Mesure automatique d’essieux de train plus précise et plus disponible

Lorsque nous avons commencé à développer CALIPRI X en 2017, notre première priorité était d’établir un dialogue avec les exploitants ferroviaires. À cette occasion, ils ont évoqué les nombreux problèmes qu’ils rencontraient dans la mesure de roues sur la voie. Ce n’était pas très encourageant.

Malgré la conformité supposée à la norme de mesure des roues EN 15313, bon nombre de leurs systèmes ne fournissaient pas une précision de mesure constante sur toute l’année ou étaient seulement précis pour une plage d’usure étroite. Il y avait aussi depuis de longues années des problèmes coûteux de disponibilité, de fiabilité et de maintenance excessive.

Penchons-nous d’abord sur la mesure. Dans le cas de nombreux essieux et dans des conditions moyennes, la conformité à la norme EN 15313 est simple à établir. Mais il est beaucoup plus difficile d’effectuer des mesures automatiques précises et constantes dans des conditions extrêmes, par exemple lors d'étés chauds, d’hivers très froids ou en cas de forte usure des essieux.

NEXTSENSE, qui fait partie d’Hexagon, est un spécialiste de la métrologie, c'est-à-dire la science de la mesure. Nous pouvons nous targuer d’être des experts dans ce domaine. Notre gamme C4X est à la pointe de la mesure portative de roues de train depuis 17 ans, principalement parce que nos conceptions tiennent compte des nombreux facteurs ayant une influence sur la précision et la répétabilité. L’expertise de base de nombreux fournisseurs de systèmes installés sur la voie se trouve ailleurs et leurs réalisations le reflètent.

La dérive liée à la température est un problème majeur pour les systèmes installés sur la voie. Les caractéristiques électroniques changent tandis que la dilatation et la contraction physiques affectent les positions du laser et du capteur. Plusieurs éléments de conception permettent de relever ce défi classique de la métrologie. 

CALIPRI X dispose de quatre boîtiers de capteur regroupés en deux paires, une par rail. Les boîtiers de chaque paire se font face sur les côtés opposés d’un rail. Il y a trois lasers et capteurs de caméra dans un boîtier et deux dans l’autre.

Des barres d’acier droites simples assurent la liaison et le support de chaque paire de boîtiers de capteur, de sorte que les boîtiers se déplacent dans une seule dimension lorsque les barres se dilatent et se contractent. Nous pouvons donc prédire avec précision leur position, sur la base de mesures précédentes à différentes températures. Pendant les opérations, nous surveillons la température ambiante et nos algorithmes logiciels compensent tout mouvement prédit de la boîte.

Mais à l’intérieur de chaque boîte, le mouvement du cadre et du capteur influencé par la température est tridimensionnel, ce qui est impossible à reproduire avec suffisamment de précision à l’avance. Notre approche consiste à maintenir les composants internes, l’électronique et les câbles du boîtier à une température constante de 20 °C par refroidissement ou réchauffement à l’aide d’un fluide. Certains composants critiques sont en Invar, un alliage nickel-fer présentant un coefficient de dilatation thermique exceptionnellement faible.

Cela exclut pratiquement toute erreur de mesure due à la dilatation et à la contraction physiques et assure la stabilité de l’électronique interne, maintenue à 20 °C. Cette conception étend aussi considérablement la durée de vie des composants électriques. L’onduleur de voie (alimentation électrique) de CALIPRI X est refroidi de façon similaire, ce qui augmente sa longévité et réduit ses coûts d'exploitation.

Pour des données de mesure fiables, les capteurs doivent être perpendiculaires aux roues de train lors de la capture de leurs sections transversales. Si une roue n’est pas exactement dans la position attendue, les lasers de la plupart des systèmes basés sur la section de lumière laser percutent des positions légèrement différentes sur la roue, ce qui incline un capteur par rapport aux autres. et nuit à la précision. 

Comme CALIPRI X utilise le Principe CALIPRI breveté dans ses algorithmes, le système corrige automatiquement toute inclinaison du capteur pendant la mesure. Ainsi, contrairement à de nombreux autres systèmes laser, la mesure du profil de roue effectuée par CALIPRI X ne dépend pas de la position de l’essieu au-dessus du rail et peut donc facilement être réalisée aussi sur des roues très usées ou de différentes tailles. 

Ensuite, il y a le mouvement du rail. Avec jusqu’à 30 t par roue sur la voie, les déflexions du rail peuvent être importantes – 2 cm ou plus – et les vibrations le sont aussi. Cela peut être transmis et affecter la stabilité des boîtiers de capteur fixés aux rails ou aux traverses (leur position les uns par rapport aux autres).

Pour exclure ce phénomène, des pieux à vis de 2 m de long fixent les supports de boîtier de capteur de CALIPRI X au sol. Les capteurs sont toujours proches des roues qui passent, mais complètement découplés des rails, des traverses et du ballast, de sorte qu’aucune charge ne leur est transmise. 

Pour maximiser la disponibilité, nous avons décidé d’éviter de longues portes coulissantes, une caractéristique habituelle d’autres systèmes. Celles-ci nécessitent une lubrification régulière et présentent un risque de défaillance – une seule pierre pourrait les coincer. 

L’ouverture de ces portes retarde également la mesure et nécessite des capteurs de déclenchement séparés installés plus loin sur la voie. L’un de nos clients a été contraint de maintenir une distance de 15 m entre son ancien système de mesure sur les rails et les véhicules en stationnement. Cet écart permettait l’activation du système, mais réduisait la surface de stockage et perturbait les opérations du dépôt.

Les petites fenêtres de capteur robustes de CALIPRI X et leur emplacement sûr diminuent considérablement le risque d’endommagement par des pierres, de sorte qu’elles n’ont pas besoin d’une autre protection. Il n'y a donc pas de portes à graisser. En fait, il n'y a aucune pièce mobile. CALIPRI X est toujours actif, prêt à mesurer instantanément – avec un faible risque de défaillance mécanique.

Si le gravier fissure une fenêtre, un capteur d’humidité interne déclenche une alarme à distance et l’équipe de maintenance peut changer une fenêtre de l’extérieur en quelques minutes en retirant quatre vis. Mais après des années de tests et d’opérations, cela ne s'est encore jamais produit. 

Les opérateurs nous ont également dit que leurs appareils étaient souvent obstrués par l'encrassement, les feuilles et la neige. Cela nous a incités à concevoir des boîtiers de capteur CALIPRI X bas et lisses. Aucun bord ou trou ne peut piéger des saletés sur la voie. Celles-ci tombent et glissent simplement sur les côtés en pente et peuvent se disperser facilement. Il n’est pas nécessaire de prévoir un collecteur. En hiver, les boîtiers chauffants garantissent non seulement la précision des mesures, mais font également fondre la neige afin qu’elle n'obstrue pas les fenêtres du capteur. 

Les fenêtres de capteurs encastrées sur de nombreux systèmes gênent les opérateurs ferroviaires. Elles retiennent la saleté et doivent être nettoyées régulièrement à la main. Mais cette opération est complexe, chronophage et doit s’effectuer avec des cotons-tiges.

Toutes les 15 minutes, les fenêtres du capteur CALIPRI X se nettoient elles-mêmes avec des jets d’air comprimé. Les trains qui passent laissent échapper fréquemment aussi de l’eau ou des saletés, de sorte que l’air souffle constamment sur les fenêtres pendant la mesure active. Les fenêtres sont le point le plus haut des boîtiers et affleurent avec le couvercle supérieur, ce qui les aide à rester propres et les rend faciles à nettoyer manuellement si nécessaire. 

De nombreuses autres innovations permettent d’exploiter CALIPRI X à faible coût et sans effort. Notre serveur distant gère des tâches telles que le contrôle du refroidissement et de la pression de l’air comprimé, réduisant ainsi le nombre de composants électroniques sur la voie. Les données de mesure sont directement transférées au cloud via une liaison 4G sécurisée et disponibles instantanément. Mais il n’est pas obligatoire de les associer à vos propres systèmes. 

La même liaison 4G prend en charge les alertes de panne avancées et les mises à jour d’état, ainsi que les diagnostics à distance et les contrôles d’auto-étalonnage, accessibles via une interface de navigateur simple. Cela réduit la maintenance en cours à une seule visite annuelle. L’étalonnage physique sur la voie avec des blocs de référence prend environ 15 minutes, mais n’est que rarement nécessaire.

Un dernier exemple. Lorsque nous stockons des données dimensionnelles CALIPRI, nous les standardisons en nous référant à une température d’essieu équivalente de 20 °C conformément à la norme ISO-1. Ainsi, quelle que soit la saison des mesures réalisées avec CALIPRI X, été ou hiver, les résultats seront directement comparables. 

Cela reflète notre approche axée sur les normes et l’ingénierie. Dans l’industrie ferroviaire, peu d’acteurs connaissent la norme ISO-1 et encore moins la respectent. Il se peut que la non-standardisation des données introduise seulement une petite erreur, mais ces petites erreurs s’additionnent. 

Dérive de température, centrage des roues, déflexion de la voie : si vous n'avez pas de contrôle sur ces facteurs, vos mesures de profil de roue manqueront de précision et de cohérence. C’est mauvais pour la surveillance de l’état. 

Nous avons conçu CALIPRI X pour être le meilleur système de mesure sur voie disponible : rapide et précis dans toutes les conditions possibles et facile à utiliser, avec des coûts de cycle de vie très bas. L’entreprise autrichienne Wiener Linien mesure désormais des véhicules entiers en quelques secondes, alors que cela prenait des heures par le passé, et indique que la « répétabilité de mesure du système CALIPRI X est de l’ordre du dixième de millimètre ». 

Comment ce résultat est-il possible ? Grâce à notre écoute des clients, à notre expertise sectorielle et à notre solide ingénierie.