Défi dans le transport ferroviaire : validation en conditions réelles d’exploitation
Un fournisseur du secteur de la technologie ferroviaire avait besoin d’une solution de mesure robuste pour valider la dynamique du véhicule et les contraintes sur la voie lors du développement de nouveaux véhicules ferroviaires. Les méthodes existantes n’offraient qu’une vision limitée des forces réelles au contact roue–rail, en particulier lors des variations de charge et dans différentes situations de guidage.
Pour surveiller précisément les sollicitations des véhicules ferroviaires, un système de mesure a été développé afin de capter directement au niveau du rail la force verticale de charge de roue ainsi que les forces latérales. La solution repose sur des jauges de contrainte FCAB-5 montées en pont de Wheatstone, filtrant de manière fiable les composantes de mesure indésirables.
Attentes et exigences du client
L’objectif était de mesurer avec précision :
- la charge verticale de roue, ainsi que
- les forces latérales.
Les composantes de force positives et négatives devaient être clairement distinguées et détectées sans perturbations. Le client attachait une importance particulière à une grande précision de mesure, à une installation robuste et durable directement sur le rail, ainsi qu’à une différenciation fiable entre les forces longitudinales et transversales.
Installation et câblage
Les jauges de contrainte ont été montées à un angle de 45° par rapport à l’axe principal du rail, aux emplacements prévus sur l’âme/le patin du rail (pour la force de charge de roue) et sur le pied du rail (pour la force latérale).
Au total, huit jauges de contrainte ont été utilisées et reliées via une platine de connexion dans une configuration en pont de Wheatstone.
Mesure de la charge de roue
Une jauge de contrainte fixée sur le côté du rail à un angle de 45° subit, sous l’effet de la charge de roue, une déformation en forme de losange au point de mesure.
Les jauges 1, 2, 5 et 6 fournissent des signaux de sortie positifs, tandis que les jauges 3, 4, 7 et 8 fournissent des signaux de sortie négatifs. Il en résulte une sortie de pont positive lorsqu’une force de charge de roue est appliquée.
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Séparation fiable de la charge de roue et de la force latéraleGrâce au montage à 45° et à la configuration en pont de Wheatstone, les forces verticales et latérales peuvent être clairement différenciées.
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Haute précision de mesure en conditions réelles d’exploitationLa pose directement sur le rail et un étalonnage ciblé permettent d’obtenir des résultats précis malgré les influences environnementales.
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Compensation des influences indésirables grâce à une configuration à 8 jaugesLe traitement systématique des signaux élimine les composantes parasites et augmente la valeur informative des données de mesure.
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Installation robuste, adaptée au terrainConvient à une utilisation à long terme en environnement ferroviaire, avec des câbles résistants, des matériaux de protection et un collage stable.
Calibrage
Après l’installation des jauges de contrainte, un essai de charge doit être réalisé afin de déterminer les facteurs d’étalonnage (relation entre la déformation ou la sortie du pont et la charge appliquée). Calibrage est nécessaire pour tenir compte des différences d’installation et des conditions de contact spécifiques au site entre la roue et le rail.
Considérations mécaniques
Entre deux roues, les moments de flexion sont de même grandeur et il n’y a pas de force de cisaillement résultante entre les roues. Comme les jauges de contrainte sont installées à un angle de 45°, le signal de sortie est principalement lié à la déformation de cisaillement. En théorie, la déformation de cisaillement n’est associée qu’à la force de charge de roue ; en pratique, toutefois, les forces latérales et les conditions de contact spécifiques entre la roue et le rail influencent également le signal de sortie.
Pour minimiser ces effets, huit jauges de contrainte sont utilisées et leurs signaux sont moyennés afin d’éliminer les composantes indésirables.
Effet de l’espacement entre les groupes de jauges
Si la distance entre les groupes de jauges de contrainte est réduite de 1000 mm à 150 mm, la durée d’application de la charge diminue lors du passage de la roue.
L’amplitude du signal de sortie devrait rester globalement inchangée ; toutefois, un réétalonnage est nécessaire pour vérifier et, si besoin, mettre à jour la relation entre la charge et le signal de sortie.
Résultats et bénéfices
- Sorties de pont positives sous charge réelle de roue
- Haute qualité de signal malgré les influences environnementales
- La mesure de la déformation de cisaillement permet de distinguer les forces verticales et latérales
- Le système conserve une exactitude d’étalonnage même avec un espacement de capteurs réduit
Le système a convaincu par sa pertinence sur le terrain et sa facilité d’intégration — une étape importante vers une optimisation des véhicules ferroviaires fondée sur les données. Althen Sensors & Controls a non seulement fourni les capteurs adaptés, mais a également accompagné la conception de l’application, l’étalonnage et l’intégration. Grâce à notre expertise spécifique aux applications, nous avons livré une solution de mesure fiable, robuste et nécessitant peu de maintenance pour des conditions ferroviaires exigeantes.