Technique de mesure dans l’ingénierie ferroviaire

Pour l’approbation des véhicules ferroviaires, il est exigé de nombreux essais. Parmi ceux-ci, des essais complexes sont menés pour mesurer les forces exercées entre la roue et le rail, les accélérations ou les déplacements relatifs des composants en mouvement. Le projet de recherche européen Dynotrain étudie dans quelle mesure les simulations sur ordinateur pourront remplacer à l’avenir une partie des mesures. L'objectif est de faciliter et d’accélérer les procédures d'approbation européennes. La division des technologies motrices (Prüfungen Fahrtechnik) de DB Systemtechnik, située à Minden, en Allemagne, utilise la technologie de mesure HBM pour toutes les mesures exigées pour la vérification des programmes de simulation.

Le trafic ferroviaire est parmi les modes de transport le plus sûr en Europe. Les critères d’approbation des nouveaux véhicules ferroviaires sont également stricts. La procédure d'approbation exige de nombreux contrôles de conformité qui nécessitent des mesures obligatoires et conformes aux normes européennes en vigueur. Dynotrain est un projet de recherche européen regroupant au total 21 instituts et sociétés de recherche de six pays dans toute l'Union Européenne, qui a pour objectif de créer une base technique pour faciliter et accélérer les procédures d'approbation pour tous les futurs véhicules ferroviaires. Pour atteindre ce but, une partie des contrôles de conformité, exigée jusqu'ici et qui impliquent des mesures relativement complexes doit être remplacé par des simulations. Tout d'abord, la fiabilité de ces simulations sur ordinateur doit être vérifiée par comparaison avec des résultats de mesures déjà effectuées (validation des modèles sur ordinateur). La Deutsche Bahn AG, avec sa filiale DB Systemtechnik, est un partenaire actif du projet de recherche Dynotrain

Laboratoire d'essais indépendant

Le train complet de mesure de DB Systemtechnik utilisé pour les essais comporte une locomotive, une voiture passagers et voitures de frêt.

DB Systemtechnik à Minden offre un éventail de services pour l'industrie et l’ingénierie du rail. Ils fonctionnent indépendamment en tant que filiale entière et propriété de DB AG depuis mi 2011 et ont leurs principaux équipements à Minden, Munich et Kirchmöser. Cette filiale emploie environ 600 personnes qui rendent leur expertise dans le secteur de la technologie ferroviaire et sont disponibles à la fois pour la Deutsche Bahn AG en interne et pour des clients extérieurs. Beaucoup d'années d'expérience et de savoir-faire inégalé ont fait de DB Systemtechnik le principal centre de compétence d’europe pour l'industrie ferroviaire.

DB Systemtechnik réalise d’innombrables essais de véhicules et de composants dans le secteur de d'affaires touchant la gestion, les essais et la certification pour les approbations. Ces essais apportent une contribution importante à la sécurité, la fiabilité et l’efficacité du ferroviaire. Le centre d’essais et l’organisation d’experts de DB Systemtechnik sont enregistrés comme partenaire associé du Notified Body for interoperability (Assoziierter Partner der benannten Stelle Interoperabilität) des autorités du chemin de fer fédéral allemand (EBA). Au total, 18 laboratoires d'essais ont été accrédité DIN EN ISO/IEC 17025 :2000. Et environ 40 membres du personnel ont été nommés en tant qu'experts certifiés par les autorités du chemin de fer fédéral allemand.

Grandeurs mesurées pour l'approbation des véhicules ferroviaires

Les forces Roue contre Rail sont parmi les grandeurs mesurées les importantes pour l'approbation des véhicules ferroviaires. Il est essentiel de mesurer ces forces lors du fonctionnement ; cela exige l'utilisation d’essieux - roues mesureurs. La force verticale et la force doivent être toutes les deux déterminées. DB Systemtechnik a développé des essieux-roues spéciaux équipés de jauges de contraintes pour ces mesures. Les forces agissant entre la roue et le rail occasionnent la déformation des roues et de l'axe de l’essieu, qui est mesurée par les jauges de contrainte. Ces mesures sont possibles car le  principe est basé sur l’interdépendance entre la force et les contraintes, cette relation est prédéterminée par une procédure  d’étalonnage élaborée et un logiciel complexe est employé pour la conversion en direct des composants de force Q (force de contact roue-rail), Y (force de contrainte en courbe) et Tx (forces dans la direction longitudinale résultant du freinage et du couple de démarrage ainsi que des différences dans le rayon de roulement).

Au centre d'essai de Minden, des jauges de contrainte sont installées sur les essieux en métal poli, les transformant en matériels d’essai et de mesure précis. Selon les caractéristiques géométriques des roues et de l'axe, deux méthodes de mesure importantes sont disponibles, la première en  tenant compte des roues et de l'axe comme points d'installation des jauges de contrainte, l’autre en prenant exclusivement les données de contrainte des roues. Les deux méthodes de mesure comprennent l'installation jusqu'à 96 jauges de contrainte sur l’essieu-roues et leur raccordement dans une configuration en pont complet. Les câbles de mesure sont menés dans l'axe creux au travers d’un trou. L'électronique complète comprenant les amplificateurs et la transmission de signal, est située à l'extrémité de l'axe. Après que les jauges de contrainte, les câbles et l'électronique ont été installées, l’essieu-roues de mesure doit être étalonné. À cette fin, l’essieu-roues complet est intégré dans un banc d'essai développé spécifiquement pour cette opération. Il permet avec précision d’appliquer verticalement et horizontalement les forces définies sur les roues sans interférence mutuelle et de déterminer les réponses des ponts de jauges.

D’autres moyens importants pour acquérir des données de mesure dans l’analyse des caractéristiques dynamiques des véhicules sont des accéléromètres installés aux niveaux des masses (principalement l’essieu) et si disponible le premier étage  de ressorts et le deuxième étage de ressorts. Ils mesurent les accélérations se produisant à ces niveaux dans la partie latérale, verticale et dans la direction longitudinale et, selon l'étage de ressorts, dans différentes gammes de fréquence.

Les déplacements relatifs forment le troisième groupe de grandeurs mesurées. Généralement ils jouent seulement un second rôle  dans l'approbation des véhicules, cependant, ils sont souvent considérés comme des indicateurs de compréhension spécifique des caractéristiques des véhicules. Le projet Dynotrain a expressément choisi de les employer aussi comme grandeurs importantes pour permettre aux modèles de simulation des véhicules en test d’être comparés avec les résultats de  mesure en tenant compte des variations d’essai incorporées.

Enfin et surtout, il y a le groupe des grandeurs mesurées décrivant la voie. Les valeurs suivantes ont été enregistrées sans interruption :

  • Profil longitudinal (tout les 16 cm)
  • Alignement de la voie (tout les 16 cm)
  • Grande élévation (tout les 16 cm)
  • Mesure de voie (tout les 25 cm)
  • Profil en travers de voie gauche/droit (tout les 25 cm).

Moyens considérables dans le train de mesure Dynotrain

Les équipements de mesure ont été installés dans les véhicules. Les amplificateurs MGCplus et les systèmes HBM ont été utilisés.

Dans le cadre du projet Dynotrain, l’ensemble des véhicules en essais comprenait une locomotive, trois voitures de fret et une voiture de tourisme fournis par DB Netz AG Railab pour l'enregistrement de la géométrie de la voie et une voiture de mesure recevant les moyens et l'équipe de mesure. Ces voitures ont été ajoutées à six voitures additionnelles pour assurer un  comportement de freinage normal et correct. Cette configuration de train était complétée par une locomotive de traction pour les réseaux respectifs de la Suisse, France et Italie. La longueur du convoi atteignait jusqu'à 400 m.


Des dizaines d’essieux-roues comme décrits ci-dessus ont été utilisée sur les cinq voitures de mesure. Plus de 300 voies  physiques ont été enregistrées et en raison des configurations différentes de filtrage, environ 1.000 voies de mesure ont été  ajoutées, pour traiter aussi  tous les signaux d'accélération, de déplacement, les signaux de géométrie de la voie et informations supplémentaires concernant la température, la pression atmosphérique et l’humidité, les données GPS et la pression de freinage. Tous ces paramètres à mesurer demande un système de mesure énorme, devant satisfaire des taux d’échantillonnage jusqu'à 1.200 Hz. Dans le processus, une partie de la charge de l’unité centrale de traitement est déjà permutée. Chacun des cinq ordinateurs de mesure des essieux, calcule le total des 48 signaux des pont de jauges provenant des deux essieux allant jusqu'à 1.000 fois par seconde, fournissant les forces roue-rail qui sont transférées numériquement à l' amplificateur MGC.

Un réseau fibre optique complexe installé, les amplificateurs MGC et les ordinateurs de mesure des essieux ainsi que des ordinateurs centraux puissants et des capacités de mémoire importantes ont été spécifiquement conçus pour résister à de telles charges. Les statistiques des données de mesure sont éditées en ligne, peuvent être visualisées et analysées plus tard ou immédiatement après l'accomplissement des mesures. Les enregistreurs en ligne visualisent une partie des données brutes pour permettre à l'ingénieur à bord de surveiller les valeurs limites dans des situations critiques. Bien plus de 3.000 Go de données  ont été sauvegardées sur environ quatre semaines d’essai. Ils sont actuellement à la disposition des partenaires du projet par l'intermédiaire d'une connexion rapide au serveur.


Un total de sept systèmes d'amplificateurs MGC a été utilisé ; ils sont exceptionnels par leur très grande flexibilité et leur facilité d'utilisation. Le système MGCplus est adapté à de nombreuses tâches de mesure différentes grâce à sa structure modulaire. Les modules correspondants sont disponibles en stock pour pratiquement tous les types courants de capteur. La fiche technique électronique capteur (TEDS) permet au système de mesure d'être rapidement et facilement configuré. Les amplificateurs identifient automatiquement les capteurs qui sont reliés ; aucune configuration manuelle complexe n'est exigée.
Un autre avantage du système MGCplus était d'importance dans son utilisation dans le train de mesure de DB Systemtechnik : Tous les canaux d'un système de mesure peuvent être absolument enregistrés d’une manière synchrone. C'est particulièrement important dans cette application, parce que toutes les grandeurs mesurées doivent être corrélées dans des analyses après les mesures. La phase d'analyse des données a maintenant commencé et exigera un engagement continu de la part des partenaires du projet pendant deux ou trois années. Les données obtenues à partir de ce projet formeront une base pour le développement, la conception et l'approbation de véhicules aussi bien que pour des projets de recherche futurs pendant encore de nombreuses années.

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