Toujours sur la bonne voie

Solutions de capteurs de Hansford Sensors et ASC

Surveillance des vibrations et des oscillations dans le transport ferroviaire

La mesure de haute précision des oscillations et des vibrations sur les véhicules et les infrastructures est une exigence fondamentale pour un transport ferroviaire sûr et confortable. Les capteurs jouent un rôle central dans le développement, la construction et l'exploitation des trains, ainsi que dans les systèmes de surveillance des voies, des aiguillages et des ponts.

L'optimisation de la capacité des lignes et l'augmentation du volume du trafic ferroviaire exigent des systèmes capables de réagir rapidement aux perturbations. L'évaluation des oscillations et des vibrations ne sert pas seulement à évaluer l'état actuel des véhicules, mais permet également de détecter à un stade précoce les futures faiblesses matérielles. Des mesures correctives peuvent ainsi être mises en œuvre avant que des dommages coûteux ne surviennent.

Les données de mesure peuvent être transmises en temps réel et mises à disposition sous forme numérique, constituant ainsi la base des applications de jumeaux numériques. Cela repose sur des solutions de capteurs robustes combinées à des algorithmes intelligents pour le traitement des données de vibration et d'oscillation.

Défis dans les applications ferroviaires

Les véhicules ferroviaires, en particulier les bogies, les essieux, les freins et les roulements de roues, sont soumis à des charges mécaniques extrêmes. Ces composants sont conçus et testés conformément à la norme EN 13749.

Pendant les essais, les trains parcourent des milliers de kilomètres dans des conditions difficiles, où des chocs pouvant atteindre quatre cents g ne sont pas rares, en particulier lors des tests des essieux et des bogies. Comme ces forces s'exercent également sur les capteurs, les capteurs de vibrations doivent être exceptionnellement robustes, stables à long terme et fiables.

Évolution des exigences relatives aux capteurs dans les opérations ferroviaires

Historiquement, les capteurs de vibrations dans les applications ferroviaires étaient principalement utilisés sur les trains d'essai. Ces systèmes mesuraient des paramètres tels que la position de la voie et l'accélération verticale afin d'identifier les erreurs géométriques dans la superstructure de la voie. Ces informations permettaient de planifier et de programmer les activités de maintenance.

Cependant, les essais et l'évaluation ultérieure des données ne fournissent des informations sur l'état du véhicule ou de la voie qu'avec un décalage. Une surveillance continue pendant l'exploitation régulière permet d'identifier les faiblesses potentielles beaucoup plus tôt, contribuant ainsi de manière significative à la sécurité et à la fiabilité des véhicules ferroviaires.

Numérisation et surveillance continue des réseaux ferroviaires

L'adoption des technologies numériques dans le secteur ferroviaire augmente la capacité, l'efficacité et la qualité des réseaux ferroviaires. Les capteurs permettent la transmission en temps réel et l'accès décentralisé aux données d'état, permettant aux opérateurs de suivre l'état exact des flottes et de l'infrastructure à tout moment.

Les capteurs ne se limitent plus aux trains d'essais. Ils sont désormais intégrés dans les trains à grande vitesse, les trains régionaux, les tramways, les métros et les trains de banlieue. Par conséquent, les capteurs doivent répondre aux exigences des normes DIN EN 50155 et IEC 60751.

Cette transition a accru la demande de capteurs de qualité industrielle, rentables et adaptés à un déploiement à grande échelle.

Développement de capteurs approuvé pour le partenariat ferroviaire

Le développement d'un capteur d'accélération IEPE piézoélectrique industriel doté d'une homologation ferroviaire a réuni deux spécialistes des capteurs.

ASC GmbH, un fabricant leader de capteurs inertiels à base de MEMS pour des applications exigeantes de test et de mesure, s'est associé à Hansford Sensors, des experts dans la conception et la fabrication de capteurs de vibrations industriels.

Hansford Sensors a offert une flexibilité dans la conception des capteurs, permettant d'adapter les propriétés des capteurs spécifiquement aux exigences d'homologation ferroviaire. Tandis que Hansford Sensors a adapté la technologie des capteurs OEM, ASC s'est concentrée sur la conception du système, la certification et la mise en œuvre globale.

Technologie utilisée dans les capteurs de vibrations ferroviaires

Les capteurs d'accélération modernes utilisent généralement un principe de fonctionnement piézoélectrique. Bien que la technologie de cisaillement soit courante, la technologie de compression offre des avantages dans les applications ferroviaires.

Les capteurs à compression sont mieux adaptés à une exposition continue à des impacts de haute amplitude. Leur construction de type sandwich est mécaniquement robuste et moins sensible aux micro-fissures par rapport aux conceptions basées sur le cisaillement.

Le développement s'est appuyé sur des capteurs d'accélération piézoélectriques existants avec des options de connecteur latéral et supérieur. Ces capteurs utilisaient déjà la technologie à compression et constituaient une base solide pour l'adaptation aux essais de fatigue et aux exigences spécifiques aux chemins de fer.

Conditions de fonctionnement des véhicules ferroviaires

Les ensembles de bogies absorbent non seulement le poids des véhicules ferroviaires, mais aussi toutes les forces agissant sur les roues et les paliers. La circulation guidée par la voie entraîne une usure des matériaux, comprenant notamment des défauts de rails et des méplats sur les bandages de roues.

La prise de virage à grande vitesse génère des charges supplémentaires sur les essieux, entraînant une augmentation du frottement et de l'usure des roulements. Les différences entre l'écartement des rails et les dimensions des essieux entraînent également des accélérations provoquées par un mouvement sinusoïdal.

Si les accélérations dépassent les valeurs critiques, un déraillement peut se produire dans des cas extrêmes. Une surveillance fiable des vibrations des bogies permet d'identifier à un stade précoce le développement des dommages, permettant ainsi une maintenance préve​ntive et évitant des pannes imprévues.

Approbation de la construction et des chemins de fer

L'objectif était de développer un capteur d'accélération IEPE économique et grand public, adapté à une utilisation continue dans les trains de voyageurs.

Le cœur du capteur est une capsule OEM déjà utilisée dans les capteurs industriels IEPE. Cette technologie offre une large plage de fréquences de zéro virgule cinq hertz à dix-sept kilohertz, plusieurs plages de mesure de plus ou moins seize g à plus ou moins huit cents g, et une résistance aux chocs allant jusqu'à cinq mille g.

La fiabilité est essentielle pour les applications ferroviaires. Avec un temps moyen avant panne calculé à deux cent cinquante mille heures, soit l'équivalent d'environ vingt-huit ans et demi, le capteur répond aux exigences opérationnelles à long terme.

Le boîtier du capteur a été développé spécifiquement pour les environnements ferroviaires. Il est hermétiquement scellé, fabriqué en acier inoxydable robuste et répond à des critères stricts de tests de vibration et de choc. Avec un indice de protection IP68, il résiste à la saleté, à l'humidité, aux impacts de pierres et aux températures extrêmes.

Toutes les caractéristiques de conception technique ont été fixées au cours du développement et validées par des tests conformes à la norme EN 50155. Une collaboration étroite entre ASC et Hansford Sensors a garanti l'intégration correcte des capsules de capteurs OEM dans des boîtiers spécifiques au secteur ferroviaire.

Considérations relatives au montage et à l'installation

Les capteurs IEPE traditionnels sont souvent montés à l'aide d'un seul point de fixation, ce qui n'offre aucune redondance. Les applications ferroviaires nécessitent des solutions de montage plus robustes.

Les capteurs spécifiques au secteur ferroviaire utilisent des câbles intégrés en permanence qui résistent au feu, sont sans halogènes, ignifuges et résistent aux températures, aux expositions aux UV et à l'ozone.

Les interfaces mécaniques supplémentaires sont évitées autant que possible, car les transitions de matériaux peuvent affecter la réponse en fréquence et introduire des erreurs de mesure. La conception du boîtier permet également de sélectionner la direction de mesure sensible, éliminant ainsi le besoin de supports ou d'adaptateurs de montage supplémentaires.

Perspectives pour le développement des capteurs ferroviaires

Le lancement sur le marché du capteur d'accélération IEPE grand public pour les applications ferroviaires était prévu pour le premier semestre de deux mille vingt et un.

Les connaissances acquises au cours du développement continuent d'enrichir les projets futurs, notamment en ce qui concerne les interfaces électriques supplémentaires, les options d'alimentation alternatives et les nouvelles conceptions de capteurs.

En collaboration avec les constructeurs de véhicules ferroviaires, Hansford Sensors continue d'optimiser son portefeuille et de contribuer à l'avancement continu de la surveillance des vibrations dans le secteur ferroviaire.