Brevet FR3108173A1 — publié le 20210917

L'invention concerne un système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail, le système comprenant une unité de mesure pour mesurer une accélération verticale d'une roue connectée à un bogie, la roue étant configurée pour rouler sur un rail, le système comprenant une unité de calcul pour simuler une interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée et pour calculer une force de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail. Figure 2 Système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail selon la revendication 1. La présente invention concerne en outre un procédé de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail selon la revendication 8. Etat de la technique antérieur Dans le domaine des véhicules ferroviaires, il est utile de connaître les forces de contact entre le rail et les roues d'un bogie d'un véhicule ferroviaire tel qu'un train afin de connaître le comportement du véhicule et de ses composants. De telles informations peuvent être utilisées par le personnel de maintenance et les concepteurs des véhicules pour améliorer les rails et/ou les véhicules. De plus, pour les fabricants de paliers de boîtes d'essieu, il est important de savoir si les valeurs de charge calculées correspondent aux valeurs réelles. Dans les systèmes connus, l'interaction entre les rails et les roues est contrôlée en utilisant des jeux de roues spéciaux instrumentés qui sont installés seulement temporairement et pas de manière permanente. Afin de contrôler l'interaction entre le rail et les ensembles de roues, il est nécessaire d'enlever l'ensemble de roues, d'installer toute l'instrumentation, de prendre les mesures pendant une période de temps puis de tout enlever. Par conséquent, un objet de la présente invention est de fournir une manière simplifiée de contrôler les forces au niveau d'un contact entre la roue et le rail. Cet objet est réalisé par un système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail selon la revendication 1 et un procédé de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail selon la revendication 8. Le système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail comprend une unité de mesure pour mesurer une accélération verticale de la roue qui est connectée au bogie. Le bogie fait partie d'un véhicule ferroviaire qui roule sur le rail. Le bogie peut par exemple comprendre quatre roues, une boîte d'essieu sur le bogie supportant une roue du bogie. Le système comprend en outre une unité de calcul pour simuler une interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée. En outre, l'unité de calcul est configurée pour calculer une force de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail. Sur la base de cette simulation, il n'est pas nécessaire de mesurer la vitesse ou la vélocité du bogie dans la mesure où le calcul de la force de contact entre la roue et le rail est seulement basé sur la simulation en utilisant une accélération verticale mesurée. Du fait de l'utilisation d'une telle mesure, il n'est pas nécessaire d'installer un ensemble de roues instrumenté temporairement, dans la mesure où les éléments de mesure requis peuvent être installés de manière permanente au niveau de la roue du bogie. Selon un mode de réalisation, l'unité de mesure est prévue pour mesurer l'accélération de la roue en mesurant l'accélération d'une boîte d'essieu connectée à la roue. Par exemple, l'unité de mesure peut être prévue pour mesurer un signal d'accélération pour chaque boîte d'essieu, par exemple en utilisant un capteur d'accélération pour chaque boîte d'essieu. Ainsi, l'accélération verticale est mesurée au niveau d'une boîte d'essieu sur le bogie, qui supporte une roue qui roule sur le rail et qui est par conséquent influencée par les ondulations horizontales ou verticales dans la surface du rail. L'unité de calcul peut en outre être prévue pour transformer l'accélération verticale de la roue en une vitesse verticale de la roue. Contrairement aux systèmes connus, il n'est donc pas nécessaire de mesurer une vitesse ou une vélocité, mais l'accélération verticale peut être utilisée directement pour un traitement et une détermination ultérieurs des forces de contact. Il convient de noter que dans toute la présente divulgation, les termes « vélocité » et « vitesse » sont considérés comme synonymes. Le comportement dynamique du bogie peut être simulé en utilisant un modèle approprié du bogie, par exemple un modèle de quart de bogie. En particulier, l'unité de calcul peut être prévue pour simuler un modèle à 2 masses d'un quart de bogie. Les équations correspondantes du mouvement du système bogie-rail peuvent ensuite être résolues en utilisant des paramètres de masse, des paramètres de raideur et des paramètres d'amortissement connus du système, ainsi que le signal d'accélération mesuré. Ainsi, le signal d'accélération verticale (acc1) est utilisé directement pour résoudre les équations de mouvement associées au modèle. En outre, ce signal est soumis seulement à un seul processus d'intégration pour obtenir le signal de vélocité verticale (vel1) qui est également utilisé comme entrée pour résoudre les équations. Ceci peut fournir l'avantage que le signal de profil vertical calculé z contient donc un bruit minimal et présente un grand degré de précision. Le modèle à 2 masses peut être basé sur une masse suspendue du bogie, des paramètres de suspension primaire, une masse non suspendue des roues et une raideur de contact entre la roue et le rail. Dans ce cas, on suppose que la boîte d'essieu qui fait partie de la masse non suspendue du bogie est connectée par le biais d'une suspension primaire à une deuxième masse, qui est la masse suspendue. Un exemple d'un tel modèle à 2 masses va être décrit ci-dessous. Il convient de noter que le modèle à 2 masses décrit est seulement fourni à titre d'exemple et peut être ajusté si cela est nécessaire. Les équations de mouvement pour le modèle de quart de bogie dans le domaine temporel sont les suivantes : m2 ÿ2 + c2 (ẏ 2 - ẏ 1) + k2 (y2 – y1) = 0 [1] m1 ÿ1 – c2 ÿ2 + c1 ẏ1 – k2 y2 + (k1 + k2)y1 – k1 z = 0 [2] L'accéléromètre mesure l'accélération verticale de la masse non suspendue m1, ce qui signifie que le signal d'accélération verticale acc1 est équivalent à ÿ1. Le signal de vélocité verticale vel1, qui est obtenu à partir de acc1, est par conséquent égal à ÿ1. D'autres paramètres connus sont les masses m1 et m2 (kg), le coefficient de ressort k2 (N/m) et le coefficient d'amortissement c2 de la suspension primaire et le coefficient de ressort k1 (N/m) de la raideur de contact des roues. Tout d'abord, l'équation [1] est résolue en utilisant le signal de vélocité verticale vel1. De manière appropriée, des variables d'état x1, x2 et x3 sont définies comme suit : x1 = y1 (déplacement vertical de m1), ce qui implique que ẋ1 = vel1. x2 = y2 (déplacement vertical de m2). x3 = ẋ2, ce qui implique que ẋ3 = ẏ2 (vélocité verticale de m2). L'équation [1] peut par conséquent être exprimée sous forme de variables d'état comme suit : m2 ẋ3 + c2 (x3 - vel 1) + k2 (x2 – x1) = 0 de sorte que ẋ 3 = - - + En utilisant des matrices de raideur et d'amortissement connues, l'équation [1] peut être résolue comme suit : pour obtenir le déplacement vertical y1 de la masse non suspendue m1, le déplacement vertical y2 de la masse suspendue m2 et la vélocité verticale ẏ2 de la masse suspendue m2. L'équation [2] peut maintenant être résolue pour la fonction z : + + ẏ 2 - Une fois que z est obtenue, cette valeur peut être utilisée pour calculer la force au niveau du contact entre la roue et le rail. En utilisant le système et le procédé décrits ci-dessus, il est possible de fournir une approche économique de contrôle de l'état de la force de contact entre la roue et le rail, qui peut être intégrée dans des systèmes de contrôle d'état existants qui prennent des mesures d'accélération dans la boîte d'essieu. Un tel contrôle d'une force de contact entre la roue et le rail peut être utilisé pour identifier des ondulations verticales potentiellement nuisibles qui pourraient nécessiter une réparation ou une maintenance. Une telle identification d'ondulations verticales peut être envoyée à un opérateur du véhicule ferroviaire ou du système de rails de manière à ce qu'il prenne les mesures correspondantes. Un aspect supplémentaire de l'invention concerne un procédé de contrôle d'une force de contact entre la roue et le rail. Le procédé comprend les étapes suivantes : mesure d'une accélération verticale d'une roue connectée à un bogie, simulation d'une interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée et calcul d'une force de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail. Encore un aspect supplémentaire de la présente invention concerne un produit de programme informatique comprenant un code de programme informatique qui est prévu pour inviter une unité de contrôle, par exemple un ordinateur, et/ou un ordinateur du système de contrôle décrit ci-dessus, à effectuer les étapes exposées ci-dessus. Le produit de programme informatique peut être fourni sous forme de dispositif de mémoire tel qu'une carte mémoire, une clé USB, un CD-ROM, un DVD et/ou peut être un fichier qui peut être téléchargé depuis un serveur, en particulier un serveur éloigné, dans un réseau. Le réseau peut être un réseau de communication sans fil pour transférer le fichier avec le produit de programme informatique. Brève description des figures Des modes de réalisation préférés supplémentaires sont définis dans les revendications dépendantes ainsi que dans la description et les figures. Ainsi, des éléments décrits ou illustrés en combinaison avec d'autres éléments peuvent être présents individuellement ou en combinaison avec d'autres éléments sans sortir du cadre de protection. Ci-dessous, des modes de réalisation préférés de l'invention vont être décrits en référence aux dessins, les dessins étant fournis purement à titre d'exemple et n'étant pas destinés à limiter le cadre de protection. Le cadre de protection est uniquement défini par les revendications annexées. La illustre une vue en perspective d'une partie d'un bogie disposé sur des rails ; la est un schéma synoptique d'un système de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail du bogie de la ; et la est un diagramme schématique du modèle de masse utilisé dans le système de la . Description détaillée de l’invention Ci-dessous, des éléments identiques ou de fonctions similaires seront indiqués par les mêmes numéros de référence. La illustre une partie d'un bogie 1 qui comprend quatre roues 2 situées sur des rails 4. Le bogie 1 est un bogie de véhicule ferroviaire qui roule sur les rails 4. Les roues 2 sont supportées par une boîte d'essieu 6 qui est accouplée par le biais d'un essieu 8. Afin de contrôler une force de contact entre la roue et le rail, un système 10 (illustré dans la ) peut être utilisé pour mesurer une accélération verticale de la roue 2. Par conséquent, un capteur d'accélération 12 est disposé au niveau de chaque roue 2. La illustre un schéma synoptique du système 10 pour contrôler la force de contact entre la roue et le rail. Le système 10 comprend une unité de mesure 16 qui peut inclure le capteur 12 tel qu'illustré dans la . Le capteur peut par exemple être un capteur d'accélération 12 pour chaque roue 2. Le système 10 comprend en outre une unité de calcul 18. L'unité de calcul 18 peut recevoir l'accélération verticale mesurée en tant que signal d'entrée 26 et peut simuler une interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée. En outre, l'unité de calcul 18 peut calculer les forces de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail. Pour simuler l'interaction entre la roue et le rail, l'unité de calcul 18 peut utiliser un modèle de simulation tel qu'illustré dans la . Le modèle de simulation 20 tel qu'illustré dans la utilise une masse suspendue 22 qui est la masse suspendue du bogie 1, des paramètres de suspension primaire k2 et c2, une masse non suspendue 24 qui est la masse du jeu de roue, et une raideur de contact entre la roue et le rail. En outre, le modèle de simulation utilise l'accélération verticale mesurée. Sur la base de ces paramètres, le modèle de simulation 20 simule un comportement du bogie 1. Ce modèle de simulation 20 peut être utilisé pour déterminer les forces de contact entre la roue et le rail 1. Pour cela, on a seulement besoin d'un paramètre d'entrée mesuré 26, c'est-à-dire l'accélération verticale. Dans une première étape, l'unité de calcul 18 transforme l'accélération verticale mesurée de la roue 2 en une vélocité verticale de la roue 2. Ainsi, le modèle de simulation de la utilise en tant qu'entrée la vélocité verticale de la roue 2 qui est basée sur l'accélération mesurée. Sur la base du modèle à 2 masses et des paramètres dynamiques du bogie 1 ainsi que du signal mesuré, l'unité de calcul 18 calcule une force de contact entre la roue et le rail F1 sur la base d'une interaction simulée entre la roue et le rail, qui peut être envoyée en vue d'un traitement ultérieur en tant que sortie 28. Cette information peut ensuite être utilisée pour contrôler les forces de contact entre la roue et le rail et pour identifier des défauts sur les rails ou sur les roues. En utilisant le système et le procédé décrits ci-dessus, il est possible de fournir un contrôle économique de l'état de la force de contact entre la roue et le rail, dans la mesure où seulement un paramètre, c'est-à-dire l'accélération, doit être mesuré. Un tel contrôle des forces au niveau d'un contact entre la roue et le rail peut être utilisé pour identifier des ondulations verticales potentiellement dangereuses qui peuvent nécessiter une réparation ou une maintenance. Liste des symboles de référence 1 Bogie 2 Roue 4 Rail 6 Boîte d'essieu 8 Essieu 10 Système 12 Capteur d'accélération 16 Unité de mesure 18 Unité de calcul 20 Modèle de simulation 22 Masse suspendue m2 24 Masse non suspendue m1 26 Entrée 28 Sortie F1 Force de contact entre la roue et le rail k 2 , c 2 Paramètres de suspension primaire Système (10) de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail, le système (10) comprenant une unité de mesure (16) pour mesurer une accélération verticale d'une roue (2) connectée à un bogie (1), la roue (2) étant configurée pour rouler sur un rail (4), caractérisé en ce que le système (10) comprend une unité de calcul (18) pour simuler une interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée et pour calculer une force de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail. Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité de mesure (16) est prévue pour mesurer l'accélération de la roue (2) en mesurant l'accélération d'une boîte d'essieu (6) connectée à la roue (2). Système selon la revendication 2, dans lequel l'unité de mesure (16) comprend un capteur d'accélération (12). Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de calcul (18) est prévue pour transformer l'accélération verticale de la roue (2) en une vélocité verticale de la roue (2). Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de calcul (18) est prévue pour simuler un modèle à 2 masses (20) d'un quart de bogie (1). Système selon la revendication 5, dans lequel le modèle à 2 masses (20) est basé sur une masse suspendue (22) du bogie (1) et d'une voiture, des paramètres de suspension primaire (k 2 , c 2 ), une masse non suspendue (24) des roues et une raideur de contact entre la roue et le rail. Procédé de contrôle d'une force de contact entre une roue et un rail, le procédé comprenant la mesure d'une accélération verticale d'une roue (2) connectée à un bogie (1), la roue (2) roulant sur un rail (4), caractérisé en ce que le procédé comprend la simulation de l'interaction entre la roue et le rail en utilisant l'accélération verticale mesurée et en calculant une force de contact entre la roue et le rail sur la base de l'interaction simulée entre la roue et le rail.