Le point de contact entre le pantographe d’un train électrique et le fil d’un tramway crée l’un des environnements les plus complexes et les plus difficiles à comprendre pour les fabricants de composants ferroviaires et les ingénieurs d’essais.
Pour que les trains fonctionnent efficacement, le pantographe doit maintenir un contact constant avec les câbles des tramways suspendus aux systèmes caténaires. Pourtant, ces fils et leurs structures de support présentent des rigidités verticales différentes le long d’une section donnée. Le système de caténaire effectue des zigzags à intervalles de 30 à 100 mètres pour éviter les rainures. La force que le pantographe exerce sur le fil doit rester dans une plage bien définie (70N à 120N). Si elle est trop faible, la perte de contact entraîne la formation d’un arc électrique, ce qui non seulement entraîne une perte de puissance du train, mais endommage le fil du chariot et la barre de contact par gravure et surchauffe. Si la force est trop élevée, le frottement qui en résulte use prématurément le fil et la barre de contact.
Pour délivrer la bonne quantité de force, il est nécessaire d’effectuer un mouvement vertical variable. Mais lorsque les trains se déplacent à des vitesses plus élevées, les pantographes perdent leur capacité à réagir de manière appropriée. Même si le fil du trolley est aussi plat que possible, il ne l’est que lorsqu’il est suspendu sans être perturbé. Lorsque le pantographe soulève le fil, la déformation qui en résulte crée une onde. Si le soulèvement est trop important, le pantographe crée une forme d’onde beaucoup plus grande, ce qui entraîne des problèmes de contact avec le pantographe suivant.
La résolution de ces problèmes est essentielle pour le secteur mondial du train à grande vitesse, qui connaît une croissance rapide. Les voyageurs ferroviaires exigent un service rapide et fiable, mais comme les wagons roulent de plus en plus vite, la technologie actuelle des pantographes met en danger la vitesse et la qualité du service. Dans le pire des cas, un seul câble de tramway usé pourrait se fissurer et se rompre, provoquant une panne qui entraînerait l’annulation ou la déviation de milliers de trajets pour permettre aux techniciens de remplacer le câble endommagé, ce qui représente une opération longue et coûteuse.
RECRÉER DES INTERACTIONS COMPLEXES
Du point de vue des essais, le principal défi consiste à recréer l’environnement d’exploitation complexe et dynamique du pantographe en laboratoire. Le pantographe se déplace aujourd’hui à des vitesses allant jusqu’à 350 km/h (220 mph), le développement en cours permettant de repousser cette limite supérieure. Le pantographe transporte également suffisamment de puissance pour faire accélérer des centaines de tonnes de wagons à des vitesses maximales à partir d’une très petite surface de contact. Et comme nous l’avons démontré, les composants physiques interagissent dans un environnement de glissement avec un mouvement longitudinal élevé et des degrés de pression variables.
Les études traditionnelles sur les pantographes comportent un essai de base de rotation ou de glissement, au cours duquel le câble du tramway est attaché à un disque rotatif d’un ou de deux mètres de diamètre. Le spécimen d’essai est un morceau de carbone ou d’un autre matériau de contact fabriqué pour ressembler à la chaussure du pantographe. Le spécimen est poussé contre le fil en rotation et glissé d’avant en arrière. Ces essais sont précieux pour caractériser les effets de l’usure sur différents matériaux, mais ils ne reproduisent pas la dynamique de contact qui se produit avec le système réel en service.
Un nouveau système développé par MTS Systems Corp. fournit une simulation plus complète de l’environnement du pantographe. Il permet aux fabricants et aux ingénieurs d’essais d’étudier la dynamique du fil du pantographe et du tramway avec plus d’exactitude et de précision. Il est conçu pour aider les groupes d’essai à mesurer le rapport hors ligne (le temps pendant lequel le contact est réduit), la résistance du contact, le facteur de puissance, le temps et l’intensité de l’arc ainsi que la température des barres de contact. Il permet également aux groupes d’essai de mettre en place des mesures en temps réel concernant l’usure et le changement de profil du fil électrique et de la barre de contact.
En activant ces mesures, le système peut être utilisé pour mieux comprendre les performances des nouvelles conceptions de pantographe pour les trains à grande vitesse. Les ingénieurs d’essais peuvent réaliser des études efficaces sur la perte de contact et les effets connexes, la résistance de contact et la durée de l’arc, la température de l’arc et de la barre de contact ainsi que les effets de l’usure sur le fil électrique du tramway et sur la barre de contact. En fin de compte, les données des essais aideront les fabricants à développer des systèmes de suspension passive ou active du pantographe qui augmentent le suivi dynamique du mouvement du fil électrique du tramway, ce qui permet un meilleur contact tout en minimisant l’usure du système de contact.
CAPACITÉS DU SYSTÈME D’ESSAI
Ce nouveau système peut reproduire fidèlement la dynamique des systèmes de pantographe et de caténaire dans de nombreuses conditions d’exploitation différentes des wagons dans le monde.
Il simule la vitesse des trains en installant le fil électrique du tramway sur le bord inférieur d’un disque rotatif de 4 m de diamètre qui fonctionne à des vitesses allant jusqu’à 550 km/heure. Le disque peut être programmé pour simuler des vitesses variables et recréer l’historique des vitesses réelles des trains. Pour simuler le déplacement vertical ou la rigidité du câble du tramway, le disque est monté sur un chariot mobile qui est programmé pour reproduire l’historique du déplacement vertical ou simuler l’historique de la rigidité du câble du tramway. Le chariot se déplace également en zigzag pour simuler le mouvement du câble du trolley sur la voie. Le pantographe complet est monté sur une table vibrante qui simule le mouvement vertical du wagon lors de sa descente sur le rail. Jusqu’à 2 000 ampères peuvent être transmis à travers le point de contact pour compléter la simulation. Le flux d’air à grande vitesse est dirigé vers la zone de contact pour assurer le refroidissement et simuler le passage du pantographe sous le cable. Et un chariot d’instrumentation suit le mouvement en zigzag du câble pour fournir un contrôle en temps réel de l’usure de la barre de contact et du câble du chariot.
La programmabilité des composants individuels représente ce qui permet à ce système d’essai de créer des simulations plus réalistes des interactions réelles entre le pantographe et le câble du chariot. Plusieurs modes d’essai permettent aux ingénieurs d’essai de reproduire des historiques en temps réel et de faire varier tous les canaux d’essai disponibles, notamment : déplacement vertical du câble, déplacement horizontal (zigzag) du câble, vitesse du câble, mouvement vertical du pantographe, levée/descente du pantographe, flux courant et air de refroidissement. Le système peut également fournir un scénario d’essai pouvant être répété à l’identique, ce qui permet de prendre des mesures détaillées de petites différences dans la conception de l’article d’essai. Ces mesures permettent de prendre des décisions d’ingénierie et d’effectuer des modifications de conception avec une plus grande confiance dans la façon dont les composants fonctionneront dans des environnements de service réels.
Pendant les essais paramétriques, le disque est déplacé dans un cycle répété tandis que différents paramètres sont modifiés. Par exemple, le disque peut être programmé pour maintenir une position verticale constante, puis des déplacements de plus en plus importants peuvent être introduits et des études détaillées de l’effet sur la performance du contact peuvent être réalisées. La reproduction de données synthétiques implique la prédiction de l’historique du déplacement du câble du chariot sur la base d’un modèle numérique, avec un logiciel de traitement du signal avancé (tel que le contrôle des paramètres à distance MTS, ou RPC) utilisé pour obtenir l’historique du mouvement du disque souhaité.
Enfin, avec la lecture de l’historique en temps réel, le déplacement du câble du chariot est mesuré sur la piste et le logiciel est utilisé pour recréer l’historique temporel du mouvement du câble. La base de temps de la lecture peut être modifiée pour simuler différentes vitesses de train, et de courtes sections de fonctionnement réel peuvent être connectées et répétées pour produire un fichier de commande pour la distance totale souhaitée.
SURVEILLANCE ET MESURES
L’une des façons dont ce système d’essai améliore la capacité des ingénieurs d’essai est de permettre la mesure de nombreux facteurs qui sont presque impossibles à mesurer dans des circonstances « du monde réel », et de les mesurer de manière normalisée et reproductible.
Pour ce faire, le système comprend une instrumentation complète de surveillance des essais. Il s’agit notamment de la mesure de la charge sur les barres de contact, de la charge de contact et de la charge de traînée. L’accélération verticale est mesurée à chaque extrémité de chaque barre de contact, ce qui permet de surveiller le mouvement dynamique de la barre de contact lorsqu’elle répond aux perturbations du wagon et du câble de contact. Les températures sont surveillées avec des transducteurs montés à l’arrière de la barre de contact et une caméra thermique avec capacité d’enregistrement. Les scanners laser enregistrent le profil du câble et de la barre de contact pour les études d’usure. La distance parcourue par le câble est enregistrée automatiquement. Les mesures de courant et de tension sont prises à la fois du côté entrée et sortie du point de contact, ce qui assure une surveillance détaillée de la résistance, du facteur de puissance et du temps hors ligne. La durée et l’intensité de l’arc sont contrôlées optiquement. Toutes les données sont synchronisées dans le temps pour des études détaillées d’instances spécifiques ou de conditions opérationnelles.
Les canaux de surveillance des machines sont également étendus. Ils comprennent les roulements de l’arbre principal (accélération verticale et horizontale ainsi que la température), les charges et les déplacements des actionneurs, l’activité du système de lubrification automatique, l’état de levée/descente du pantographe, l’hydraulique et le moteur de traction. Les limites de surveillance (y compris les niveaux d’avertissement et d’arrêt) peuvent être définies sur n’importe quel canal de données, donnant aux ingénieurs d’essai un contrôle précis du fonctionnement du système. Ces détecteurs de limites, associés aux systèmes de contrôle et de surveillance, permettent des essais automatiques sans que les opérateurs n’aient à surveiller la machine en permanence.
Ces capacités peuvent faire une grande différence pour les fabricants de pantographes et de trains. Mesurer les nombreux paramètres de la dynamique de contact sur un pantographe en marche, par exemple, est désormais une proposition réaliste pour les équipes d’essais. Dans le passé, il s’agissait d’un problème extrêmement difficile et peu pratique à résoudre en raison d’une mauvaise répétabilité et d’un contrôle limité. Aujourd’hui, des simulations plus précises préparent le terrain pour des informations plus précieuses. Par exemple, les groupes d’essais peuvent effectuer des calculs plus précis du facteur de puissance et des pertes, qui ont un effet direct sur les coûts d’exploitation.
Ce système fait partie de la prochaine vague de technologies d’essai de pantographe qui change la façon dont les équipes d’essais ferroviaires du monde entier mènent leurs recherches. Le défi du marché est intense, car les trains roulent plus vite, les lignes ferroviaires s’étendent à d’autres régions et le nombre d’usagers augmente dans le monde. Les fabricants seront en mesure de relever le défi avec ce système d’essai et d’autres qui permettront aux équipes d’essai de réaliser des simulations beaucoup plus réalistes de la dynamique complexe du pantographe et du système caténaire en laboratoire. Grâce à une compréhension plus précise et détaillée de la réponse du pantographe dans l’environnement d’exploitation, les concepteurs de produits vont acquérir les connaissances dont ils ont besoin pour développer des pantographes plus efficaces, plus fiables et plus performants.
