Brevet FR2740742A1 — publié le 19970509

Pantographe comportant un dispositif de réglage de la force de contact avec la caténaire L'invention concerne un pantographe pour la transmission d'énergie entre un fil de contact et une motrice, comportant au moins un frotteur et un bras de support pour relever le frotteur et appliquer une force de contact, avec laquelle le frotteur s'applique du bas contre le fil de contact, lors de la transmission d'énergie, le bras de support étant monté sur la motrice, de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe horizontal et pouvant être orienté autour de l'axe, avec un dispositif de levage. Les pantographes de ce type sont utilisés pour les véhicules ferroviaires. L'invention concerne en particulier des pantographes pour véhicules ferroviaires à très grande vitesse. Un pantographe du type précité est connu par l'article "406, 9 km/h" - Weltrekord auf der Schiene - Energieubertragung bei der Rekordfahrt des ICE der DB, elektrische Bahnen eb, 86ème année, n 9/1988, pages 268 à 289. Le pantographe SSS 87 qui est décrit comporte une bascule contre laquelle prennent appui deux frotteurs, chacun par deux jambes de force à ressort terminales. La bascule est montée, de manière à pouvoir basculer autour d'un axe horizontal, sur des bras supérieurs qui constituent un dispositif à quatre articulations. Ce dispositif à quatre articulations est couplé avec un autre dispositif à quatre articulations, les bras inférieurs, de manière que lors de l'orientation d'un bras de support - qui est monté sur la motrice de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe horizontal et qui fait partie intégrante des bras inférieurs - l'ensemble du pantographe s'oriente et guide vers le haut la bascule avec les frotteurs parallèles, jusqu'à ce que les frotteurs soient presses contre le fil de contact, avec une force de contact donnée. Le dispositif de levage du pantographe connu comporte un élément d'actionnement pneumatique, qui agit sur le bras de support, par un câble de traction. Du fait de la force de contact, appliquée par l'élément d'actionnement, le fil de contact se soulève vers le haut en fonction de son appui. L'appui du fil de contact est assuré par une caténaire. Dans ce cas la dureté- de l'appui du fil de contact varie sur son extension longitudinale. Dans les points d'appui de la caténaire, la dureté de l'appui est maximale; elle est minimale entre les points d'appui. En conséquence, le fil de contact est soulevé par les frotteurs, dans une mesure minimale aux points d'appui et dans une mesure maximale entre les points d'appui. Ceci signifie qu'à hauteur fixe de la bascule, au-dessus de la motrice, les jambes de force à ressort se détendent partiellement entre les points d'appui, ce qui fait que la force de contact des frotteurs contre le fil de contact varie sur l'extension longitudinale du fil de contact. Du fait de la variation de la force de contact il se produit des excitation dynamiques du fil de contact ainsi que de la caténaire située en aval du fil de contact et des frotteurs, ainsi que du pantographe situé en aval des frotteurs. Ces excitations dynamiques conduisent à augmenter la variation de la force de contact des frotteurs sur le fil de conducteur. En outre la force de contact des frotteurs sur le fil de contact varie du fait d'influences dynamiques du vent, dû à la marche, arrivant sur le pantographe. Il est certes possible de compenser les influences aérodynamiques par des déflecteurs. Mais ces déflecteurs ont des répercussions différentes dans un tunnel et sur un parcours à l'air libre. En outre à l'entrée et à la sortie des tunnels il peut se produire des pointes de force considérables dans la force de contact, en raison des déflecteurs. Le soulèvement différent du fil de contact par les frotteurs peut certes être réduit par augmentation de la dureté de l'appui du fil de contact par la caténaire. Mais ceci a pour effet de solliciter fortement le fil de contact et la caténaire, car des influences notables sur la dureté de l'appui ne peuvent être obtenues que par des forces de serrage considérables. L'invention a pour but d'indiquer un pantographe du type précité permettant de respecter une force de contact pratiquement constante du frotteur sur le fil de contact, y compris dans des conditions de service variables du pantographe. Suivant l'invention ceci s'obtient en ce qu'au dispositif de levage est associé un actionneur rapide que commande une commande, en fonction du signal d'au moins un capteur de distance, de force ou d'accélération, placé sur le pantographe, de manière que la force de contact du frotteur sur le fil de contact soit maintenue constante. Les dispositifs de levage des pantographes connus comportent généralement un cylindre de levage actionné hydrauliquement ou pneumatiquement comme élément d'actionnement. Dans le nouveau pantographe l'actionneur rapide est monté en série avec cet élément d'actionnement. Rapide signifie ici que l'actionneur est très rapidement en mesure, par comparaison avec un dispositif d'actionnement hydraulique ou pneumatique, d'exercer des forces différentes sur le bras de support. Les forces exercées dans chaque cas par l'actionneur sur le bras de support sont définies par la commande en fonction du signal du capteur de distance, de force ou d'accélération, placé sur le pantographe. Dans ce cas la commande peut être adaptable, de sorte qu'elle s'ajuste elle-même aussi à l'état de fonctionnement actuel du pantographe. Les commandes adaptables de ce type sont connues par exemple par la publication DLR Adaptive Structures Concepts and Prospects. Elles y sont décrites comme des moyens destinés à réduire les oscillations dans des systèmes dynamiques élastiques. Dans la présente application concrète de la commande il s'agit de maintenir constante la force de contact du frotteur dans le fil de contact. A cet effet on a besoin comme signal d'entrée pour la commande adaptable d'un signal qui est en relation avec les influences perturbatrices, décrites plus haut, sur la force de contact. Un tel signal peut être prélevé sur le pantographe lui-même. Le capteur nécessaire pour cela n'influence pas notablement le comportement dynamique du pantographe. Ceci s'applique aussi à l'actionneur, qui est placé dans la zone du dispositif de levage. Grâce à ce type de disposition, le bras de support agit comme un bras de levier de transmission par rapport aux influences de l'actionneur, l'actionneur ne participe donc simultanément, que de manière démultipliée, au comportement dynamique du pantographe. En particulier il n'entre pas notablement dans les masses d'inertie ou masses d'oscillation du pantographe. Pendant le fonctionnement du nouveau pantographe, avec un accord approprié de la commande, toutes les influences sur la force de contact du frotteur, mentionnées ci-dessus, peuvent être compensées individuellement et en particulier dans leur somme, à condition qu'elles puissent être détectées séparément. C'est-à-dire que le bras de support est orienté, au moyen de l'actionneur, sur une distance différente, afin de compenser le relèvement différent du fil de contact, pour compenser des influences dynamiques sur le fil de contact et pour neutraliser des forces aérodynamiques par rapport à leur répercussion sur la force de contact. Les actionneurs piézo-électriques et magnétostrictifs en particulier sont des actionneurs rapides qui conviennent au nouveau pantographe. On connaît en outre des céramiques électrostrictives ainsi que des alliages à structure variable et des polymères et des substances similaires, dans lesquels peuvent être formés également des actionneurs, qui peuvent être utilisés en principe dans le nouveau pantographe. Mais en particulier les actionneurs piézo-électriques sont librement disponibles dans des formes de réalisation, telles qu'elles sont avantageusement utilisées aussi dans le nouveau pantographe. Dans les pantographes il est connu que le dispositif de levage agit sur le bras de support, par l'intermédiaire d'un câble de traction. Le câble de traction est tendu par exemple par les éléments d'actionnement pneumatiques ou hydrauliques, déjà mentionnés. Lorsqu'un tel câble de traction est prévu, l'actionneur du nouveau pantographe agit de préférence sur le câble de traction. Dans ce cas l'actionneur peut être placé dans la direction du câble de traction, c'est-à-dire parallèlement à celui-ci. La force, appliquée par l'actionneur, se traduit ainsi directement par une augmentation de la force de serrage du câble de traction. Face 3 ceci on obtient une intensification considérable de la force, lorsque l'actionneur est placé à distance des points d'appui du câble de traction, perpendiculairement à celui-ci. En tout cas dans cette forme de démultiplication, l'actionneur n'est pas en mesure de compenser de grandes distances. Il est plutôt limité pour l'essentiel 3 la compensation de forces. Lorsqu'un câble de traction est prévu pour l'orientation du bras de support, il est en règle générale formé, sur le bras de support, une courbe de guidage pour le câble de traction, dont le rayon utile entre la tangente du câble de traction et l'axe, autour duquel est orienté le bras de support, détermine le levier d'action du dispositif de levage, lors de l'orientation du bras de support. En particulier le levier d'action du dispositif de levage est accordé de manière qu'au moment de l'orientation initiale du bras de support il soit relativement petit et lors de l'application de la force de contact des frotteurs sur le fil de contact, il soit relativement grand. L'actionneur du nouveau pantographe peut dans ce cas agir indirectement sur le câble de traction, en faisant varier le rayon utile de la courbe de guidage. I1 fait ainsi varier le levier d'action du dispositif de levage et donc à nouveau le rapport de transmission entre la tension du câble de traction et la force de contact des frotteur sur le fil de contact. Il est bien entendu que l'actionneur doit influencer le rayon utile de la courbe de guidage dans la zone de celle-ci qui correspond à l'application de la force de contact du frotteur sur le fil de contact. Les actionneurs piézo-électriques et magnétostrictifs connus sont relativement sensibles à la traction mais ils peuvent en même temps être sollicités par de très fortes pressions. En conséquence il est préféré que l'actionneur soit placé de manière qu'il soit sollicité en pression par la contrainte de traction dans le câble de traction. Ceci signifie qu'une influence de l'actionneur sur la contrainte de traction n'intervient que lorsque l'actionneur a surmonté la précontrainte due à la contrainte de traction. Le signal du capteur de force ou d'accélération sur le pantographe est de préférence directement une mesure de la force de contact entre le frotteur et le fil de contact. A cet effet un capteur de force ou d'accélération peut être directement placé sous le frotteur. Dans la variante du pantographe connu avec les deux dispositifs à quatre articulations, un capteur de distance, de force ou d'accélération peut cependant être placé aussi dans la zone de l'accouplement des deux dispositifs à quatre articulations. Ici aussi il est possible d'obtenir une mesure pour la force de contact du frotteur sur le fil de contact. Mais en même temps on peut ici aussi mesurer des excitations dynamiques du pantographe, qui ne se répercutent pas directement sur la force de contact. L'invention est décrite ci-après plus en détail en référence à des exemples de réalisation. La figure 1 est une vue de côté du pantographe, la figure 2 représente la zone d'extrémité côté motrice du bras de support du pantographe de la figure 1, la figure 3 représente une première possibilité de disposition d'un actionneur dans le pantographe des figures i et 2, la figure 4 représente une deuxième possibilité de disposition d'un actionneur dans le pantographe des figures 1 et 2 et la figure 5 représente une troisième possibilité de disposition d'un actionneur dans le pantographe des figures 1 et 2. Le pantographe 15, représenté sur la figure 1, comporte deux frotteurs 1. Pendant le fonctionnement du pantographe 15, les frotteurs i sont soulevés jusqu'à ce qu'ils s'appliquent avec une force de contact donnée, à partir du bas, contre un fil de contact 2. Les frotteurs 1 prennent appui, par l'intermédiaire de jambes de force à ressort 4, contre une bascule 5, qui est montée sur une pièce d'appui 7, de manière à pouvoir basculer autour d'un axe horizontal 6. La pièce d'appui 7 fait partie intégrante d'un dispositif à quatre articulations, qui est désigné par bras supérieurs 10. Font partie des bras supérieurs 10, outre la pièce d'appui 7, un bras de support 8, une tige de guidage 9 ainsi que l'extrémité supérieure d'un autre bras de support 11. Mais le bras de support 11 fait partie intégrante aussi d'un autre dispositif à quatre articulations, désigné par bras inférieur 12. Font partie des bras inférieurs 12, outre le bras de support 11, une tige de guidage 13, un prolongement 14 relié solidairement en rotation avec le bras de support 8 et la motrice, non représentée ici, sur laquelle est placé le pantographe 15. Par rapport 3 la motrice, le bras de support 11 peut être orienté avec un dispositif de levage 3, dans le sens de la flèche 16, autour de l'axe 17. Dans ce cas la bascule 5 est soulevée parallèlement, et après application des frotteurs i contre le fil de contact 2, la force de contact est appliquée entre les frotteurs 1 et le fil de contact 2. Apres cela le fil de contact 2 se soulève en fonction de la dureté de son appui. Dans ce cas la force de contact est contrôlée par un capteur de force 18 et/ou un capteur d'accélération 19, dans la zone de l'appui des frotteurs 1 ou de l'accouplement des bras inférieurs 12 et des bras supérieurs 10. Le signal 20 ou 21 de ces capteurs de force ou d'accélération 18 et 19, est envoyé une commande 22. La commande 22 commande un actionneur 23. L'actionneur 23 fait partie intégrante du dispositif de levage 3. Mais il n'est pas prévu pour l'orientation proprement dite du bras de support 11 autour de l'axe 17. Pour cela sont prévus d'autres éléments d'actionnement. L'actionneur 23 sert plutôt à solliciter le bras de support 11 avec une force, en supplément à ces éléments d'actionnement, dans le sens de la flèche 16, afin de compenser rapidement les influences sur la force de contact des frotteurs 1 sur le fil de contact 2, et ce plus rapidement qu'il ne serait possible avec les éléments d'actionnement proprement dits du dispositif de levage 3. A cet effet la commande 22 est conçue de manière à pouvoir s'adapter, pour s'ajuster elle-même aussi à l'état de fonctionnement respectif du pantographe 15. Elle est avant tout propre aussi à traiter des signaux 20 et 21 à haute fréquence et à commander en conséquence l'actionneur 23. L'actionneur 23 est en règle générale un actionneur piézo- électrique, tel qu'il est disponible dans le commerce, mais on peut utiliser aussi des actionneurs magnétostrictifs et d'autres actionneurs rapides. La figure 2 montre l'extrémité inférieure côté motrice du bras de support 11. Le bras de support 11 comporte ici deux prolongements 24 et 25 en forme de disque à came, sur lesquels sont formées des voies de guidage 26 et 27 pour un câble de traction en forme de boucle, non représenté sur les figures 2 et 3. Entre les voies de guidage 26 et 27 se trouvent un crochet 28 pour saisir le câble de traction. Le crochet 28 sert à la fixation du câble de guidage en forme de boucle sur le bras de support 11, un évidement 29 étant prévu pour loger un corps de guidage, placé sur le câble de traction en forme de boucle. La figure 3 est une vue en coupe transversale du bras de support 11 dans la zone de la voie de guidage 27. La voie de guidage 27 détermine le levier d'action, avec lequel une contrainte de traction du câble de traction agit sur le bras de support 11. C'est-à-dire que la voie de guidage 27 définit le rayon qui détermine le couple de rotation autour de l'axe 17, en raison de la force de serrage du câble de traction. Ce rayon est la distance entre la tangente de la courbe de guidage ou du câble de traction passant sur la courbe de guidage et l'axe 17. Ce rayon utile est maximal dans une zone 30. La zone 30 correspond à la position orientée du bras de support 11, représente sur la figure 1, pour laquelle est appliquée la force de contact pour les frotteurs 1 sur un fil de contact 2. Dans la zone 30 de la voie de guidage 27, le parcours de la voie de guidage, c'est-à-dire son rayon utile, peut être modifié au moyen de l'actionneur 23. Dans ce cas l'actionneur 23 augmente la distance d'une partie 31 de la voie de guidage 27 par rapport à l'axe 17. Ceci a pour effet de modifier directement le couple de rotation exercé par la force de serrage du câble de traction sur le bras de support 11. La figure 4 représente le câble de traction 32 en forme de boucle, qui est guidé par les voies de guidage 26 et 27 sur le bras de support 11 et qui est maintenu par le crochet 28. Dans ce cas la pièce de guidage 33 s'engage dans l'évidement 29 pratiqué dans le crochet 28. Le câble de traction 32 est un câble métallique très résistant. Les extrémités libres du câble de traction 32 sont fixées sur une plaque de maintien 34, par des douilles de fixation vissées. La plaque de maintien 34 est sollicitée par un élément d'actionnement du dispositif de levage, au moyen d'une force représentée par une flèche 37. Cette force 37 produit une force de serrage dans le câble de traction 32, d'o il résulte le couple de rotation pour l'orientation du bras de support 11 autour de l'axe 17 (figure 3). L'actionneur 23 agit perpendiculairement sur le câble de traction 32 et est placé dans ce cas à distance des points d'appui du câble de traction 32. De cette façon il est réalisé une démultiplication pour l'actionneur 23. C'est-à- dire que l'actionneur 23 est prévu pour l'application de grandes forces de serrage supplémentaires sur le câble de traction 32. Mais dans ce cas il n'est pas possible de couvrir de grandes distances du câble de traction 32 ou de grandes différentes d'angle d'orientation du bras de support 11 avec l'actionneur 23. Une variante de l'actionneur 23 est représentée sur la figure 5. La plaque de maintien 34 est construite en deux parties. Sur une première partie 38 sont fixées les extrémités libres du câble de traction 32. Sur une deuxième partie 39 agit la force 37 de l'élément d'actionnement 36. Entre les parties 38 et 39 est prévu l'actionneur 23, qui est ici constitué de son côté par deux actionneurs partiels montés en parallèle. La force appliquée par l'actionneur 23 est donc directement la force de serrage du câble de traction 32. Il n'y a pas multiplication. En tout cas l'actionneur 23, avant d'être opérant, doit appliquer la contre-force à la force 37. Dans toutes les formes de réalisation des figures 3 à 5, l'actionneur 23 est maintenu sous précontrainte, car comme on le sait les actionneurs piézo-électriques sont sensibles aux sollicitations en traction, mais résistent bien par contre aux sollicitations en pression. Dans les formes de réalisation selon les figures 3 et 5, la contrainte de pression de l'actionneur 23 est automatique. Dans la forme de réalisation selon la figure 4, l'actionneur 23 peut à cet effet écarter légèrement par pression ses deux points d'action sur le câble de traction 32. D'une manière avantageuse l'actionneur 23 présente une précontrainte inhérente du cristal piézo-électrique ou magnétostrictif sur lequel il repose. La réalisation concrète de la commande 22, ici adaptable, est connue en soi. Dans le cas le plus simple, la commande 22 commande 1 l'actionneur dans le sens d'un régulateur de différence pour la force de contact des frotteurs i sur le fil de contact 2. Il y a adaptabilité lorsque les facteurs de régulation sont automatiquement accordés par la commande 22 à l'état de fonctionnement respectif du pantographe 15. REVENDICATIONS 1. Pantographe pour la transmission d'énergie entre un fil de contact et une motrice, comportant au moins un frotteur et un bras de support pour relever le frotteur et appliquer une force de contact, avec laquelle le frotteur s'applique du bas contre le fil de contact, lors de la transmission d'énergie, le bras de support étant monté sur la motrice, de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe horizontal et pouvant être orienté autour de l'axe, à l'aide d' un dispositif de levage, caractérisé en ce qu'au dispositif de levage (3) est associé un actionneur (23) rapide que commande une commande (22), en fonction du signal (20, 21) d'au moins un capteur de distance, de force ou d'accélération (18, 19), placé sur le pantographe (15). 2. Pantographe selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur (23) est un actionneur piézo-électrique ou magnétostrictif. 3. Pantographe selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de levage agit sur le bras de support par un câble de traction, caractérisé en ce que l'actionneur (23) agit sur le câble de traction (32). 4.Pantographe selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'actionneur (23) est parallèle (32) au câble de traction. 5. Pantographe selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'actionneur (23) est perpendiculaire au câble de traction (32), à distance des points d'appui du câble de traction (32). 6. Pantographe selon la revendication 3, dans lequel il est prévu, sur le bras de support, une courbe de guidage pour le câble de traction, dont le rayon utile, entre la tangente du câble de traction et l'axe, détermine le levier d'action du dispositif de levage, lors de l'orientation du bras de support, caractérisé en ce que l'actionneur (23) fait varier le rayon utile -de la courbe de guidage (26, 27). 7. Pantographe selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'actionneur (23) est sollicité en pression par la contrainte de traction dans le câble de traction (32). 8. Pantographe selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le signal (18 ou 19) du capteur de force d'accélération (20 ou 21) est une mesure de la force de contact entre le frotteur (1) et le fil de contact (2). 9. Pantographe selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur de force ou d'accélération (18) est directement placé sous le frotteur (1). 10. Pantographe selon la revendication 8, dans lequel le bras de support fait partie intégrante d'un premier dispositif à quatre articulations, inférieur, le frotteur prenant appui sur un deuxième dispositif à quatre articulations, supérieur, et les deux dispositifs à quatre articulations étant couplés entre eux pour l'orientation commune, caractérisé en ce que le capteur de force ou d'accélération (19) est placé dans la zone de l'accouplement des deux dispositifs à quatre articulations (10 et 12).