Brevet FR2951262A1 — publié le 20110415

DISPOSITIF PERMETTANT D'ANALYSER L'ETAT D'USURE DES FROTTEURS D'UN VEHICULE A TRACTION ELECTRIQUE Description Domaine technique de l'invention. L'invention a pour objet un dispositif pour analyser l'état d'usure des frotteurs d'un véhicule à traction électrique. Elle concerne également un procédé permettant une telle analyse. L'invention concerne le domaine technique des équipements électriques intégrés dans les lignes d'alimentation des véhicules propulsés électriquement tels que les métros, les tramways, les trains, etc. L'invention concerne notamment les équipements permettant de signaler le mauvais fonctionnement des frotteurs portés par de tels véhicules. État de la technique. Il est courant que les véhicules à traction électrique (métro, tramway, train, ...) intègrent des contacts métalliques appelés frotteurs. Généralement, on utilise deux files de rails conducteurs mis au même potentiel et contre lesquels vient s'appliquer au moins une ligne de frotteurs lors du déplacement du véhicule. Ces frotteurs sont adaptés pour former un court-circuit (ou shuntage) entre les deux files de rails et réaliser ainsi le retour du courant de traction ou la mise à la masse du châssis. 2951262 -2 Les frotteurs peuvent également servir à signaler la présence du véhicule sur un canton (ou section) de voie. En effet, lorsqu'ils sont associés par paire (ligne de frotteurs), ils court-circuitent les deux files de rails et permettent aux circuits de voie de détecter la présence du véhicule. On rappelle qu'un circuit de 5 voie est formé par l'application d'une même tension électrique à chaque file de rail et inclut généralement un relais à bobine. En l'absence de véhicule, le relais est sous tension et ses contacts restent collés. En présence du véhicule, une partie du courant est dérivée par le court-circuit, ce qui provoque l'ouverture des contacts du relais et peut commander un circuit générant un signal de 10 présence. On comprend aisément que pour remplir ses différentes fonctions, le contact frotteur-rail doit être effectif. En effet, si le contact est mauvais, le court-circuit risque de ne plus être réalisé entre les deux files de rails. De plus, 15 l'absence d'un contact frotteur-rail pourrait être la conséquence d'un déraillement du véhicule. La détection de la présence du train sur un canton est donc sécuritaire. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler le contact assuré par le frotteur. D'autant plus que de part leur conception, les frotteurs sont des pièces d'usure qui se détériorent inévitablement dans le temps et qu'il est 20 nécessaire de changer régulièrement. De nombreuses techniques permettent de contrôler un contact rail-frotteur. Le document WO 2008/074942 (LOHR INDUSTRIE) enseigne par exemple d'intégrer les frotteurs dans un circuit électrique équipant le véhicule et 25 déclenchant, lorsqu'ils ne sont plus au contact des rails, des dispositifs et procédures d'alerte. Ce type de solution a pour principal inconvénient de n'apporter qu'une information de type « Tout-Ou-Rien ». En effet, on peut seulement déterminer si le contact frotteur-rail existe ou pas. Il est absolument impossible de quantifier l'état d'usure d'un frotteur pour anticiper son éventuel 30 changement et/ou toute autre intervention de maintenance. 2951262 -3 Une autre solution connue est schématisée sur la figure 1 annexée. Il s'agit de placer une boucle magnétique BM entre les deux files de rails R. Lorsque la ligne de frotteurs F passe sur la boucle BM, un champ magnétique se créé. La mesure de l'intensité de ce champ magnétique renseigne sur l'état 5 des frotteurs F : si l'intensité mesurée est élevée, alors ils sont en bon état, et inversement. Bien que fournissant une information « quantitative » sur l'état d'usure des frotteurs, ce type d'installation est toutefois fragile car la boucle magnétique BM peut être accrochée lors du passage du véhicule. En outre, la valeur de 10 l'intensité mesurée ne donne pas toujours une indication fiable sur l'état d'usure des frotteurs F. En effet, l'intensité du champ magnétique est fonction de la température ambiante. Or, le couplage entre la boucle BM et la ligne de frotteurs F se faisant par l'air, une forte intensité mesurée peut être dûe soit au bon état des frotteurs soit à une température ambiante élevée. Enfin, il est 15 absolument impossible de définir quel frotteur de la ligne est en bon ou en mauvais état. On peut simplement définir l'état d'usure « générale » de la ligne de frotteurs. Face à cet état des choses, un objectif de l'invention est de proposer un 20 dispositif permettant d'analyser de manière fiable et avec une grande précision, l'état d'usure des frotteurs, quels que soient les paramètres ambiants. Un autre objectif de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'analyser de manière indépendante, l'état d'usure de chaque frotteur de chaque ligne de frotteurs. Encore un autre objectif de l'invention est de proposer un dispositif 25 d'analyse robuste et dont l'installation est aisée. Divulgation de l'invention. 30 La solution proposée par l'invention est un dispositif permettant d'analyser l'état d'usure des frotteurs d'un véhicule à traction électrique, ledit 2951262 -4 dispositif comportant deux files de rails conducteurs mis au même potentiel et contre lesquels vient s'appliquer au moins une ligne de frotteurs lors du déplacement du véhicule, lesdits frotteurs étant adaptés pour former un court-circuit entre lesdites files de rails. Ce dispositif est remarquable en ce que 5 chaque file de rail comporte au moins un coupon isolé électriquement, les frotteurs venant s'appliquer contre lesdits coupons lors du déplacement du véhicule. En outre, il comporte un moyen pour injecter un signal dans le court-circuit lorsqu'un frotteur s'applique contre un coupon et un moyen pour mesurer la puissance du signal absorbée dans ledit court-circuit. 10 Le fait d'injecter directement un signal dans le court-circuit et d'en mesurer la puissance absorbée permet de quantifier avec précision l'état d'usure des frotteurs : plus la puissance absorbée est faible, plus les frotteurs sont en bon état. L'utilisation de coupons isolés électriquement du reste des files de rails permet d'injecter le signal de mesure sans perturber les autres 15 signaux de la voie, et notamment le circuit de voie. Pour quantifier de manière très précise l'état d'usure des frotteurs, le signal injecté est préférentiellement un signal électrique sinusoïdal dont la fréquence permet de mettre en résonance le circuit formé par la ligne de 20 frotteurs, le ou les coupons, éventuellement la ligne de rails et le moyen de mesure. Selon un premier mode de réalisation, les coupons sont positionnés en décalé sur les deux files de rails. Cette configuration permet de mesurer de 25 manière indépendante l'état d'usure de chaque frotteur de chaque ligne de frotteurs. Selon un second mode de réalisation, les coupons sont positionnés en vis-à-vis sur les deux files de rails. Cette configuration permet de mesurer l'état 30 d'usure « générale » d'une ligne de frotteurs. 2951262 -5 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, une impédance relie chaque coupon à la file de rail dans laquelle il est positionné. L'utilisation d'impédance permet de maintenir la ligne de frotteurs au même potentiel que les files de rails, lorsque lesdits frotteurs s'appliquent contre les coupons. 5 Parallèlement, les impédances permettent de laisser passer les signaux électriques continus en bloquant les signaux électriques sinusoïdaux. En n'injectant pas le signal sur le reste de la voie, la mesure de la puissance absorbée dans le court-circuit n'est donc pas faussée. 10 Le moyen pour injecter le signal et le moyen de mesure sont préférentiellement intégrés dans un boitier positionné au niveau des files de rails. Ils ne sont donc pas positionnés dans le véhicule. De manière avantageuse, on prévoit un moyen pour émettre un signal 15 d'alerte lorsque la puissance du signal absorbé dans le court-circuit dépasse une valeur seuil prédéterminée. Pour absorber toute dilatation et/ou déformation des coupons, des joints déformables sont positionnés aux extrémités desdits coupons de manière à les 20 isoler du reste des files de rails. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé pour analyser l'état des frotteurs d'un véhicule à traction électrique, dans une installation comportant deux files de rails conducteurs mis au même potentiel et contre 25 lesquels vient s'appliquer au moins une ligne de frotteurs lors du déplacement dudit véhicule, lesdits frotteurs étant adaptés pour former un court-circuit entre lesdites files de rails. Ce procédé consiste à : - positionner au niveau de chaque file de rail au moins un coupon isolé électriquement, les frotteurs venant s'appliquer contre lesdits coupons lors du 30 déplacement du véhicule, - 6 - injecter un signal dans le court-circuit lorsqu'un frotteur s'applique contre un coupon, - mesurer la puissance du signal absorbé dans le court-circuit. Description des figures. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en 10 référence aux dessins annexés, réalisés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 précitée représente schématiquement un dispositif d'analyse connu de l'art antérieur dans lequel une boucle magnétique est placée entre deux files de rails, 15 - la figure 2 représente schématiquement un dispositif d'analyse conforme à l'invention, les coupons étant positionnés en décalé sur les deux files de rails, - la figure 3 représente schématiquement un autre dispositif d'analyse conforme à l'invention et où les coupons sont positionnés en vis-à-vis sur les deux files de rails, 20 - la figure 4 montre le dispositif d'analyse de la figure 2 avec des impédances reliant chaque coupon à la file de rail dans laquelle il est positionné, - la figure 5 montre le dispositif d'analyse de la figure 3 avec des impédances reliant chaque coupon à la file de rail dans laquelle il est 25 positionné. Modes de réalisation de l'invention. 30 L'invention s'applique à des installations pour véhicules à traction électrique, tels que les métros, tramways ou autres trains, utilisant des 2951262 -7 alimentations électriques par le sol ou par câbles aériens. Ce type d'installation étant parfaitement connu de l'homme du métier, il ne sera pas décrit ici plus en détail. 5 En se rapportant aux figures annexées, ces installations comportent habituellement deux files de rails R1 R2, parallèles, qui sont mises au même potentiel, généralement négatif ou à la masse. Le véhicule (non représenté) est muni d'au moins une ligne (ou paire) de frotteurs F1, F2 qui s'appliquent en permanence contre ces files de rails R1, R2 lors du déplacement du véhicule. En pratique, les frotteurs F1, F2 sont des patins métalliques conducteurs qui frottent contre les rails R1, R2. Ces derniers sont eux-mêmes des pièces métalliques conductrices. Les frotteurs F1, F2 sont généralement reliés entre eux par l'intermédiaire du châssis du véhicule. Une ligne de frotteurs F1, F2 permet ainsi de court-circuiter les deux files de rails R1, R2 pour réaliser le retour du courant de traction ou la mise à la masse du châssis. Dans la pratique, ce court-circuit sert également à signaler la présence du véhicule sur un canton de voie en activant les circuits de voie. Les frotteurs F1, F2 peuvent également participer à capter des consignes telles que la vitesse du véhicule. Conformément à l'invention, on utilise un dispositif permettant d'analyser l'état d'usure des frotteurs F1, F2. En se rapportant aux figures 2 à 5, chaque file de rail R1, R2 comporte au moins un coupon, respectivement Cl, C2, isolé électriquement de la file. Les coupons Cl, C2 sont positionnés de manière à ce que les frotteurs F viennent s'appliquer contre durant le déplacement du véhicule. En pratique, chaque coupon Cl, C2 se présente sous la forme d'une portion de rail qui est intégrée dans chaque file de rail R1, R2. Une liaison électrique L permet de maintenir au même potentiel les tronçons des files de rails R1, R2 disposés de part et d'autre des coupons C. Les coupons Cl, C2 ont une longueur comprise entre 1 m et 5 m, préférentiellement 3 m, et sont conçus dans le même matériau que les rails R1, 2951262 -8 R2 ou dans un autre matériau conducteur. Leur profil est similaire à celui des rails R1, R2 de manière à ce qu'il n'y ait pas de risque de blocage et/ou d'endommagement des frotteurs F1, F2 lorsque ces derniers s'appliquent contre la jonction coupon-rail. Des joints J déformables, par exemple en 5 élastomère, sont positionnés aux extrémités des coupons Cl, C2. Ces joints J permettent non seulement d'isoler électriquement les coupons Cl, C2 du reste des files de rails R1, R2, mais encore d'absorber toute dilatation et/ou déformation desdits coupons. Pour l'isolation des coupons Cl, C2, on peut également prévoir d'utiliser des joints J rigides, par exemple en céramique. 10 En se rapportant aux figures 2 et 4, les coupons Cl, C2 peuvent être positionnés en décalé sur les deux files de rails R1, R2. Dans cette configuration, les frotteurs F1, F2 s'appliquent de manière alternée et non pas simultanément sur les coupons Cl, C2. Par exemple, lorsque le premier frotteur 15 F1 de la ligne s'applique contre le coupon Cl, le deuxième frotteur F2 s'applique contre la file de rail R2 correspondante. Et inversement, lorsque le premier frotteur F1 s'applique contre la file de rail R1, le deuxième frotteur F2 s'applique contre le coupon C2. Les deux coupons Cl, C2 sont donc préférentiellement décalés d'une distance au moins égale à la longueur d'un 20 coupon. Dans une variante de réalisation représentée sur les figures 3 et 5, les coupons Cl, C2 sont positionnés en vis-à-vis sur les deux files de rails R1, R2. Dans cette configuration, les frotteurs F1, F2 s'appliquent simultanément sur les 25 coupons Cl, C2. Conformément à l'invention, on injecte un signal dans le court-circuit lorsqu'un frotteur F1, F2 s'applique contre un coupon Cl, C2 et on mesure la puissance du signal absorbée dans ledit court-circuit. La puissance du signal 30 absorbée renseigne directement sur l'état d'usure des frotteurs F1, F2. En effet, plus la puissance absorbée est faible, plus les frotteurs F1, F2 sont en bon état. 2951262 -9 Inversement, une puissance absorbée élevée indique que les frotteurs F1, F2 sont détériorés et/ou usés. L'utilisation des coupons Cl, C2 isolés électriquement du reste des files de rails R1, R2 permet d'injecter le signal de mesure sans perturber les autres signaux de la voie, et notamment les signaux 5 activant les circuits de voie. Le moyen pour injecter le signal et le moyen de mesure sont incorporés dans un boîtier électronique B. Ce dernier est positionné au niveau des files de rails R1, R2. Il pourra par exemple être inséré dans un caniveau prévu dans le 10 sol et au-dessus duquel le véhicule circule. Dans la configuration des figures 2 et 4, on prévoit au moins deux points d'injection et de mesure. Un premier point est prévu entre le premier coupon Cl (sur lequel s'applique le premier frotteur F1) et la file de rail R2 opposée (en amont du second coupon C2). Des câbles de liaison Cc 1 connectés au boîtier 15 B permettent de réaliser ce premier point d'injection et de mesure. Un second point est prévu entre le second coupon C2 (sur lequel s'applique le second frotteur F2) et la file de rail R1 opposée (en aval du premier coupon Cl). Des câbles de liaison Cc 2 connectés au boîtier B permettent de réaliser ce second point d'injection et de mesure. Il est ainsi possible d'injecter le signal dans le 20 court-circuit au niveau de ces deux points. La mesure de la puissance absorbée au niveau du premier point renseignera sur l'état d'usure du premier frotteur F1 et la mesure de la puissance absorbée au niveau du second point renseignera sur l'état d'usure du second frotteur F2. Dans la configuration des figures 3 et 5, on prévoit un seul point 25 d'injection et de mesure. Ce point est prévu entre les deux coupons Cl, C2 en utilisant des câbles de liaison Cc 3 connectés au boîtier B. La mesure de la puissance absorbée au niveau de ce point renseignera, dans ce cas, sur l'état d'usure « générale » de la ligne de frotteurs F1, F2. 30 Le signal injecté est préférentiellement un signal électrique sinusoïdal dont la fréquence W. permet de mettre en résonance le circuit formé par la 2951262 -10- ligne de frotteurs F1, F2, le ou les coupons Cl, C2, éventuellement la ligne de rails R1, R2 et le moyen de mesure. La fréquence de résonance Wo de ce circuit se définit théoriquement par la formule suivante : Wo 1 \/ LC Avec L = valeur de l'impédance équivalente du circuit résonnant et C = valeur du condensateur équivalent du circuit résonnant. 10 En se rapportant aux figures 4 et 5, une impédance I peut relier chaque coupon Cl, C2 à la file de rail R1, R2 dans laquelle il est positionné. En pratique, l'impédance I relie chaque coupon Cl, C2 au tronçon de file de rail R1, R2 qui le précède. Les impédances I permettent de maintenir la ligne de frotteurs F1, F2 au même potentiel que les files de rails R1, R2, lorsque lesdits 15 frotteurs s'appliquent contre les coupons. Cela présente l'avantage d'éviter toute coupure dans le retour du courant de traction et/ou la mise à la masse du châssis du véhicule. En outre, les impédances I permettent de bloquer les signaux électriques sinusoïdaux injectés dans le court-circuit. Il n'y a donc aucune perte de puissance, ce qui, de fait, ne perturbe pas la mesure de la 20 puissance absorbée dans ledit court-circuit. En pratique, le signal est émis par un générateur sinusoïdal GS associé à un amplificateur de puissance AP, ces deux appareils étant intégrés dans le boîtier B. La mesure de la puissance absorbée est effectuée au moyen d'une 25 unité de traitement UT également intégrée dans le boîtier B. Cette unité de traitement peut éventuellement commander l'émission d'un signal d'alerte lorsque la puissance du signal absorbé dans le court-circuit dépasse une valeur seuil prédéterminée. L'amplificateur de puissance AP est avantageusement réglé de manière à limiter la puissance du signal hors d'une bande de 30 fréquence autorisée et définie autour de la fréquence de résonance du court-circuit. On peut également prévoir d'utiliser un circuit électronique permettant de 5 2951262 -11- protéger le court-circuit et/ou les points d'injection et de mesure, contre les remontées de courant de traction du véhicule. L'alimentation électrique du boîtier est réalisée par l'intermédiaire d'un câble d'alimentation 24 Vcc ou d'une batterie embarquée. Les mesures analysées par l'unité de traitement UT sont 5 soit stockées dans une zone-mémoire de ladite unité, soit transférées vers un PC distant, via une interface Ethernet et/ou d'un câble de liaison série type RS485 ou RS232. Un serveur Web embarqué peut éventuellement être utilisé comme interface de gestion. L'avantage d'utiliser un boîtier B de dimensions réduites dans lequel sont intégrés la totalité (ou la majorité) des composants 10 électroniques, et comportant des connecteurs pour l'acquisition et le transfert des données, permet de remplacer facilement et rapidement ledit boîtier en cas de défaillance. L'unité de traitement UT et/ou le PC distant, peuvent intégrer un 15 programme informatique comportant des instructions permettant d'horodater le passage des lignes de frotteurs en fonction d'un signal indiquant le début du véhicule (le signal étant par exemple émis par le circuit de voie). Il est ainsi possible de détecter et signaler quelle ligne de frotteurs est défaillante. On peut également prévoir de conserver dans une zone-mémoire, l'historique des 20 passages des frotteurs. Un autre programme peut comporter des instructions permettant d'émettre un signal d'alarme en cas de dégradation des conditions de mesures (joint brulé, défaut d'isolation du coupon, rail ou coupon abimé, ...). Pour ce faire, on peut utiliser une ligne de frotteurs « référence » en bon état. Si une 25 perte de puissance est mesurée après l'injection du signal dans le court-circuit généré par cette ligne « référence », cela indiquera que les conditions de mesure sont dégradées. Revendications1. Dispositif permettant d'analyser l'état d'usure des frotteurs d'un véhicule à traction électrique, ledit dispositif comportant deux files de rails (R1, R2) conducteurs mis au même potentiel et contre lesquels vient s'appliquer au moins une ligne de frotteurs (F1, F2) lors du déplacement du véhicule, lesdits frotteurs étant adaptés pour former un court-circuit entre lesdites files de rails, se caractérisant par le fait que chaque file de rail (R1, R2) comporte au moins un coupon (Cl, C2) isolé électriquement, les frotteurs (F1, F2) venant s'appliquer contre lesdits coupons lors du déplacement du véhicule, et par le fait que ledit dispositif comporte en outre un moyen pour injecter un signal dans le court-circuit lorsqu'un frotteur (F1, F2) s'applique contre un coupon (Cl, C2) et un moyen pour mesurer la puissance du signal absorbée dans ledit court-circuit. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le signal injecté est un signal électrique sinusoïdal dont la fréquence (W0) permet de mettre en résonance le circuit formé par la ligne de frotteurs (F1, F2), le ou les coupons (Cl, C2), éventuellement la ligne de rails (R1 ; R2) et le moyen de mesure. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les coupons (Cl, C2) sont positionnés en décalé sur les deux files de rails (R1, R2). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les coupons (Cl, C2) sont positionnés en vis-à-vis sur les deux files de rails (R1, R2). 2951262 -13- 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une impédance (I) relie chaque coupon (Cl, C2) à la file de rail (R1, R2) dans laquelle il est positionné. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen pour injecter le signal et le moyen de mesure sont intégrés dans un boitier (B) positionné au niveau des files de rails (R1, R2). 10 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un moyen pour émettre un signal d'alerte lorsque la puissance du signal absorbé dans le court-circuit dépasse une valeur seuil prédéterminée. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 15 des joints (J) déformables sont positionnés aux extrémités des coupons (Cl, C2) de manière à les isoler du reste des files de rails (R1, R2). 9. Procédé pour analyser l'état des frotteurs d'un véhicule à traction électrique, dans une installation comportant deux files de rails (R1, R2) 20 conducteurs mis au même potentiel et contre lesquels vient s'appliquer au moins une ligne de frotteurs (F1, F2) lors du déplacement dudit véhicule, lesdits frotteurs étant adaptés pour former un court-circuit entre lesdites files de rails, se caractérisant par le fait que : 25 • on positionne au niveau de chaque file de rail (R1, R2) au moins un coupon (Cl, C2) isolé électriquement, les frotteurs (F1, F2) venant s'appliquer contre lesdits coupons lors du déplacement du véhicule, • on injecte un signal dans le court-circuit lorsqu'un frotteur (F1, F2) s'applique contre un coupon (Cl, C2), 30 • on mesure la puissance du signal absorbée dans le court-circuit. 5