Brevet FR3038328A1 — publié le 20170106

« Véhicule ferroviaire pour le nettoyage des files de rail, en particulier pour améliorer le fonctionnement d'un circuit de voie » La présente invention concerne un véhicule ferroviaire pour le nettoyage des files de rail d'une voie ferrée en vue de l'amélioration du fonctionnement d'un circuit de voie équipant la voie ferrée. Le domaine de l'invention est le domaine du nettoyage des files de rail, en particulier de la couche d'oxyde se formant sur les files de rail, dans un but d'amélioration du fonctionnement d'un circuit de voie. Etat de la technique Un des principaux dispositifs mis en oeuvre pour localiser les trains est le circuit de voie, bien connu de l'homme du métier. Le bon fonctionnement du circuit de voie repose sur l'hypothèse de rails propres, à savoir une absence d'oxyde ou de corps étrangers tels sable ou feuilles, de sorte à obtenir un bon contact électrique entre le rail et la roue d'un véhicule ferroviaire. Sur des portions de voie ferrée sujettes à une fréquence de circulation importante, les rails restent généralement propres, la circulation assurant un nettoyage des rails, notamment contre l'oxydation des rails. Cependant, des risques de déshuntage pourraient être observés sur des portions de voie ferrée sujettes à de faibles trafics, ou sur des portions de voie ferrées essentiellement utilisées par des véhicules légers de type autorail, y circulant. Sur ces portions, une couche d'oxyde peut se former sur les rails de sorte que le passage des engins ne nettoie pas suffisamment ladite couche d'oxyde constituant une barrière au contact électrique entre le rail et la roue. Pour répondre à ce problème, une première solution consiste à équiper les véhicules ferroviaires de patins frotteurs qui viennent frotter les files de rail en vue d'éliminer la couche d'oxyde qui s'y est formée. Cependant, l'utilisation des patins frotteurs impose une faible vitesse de circulation sur la voie ferrée. Seuls des matériels roulants de type draisines peuvent donc être équipés de patins frotteurs. 3038328 -2 Une autre solution consiste à utiliser des équipements appelés « scrubbers », plus précisément des patins nettoyeurs agissant sur les roues. Cependant, le retour d'expérience montre que ces équipements ont une efficacité faible et non satisfaisante. 5 Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. Un autre but de l'invention est de proposer un véhicule ferroviaire permettant un meilleur nettoyage des voies ferrées, en particulier pour enlever la couche d'oxyde se formant sur les files de rail. 10 Encore un autre but de l'invention est de proposer un véhicule ferroviaire permettant un nettoyage des voies ferrées, en particulier pour enlever la couche d'oxyde se formant sur les files de rail, pouvant être utilisé sans limitation de vitesse. Il est encore un autre but de l'invention de proposer un véhicule 15 ferroviaire permettant un nettoyage des voies ferrées, en particulier pour enlever la couche d'oxyde se formant sur les files de rail, sans ajout de composant. Exposé de l'invention 20 L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un véhicule ferroviaire prévu pour rouler sur une voie ferrée comprenant au moins un bogie équipé de deux essieux comprenant chacun deux roues, caractérisé en ce qu'au moins un essieu, dit nettoyeur, comporte une roue, dite petite roue, dont le rayon est inférieur au rayon de l'autre roue, dite 25 grande roue. L'introduction d'une différence de rayon entre les roues d'un même essieu provoque principalement deux phénomènes. Suivant un premier phénomène, la charge appliquée à chacune des roues diffère : la grande roue se trouve plus chargée que la petite roue du fait que son rayon est plus 30 grand que celui de la petite roue. Suivant un deuxième phénomène, puisque les roues sont calées sur un même axe d'essieu roulant à une vitesse linéaire donnée, chacune des roues est également contrainte de rouler à cette même vitesse linéaire et, de surcroit, à la même vitesse de rotation. Comme la grande roue a un plus 3038328 - 3 - grand rayon elle tourne un peu trop vite (vitesse tangentielle supérieure à la vitesse linéaire) et se trouve alors en pseudo-glissement de type patinage. A l'inverse, comme la petite roue a un plus petit rayon elle tourne un peu trop lentement (vitesse tangentielle inférieure à la vitesse linéaire) et se trouve 5 alors en pseudo-glissement de type enrayage. En conséquence de ces deux phénomènes, le véhicule selon l'invention circulant sur une voie ferrée applique des micro-agressions sur les files de rail combinant compression et cisaillement. Ces micro-agressions ont pour effet le nettoyage des files de rail et notamment de la couche 10 d'oxyde qui s'y est formée, améliorant ainsi la qualité de shuntage du circuit de voie. Ainsi, le véhicule selon l'invention permet un meilleur nettoyage des voies ferrées, et par conséquent une meilleure qualité de shuntage du circuit de voie équipant la voie ferrée, et ce sans utiliser de composants 15 additionnels. De plus, le véhicule ferroviaire pouvant rouler à la vitesse souhaitée, le nettoyage peut être réalisée sans limitation de vitesse, contrairement aux patins frotteurs. Suivant un mode de réalisation avantageux, le véhicule selon 20 l'invention peut comprendre au moins deux essieux nettoyeurs par bogie, la petite roue d'un essieu nettoyeur étant disposée du côté de la grande roue de l'autre des essieux nettoyeurs. Ainsi, le véhicule selon l'invention permet d'appliquer un nettoyage avec au moins deux essieux différents, ce qui permet un meilleur nettoyage. 25 De plus, la petite roue d'un essieu nettoyeur étant disposée du côté de la grande roue d'un autre essieu nettoyeur, les phénomènes décrits plus haut et dus à la différence de rayon entre les roues d'un essieu nettoyeur, sont alternés et donc répartis sur les deux files de rails d'une voie ferrée. Le nettoyage de la voie ferrée s'en trouve alors amélioré. 30 Plus généralement, le véhicule selon l'invention peut comprendre N essieux nettoyeurs, avec N2. Les essieux nettoyeurs peuvent être alternés ou non, disposés suivant une règle donnée ou de manière complètement aléatoire. 3038328 -4 Avantageusement, au moins deux essieux nettoyeurs peuvent être deux essieux adjacents. 5 Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux, le véhicule selon l'invention peut comprendre au moins deux essieux nettoyeurs adjacents appartenant à un même bogie, la petite roue de l'un desdits essieux nettoyeurs adjacents étant disposée du côté de la grande roue de l'autre desdits essieux nettoyeurs adjacents. 10 Autrement dit, le véhicule peut comprendre au moins deux essieux nettoyeurs adjacents alternés. De plus, lorsque le véhicule selon l'invention comprend plusieurs essieux nettoyeurs, le rayon de la petite roue, respectivement de la grande 15 roue, d'un essieu nettoyeur peut être égal au rayon de la petite roue, respectivement de la grande roue, d'un autre essieu nettoyeur, par exemple adjacent ou non audit essieu nettoyeur. Bien entendu, alternativement ou en plus, le rayon de la petite roue, respectivement de la grande roue, d'un essieu nettoyeur peut être différent 20 au rayon de la petite roue, respectivement de la grande roue, d'un autre essieu nettoyeur, par exemple adjacent ou non audit essieu nettoyeur. De plus, lorsque le véhicule selon l'invention comprend plusieurs essieux nettoyeurs, la différence de rayon entre la petite roue et la grande 25 roue d'un essieu nettoyeur peut être égale à la différence de rayon entre la petite roue et la grande roue d'un autre essieu nettoyeur. Bien entendu, alternativement ou en plus, la différence de rayon entre la petite roue et la grande roue d'un essieu nettoyeur peut différer de la différence de rayon entre la petite roue et la grande roue d'un autre essieu 30 nettoyeur. Suivant un exemple de réalisation préféré, mais aucunement limitatif, la différence de rayon entre une petite roue et une grande roue d'un essieu 3038328 -5 nettoyeur peut être comprise entre 0,5mm et 5mm, en particulier comprise entre 0,8mm et 1,2mm, et préférentiellement peut être égale à lmm. Par ailleurs, suivant un mode de réalisation préféré, au moins deux 5 essieux nettoyeurs peuvent être disposés au niveau d'un même bogie. En d'autres termes, le véhicule selon l'invention peut comprendre au moins deux essieux nettoyeurs au niveau d'un même bogie. Le véhicule selon l'invention peut par exemple être une locomotive, 10 un wagon, un automoteur, un tram, un tram-train, etc. Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la 15 description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels les FIGURES la et lb sont une représentation schématique du fonctionnement d'un circuit de voie ; la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un essieu nettoyeur 20 d'un véhicule selon l'invention ; et la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un bogie comprenant deux essieux nettoyeurs adjacents. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits par la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des 25 variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à de l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique 30 de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. -6 - 3038328 Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. 5 Les FIGURES la et lb donnent une représentation schématique du fonctionnement d'un circuit de voie. Sur les FIGURES la et lb, le circuit de voie 102 équipe une voie ferrée 104 comprenant deux files de rail 1061 et 1062. Dans l'exemple représenté sur les FIGURES la et lb, le circuit de voie 10 102 est formé par : - les deux files de rail 1061 et 1062, - un générateur 108 connecté à chacune des files de rails 106 et 108 au niveau d'une première extrémité d'une portion donnée 110 de la voie ferrée 104, et 15 - un équipement 112 de détection d'un véhicule ferroviaire sur ladite portion de voie ferrée, connecté à chacune des files de rails 106 au niveau de l'autre extrémité de la voie ferrée 104. Un tel équipement de détection 112 d'un véhicule ferroviaire comprend un relais 114 dont la position dépend de la puissance du signal 20 électrique circulant dans le circuit de voie 102. Sur la FIGURE la il n'y a aucun véhicule ferroviaire sur la portion 110 de voie ferrée 104 équipée par le circuit de voie 102. L'équipement de détection 112 est donc alimenté par le générateur 110 et ne détecte aucun véhicule. 25 Sur la FIGURE lb, un véhicule ferroviaire 116 se trouve sur la portion 110 de la voie ferrée 104 équipée par le circuit de voie 102. Au moins un des essieux conducteurs 1181-1184 du véhicule ferroviaire 116 forme alors un court-circuit entre les files de rail 1061 et 1062. La puissance reçue par l'équipement de détection 112 diminue, ce qui est synonyme de présence 30 d'un véhicule ferroviaire sur la portion 110 de voie ferrée 104 équipée par le circuit de voie 102. Le relais 114 change de position et commande un changement au niveau par exemple d'un feu de signalisation 120, qui passe du vert au rouge 3038328 - 7 - Le fonctionnement qui vient d'être décrit en référence aux FIGURES la et lb montre clairement que l'efficacité de détection d'un véhicule ferroviaire par un circuit-de voie dépend de la qualité du court-circuit réalisé 5 par un ou des essieux du véhicule ferroviaire. La FIGURE 2 est une représentation schématique d'un essieu nettoyeur d'un véhicule selon l'invention . 10 L'essieu nettoyeur 118 de la FIGURE 1 peut être n'importe quel essieu d'un véhicule ferroviaire, et en particulier l'un quelconque des essieux 1181.- 1184 du véhicule 116 de la FIGURE 1. L'essieu 118 représenté sur la FIGURE 2 comprend deux roues, respectivement 202 et 204, solidaires en rotation d'un axe 206 qui rejoint 15 les deux roues 202 et 204 entre-elles. Tel que représenté sur la FIGURE 2, la roue 202, roule sur la file de rail 106i et la roue 204 roue sur la file de rail 1062. Les roues 202 et 204 étant solidaires en rotation, entre-elles, et avec l'axe 206, elles roulent à la même vitesse linéaire, notée V, et à la même 20 vitesse de rotation, notée co. La roue 202 présente un rayon R' qui est inférieur au rayon R de la roue 204. Autrement dit, la roue 202 est plus petite que la roue 204. Dans l'exemple représenté, la différence de rayon AR = R - R', est égale à lmm. 25 A titre d'exemple les rayons des 4 roues équipant les 2 essieux d'un même bogie tel que représenté à la FIGURE 3 pourraient être les suivants : Rayon de la roue 2021 : 424 mm Rayon de la roue 2041 : 425 mm Rayon de la roue 2022 : 407 mm 30 Rayon de la roue 2042 : 408 mm Plus généralement, les notations utilisées sur la FIGURE 2 et dans la suite de la description sont les suivantes : 3038328 - 8 - - V est la vitesse de déplacement de l'essieu, donc aussi celle des roues, V est considérée constante par hypothèse. - co est la vitesse de rotation de l'essieu, donc aussi celle des roues : V étant constante co est également considérée constante. 5 - R et R' sont les rayons des roues. - AR l'écart de rayon, avec AR = R - R' - P et P' sont les efforts verticaux appliqués aux roues et dus au poids du véhicule, - la charge moyenne par roue est notée Pmoy avec Pmoy = (P + P') 10 /2 - le transfert de charge entre petite et grande roue est noté AP avec AP = (P - P') / 2 - F et F' sont les efforts horizontaux appliqués aux roues, dûs aux pseudo-glissements 15 - g et g' sont les valeurs de glissement (voir définition dans les équations ci-après)) - la raideur du bogie est notée K (voir définition dans les équations ci-après) 20 Les équations de fonctionnement applicable à l'essieu nettoyeur 118 représenté sur la FIGURE 2 sont les suivantes : K = AP / AR, la raideur K est définie comme étant le rapport entre le transfert de charge AP = (P - P') / 2 et la déformée AR = R - R', à l'origine du transfert 25 de charge ; F.R - F'.R' = 0, à vitesse co stabilisée le couple total appliqué à l'essieu est nul ; g = (co.R - V) / V, le glissement est défini comme étant l'écart relatif entre la vitesse tangentielle de la 30 roue (co . R) et sa vitesse horizontale V (g est ici exprimé positivement dans un contexte de patinage) ; 3038328 -9 - g' = (V - co.R') / V, idem ; g' est ici exprimé positivement dans un contexte d'enrayage) - F / P = a.g, le glissement g est proportionnel au rapport F / P - F' / P' = a.g', idem. 5 Après résolution de ce système d'équations l'expression des grandeurs de sorties P, P', F, F', co, g, g', est la suivante : - P = Pmoy + (K.AR), Pmoy est obtenu en divisant le poids total par le nombre de roues : par exemple par 4 dans le cas d'un bogie ; 10 - K est supposé connu ou, à défaut, peut être obtenu via un essai ; - P' = Pmoy - (K AR), idem ; - co = (P.R + P'.R').V / (P.R2 + P'.R'2) avec P et P' calculés précédemment ; 15 - g = (co.R - V) / V avec co calculé précédemment ; - g' = (V - co.R') / V avec co calculé précédemment ; - F = P.a.g, avec P et g calculés précédemment ; - F' = P'.a.g', avec P' et g' calculés précédemment ; 20 Les grandeurs connexes suivantes, correspondant à un bogie, soit encore à deux essieux, sont également calculées : - Frésist = 2.(F' - F) résistance à l'avancement (complément d'effort de traction à fournir au bogie) ; - Pméca = V. Frésist puissance mécanique totale dissipée à 25 l'interface essieux/voie ; - Elinéique = (Pméca V) . (1 m) Energie dissipée à l'interface essieux/voie, rapportée à 1 m de voie circulée (éq. à Frésist) Le modèle ainsi établi permet de constater : 30 - que les valeurs de glissement ne dépendent pas de la vitesse mais seulement de données invariantes du système (charges verticales, rayons de roue). Le système est stable : par construction tout risque de patinage ou d'enrayage excessif est 3038328 - 10 - exclu. Le maintien en régime de pseudo-glissement est garanti, l'impact sur l'usure roue/rail est maitrisé ; - que le surcroit d'énergie consommé est raisonnable : inférieur à 25 Joule par bogie et par mètre de voie circulé. L'effet de freinage 5 est négligeable ; - que les efforts horizontaux, appliqués aux 2 essieux d'un même bogie, n'induisent aucun mouvement de lacet du véhicule : pas de mise en « crabe » des bogies, aucun impact sur le plan de la dynamique ferroviaire. 10 Un tel essieu nettoyeur 118 permet donc d'appliquer à la voie ferrée, et plus particulièrement aux files de rail 1061 et 1062, des micro-agressions sur les files de rail combinant compression et cisaillement alterné. Ces micro-agressions ont pour effets le nettoyage des files de rail et notamment 15 de la couche d'oxyde qui s'y est formée, améliorant ainsi la qualité de shuntage du circuit de voie. Bien entendu, selon l'invention, un même véhicule ferroviaire peut comporter plusieurs essieux nettoyeurs. 20 La FIGURE 3 est une représentation schématique incomplète d'un bogie comportant deux essieux nettoyeurs adjacents. Dans l'exemple représenté sur la FIGURE 3, les essieux nettoyeurs 25 représentés peuvent être n'importe quels essieux d'un véhicule ferroviaire, et en particulier les essieux 1181 et 1182 du véhicule 116 de la FIGURE 1. L'essieu nettoyeur 1181 comprend une petite roue 2021, et une grande roue 2041 solidairement fixées à un axe 2061. L'essieu nettoyeur 1182 comprend une petite roue 2022, et une roue 30 2042 solidairement fixées à un axe 2062. Le rayon de la petite roue 2021 de l'essieu nettoyeur 1181, peut être égal, ou non, au rayon de la petite roue 2022 de l'essieu nettoyeur 1182. 3038328 Le rayon de la grande roue 2041 de l'essieu nettoyeur 1181, peut être égal, ou non, au rayon de la petite roue 2042 de l'essieu nettoyeur 1182. En plus ou alternativement, la différence de rayon entre la petite roue 2021 et la grande roue 2041 de l'essieu nettoyeur 1181, peut être égale, ou 5 non, à la différence de rayon entre la petite roue 2022 et la grande roue 2042 de l'essieu nettoyeur 1182. Tel que représenté sur la FIGURE 3, les essieux nettoyeurs 1181 et 1182 sont alternés. Autrement dit, la petite roue 2021 de l'essieu nettoyeur 10 1181 se trouve sur la même file de rail que la grande roue 2042 de l'essieu nettoyeur 1182, à savoir la file de rail 1061. De même, la grande roue 2041 de l'essieu nettoyeur 1181 se trouve sur la même file de rail que la petite roue 2022 de l'essieu nettoyeur 1182, à savoir la file de rail 1062. Les essieux nettoyeurs 1181 et 1182 peuvent être les essieux d'un 15 bogie, et plus généralement deux essieux adjacents d'un même véhicule ferroviaire. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci- 20 dessus. En effet, un véhicule ferroviaire peut comprendre bien plus que deux essieux nettoyeurs. Au moins deux essieux nettoyeurs peuvent ne pas être alternés. Au moins deux essieux nettoyeurs peuvent ne pas être adjacents. Plus généralement, les essieux nettoyeurs peuvent être disposés suivant une règle prédéterminée ou de manière aléatoire. 25 En outre, tous les essieux d'un véhicule selon l'invention peuvent être des essieux nettoyeurs. Alternativement, au moins un essieu d'un véhicule selon l'invention peut ne pas être un essieu nettoyeur. REVENDICATIONS1. Véhicule ferroviaire (116) prévu pour rouler sur une voie ferrée (104) comprenant au moins un bogie équipé de deux essieux (118) comprenant chacun deux roues (202,204), caractérisé en ce qu'au moins un essieu (118), dit nettoyeur, comporte une roue (202), dite petite roue, dont le rayon (R') est inférieur au rayon (R)de l'autre roue (204), dite grande roue. 2. Véhicule (116) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux essieux nettoyeurs (1181,1182) par bogie, la petite roue (2021) d'un essieu nettoyeur (1181) étant disposée du côté de la grande roue (2042) de l'autre des essieux nettoyeurs (1182). 3. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux essieux nettoyeurs (1181,1182) adjacents. 4. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs essieux nettoyeurs (1181,1182), le 20 rayon (R') de la petite roue (2021), respectivement de la grande roue (2041), d'un essieu nettoyeur (1181) étant égal au rayon de la petite roue (2022), respectivement de la grande roue (2042), d'un autre essieu nettoyeur (1182). 25 5. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs essieux nettoyeurs (1181,1182), la différence de rayon entre la petite roue (2021) et la grande roue (2041) d'un essieu nettoyeur (1181) est égale à la différence de rayon entre la petite roue (2022) et la grande roue (2042) d'un autre essieu nettoyeur (1182). 30 6. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence de rayon entre une petite roue (202) et une grande roue (204) d'un essieu nettoyeur (118) est comprise entre 3038328 - 13 - 0,5mm et 5mm, en particulier comprise entre 0,8mm et 1,2mm, et encore plus particulièrement égale à 1mm. 7. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux essieux nettoyeurs (1181,1182) au niveau d'un même bogie. 8. Véhicule (116) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'agit d'une locomotive, d'un wagon, d'un automoteur, 10 d'un tram, d'un tram-train.