Brevet FR2801403A1 — publié le 20010525

La présente invention concerne un simulateur comportemental permettant de simuler la traction ferroviaire électrique. Les simulateurs comportementaux sont utilisés pour permettre aux étudiants notamment d'étudier le comportement des machines électriques dans des situations concrètes. Ils comprennent généralement des moteurs aux caractéristiques diverses, accouplés à des charges aux caractéristiques variées. Ces simulateurs connus permettent d'approcher de manière assez satisfaisante le comportement des installations industrielles courantes. Toutefois, ils ne permettent pas de simuler de manière satisfaisante le comportement d'une motrice électrique, en raison des spécificités de la traction ferroviaire. Une motrice classique est généralement équipée de deux moteurs, entraînant respectivement deux bogies indépendants. De plus, la charge appliquée aux moteurs est susceptible de varier dans une forte proportion. En effet, le profil de la voie, tantôt montante, tantôt descendante, change fréquemment. Le nombre de wagons du convoi est également susceptible de varier. Par ailleurs, l'adhérence d'une roue en acier sur un rail est très variable, selon que le rail est sec ou humide, voire verglacé ou recouvert de feuilles mortes. Enfin, plusieurs types de motorisation sont utilisés selon les motrices. Il existe par conséquent un besoin pour disposer d'un simulateur comportemental permettant de simuler d'une manière réaliste la traction ferroviaire électrique. L'invention a ainsi pour objet un nouveau simulateur comportemental, caractérisé par le fait qu'il comporte - au moins un moteur électrique, - une charge inertielle permettant de simuler l'inertie du convoi, accouplée par des moyens de liaison audit moteur, lesdits moyens de liaison étant agencés pour simuler le contact des roues d'une motrice sur un rail, et - des moyens de commande pour commander le moteur électrique. Ainsi, dans l'invention, l'inertie d'un convoi se déplaçant en translation est simulée par l'inertie d'une masse inertielle entraînée en rotation. L'invention permet de simuler plus facilement le comportement d'une motrice qu'un modèle réduit. De plus, l'invention permet de simuler le patinage au démarrage et l'enrayage, c'est-à-dire le blocage en rotation des roues en mouvement sur le rail, en cas de freinage. Dans une réalisation préférée, le simulateur comporte des moyens de simulation de charge permettant d'exercer une action de freinage ou une action motrice sur la masse inertielle et/ou le moteur, pour simuler une pente montante ou descendante, et les moyens de commande sont agencés pour commander également les moyens de simulation de charge. Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, le simulateur comporte en outre des moyens de simulation de freinage aérodynamique permettant d'exercer une action de freinage sur la masse inertielle et/ou le moteur, de préférence sur la masse inertielle, l'action de freinage augmentant avec la vitesse afin de simuler la résistance opposée par l'air à l'avancement du convoi. Toujours dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, les moyens de simulation de freinage aérodynamique comportent un ventilateur. De préférence, le simulateur comporte deux moteurs correspondant respectivement aux bogies avant et arrière de la motrice dont on cherche à simuler le comportement, accouplés chacun par des moyens de liaison à la masse inertielle. De préférence encore, le ou chaque moyen de liaison comporte un galet de simulation de rail entraîné en rotation avec la masse inertielle et un galet moteur entraîné en rotation par le moteur associé, ce galet moteur étant apte à entraîner par friction le galet de simulation de rail à son contact. On peut, grâce à l'invention, simuler de manière satisfaisante les réalités physiques telles que le contact des roues sur les rails, la pente de la voie, la résistance aérodynamique et l'inertie du convoi. Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, le simulateur comporte deux galets moteur entraînés en rotation respectivement par les deux moteurs susdits, et deux galets de simulation de rail respectivement en contact de ces deux galets moteur, ces deux galets de simulation de rail étant solidaires d'un même arbre de liaison. Avantageusement, la masse inertielle est assujettie à cet arbre de liaison. Avantageusement, le galet de simulation de rail présente une surface de roulement légèrement conique, convergeant vers l'extérieur et le galet moteur associé présente une surface de roulement ayant un profil légèrement bombé, convexe vers l'extérieur. On simule de cette façon le fait que dans la réalité la surface supérieure des rails est bombée et les roues coniques. De plus, on assure le centrage de l'arbre de liaison par rapport aux galets moteur. Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, la masse inertielle comprend deux volants d'inertie, respectivement situés au voisinage des deux galets de simulation de rail. De préférence, le ou chaque galet de simulation de rail repose sur le galet moteur associé et sur un galet libre. De préférence également, chaque galet libre présente une surface de roulement ayant un profil légèrement bombé, convexe vers l'extérieur. De manière à simuler le fait que, dans la réalité, les roues du bogie avant peuvent être d'un diamètre plus petit que les roues du bogie arrière, suite par exemple à un enrayage des roues avant ou arrière ayant endommagé ces roues et nécessité leur ré- usinage, l'un des galets moteur présente un diamètre plus petit que l'autre. Dans ce cas, les galets moteur sont disposés comme les coins diamétralement opposés d'un rectangle et le diamètre de chaque galet libre correspond au diamètre du galet moteur tournant autour du même axe géométrique de rotation. Avantageusement, les moyens de simulation de charge comportent une machine réversible pouvant fonctionner en génératrice pour simuler une voie montante ou en moteur pour simuler une voie descendante. Cette machine réversible est avantageusement accouplée à l'arbre de liaison reliant les galets de simulation de rail de manière à exercer une force en un emplacement décentré de celui-ci, afin de simuler un phénomène de cabrage de la motrice. Dans une réalisation particulière, la machine réversible est accouplée à l'arbre de liaison par une courroie. Elle est également articulée par un bord sur le châssis et des moyens sont prévus pour exercer une force prédéterminée sur le bord opposé afin de tendre la courroie. On peut ainsi simuler un phénomène de cabrage plus ou moins important. Avantageusement, les moyens de commande comportent des moyens d'affichage et de sélection agencés pour permettre à l'utilisateur de choisir une configuration de marche parmi plusieurs, une configuration de motorisation parmi plusieurs, et un type de fonctionnement parmi plusieurs. La configuration de marche peut ainsi être choisie parmi les configurations suivantes : traction, freinage électrique, freinage rhéostatique avec excitation série, freinage rhéostatique avec excitation séparée. La configuration de motorisation peut être choisie parmi les configurations suivantes : sources en série couplées à des moteurs en série, sources en série couplées à des moteurs en parallèle, sources en parallèle couplées à des moteurs en parallèle, sources indépendantes couplées à des moteurs indépendants. Le type de fonctionnement du simulateur peut être choisi parmi les types de fonctionnement suivants : marche manuelle, asservissement de vitesse, asservissement de vitesse avec anti-patinage. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, et à l'examen du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue de face, partielle et schématique, d'un simulateur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de côté selon la flèche II de la figure 1, et - la figure 3 est une vue partielle du côté opposé, selon la flèche 111 de la figure 1. Le simulateur comportemental 1 représenté sur les figures 1 et 2 comporte un châssis 2 présentant trois niveaux horizontaux, à savoir un niveau supérieur 3, un niveau intermédiaire 4 et un niveau inférieur 5. Deux moteurs électriques 6a, 6b sont fixés sur un socle amovible 7 porté par le niveau supérieur 3. Sur le niveau intermédiaire 4 sont fixées deux paires de paliers 8 respectivement associées aux moteurs 6a et 6b. Chaque paire de paliers 8 se situe sensiblement à l'aplomb du moteur 6a ou 6b correspondant et supporte un arbre horizontal 9. Cet arbre 9 est entraîné en rotation par le moteur 6a ou 6b associé au moyen d'une courroie crantée 10. Des capteurs 11a et 11b sont fixés sur les montants verticaux 12 du châssis 2 afin de mesurer respectivement les vitesses de rotation des deux arbres 9. Des galets moteur en acier 15a et 15b, respectivement associés aux moteurs 6a et 6b, sont montés sur les arbres 9 et tournent avec ces derniers. A côté de chaque paire de paliers 8 est disposée une paire de paliers 16 pour le montage en rotation d'un arbre horizontal 19 parallèle à l'arbre 9 adjacent et supportant un galet en acier. Le galet moteur 15a et le galet libre 18a associé supportent un galet de simulation de rail 20a, en acier. Le galet moteur 15b et le galet libre 18b associé supportent un galet de simulation de rail 20b, en acier également. Les galets de simulation de rail 20a et 20b sont solidaires d'un arbre de liaison horizontal 21, parallèle aux arbres 9. Les galets de simulation de rail 20a et 20b sont pourvus, sur leurs faces en regard, de collerettes 17 qui peuvent venir en appui axialement sur les galets moteur 15a et 15b respectifs afin de retenir axialement l'arbre de liaison 21. Le galet moteur 15a présente un diamètre légèrement supérieur à celui du galet moteur 15b pour tenir compte du fait que, dans la réalité, les roues du bogie avant présentent généralement un diamètre différent de celui des roues du bogie arrière. Pour que l'arbre de liaison 21 soit horizontal malgré la différence de diamètre des galets moteur 15a et 15b, ces derniers sont croisés, c'est-à-dire que si le simulateur est observé de dessus, les galets moteur 15a et 15b sont placés comme les coins diamétralement opposés d'un rectangle. Ainsi, sur la figure 1, seul le galet moteur 15a est visible. Le diamètre du galet libre 18b, qui tourne autour du même axe géométrique que le galet moteur 15a, est le même que celui du galet moteur 15a. Le galet libre 18a a même diamètre que le galet moteur 15b et tourne autour d'un même axe géométrique de rotation. Les galets de simulation de rail 20a et 20b présentent une surface légèrement conique, convergeant vers l'extérieur, comme on peut le voir sur la figure 1. La surface de roulement des galets moteur 15a, 15b et des galets libres 18a, 18b est légèrement bombée, convexe vers l'extérieur, de manière à permettre à l'arbre de liaison 21 de se centrer automatiquement. Deux volants d'inertie 25 sont fixés sur l'arbre de liaison 21, chaque volant 25 se situant sensiblement à mi-distance entre le milieu de l'arbre de liaison 21 et le galet de simulation de rail qui se trouve à l'extrémité de l'arbre de liaison 21 du même côté que le volant en cause. Au niveau inférieur 5 se trouve une machine réversible 30 pouvant fonctionner soit en générateur de courant, soit en moteur, associée à un capteur de vitesse de rotation 43. Cette machine 30 est accouplée, par l'intermédiaire d'une courroie crantée 31 et d'une roue 32, à l'arbre de liaison 21. La roue 32 est fixée sur l'arbre 21 entre le milieu de l'arbre de liaison 21 et le volant d'inertie 25 situé à côté du galet de simulation de rail 20a. Sur le niveau inférieur 5 se trouve également un ventilateur 40 qui est entraîné en rotation par l'arbre de liaison 21 grâce à une courroie crantée 41, engagée dans une roue 42 fixée au milieu de l'arbre de liaison 21. La tension de la courroie 31 est réglable de manière à appliquer une force dirigée vers le bas plus ou moins grande sur l'arbre de liaison 21, afin de simuler un phénomène de cabrage plus ou moins important, ainsi qu'il sera précisé dans la suite. Dans l'exemple de réalisation décrit, la machine réversible 30 est articulée par un bord sur le châssis 2 le long d'un axe horizontal 50. Un ressort 51 appuie vers le bas sur le bord opposé 52 pour solliciter la machine réversible 30 en rotation vers le bas afin de tendre la courroie 31. L'extrémité supérieure du ressort 51 vient en appui contre une manette 53 engagée sur un axe fileté solidaire du châssis 2 et servant de guide au ressort 51. En tournant la manette 53, on peut comprimer davantage le ressort 51 afin d'exercer une pression plus grande sur le bord 52 et donc, indirectement, tendre davantage la courroie 31. Les moteurs 6a et 6b peuvent être des moteurs continus, synchrones ou asynchrones, de manière à simuler les différentes motorisations existantes. Les moteurs 6a et 6b simulent respectivement l'entraînement des deux bogies d'une motrice. L'inertie en translation du convoi est simulée par l'inertie en rotation des deux volants 25. La masse de la motrice qui applique les roues sur la voie ferrée est simulée en partie par le poids des deux volants d'inertie 25 et par celui de l'arbre de liaison 21 et en partie par la tension de la courroie 31. Pour dimensionner les volants d'inertie 25, on applique un rapport de similitude, comme cela sera précisé plus loin. On utilise également un rapport de similitude pour dimensionner le ventilateur 40 et déterminer les conditions de fonctionnement de la machine réversible 30. D'une manière générale, un train en phase d'accélération doit fournir une puissance totale égale à P = p#,, + pf + p, + pp + pa , où p. est la puissance destinée à compenser les pertes mécaniques, pf est la puissance destinée à vaincre les frottements de roulement, p, est la puissance destinée à assurer la pénétration dans l'air, pp est la puissance due à une pente éventuelle et pa est la puissance destinée à vaincre l'inertie du convoi en accélération. Chacun des éléments p. , pf , pv , pp et pa de la puissance totale P peut s'exprimer de manière simple en fonction de coefficients généralement constants et de la fréquence de rotation w des moteurs ou de leur accélération angulaire w', sous la forme Aw+Bw2+Cw3+D.pw+Ew.w' où A, B, C, D, E sont des coefficients, p la pente, w la fréquence de rotation du moteur, w' l'accélération angulaire, et la puissance totale P sous la forme P=A'w+B'w2+C'w3+D'.pw+E'cw.w' La puissance au niveau de l'arbre d'un moteur 6a ou 6b aura comme expression Ps = a cos + b Co, 2 + c w,3 + d.p w, + e w,ws' où a, b, c, d, e sont des coefficients propres au simulateur, Co, est la fréquence de rotation d'un moteur 6a ou 6b, et ( ,'son accélération. La similitude entre le simulateur et la motrice réelle sera établie au niveau des puissances. Le rapport de similitude K sera le rapport des puissances P/Ps. Dans l'exemple de réalisation décrit, on cherche à rendre égaux chacun des Afin de simplifier, on choisira (o = ù), et a)' = co,'. Dans l'exemple de réalisation décrit, la motrice prise comme modèle est une machine de type BB 16 500 de 2 580 kW de puissance, de masse 72 t et l'on suppose qu'elle entraîne un convoi constitué de deux wagons vides, soit environ 5,45 t. Le simulateur est équipé de deux moteurs de 1100 W chacun. Le rapport de similitude est : K = 2 580 / 2 x 1,1 = 1173. La vitesse maximale de la motrice est de 90 km/h. On est donc en mesure de calculer l'énergie cinétique du convoi et l'on peut appliquer le rapport de similitude ci-dessus pour déterminer l'énergie cinétique devant être emmagasinée par les volants 25. Les calculs donnent une inertie de 2,5 m2 kg. On procède de manière analogue pour déterminer la puissance du ventilateur 40 et les conditions de fonctionnement de la machine réversible 30. Par ailleurs, la machine réversible 30 peut être commandée de manière à opposer aux moteurs 6a et 6b un couple proportionnel à l'accélération du convoi, afin de créer une inertie virtuelle, simulant le remplissage des wagons. De par l'application en un point excentré de l'arbre de liaison 21 de la tension de la courroie 31, on fait en sorte que le galet de simulation de rail 20b soit plus fortement appliqué sur le galet moteur 15b que ne l'est le galet de simulation de rail 20a sur le galet moteur 15a. On simule de cette façon le cabrage de la motrice, c'est-à-dire le fait que le bogie avant tend à se soulever au démarrage, le crochet d'attelage n'étant pas au niveau de l'axe des roues mais légèrement au-dessus. Le fait de faire reposer l'arbre de liaison 21 sur deux galets à chaque extrémité procure une grande stabilité et permet de se passer de moyens de guidage latéraux supplémentaires. Des moyens de commande logés dans une armoire 51 sont agencés pour commander les moteurs 6a, 6b et la machine réversible 30, ainsi que pour mesurer les courants, la tension des moteurs et les vitesses de rotation grâce aux capteurs 11a, 11b et 43. Avantageusement, ces moyens de commande comportent une interface permettant d'afficher différents écrans et offrant à l'utilisateur la possibilité de sélectionner un mode de fonctionnement particulier. Ainsi, les moyens de commande sont agencés dans l'exemple de réalisation décrit pour permettre à l'utilisateur de sélectionner différentes configurations de traction ou de freinage, afin de simuler par exemple la traction, le freinage électrique, le freinage rhéostatique avec excitation série ou le freinage rhéostatique avec excitation séparée. Les moyens de commande permettent également à l'utilisateur de sélectionner un type de couplage particulier entre les moteurs et les sources, par exemple un couplage dans lequel les sources sont en série et les moteurs également, dans lequel les sources sont en série et les moteurs en parallèle, dans lequel les sources et les moteurs sont en parallèle, ou encore dans lequel les sources et les moteurs sont indépendants. La machine réversible 30 peut être commandée en moteur pour simuler une pente descendante, pendant laquelle la charge du convoi tend à entrainer la motrice, ou un fonctionnement en générateur, avec restitution d'énergie au réseau, pour simuler une voie montante. La commande de la machine réversible 30 peut s'effectuer sous forme d'échelon ou de rampe de tension, de façon à permettre à l'utilisateur de programmer un profil de voie variant dans le temps. Dans l'exemple de réalisation décrit, la machine réversible est également commandable de manière à pouvoir simuler une augmentation de l'inertie correspondant au remplissage des wagons. Les moyens de commande permettent également à l'utilisateur de choisir le mode de fonctionnement des moteurs, par exemple marche manuelle, asservissement de la vitesse avec ou sans anti-patinage. Chaque moteur 6a ou 6b peut être commandé de manière indépendante. Les deux moteurs 6a et 6b peuvent être commandés simultanément ou l'être avec des commandes appliquées successivement. Dans l'exemple de réalisation décrit, les moyens de commande permettent à l'utilisateur de choisir, dans le cas d'asservissements proportionnels et intégraux pour traiter le patinage par exemple, le gain de l'action proportionnelle et la constante d'intégration. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. On peut notamment simplifier dans une certaine mesure le simulateur qui vient d'être décrit en supprimant par exemple le ventilateur et en commandant la machine réversible de manière à simuler un freinage aérodynamique. REVENDICATIONS 1. Simulateur comportemental permettant de simuler la traction ferroviaire, caractérisé par le fait qu'il comporte - au moins un moteur électrique (6a ; 6b), - une charge inertielle (25) permettant de simuler l'inertie du convoi, accouplée par des moyens de liaison (10, 9, 15a, 20a, 21 ; 10, 9, 15b, 20b, 21) audit moteur (6a ; 6b), lesdits moyens de liaison étant agencés pour simuler le contact des roues d'une motrice sur un rail, et - des moyens de commande pour commander le moteur. 2. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de simulation de charge (30) permettant d'exercer une action de freinage ou une action motrice sur la masse inertielle et/ou le moteur pour simuler une pente montante ou descendante, et par le fait que les moyens de commande sont agencés pour commander les moyens de simulation de charge. 3. Simulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de simulation de freinage aérodynamique (40) permettant d'exercer une action de freinage sur la masse inertielle et/ou le moteur, de préférence sur la masse inertielle (25), l'action de freinage augmentant avec la vitesse afin de simuler la résistance opposée par l'air à l'avancement du convoi. 4. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que les moyens de simulation de freinage aérodynamique comportent un ventilateur (40). 5. Simulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte deux moteurs correspondant respectivement aux bogies avant et arrière, accouplés chacun par des moyens de liaison à la masse inertielle. 6. Simulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ou chaque moyen de liaison comporte un galet de simulation de rail (20a ; 20b) entraîné en rotation avec la masse inertielle (25) et un galet moteur (15a ; 15b) entraîné en rotation par le moteur associé, ce galet moteur étant apte à entraîner par friction le galet de simulation de rail à son contact. 7. Simulateur selon les deux revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte deux galets moteur (15a ; 15b) entraînés en rotation respectivement par les deux moteurs et deux galets de simulation de rail (20a ; 20 b) respectivement au contact des deux galets moteur, ces deux galets de simulation de rail étant solidaires d'un même arbre de liaison (21). 8. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la masse inertielle (25) est assujettie à cet arbre de liaison (21). 9. Simulateur selon l'une des deux revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que chaque galet de simulation de rail présente une surface de roulement légèrement conique, convergeant vers l'extérieur. 10. Simulateur selon l'une des trois revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que chaque galet moteur présente une surface de roulement ayant un profil légèrement bombé, convexe vers l'extérieur. 11. Simulateur selon l'une des quatre revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que la masse inertielle comprend deux volants d'inertie (25), respectivement situés au voisinage des deux galets de simulation de rail (20a ; 20b). 12. Simulateur selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé par le fait que chaque galet de simulation de rail (20a ; 20b) repose sur le galet moteur associé (15a ; 15b) et sur un galet libre (18a ; 18b). 13. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que chaque galet libre (18a ; 18b) présente une surface de roulement ayant un profil légèrement bombé, convexe vers l'extérieur. 14. Simulateur selon l'une des deux revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que les deux galets moteur présentent des diamètres différents, par le fait qu'ils sont disposés comme les coins diamétralement opposés d'un rectangle, et par le fait que le diamètre de chaque galet libre correspond au diamètre du galet moteur tournant autour du même axe géométrique de rotation. 15. Simulateur selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de simulation de charge comportent une machine réversible (30) pouvant fonctionner en génératrice pour simuler une voie montante ou en moteur pour simuler une voie descendante. 16. Simulateur selon les revendications 7 et 15, caractérisé par le fait que la machine réversible est accouplée à l'arbre de liaison (21) de manière à exercer une force en un emplacement décentré de celui-ci, afin de simuler un phénomène de cabrage de la motrice. 17. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la machine réversible (30) est accouplée à l'arbre de liaison par une courroie (31), par le fait que la machine réversible est articulée par un bord sur le châssis (2), et par le fait que des moyens (51, 53) sont prévus pour exercer une force prédéterminée sur le bord opposé (52) afin de tendre la courroie (31). 18. Simulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de commande comportent des moyens d'affichage et de sélection agencés pour permettre à l'utilisateur de choisir une configuration de marche parmi plusieurs, une configuration de motorisation parmi plusieurs, et un type de fonctionnement parmi plusieurs. 19. Simulateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la configuration de marche est choisie parmi les configurations suivantes : traction, freinage électrique, freinage rhéostatique avec excitation série, freinage rhéostatique avec excitation séparée. 20. Simulateur selon l'une des deux revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que la configuration de motorisation est choisie parmi les configurations suivantes : sources en série couplées à des moteurs en série, sources en série couplées à des moteurs en parallèle, sources en parallèle couplées à des moteurs en parallèle, sources indépendantes couplées à des moteurs indépendants. 21. Simulateur selon l'une quelconque des trois revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que le type de fonctionnement est choisi parmi les types de fonctionnement suivants : marche manuelle, asservissement de vitesse avec ou sans anti-patinage.