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Essais de pantographes et de caténaires avec Dewesoft et CETEST
Dans le monde dynamique des essais ferroviaires, l'innovation prospère grâce à la collaboration. Depuis plus d'une décennie, CETEST et Dewesoft illustrent la puissance du partenariat, travaillant main dans la main pour repousser les limites des essais ferroviaires — qu'il s'agisse de tests sur voie ou en laboratoire. Leur engagement commun en faveur de la précision, de l'adaptabilité et de l'excellence a transformé les défis en jalons, élevant les normes d'essais ferroviaires dans toute l'industrie. Les essais et la surveillance multi-attributs des voies ferrées évoluent au-delà de la simple mesure. L'objectif est d'obtenir des informations plus approfondies et d'accélérer l'innovation, que ce soit pour développer de nouveaux produits ou atteindre l'excellence opérationnelle.
Introduction
CETEST est un centre d'essais et d'analyse basé en Espagne. Il est accrédité selon la norme ISO/IEC 17025 et possède plus de 30 ans d'expérience dans la technologie ferroviaire. Il a travaillé avec et aidé les principaux fabricants mondiaux de matériel roulant, dont Alstom, CAF, Hitachi, Stadler et Siemens. CETEST possède une expertise de premier plan dans l'interaction entre les pantographes et les lignes aériennes. En plus d'être cruciale pour l'alimentation électrique du véhicule, l'interaction entre le pantographe et la ligne aérienne affecte également les coûts de maintenance.
Carlos Carmuega Tena, responsable des essais et de la mesure chez CETEST, joue un rôle central dans ces efforts. Lui et son équipe ont développé un système d'instrumentation de haute précision pour les mesures de force de contact et d'accélération. Cette solution a été testée sur des centaines de variables dans de nombreux systèmes ferroviaires.
Dewesoft est l'un de nos principaux fournisseurs, nous fournissant des logiciels et du matériel qui nous permettent de réaliser des essais dans des délais très courts et offrent une grande flexibilité en matière d'instrumentation, grâce à la modularité de leurs produits, ce qui nous permet d'augmenter ou de réduire facilement le nombre de canaux.
Grâce à Dewesoft, nous pouvons effectuer des configurations complexes et des instrumentations en des temps réduits, en synchronisant plusieurs canaux et en plaçant l'équipement dans des environnements hostiles, comme les zones à haute tension, tout en obtenant toutes les données de manière synchronisée — comme dans le cas des essais de pantographe, où nous isolons les données par fibre optique.
Le logiciel nous permet de visualiser les données en temps réel et d'effectuer des analyses rapides pendant les essais du véhicule.
Dewesoft est une entreprise technologique qui conçoit et fabrique des systèmes avancés d'acquisition de données (DAQ) pour diverses applications de R&D et de surveillance dans les secteurs ferroviaire, du génie civil, de l'énergie et de l'électricité, de l'automobile et des véhicules commerciaux, ainsi que de l'aérospatiale. Dewesoft soutient CETEST pour résoudre de nombreuses applications d'essais et de surveillance ferroviaires électriques. Ce partenariat permet aux exploitants ferroviaires et aux fabricants de véhicules de passer sans heurts des environnements de laboratoire contrôlés aux essais sur voie réels, offrant une sécurité, une fiabilité et une efficacité inégalées, et les aidant à remporter plus d'affaires grâce à des performances éprouvées.
Le défi
Les défis liés à la mesure de l'interaction entre le pantographe et la ligne de caténaire dans les véhicules ferroviaires sont multiformes. Le pantographe est un composant qui relie un train à la ligne aérienne (LA) du système de caténaire, prélevant de l'énergie à 15 000 V ou même 25 000 V pour alimenter le moteur du véhicule électrique. Quelle que soit la vitesse du train, il doit maintenir une connexion électrique sûre, stable et fiable. L'environnement ferroviaire à grande vitesse est le plus dynamique, caractérisé par des interférences électromagnétiques élevées (EMI et RFI), des facteurs mécaniques dynamiques et l'usure. Les trains fonctionnent dans toutes les conditions météorologiques possibles, y compris le vent, la pluie, la neige, la glace, l'humidité et les températures extrêmes. Pour surmonter ces défis, il faut des capteurs et des technologies de mesure avancés, une interprétation précise des données et des systèmes et capteurs robustes conçus pour gérer les complexités de l'environnement ferroviaire réel.
Avec les instruments d'acquisition de données Dewesoft et plusieurs capteurs spécialisés, CETEST a développé une solution d'essai et de surveillance de la ligne aérienne de pantographe. Cet article explique les principaux sous-systèmes ferroviaires impliqués et comment ils sont testés.
Qu'est-ce qu'un pantographe ?
Les trains utilisent souvent des systèmes aériens pour se connecter à l'énergie électrique. Ces systèmes comprennent un pantographe, un mécanisme articulé et chargé par ressort monté sur le toit du train, qui collecte l'énergie électrique des lignes aériennes (LA). L'interaction fluide et constante entre le pantographe et la LA est cruciale pour les trains conventionnels. Cependant, elle devient encore plus prononcée pour les trains à grande vitesse roulant à 350 km/h (~217 mph).
Généralement construits à partir de matériaux légers mais robustes tels que les polymères renforcés de fibres de carbone et les alliages d'aluminium. Ils comprennent généralement un bras inférieur, un bras supérieur et une bande de contact, souvent en carbone ou en un composite carbone-cuivre, pour minimiser les arcs électriques et l'usure. Les ajustements en temps réel de la force de contact sont contrôlés par des systèmes pneumatiques ou actionnés électroniquement pour compenser la portance aérodynamique, la pression du vent et les variations de hauteur du fil. La précision dans la conception et le contrôle du pantographe est cruciale pour minimiser la perte de contact et prévenir les dommages au pantographe et au système de caténaire.
Qu'est-ce que le système de caténaire ?
Cet article se concentre sur les essais de pantographes, mais il est essentiel de comprendre ce qu'est le système de caténaire et comment il interagit.
Un système de caténaire aérienne (OCS) se compose de fils tendus, quelque peu flexibles, et d'une ligne aérienne principale (LA) qui alimente en électricité les locomotives électriques, les tramways ou les véhicules de transport léger. Il se compose d'un ou plusieurs conducteurs non isolés (ou fils de contact) suspendus au-dessus des voies ferrées et soutenus par des structures telles que des poteaux, des mâts ou des ponts. Le fil de contact est généralement fabriqué en alliage de cuivre étiré à froid, qui offre une haute conductivité et une résistance à l'usure. Un système de poids ou de ressorts le maintient à une tension constante pour assurer un bon contact avec le pantographe du véhicule électrique.
Dans certains systèmes de caténaire, un deuxième fil, appelé fil porteur ou fil de caténaire, est suspendu au-dessus et parallèlement au fil de contact. Le fil de contact est alors suspendu au fil porteur par une série de fils verticaux, appelés suspentes ou pendentifs. Cette conception permet un espacement plus important entre les structures de support. Elle offre une meilleure collecte de courant à des vitesses plus élevées en réduisant l'affaissement du fil de contact et en améliorant son élasticité verticale.
Les systèmes de caténaire sont essentiels pour les chemins de fer électriques, offrant un moyen fiable et efficace de transmission de l'énergie aux trains. La conception et la maintenance des systèmes de caténaire sont cruciales pour assurer des opérations ferroviaires sûres et ininterrompues. Des facteurs tels que la tension, la capacité de courant, la vitesse du train et les conditions environnementales sont pris en compte dans la conception de ces systèmes.
Pourquoi une connexion optimale entre un pantographe et la LA est-elle cruciale pour l'exploitation ferroviaire ?
Une connexion fiable entre le pantographe et le système de caténaire garantit une alimentation électrique continue et stable au train. Une mauvaise interaction peut entraîner des arcs électriques, des pertes de puissance ou même une déconnexion complète, provoquant des retards et des pannes opérationnelles. Une bonne connexion évite également les dommages à l'infrastructure et à l'équipement.
Une usure excessive, des contraintes mécaniques ou des forces de contact irrégulières peuvent endommager à la fois les bandes de carbone du pantographe et les fils aériens. Cela entraîne des coûts de maintenance plus élevés et des perturbations du service. Une bonne connexion améliore également la sécurité et la fiabilité en minimisant le risque de « défilage », lorsque le pantographe se détache du fil.
Cela peut entraîner des accidents graves ou des dommages à l'infrastructure. Une performance constante assure également des opérations ferroviaires fiables à grande vitesse, réduisant le risque d’accidents et d’interruptions de service.
Problèmes électriques
Arcs et étincelles
Un contact intermittent provoque des arcs électriques, endommageant les bandes du pantographe et les fils de la LA.
Génère des interférences électromagnétiques (EMI), perturbant l'électronique embarquée.
Chutes de tension et interruptions de courant
Une collecte de courant irrégulière entraîne une perte de puissance de traction, ce qui réduit la vitesse ou peut même provoquer l'arrêt des trains.
Peut déclencher un freinage d'urgence, causant des retards.
Usure mécanique et dommages
Usure accélérée des bandes de carbone du pantographe
Abrasion ou écaillage dû à des forces de contact inégales
Augmente la fréquence et les coûts de maintenance.
Dommages aux fils de caténaire
Rainures, entailles ou ruptures dans les fils aériens nécessitant des réparations coûteuses.
Risques pour la sécurité
Risque d'incendie
Un arc soutenu peut enflammer des matériaux inflammables près des voies (par exemple, végétation sèche).
Emmêlement ou rupture du pantographe
Les cas graves peuvent provoquer une défaillance du pantographe, pouvant entraîner l'effondrement ou le déraillement de la LA.
Perte de performance et d'efficacité
Restrictions de vitesse
Des forces de contact médiocres obligent les trains à ralentir, perturbant les horaires.
Inefficacité énergétique
Les fluctuations de puissance augmentent la consommation d'énergie (par exemple, défaillances du freinage régénératif).
Impact financier et opérationnel
Coûts de maintenance plus élevés
Remplacement fréquent des pantographes et des fils de caténaire.
Interruptions de service
La déconnexion provoque des retards et des pannes opérationnelles.
Temps d'arrêt non planifié affectant les exploitants ferroviaires et la logistique de fret.
Sanctions réglementaires
Non-conformité aux normes de sécurité (par exemple, EN 50367, UIC 794).
Ces facteurs ont collectivement un impact sur l'efficacité, les coûts et la sécurité des passagers, rendant l'interaction optimale entre le pantographe et la caténaire vitale pour les systèmes ferroviaires modernes.
Essai des pantographes et surveillance du réseau de caténaire
L'essai des performances et de la fiabilité des pantographes ferroviaires fonctionnant à 15 kV et 25 kV CA nécessite une instrumentation robuste avec des convertisseurs analogique-numérique (CAN) haute résolution. Divers capteurs sont placés stratégiquement pour mesurer les paramètres critiques liés à l'interaction du pantographe avec la ligne aérienne.
L'objectif principal est d'assurer une force de contact constante, de minimiser l'usure du pantographe et de la LA, et d'éviter les perturbations de l'alimentation électrique du train. Les normes liées à ces essais incluent l'EN EN 50317 et l'EN EN 50367.
Capteurs utilisés pour l'essai des pantographes et l'analyse du réseau de caténaire
Accéléromètres
Les accéléromètres sont cruciaux pour mesurer les vibrations et l'accélération dans tous les coins de la tête du pantographe. Les ingénieurs mesurent le comportement dynamique dans différentes conditions de fonctionnement, telles que la vitesse et la géométrie de la voie, puis analysent la fréquence et l'amplitude des vibrations pour identifier les rebonds excessifs, l'instabilité dynamique ou les résonances structurelles.
Les données des accéléromètres aident à évaluer la capacité du pantographe à maintenir un contact stable avec la LA et à identifier les zones sujettes à la fatigue ou aux dommages.
Capteurs de force
Des capteurs de force sont installés à chaque coin du pantographe pour quantifier la force de contact verticale entre la tête du pantographe et le fil de caténaire. Maintenir une force de contact optimale est essentiel : une force insuffisante peut entraîner des arcs et une perte de contact, tandis qu'une force excessive peut causer une usure indue du pantographe et de la caténaire.
La chaîne de mesure de force fournit des données en temps réel sur la force de contact, permettant aux ingénieurs d'évaluer les performances du pantographe dans des conditions dynamiques et de vérifier l'efficacité de ses systèmes de contrôle de force actifs ou passifs.
Capteurs de déplacement
La surveillance du déplacement vertical du pantographe et de sa hauteur par rapport à la voie et à la LA est vitale pour comprendre son mouvement dynamique et s'assurer qu'il fonctionne dans des limites sûres. Pour passer de l'accélération à la vitesse et au déplacement, la fonction d'accélération est intégrée par rapport au temps.
Bien plus directs sont les capteurs de déplacement, tels que les potentiomètres ou les codeurs à fil, car ils peuvent être utilisés pour mesurer la position verticale de la tête du pantographe. Ces données aident à évaluer la capacité du pantographe à suivre les ondulations du fil de caténaire et à identifier tout mouvement vertical excessif pouvant entraîner une perte de contact ou des contraintes mécaniques. En plus des forces de contact globales et des accélérations, la compréhension de la distribution de la force le long de la bande de contact est essentielle pour optimiser l'usure et la collecte de courant.
De plus, la mesure de la hauteur globale du pantographe fournit des informations critiques pour une exploitation sûre, garantissant qu'il reste dans les limites de dégagement admissibles sous les ponts et les tunnels.
Caméras infrarouges (IR)
Les caméras IR peuvent, par exemple, mesurer la température de la tête du pantographe, en particulier de la bande de contact et de la zone de contact avec le fil de caténaire. Des températures élevées peuvent indiquer une friction excessive due à une force de contact élevée, une mauvaise lubrification ou des arcs causés par un contact intermittent.
La surveillance de la température en temps réel permet aux ingénieurs de détecter les problèmes potentiels de surchauffe pouvant entraîner une usure prématurée, des dommages au pantographe ou à la caténaire, et même des interruptions de courant. Les images thermiques capturées par la caméra IR peuvent fournir des informations précieuses sur l'état et les performances de l'interface de contact du pantographe.
Les caméras de la marque OPTRIS sont idéales pour cette application et sont entièrement compatibles avec les systèmes DAQ de Dewesoft. Contrairement aux capteurs de température conventionnels, tels que les thermocouples, les RTD et les thermistances, les caméras IR peuvent mesurer sans contact avec l'unité testée.
Sonde UV
Les sondes UV sont utiles pour la détection d'arcs. Par exemple, le capteur UV-Arc mesure l'intensité et la durée d'un événement d'arc UV. La mesure de la qualité du contact entre un pantographe et le fil de contact permet de localiser les défauts du fil. Il est conforme à la norme EN 50317. Le capteur UV-Arc contient une photodiode très sensible avec un filtre supplémentaire pour supprimer le rayonnement UV solaire.
Les données collectées par ces capteurs sont généralement transmises à un système DAQ Dewesoft pour une surveillance, un enregistrement et une analyse en temps réel. Cette instrumentation complète permet aux ingénieurs d'évaluer minutieusement les performances des pantographes ferroviaires de 15 kV et 25 kV dans une large gamme de conditions de fonctionnement, contribuant ainsi à une fiabilité accrue, à une réduction des coûts de maintenance et à une sécurité améliorée dans les opérations ferroviaires. L'analyse de ces données peut éclairer les améliorations de conception, optimiser les calendriers de maintenance et fournir des informations précieuses sur le comportement à long terme des pantographes et leur interaction avec le système de caténaire aérien.
Topologie du réseau DAQ Dewesoft
Le système DAQ est centré autour des modèles OBSIDIAN de Dewesoft, configurés pour les mesures de pantographe (orientées vers le haut) et les mesures embarquées (orientées ferroviaire). Les modèles OBSIDIAN robustes sont utilisés en raison de leur résistance aux chocs, aux vibrations et aux températures extrêmes. Ils acceptent des cartes de conditionnement de signal modulaires isolées avec une conversion analogique-numérique appropriée nécessaire pour analyser le comportement global. De plus, ils disposent des interfaces numériques nécessaires pour connecter des caméras, des interfaces de position et de vitesse GNSS, des unités de mesure inertielle (IMU) et des données de bus provenant de MVB, CAN ou même Ethernet.
Au cœur d'OBSIDIAN se trouve un processeur ARM intégré exécutant un système d'exploitation LINUX® hautement stable et le logiciel DAQ intégré DewesoftRT. Le système est conçu pour une stabilité maximale dans les applications de mesure à long terme et peut télécharger des données vers le cloud ou un serveur SFTP traditionnel.
Un routeur réseau mobile relie l'unité centrale DAQ et l'enregistreur au monde extérieur, prenant en charge la 5G, la 4G LTE, la 3G et le WiFi 5 (802.11b/g/n/ac).
Téléchargement et visualisation des données
Le logiciel DewesoftX est utilisé pour rejouer, valider et analyser les fichiers de données téléchargés depuis l'instrument Dewesoft OBSIDIAN. DewesoftX est fourni gratuitement avec tous les instruments Dewesoft. Aucune licence ni frais de maintenance ne sont requis tout au long de la durée de vie du système. Certaines fonctionnalités d'analyse avancées sont des options payantes, mais le package de base est inclus avec le système. DewesoftX peut être installé sur plusieurs ordinateurs Windows, permettant à chaque ingénieur d'accéder aux données.
Visualisation des données n'importe où, n'importe quand
Le logiciel Dewesoft Historian permet la visualisation de toutes les données depuis un serveur et une plateforme basée sur le web, de n'importe où.
Résumé des avantages de la solution évolutive de CETEST et Dewesoft
La mesure de l'interaction entre un pantographe et une ligne aérienne et l'ensemble de la caténaire à des niveaux de haute tension permet l'analyse du comportement en marche et de l'infrastructure de caténaire, y compris :
Mesure de la force pour l'analyse de la position de contact et l'analyse de la résistance à la fatigue(prêt à être utilisé également à des fins de contrôle de pantographe),
Mesure du déplacement et du mouvement (prêt à être complété par la mesure et l'analyse de la puissance électrique dans le véhicule),
Mesure des vibrations pour l'analyse des oscillations et des fréquences (prêt à être complété par la mesure du châssis du bogie ou de la roue instrumentée),
Mesure de la température au point de contact par caméra infrarouge.
De plus, l'engagement de CETEST en faveur de la précision et de l'exactitude s'étend à l'étalonnage méticuleux et à la traçabilité des données de mesure. Dans leur laboratoire certifié ISO 17025, ils étalonnent l'ensemble du pantographe instrumenté.
En combinant une méthodologie experte, un équipement de pointe et le respect des normes internationales telles que l'EN 50317, la norme européenne pour les applications ferroviaires qui spécifie les exigences pour la mesure et la validation de l'interaction dynamique entre un pantographe et une ligne de contact aérienne, CETEST joue un rôle vital dans l'amélioration de la sécurité des opérations ferroviaires.
Vous pouvez ajouter l'analyseur de puissance Dewesoft, offrant une mesure précise de la puissance électrique pour les transformateurs et les machines électriques.
L'enregistrement autonome en réseau des données pour les essais et la surveillance à long terme offre :
Téléchargement automatique des fichiers de données vers le cloud (SFTP) et analyse de l'infrastructure
Flux de données continu vers un logiciel de surveillance en direct basé sur le web
Analyse des données basée sur des cartes géographiques, localisant les sections critiques
Conclusion
Le partenariat entre CETEST et Dewesoft offre une solution de mesure évolutive pour les ingénieurs ferroviaires, permettant une acquisition complète de signaux multi-physiques. Cette capacité fournit des informations précises sur l'infrastructure ferroviaire, les éléments individuels du système (comme les bogies et les moteurs de traction), les composants critiques (tels que les pantographes et les roues) et le comportement global du véhicule. En développant cette solution intégrée, les ingénieurs ferroviaires peuvent prendre des décisions basées sur les données pour améliorer la sécurité, l'efficacité opérationnelle et prolonger la durée de vie des actifs ferroviaires, contribuant ainsi à un réseau ferroviaire plus fiable et plus efficace.
Veuillez contacter CETEST ou Dewesoft pour faire avancer votre prochain projet ferroviaire.
