concernant le nombre d'essieux freines hors service, la vitesse maximale praticable prr le véhicule ou le convoi sera affichée sur le pupitre ou, Éventuellement, cette vitesse sera limitée automatiquement sans intervention du conducteur. Une autre méthode de mesure de semi-glissement est dÉrivÉe de la méthode dite en contretension. Elle consiste à superposer sur deux essieux appartenant prÉfÉrentiellement a la mime caisse, ou rÉputÉs avoir la même vitesse longitudinale d'avancement, en plus du couple normal, de propulsion ou de freinage, deux couples C en opposition et a mesurer les mouvements de rotation relatifs des deux essieux. Cette méthode est particulièrement bien adaptée aux matériels roulants a propulsion et freinage électriques.Comme les précédentes elle peut etre appliquÉe par intermittence ou, par exemple, dans les seuls cas Où il convient de déclencher un freinage d'urgence a grande vitesse et pour déterminer, de manière entièrement automatique, de l'opportunité de déclencher ou non un brossage, soufflaqe-sÈchaqe des r-ails, selon la valeur du quotient # # 2VrC par rapport à un seuil a fixer. Cette variante a l'avantage de ne pas perturber la conduite du véhicule ou du convoi puisque les deux couples C appliqués sur aeux essieux et en opposition sont sans influence sur l'accÉlÉ- ration ou la dÉcÉlÉration du véhicule ou du convoi. Les caractéristiques de la présente invention vont être decrites plus en détail dans ce qui suit avec références aux figures ci-annexees. La figure 1 illustre le semi-glissement suivant l'état du rail, sec ou pollué. La figure 2 represente une vue schématique d'un véhicule a 4 essieux utilisant une centrale tachymétrique pour declencher les dispositifs de nettoyage du rail, selon l'invention. La figure 3 représente une vue schématique du mme vÉhicule utilisant la méthode proche de la mÉthode dite "en contretension" pour décider de la mise en oeuvre des moyens de rehabilitation de l'adhÉrence; selon l'invention. La figure 4 reprÉsente schématiquement dans une vue en ÉlÉvation un ensemble d'organes de soufflage, séchage et brossage du rail. Selon la figure 2, le véhicule, repÈre (1) est dispos sur quatre essieux 2, 2b, 2c et 2d équipés de moteurs Électriques individuels 3a, 3b, 3c et 3d capables de tractionner ou de freiner le véhicule selon les ordres du conducteur. Les moteurs sont alimentés chacun au travers de blocs moteurs dont celui correspondant à l'essieu 2a est seul représenté et porte le repére 4a. Dans l'exemple choisi, seul l'essieu 2a est utilisé pour la mesure du semi-glissement, mais il est clair que la mesure peut être faite séparément sur chacun des 4 essieux si nécessaire. L'information de vitesse absolue Va d'avancement de l'essieu 2 a a par rapport au sol est donne par une centrale de tachymétrie et de localisation reperee (5) sur la figure 2. Cette centrale (5) est de prÉfÉrence du type décrit dans la demande de brevet français précitée n' 88-07419. La vitesse absolue Va est compa a rée à la vitesse Vr de roulement de l'essieu sur le rail fournie par un détecteur tachymétrique classique utilisant une roue phonique repérée 6a. La différence Va - Vr est élaborée dans le sommateur repère (7 > . Le calculateur (8) calcule le quotient significatif de l'adhÉrence roue-rail dans lequel G désigne le couple, moteur ou frein, exercé sur l'essieu en cause par le truchement du bloc moteur 4a. Si ce quotient dépasse une limite fixée, le bloc de commande de nettoyage des rails repère (9) met en oeuvre les moyens de rÉhabilitation des rails effectuant les opérations de soufflage-sechage et, éventuellement, brossage décrits a propos de la figure 4. La figure ne 3 représente un dispositif conforme à l'invention dans lequel la mesure de l'adhÉrence entre roue et rail est faite directement, c'est-à-dire sans le secours d'une centrale de tachymétrie et de localisation. Les organes ayant la même fonction que ceux représentes sur la figure 2 portent les mêmes repères. Sur les essieux 2 et 2b sont appliqués en plus du a b couple fonctionnel # deux couples en opposition + C et - C supposes partaitement connus. Dans le cas considéré ici, où les essieux sont motorisés par des moteurs Électriques qui assurent a la fois la propulsion et le freinage les couples additionnels + C et - C peuvent etre obtenus, par exemple, au moven de prises supplÉmentaires sur les bobinages des inducteurs de maniÈre a additionner ou a soustraire à volonte un nombre de spires donné. Le glissement réduit, mesure sur les deux essieux précites ramené au couple qui génère ce glissement relatif, soit est représentatif de l'adhérence. (Vr)a et (Vr)b sont les vitesses tachymétriques relevées sur les deux roues phoniques 6a et 6b. Le sommateur (7) élabore la différence (Vr)a - (Vr)b à partir de laquelle le calculateur (8) calcule le quotient qui est exploité dans le bloc de commande (9). En se référant å la figure 4 on y reconnait en vue en éléva- tion une caisse 1 du véhicule supportée par les roues 2a et 2b d'un bogie roulant sur les rails (12). Les roues sont entretoisées de manière classique par un châssis de bogie (10). Sur ce châssis (10) est suspendu un caisson (11) comprenant les organes de soufflage, séchage et brossage. Ce caisson (11) est reprÉsentÉ sur la figure 4 en position abaissée et dans cette position, il roule sur le rail (12) grace à deux roulettes (13) placées, l'une a l'avant, l'autre à l'arrière du caisson.L'ensemble du caisson (11) peut itre relevé grâce à deux biellettes (14) et a un verin (15). Sur sa partie antérieure par rapport au sens du mouvement le caisson comporte deux chambres communicantes repérées (16) et (17) alimentées en air chaud a partir de la caisse 1 grâce a un flexible (18). Cet air chaud est diffusé vers le bas, c'est-a-dire vers le rail, grâce a des buses reperées (16bis) et (17bis). L'air diffusé par la buse (16bis) est surpresse dans la chambre (16) grâce à un turbocompresseur repéré (19) de maniÈre å-éliminer le mieux possible la pellicule d'eau sur le rail. Le rail débarrassé de la plus grande partie de l'eau est ensuite séché au moyen de l'air chaud diffusé par la buse (17bis). Après ces opÉrations de soufflage-séchage, le rail est brosse au moyen d'une brosse rotative (20) fixée sur la partie postérieure du caisson (11). L'ensemble des opérations de soufflage-séchage-brossage dUcri- tes ci-dessus ainsi que l'abaissement du caisson (11) grace au vérin (15) sont commandés par le bloc de commande représenteé sur les figures 2 et 3. R E V E N D I C A T I O N S 1. ProcÉdÉ pour le contrôle et l'amÉlioration de l'adhÉrence roue/rail sur des véhicules ferroviaires caractérise en ce qu'il consiste a mesurer le semi-glissement réduit (SGR) de la roue sur le rail ; a caractériser l'adhérence rail/roue par le rapport SGR/#. 6 étant un couple de traction ou de freinage appliqué sur l'essieu de la roue ; à comparer la valeur mesurÉe de l'adhérence a une valeur de seuil déterminée ; et à declen- cher une opération de rÉtablissement de l'adhérence par nettoyage du rail, comprenant au moins un soufflage d'air et un séchage a l'air chaud de la bande de roulement du rail, dans les cas ou ladite valeur mesurée dépasse ladite valeur de seuil. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractÉrisÉ en ce qu'il consiste, pour le mesure du semi-glissement (SGR), à mesurer la vitesse absolue (Va) d'avantement longitudinal d'un essieu, à mesurer la vitesse de roulement (Vr) périphérique de la roue et à caractériser le semi-glissement (SGR) par le rapport 3.Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du semi-glissement destinée à caractériser l'adhérence roue/rail est effectuée par comparaison des vitesses de roulement (Vr) périphérique de la roue sur deux essieux auxquels sont appliqués des couples, de traction du de freinage, différents, l'expression du semi-glissement étant donnée par le rapport # # ou ou est la diffÉrence des vitesses de roulement Vr Vr des roues des deux essieux. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier essieu, servant d'essieu de comparaison et chargé du couple normal w , de traction ou de freinage ; en ce que le deuxième essieu est chargÉ, en plus du couple # , d'un couple supplémentaire C, de traction ou de freinage ; et en ce que l'adhérence roue/rail est caractérisée par le rapport # # Vr C 5.Procédé suivant la revendication 3, caractérisé : en ce que le premier essieu est chargé du couple normal # et d'un couple supplementaire + C ; en ce que le deuxième essieu est chargé du couple normal # et d'un 2Ème couple supplémentaire - C, egal et de sens opposé audit premier couple supplÉmentai- re ; et en ce que l'adhÉrence roue/rail est caractérisée par le rapport # # . 2Vr C 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il consiste Ir prendre comme essieu de mesure, pour la mesure de l'adhérence roueXrail, successivement chacun des essieux du véhicule ou du convoi, de maniÈre i dÉterminer parmi ceux-ci ceux qui n'exécutent pas correctement, ou mime pas du tout, la fonction de propulsion ou de freinage qui leur est dévolue et de limiter, en fonction de ce constat, eventuelle- ment la vitesse maximale praticable, soit automatiquement, soit par affichage sur le pupitre de conduite de la vitesse autorisée. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revencication 2, caractérisé en ce cu'il cortprend une centrale de tachymétrie (5) fournissant la valeur Va dési- gnant la vitesse absolut d'avancement longitudinal de l'essieu, un détecteur tachymétrique (6a) fournissant la valeur Vr désignant la vitesse de roulement de l'essieu sur le rail, et un calculateur (8) calculant le quotient où # est le couple appliqué éventuellement à l'essieu dans le cadre des besoins de la conduite, et déclenchant un bloc (9) de commande de nettoyage des rails si ce quotient est supérieur à un seuil fixé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un véhicule de servitude sans conducteurs ni passagers précédant le véhicule de transport d'une distance un peu supérieure à la distance minimale de freinage à la vitesse considérée, et à partir duquel les opérations de nettoyage des rails sont faites totalement ou partiellement.