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REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure des déformations à caractères ondulatoires de la surface de roulement des rails d'une voie ferrée, comprenant un chariot de mesure (I) en appui sur au moins une file de rails par deux galets de guidage espacés (3, 4) et destiné à être relié à un véhicule parcourant la voie à une vitesse donnée, un groupe de capteurs de mesure fixés sur ledit chariot et délivrant des signaux représentatifs de distances entre une base rectiligne de référence (lac) définie par la position dans l'espace dudit chariot et la file de rails, et un circuit électronique de mesure destiné à déterminer, à partir de ces signaux, au moins la valeur du creux de ces déformations,
caractérisé en ce qu'il comporte un accélérométre (7) fixé sur le chariot de mesure dans une zone occupée par les capteurs et délivrant des signaux représentatifs des accélérations subies dans un plan normal à l'axe longitudinal de la file de rails par un point (P) de la base de référence ( sur le chariot, en ce que le groupe de capteurs se compose d'au moins un premier jeu de deux capteurs (5, 6) disposés à une distance (El) I'un de l'autre inférieure à la plus courte longueur d'onde (xlM) d'une première gamme de longueurs d'ondes données (xl) et délivrant deux signaux représentatifs de deux distances (hA, hc) entre la base de référence et la file de rails, et en ce que le circuit électronique de mesure comprend un premier comparateur (9) relié aux deux capteurs de mesure (5,
6) et délivrant un signal de sortie représentatif de la différence (51) des deux distances mesurées, un intégrateur (10) relié à l'accéléromètre (7) et délivrant un signal de sortie représentatif des écarts de position (xp) dudit point (P) de la base de référence (au:
:), un second comparateur (11) relié à au moins l'un des deux capteurs et à l'intégrateur (10) et délivrant un signal de sommation représentatif de la somme (S) de la distance mesurée par ce capteur et de l'écart de position déterminé par l'intégrateur (10), et un appareillage électronique (12) relié à ces deux comparateurs (9, 11) et comportant des éléments propres à déterminer, à partir de la vitesse de déplacement du chariot, du signal de différence (A1) et du signal de sommation (S),
le creux (Hl) des déformations ayant une longueur d'onde comprise dans la première gamme de longueurs d'onde donnée (xl) et le creux (H2) de déformations dont la longueur d'onde est comprise dans une seconde gamme (x2) de longueurs d'onde supérieures à celles de la première.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareillage électronique (12) comprend un appareillage de détermination (13) de la longueur d'onde moyenne effective (xlE) des déformations ayant une longueur d'onde comprise dans la première gamme de longueurs d'onde donnée (xi) relié au premier comparateur (9) et délivrant un signal de sortie représentatif de cette grandeur,
et un appareil de traitement (14) relié aux sorties dudit premier comparateur (9) et dudit appareil de détermination (13) et délivrant un signal électrique de sortie représentatif du creux (Hi) desdites déformations par traitement du signal de différence (A1) en fonction d'un coefficient de transfert établi à partir du rapport entre la distance (El) séparant les deux capteurs (5, 6) et la longueur d'onde moyenne effective (ale) déterminée.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de détermination (13) de la longueur d'onde moyenne effective (xlE) est constitué par un compteur-décompteur des changements de signes de la différence (A X ) des deux distances (hA, h3 mesurées par les capteurs (5, 6) du chariot de mesure.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de détermination (13) de la longueur d'onde moyenne effective (ale) est constitué par un analyseur de spectre de fréquence.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de traitement (14) est constitué par un ordinateur.
6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de traitement (14) est constitué par un filtre de fréquence réglé selon un coefficient inverse du coefficient de transfert.
La présente invention a pour objet un dispositif de mesure des déformations à caractères ondulatoires de la surface de roulement des rails d'une voie ferrée.
Ces déformations, dont l'amplitude et la longueur d'onde dépendent de l'importance des sollicitations du matériel roulant, sont classées selon leurs causes et effets en différentes gammes de longueurs d'onde s'étendant de celle des ondes courtes à celle des
ondes longues et dont l'ensemble couvre les longueurs d'onde comprises entre 3 cm et 3 m en moyenne.
Ces déformations s'aggravent dans le temps et peuvent causer, si l'on n'y porte remède, des dommages importants au matériel roulant et à la voie ferrée ainsi qu'une diminution sensible du confort des voyageurs et des riverains par les vibrations et les ondes sonores qu'elles engendrent au passage des convois.
C'est pourquoi il est nécessaire de mesurer périodiquement les caractéristiques de ces déformations afin de décider du moment
opportun de les éliminer par une opération de rectification réalisée à l'aide de véhicules ferroviaires équipés de blocs abrasifs ou de meules déplacés le long des génératrices de la surface de roulement des rails.
Cette mesure doit ensuite être répétée pendant et après l'opération de rectification pour connaître l'état d'avancement du travail et éviter des passes superflues; elle se pratique au moyen de dispositifs de mesure appropriés équipant un véhicule autonome de mesure ou un véhicule de rectification.
On connaît des dispositifs utilisés pour ce genre de mesure qui sont fondés soit sur une méthode de détermination continue des flèches que présente la surface du rail parcouru sur des longueurs de corde fonction des gammes d'ondes des déformations à mesurer, soit sur une méthode de détermination des variations de positions dans l'espace d'un organe maintenu pressé contre le rail, dans la direction de la mesure, au moyen d'accéléromètres.
Les plus récents dispositifs de détermination continue des flèches comprennent un chariot de mesure à deux galets d'appui par file de rails équipé d'un groupe de trois détecteurs de distances par gamme d'ondes dont les deux extrêmes déterminent une corde de référence par rapport à laquelle la flèche est mesurée par le détecteur intermédiaire. L'écartement des deux détecteurs extrêmes et leurs positions relatives par rapport au détecteur intermédiaire sont choisis en relation avec la gamme de longueurs d'onde des déformations à mesurer pour chaque groupe de trois détecteurs.
Les trois détecteurs de chaque groupe sont reliés à un circuit de traitement de leurs signaux qui délivre un signal de sortie représentatif des variations de la flèche ainsi mesurée sur un tronçon de voie de longueur déterminée et ces informations sont enregistrées sur bande papier ou magnétique dont le déroulement est proportionnel au chemin parcouru par le véhicule de mesure.
Ces dispositifs présentent l'avantage de rendre la mesure moins dépendante des oscillations du chariot de mesure causées, par exemple, par son élasticité propre ou par un faux rond de ses galets d'appui, du fait que cette mesure se réfère non seulement audit chariot, mais aussi à une corde de référence définie par la position relative des deux zones de la surface du rail détectées par les deux détecteurs extrêmes. Ils nécessitent néanmoins un grand nombre de détecteurs, puisque trois sont nécessaires pour chaque gamme d'ondes, et cette multiplicité d'appareils sensibles aux vibrations engendrées par le déplacement du chariot de mesure et à l'enviromme- ment entraîne d'importantes servitudes de réglage et d'entretien et multiplie les risques de pannes.
En outre, ces dispositifs ne permettent pas d'obtenir le creux des déformations en vraie grandeur, car la valeur de flèche mesurée dépend essentiellement de la longueur de l'onde de la déformation, qui varie dans chaque gamme d'ondes, comme il sera montré plus loin.
Les dispositifs connus fondés sur des mesures d'accélérations comportent un accéléromètre monté sur un organe mécanique maintenu en contact avec le rail. Sur certains d'entre eux, cet organe est constitué par une roue d'un essieu du véhicule de mesure et l'accéléromètre est fixé, dans ce cas, sur la boîte dudit essieu; sur
d'autres, cet organe est constitué par un palpeur appliqué élastiquement sur le rail et l'accéléromètre est fixé directement sur ce palpeur.
Dans ces dispositifs de mesure, l'accéléromètre est relié à un circuit de traitement propre à amplifier, filtrer en fonction de la vitesse du véhicule, intégrer et adresser son signal d'accélération de manière à délivrer un signal de sortie représentatif des variations de positions dans l'espace de la roue ou du palpeur, dans un plan normal à l'axe longitudinal du rail sur un tronçon de voie de longueur déterminée. Ces dispositifs de mesure n'ont pas donné des résultats aussi bons qu'escompté pour diverses raisons.
Ainsi, lorsque l'accéléromètre est monté sur une boîte d'essieu, la mesure des déformations dont le rayon de courbure du creux est inférieur au rayon de la roue de l'essieu n'est pas possible, ce qui exclut en particulier la mesure des déformations d'ondes courtes correspondant à l'usure ondulatoire des rails à laquelle les administrations de chemins de fer attachent beaucoup d'importance. La roue de l'essieu de mesure a, d'autre part, tendance à sauter les crêtes des déformations à certaines vitesses de parcours, du fait de sa masse.
Enfin, sous l'effet de la charge de cet essieu, I'affaissement de la voie à son niveau est supérieur à 1 mm. Ces deux derniers phénomènes ne permettent pas de mesurer avec certitude et avec suffisamment de précision des creux de l'ordre de quelques centièmes de millimètre.
Lorsque l'accéléromètre est monté sur un palpeur appliqué élastiquement sur le rail, les inconvéneients précités sont en majeure partie éliminés. En effet, la face de contact du palpeur avec le rail peut être conçue avec un rayon de courbure inférieur au plus petit rayon de courbure des creux des déformations d'ondes courtes et la masse de l'ensemble palpeur/accélèromètre peut être choisie suffisamment faible par rapport à la force de pression élastique que l'on peut lui appliquer pour que cet ensemble ne saute pas les crêtes des déformations aux vitesses d'utilisation.
Cependant, il est difficile, avec un dispositif de ce genre, comportant un accéléromètre fixé sur un palpeur pressé élastiquement sur le rail, d'obtenir à la fois une grande rapidité des réponses, nécessitée par la fréquence du phénomène causal, et un bon amortissement pour éviter des phénomènes de résonance, ces deux qualités étant contradictoires.
On connaît également, mais dans un autre domaine, celui de la mesure à grande vitesse de l'état géométrique des voies ferrées, c'est Åa-dire des défauts de nivellement et de dressage dont la longueur d'onde s'étend bien au-delà de 3 m, un dispositif de contrôle du nivellement de la voie comportant un accéléromètre monté sur une masse suspendue à une boite d'essieu et associé à un détecteur de distance monté entre cette masse et la console de ladite boîte d'essieu.
Ce dispositif permet de déterminer le taux de variation de l'amplitude des défauts de nivellement à partir d'une sommation des signaux de mesure émis par l'accéléromètre et le détecteur de distance. Mais, outre le fait qu'il n'a pas été conçu pour la mesure des déformations de surface des rails, ce dispositif présente les inconvénients cités se rapportant au montage d'un accéléromètre sur une boîte d'essieu et qui, en particulier, rendent son emploi impossible pour la mesure des déformations d'ondes courtes.
Le dispositif de mesure selon l'invention, tel que défini dans la revendication 1, propose une solution à ces problèmes. La différence
AI des deux distances mesurées hA et hc utilisée pour la détermination du creux Hi des déformations de la première gamme d'ondes choisie l n'est pas influencée par les variations de ces deux distances causées par les vibrations du chariot de mesure, et deux capteurs suffisent pour permettre cette détermination, alors que trois sont nécessaires dans les dispositifs connus.
Le montage d'un accélérométre sur le chariot de mesure et son association avec l'un des deux capteurs précités pour obtenir le signal de sommation S permettent, en plus, la détermination du creux H2 de déformations de grandes longueurs d'onde, tout en évitant les inconvénients cités du montage d'un accéléromètre sur une boîte d'essieu.
Enfin, d'autres avantages ressortiront de la description qui suit, en particulier la possibilité de traitement de la différence A1 précitée, permettant la détermination en vraie grandeur du creux Hi de la déformation détectée par les deux capteurs, indépendamment des variations de la longueur d'onde effective xlE de ladite déformation, en faisant intervenir à cet effet un coefficient de transfert T1 tenant compte de ces variations.
Le dessin annexé illustre un point particulier de la technique connue et représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 sont des schémas géométriques se rapportant à la technique connue.
La fig. 3 est une vue en élévation schématique de la forme d'exécution donnée en exemple.
Les fig. 4 et 5 sont deux schémas géométriques s'y rapportant.
La fig. 6 est un schéma bloc de son circuit électronique de mesure.
Les fig. 1 et 2 montrent, très agrandies et schématiquement, deux déformations de type ondulatoire de même creux H mais de longueurs d'onde différentes a < Xb détectées par un même dispositif de mesure à trois points M, N et P, d'un type connu et cité précédemment, formant une base de référence MP de longueur E choisie comprise dans une gamme de longueurs d'onde dont font partie Xa et xb.
Les valeurs de creux mesurées Ya et Yb ne sont pas égales et l'on voit que, pour une longueur d'onde plus grande (xb > A3, la valeur du creux mesurée est plus petite (Yb < yy).
Les valeurs de creux mesurées "a et Yb ne représentent donc pas nécessairement le creux H en vraie grandeur mais, au contraire, des grandeurs variables dépendant de la longueur d'onde de la déformation qui ne sont pas utilisables telles quelles, mais doivent encore être interprétées. Cela fait que, en définitive, on ne peut parler de déformations mesurées, mais plutôt de déformations estimées à l'aide de ces dispositifs.
La forme d'exécution du dispositif représentée par les fig. 3 et 6 est destinée à la mesure des déformations ondulatoires de la table de roulement des rails d'une voie ferrée dont la longueur d'onde est comprise dans une première gamme d'ondes xi, par exemple dans une gamme d'ondes courtes OC comprises entre 3 et 15 cm et dont l'allure est représentée schématiquement très agrandie fig. 4, ainsi qu'à celles dont la longueur d'onde est comprise dans une seconde gamme d'ondes x2, par exemple dans une gamme d'ondes longues
OL comprises entre 90 cm et 3 m.
Ce dispositif comprend un chariot de mesure 1 en appui sur chacune des deux files de rails 2 d'une voie ferrée par deux galets de guidage 3 et 4. Ce chariot 1 est équipé de deux capteurs électroniques, de préférence sans contact, 5 et 6, par exemple à courants de
Foucault, disposés entre les deux galets en regard d'une génératrice de la file de rails 2 et à une distance El l'un de l'autre inférieure à la plus courte longueur d'onde 31M des déformations comprises dans la gamme d'ondes 3i, comme représenté fig. 4, selon une première relation: El < xl M. Un accéléromètre 7 est également disposé sur ce chariot de mesure 1 dans la zone occupée par les capteurs 5 et 6.
Ce chariot de mesure 1 est relié par un timon articulé 8 à un véhicule destiné à parcourir la voie à mesurer, non représenté.
Les deux capteurs 5 et 6 sont réglés pour délivrer des signaux électriques représentatifs des distances hA et hc séparant deux points fictifs A et C du châssis roulant 1 de la génératrice considérée de la file de rails 2, le segment constituant une base de référence parallèle à cette génératrice (fig. 4). Ces deux capteurs et l'accéléromètre 7 sont reliés à un circuit électronique de mesure qui est disposé de préférence dans la cabine de contrôle du véhicule tracteur, et dont le schéma bloc est représenté fig. 6.
Ce circuit électronique est agencé pour procéder selon une méthode de détermination de la valeur du creux Hl des déformations de longueurs d'onde comprises dans la première gamme d'ondes x précitée faisant intervenir comme valeur de départ la différence A des deux distances hA et hc mesurées par les capteurs 5 et 6.
Cette valeur de différence A1 est liée à la valeur du creux Hl par la relation:
EMI2.1
cette relation étant établie à partir de la grandeur d'entrée mesurée A et du rapport
El
31E de la distance entre palpeurs El à la longueur d'onde effective AIE de la déformation détectée comprise dans la gamme d'ondes choisies xl.
Afin d'éviter un passage à zéro de la relation, ce rapport
El
i1E est choisi en fonction de la relation:
El O < 7: < ,:
11E et les valeurs conseillées les plus favorables mais non limitatives de ce rapport sont comprises entre
1 5
- et -:
6 6
1 E1 5
6 A,E 6
Cette méthode de détermination du creux Hl offre l'avantage déjà cité de rendre la mesure indépendante des vibrations du châssis roulant 1, et cela par le fait que la valeur de la différence A1 utilisée n'est pas influencée par une translation verticale du châssis roulant 1 et n'est influencée par une rotation de ce dernier que dans un rapport inférieur aux tolérances admises.
En effet, sous l'effet d'une translation verticale y du châssis roulant 1, la valeur de cette différence s'écrit:
Ai = (hA - y) - (hc - y) soit A1 = hA - hc, valeur inchangée.
Sous l'effet d'une rotation, par exemple causée par un faux rond de 0,1 mm des galets 3 et 4, ceux-ci étant espacés de 2000 mm,
I'inclinaison de la base de référence est
0,1
2000 et l'erreur sur la mesure est par conséquent négligeable.
Le circuit électronique représenté fig. 6 est également agencé pour procéder selon une méthode de détermination du creux H2 de déformations de longueurs d'onde comprises dans une seconde gamme d'ondes x2 précitée à partir d'une sommation de deux signaux de mesure. L'un de ces deux signaux, en provenance de l'un des deux capteurs, ici le capteur 6, est représentatif de la distance hc du point
C de la base de référence à la file de rails 2 (fig. 4) et l'autre, en provenance de l'accéléromètre 7, est représentatif des variations de positions Yp dans l'espace d'un point P de ladite base de référence.
La fig. 5, qui illustre le principe de cette méthode de détermination, explique clairement que le profil réel Dl de la file de rails 2 est reconstitué par superposition des distances rail-accéléromètre représentées par les distances hc données par le capteur 6 au profil de déplacement D2, de l'accéléromètre, cette superposition étant représentée par la somme S = hc + Yp des grandeurs déterminées par ces deux instruments.
Pour délivrer des signaux de sortie représentatifs des creux H1 et
H2 des déformations selon les méthodes de détermination susdites, le
circuit électronique de mesure représenté fig. 6 comprend:
- un premier comparateur 9 relié aux deux capteurs 5 et 6 et
délivrant un signal de sortie représentatif de la différence A1 =
hA - hc des deux distances mesurées par ces capteurs;
- un intégrateur 10 relié à l'accéléromètre 7 et délivrant un
signal de sortie représentatif des écarts de position Yp du point P de
la base de référence, fonction des accélérations mesurées par
l'accéléromètre;
- un second comparateur 11 relié au capteur 6 et à l'intégrateur
10 et délivrant un signal de sommation représentatif de la somme
S = hc + Yp de la distance mesurée par le capteur 6 et de l'écart de
position déterminé par l'accéléromètre 7 et l'intégrateur 10;
;
- un appareillage électronique 12 relié aux comparateurs 9 et 10
et comportant les éléments propres à déterminer les creux Hl et H2 à partir de la vitesse V du véhicule de mesure, du signal de différence
Ai et du signal de sommation S.
Afin d'assurer la détermination en vraie grandeur du creux Hl
des déformations de longueurs d'onde comprises dans la première
gamme d'ondes courtes xl détectées par les capteurs 5 et 6, cet
appareillage électronique 1 1 comprend:
:
- un appareil 13 de détermination de la longueur moyenne
effective xlE des ondes desdites déformations relié au premier
comparateur 9 et délivrant un signal de sortie représentatif de cette
grandeur h,E;
- un appareil de traitement 14 des signaux A1 et hlE, relié aux
sorties du premier comparateur 9 et de l'appareil 13 de détermination
et délivrant un signal de sortie représentatif du creux Hl desdites
déformations par traitement de la différence susdite A1 selon un
coefficient de transfert T1 établi à partir du rapport
Et A1E
entre la distance El séparant les deux capteurs 5 et 6 et la longueur
moyenne effective de l'onde de la déformation détectée <RTI
ID=3.34> XIE.
Pour la détermination du creux H2 des déformations de lon
gueurs d'onde comprises dans la seconde gamme d'ondes longues x2,
cet appareillage électronique 12 comprend un ensemble 15 relié au
second comparateur 1 1 et comportant des éléments propres à
amplifier et filtrer l'information en fonction de la vitesse V du
véhicule de mesure, du genre de celui connu et déjà décrit dans le
brevet suisse No 588374.
L'appareillage électronique 12 représenté ici comporte un second
appareil 16 de détermination de la longueur effective x2E desdites
déformations, relié au second comparateur 11, mais cet appareil n'est
pas indispensable pour la détermination du creux H2. Il est cepen
dant intéressant d'obtenir cette information car la connaissance de la
longueur d'onde effective des déformations est importante pour la
programmation du travail de rectification de la surface de roulement
des rails et pour analyser les causes de ces déformations.
Aux fins d'analyse ultérieure, les signaux de sortie des appareils
13 et 16 de détermination et des appareils de traitement 14 et 15,
représentatifs respectivement des longueurs d'onde moyennes effecti
ves 31E et X2E et des creux Hl et H2, sont dirigés sur un dispositif
d'enregistrement 18 qui est ici une bande à styles de traçage, mais qui peut également être constitué par une bande magnétique, complétée
ou non d'un codeur pour convertir ces signaux analogiques en
valeurs digitales. Afin de condenser l'information pour lui donner
une forme directement exploitable sur bande enregistreuse papier, un
condensateur d'informations 17 est intercalé dans ce circuit de
traitement à l'entrée du dispositif d'enregistrement 18.
Ce circuit
condensateur 17 peut être par exemple du genre de celui décrit dans
le brevet suisse No 588374 et comprenant un redresseur opérationnel
et un appareil de détermination de la moyenne continue courante de
la vitesse asservi à la vitesse V du véhicule de mesure.
Les appareils de détermination des longueurs d'onde moyennes
effectives A1E et 12E des déformations détectées, qui n'ont pas été
définis concrètement ci-dessus, peuvent être constitués soit par des
compteurs-décompteurs des changements de signes de leurs signaux
d'entrée A1 et S soit par des analyseurs du spectre de fréquence
desdites déformations, soit encore par une combinaison de ces deux
moyens.
L'appareil de traitement 14 délivrant le signal de sortie représen
tatif du creux Hl peut être constitué soit par un ordinateur programmé pour délivrer ledit signal en fonction du coefficient de transfert T1, soit par un filtre de fréquence réglé selon un coefficient
1
T1 inverse dudit coefficient de transfert.
Il est possible, dans le cadre de l'invention, de mesurer plus de deux types de déformations à l'aide d'un seul dispositif. Par exemple, lorsque les déformations d'ondes courtes Xl sont supportées par des déformations d'ondes moyennes h, comprises entre 15 et 90 cm, ces dernières subsisteront après meulage des déformations d'ondes courtes; il est donc intéressant, lors d'un même parcours de mesure, de contrôler également ces déformations d'ondes moyennes.
A cet effet, dans une variante non représentée sur le dessin car simple à imaginer, un troisième capteur de mesure est associé au premierjeu des deux capteurs 5 et 6 de manière à former avec l'un de ceux-ci, par exemple avec le capteur 6, un second jeu de deux capteurs. L'écartement entre ce capteur supplémentaire et le capteur 6 du premier jeu sera établi selon l'enseignement donné, c'est àZire inférieur à la plus courte longueur d'onde des déformations comprises dans la gamme d'ondes moyennes X3. Ce second jeu de deux capteurs ainsi formé sera relié à un second étage de traitement inséré dans le circuit électronique de mesure.
Ce second étage comportera le même appareillage, comparateur et appareils de détermination et de traitement, que celui décrit et représenté fig. 6 pour les déformations d'ondes courtes Xl.
Bien entendu, selon le même principe de réalisation, il est possible d'équiper un châssis roulant de plusieurs jeux de deux capteurs, indépendants ou combinés comme dans cette variante, pour mesurer simultanément de cette manière plus de trois gammes d'ondes de déformations.
Bien que le dispositif montré fig. 3 soit approprié à la mesure des déformations de la table de roulement des rails dans un plan vertical, il est bien évident qu'il est possible de mesurer des déformations dans d'autres plans, obliques et/ou horizontaux, répartis autour du champignon des rails sur le congé ou le flanc intérieur.
Enfin, dans une autre variante, non représentée, et se rapportant au circuit électronique représenté fig. 6, le second comparateur 11 est relié par une entrée non plus à un seul des deux capteurs 5 et 6, mais aux deux, par l'intermédiaire d'un appareil approprié à faire la demisomme
hA + hc
2 des distances mesurées par ces deux capteurs. Cette demi-somme, en effet, compte tenu du type ondulatoire des déformations parcourues pendant la mesure, permet de reconstituer, à partir du profil D2 donné par l'accéléromètre, le profil moyen Dl de la file de rails 2, si désiré.
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CLAIMS
1. Device for measuring the deformations with undulating characters of the running surface of the rails of a railroad track, comprising a measuring carriage (I) bearing on at least one row of rails by two spaced guide rollers (3, 4 ) and intended to be connected to a vehicle traveling the track at a given speed, a group of measurement sensors fixed on said carriage and delivering signals representative of distances between a rectilinear reference base (lac) defined by the position in the space of said carriage and the file of rails, and an electronic measurement circuit intended to determine, from these signals, at least the value of the trough of these deformations,
characterized in that it comprises an accelerometer (7) fixed on the measuring carriage in an area occupied by the sensors and delivering signals representative of the accelerations undergone in a plane normal to the longitudinal axis of the rail line by a point (P) from the reference base (on the carriage, in that the sensor group consists of at least a first set of two sensors (5, 6) arranged at a distance (El) from one of the another less than the shortest wavelength (xlM) of a first range of given wavelengths (xl) and delivering two signals representative of two distances (hA, hc) between the reference base and the rail file , and in that the electronic measurement circuit comprises a first comparator (9) connected to the two measurement sensors (5,
6) and delivering an output signal representative of the difference (51) of the two measured distances, an integrator (10) connected to the accelerometer (7) and delivering an output signal representative of the position deviations (xp) of said point ( P) from the reference base (to:
:), a second comparator (11) connected to at least one of the two sensors and to the integrator (10) and delivering a summation signal representative of the sum (S) of the distance measured by this sensor and of the position difference determined by the integrator (10), and an electronic apparatus (12) connected to these two comparators (9, 11) and comprising elements capable of determining, from the speed of movement of the carriage, of the signal difference (A1) and summation signal (S),
the trough (Hl) of the deformations having a wavelength included in the first given wavelength range (xl) and the trough (H2) of deformations whose wavelength is included in a second range (x2) longer wavelengths than the first.
2. Device according to claim 1, characterized in that the electronic apparatus (12) comprises an apparatus for determining (13) the effective average wavelength (xlE) of the deformations having a wavelength included in the first given wavelength range (xi) connected to the first comparator (9) and delivering an output signal representative of this quantity,
and a processing device (14) connected to the outputs of said first comparator (9) and of said determination device (13) and delivering an electrical output signal representative of the trough (Hi) of said deformations by processing the difference signal (A1) in function of a transfer coefficient established from the ratio between the distance (El) separating the two sensors (5, 6) and the determined effective average wavelength (ale).
3. Device according to claim 2, characterized in that the device for determining (13) the effective average wavelength (xlE) consists of a counter-down counter for changes in signs of the difference (AX) of the two distances (hA, h3 measured by the sensors (5, 6) of the measuring carriage.
4. Device according to claim 2, characterized in that the apparatus for determining (13) the effective average wavelength (ale) is constituted by a frequency spectrum analyzer.
5. Device according to claim 2, characterized in that the processing device (14) consists of a computer.
6. Device according to claim 2, characterized in that the processing device (14) is constituted by a frequency filter adjusted according to a coefficient opposite to the transfer coefficient.
The subject of the present invention is a device for measuring deformations with undulatory characteristics of the running surface of the rails of a railroad track.
These deformations, the amplitude and wavelength of which depend on the amount of stress on the rolling stock, are classified according to their causes and effects into different wavelength ranges extending from that of short waves to that of
long waves and all of which cover wavelengths between 3 cm and 3 m on average.
These deformations worsen over time and can cause, if not remedied, significant damage to rolling stock and the railway as well as a significant reduction in the comfort of travelers and residents by vibrations and the sound waves they generate when passing convoys.
This is why it is necessary to periodically measure the characteristics of these deformations in order to decide when
appropriate to eliminate them by a rectification operation carried out using railway vehicles equipped with abrasive blocks or grinding wheels moved along the generatrices of the running surface of the rails.
This measurement must then be repeated during and after the rectification operation to know the progress of the work and avoid unnecessary passes; it is practiced by means of appropriate measuring devices equipping an autonomous measurement vehicle or a rectification vehicle.
There are known devices used for this kind of measurement which are based either on a method of continuous determination of the arrows presented by the surface of the rail traversed on lengths of rope as a function of the wave ranges of the deformations to be measured, or on a method of determination of the variations of positions in the space of a member kept pressed against the rail, in the direction of measurement, by means of accelerometers.
The most recent devices for continuous deflection of arrows include a measuring trolley with two support rollers per line of rails equipped with a group of three distance detectors per wave range, the two extremes of which determine a reference rope with respect to at which the deflection is measured by the intermediate detector. The spacing of the two extreme detectors and their relative positions relative to the intermediate detector are chosen in relation to the range of wavelengths of the deformations to be measured for each group of three detectors.
The three detectors in each group are connected to a signal processing circuit which delivers an output signal representative of the variations in the deflection thus measured over a section of track of determined length and this information is recorded on paper or magnetic tape, the unwinding is proportional to the path traveled by the measurement vehicle.
These devices have the advantage of making the measurement less dependent on the oscillations of the measuring carriage caused, for example, by its own elasticity or by a runout of its support rollers, since this measurement refers not only to said carriage , but also to a reference rope defined by the relative position of the two areas of the rail surface detected by the two extreme detectors. However, they require a large number of detectors, since three are necessary for each wave range, and this multiplicity of devices sensitive to the vibrations generated by the movement of the measurement carriage and in the environment results in significant servitudes of adjustment and maintenance and increases the risk of breakdowns.
In addition, these devices do not make it possible to obtain the full-scale distortion of the deformations, since the measured deflection value essentially depends on the length of the deformation wave, which varies in each wave range, as will be shown below.
Known devices based on acceleration measurements include an accelerometer mounted on a mechanical member kept in contact with the rail. On some of them, this member is constituted by a wheel of an axle of the measurement vehicle and the accelerometer is fixed, in this case, on the box of said axle; sure
others, this member is constituted by a feeler applied elastically to the rail and the accelerometer is fixed directly to this feeler.
In these measurement devices, the accelerometer is connected to a processing circuit capable of amplifying, filtering as a function of the speed of the vehicle, integrating and addressing its acceleration signal so as to deliver an output signal representative of the position variations in the space of the wheel or the probe, in a plane normal to the longitudinal axis of the rail on a track section of determined length. These measurement devices have not produced as good results as expected for various reasons.
Thus, when the accelerometer is mounted on an axle box, the measurement of deformations whose radius of curvature of the hollow is less than the radius of the axle wheel is not possible, which in particular excludes measurement deformations of short waves corresponding to the wave wear of the rails to which the railway administrations attach a lot of importance. The wheel of the measurement axle, on the other hand, tends to skip the crests of deformations at certain travel speeds, due to its mass.
Finally, under the effect of the load on this axle, the subsidence of the track at its level is greater than 1 mm. These last two phenomena do not allow measurement with certainty and with sufficient precision of the troughs of the order of a few hundredths of a millimeter.
When the accelerometer is mounted on a feeler applied elastically to the rail, the aforementioned drawbacks are largely eliminated. Indeed, the contact face of the probe with the rail can be designed with a radius of curvature less than the smallest radius of curvature of the troughs of the short wave deformations and the mass of the probe / accelerometer assembly can be chosen to be sufficiently small. compared to the elastic pressure force that can be applied to it so that this assembly does not skip the peaks of deformations at speeds of use.
However, it is difficult, with a device of this kind, comprising an accelerometer fixed on a feeler pressed elastically on the rail, to obtain both a rapid response, required by the frequency of the causal phenomenon, and good damping to avoid phenomena of resonance, these two qualities being contradictory.
We also know, but in another field, that of high-speed measurement of the geometrical state of railways, that is to say leveling and straightening defects whose wavelength extends well to -beyond 3 m, a track leveling control device comprising an accelerometer mounted on a mass suspended from an axle box and associated with a distance detector mounted between this mass and the console of said axle box.
This device makes it possible to determine the rate of change in the amplitude of leveling faults from a summation of the measurement signals emitted by the accelerometer and the distance detector. However, in addition to the fact that it was not designed for measuring the surface deformations of the rails, this device has the aforementioned drawbacks relating to the mounting of an accelerometer on an axle box and which, in particular, make its use impossible for the measurement of short wave deformations.
The measuring device according to the invention, as defined in claim 1, offers a solution to these problems. The difference
AI of the two measured distances hA and hc used for determining the trough Hi of the deformations of the first wave range chosen l is not influenced by the variations of these two distances caused by the vibrations of the measuring carriage, and two sensors are sufficient to allow this determination, while three are necessary in known devices.
The mounting of an accelerometer on the measuring carriage and its association with one of the two aforementioned sensors to obtain the summation signal S also make it possible to determine the trough H2 of deformations of long wavelengths, while avoiding the cited drawbacks of mounting an accelerometer on an axle box.
Finally, other advantages will emerge from the description which follows, in particular the possibility of processing the aforementioned difference A1, allowing the determination in full magnitude of the hollow Hi of the deformation detected by the two sensors, independently of the variations in the length d effective wave xlE of said deformation, by using for this purpose a transfer coefficient T1 taking into account these variations.
The accompanying drawing illustrates a particular point in the known technique and represents, by way of example, an embodiment of the subject of the invention.
Figs. 1 and 2 are geometric diagrams relating to the known technique.
Fig. 3 is a schematic elevational view of the embodiment given as an example.
Figs. 4 and 5 are two geometrical diagrams relating thereto.
Fig. 6 is a block diagram of its electronic measurement circuit.
Figs. 1 and 2 show, very enlarged and schematically, two deformations of the wave type with the same hollow H but of different wavelengths a <Xb detected by the same measuring device at three points M, N and P, of a known type and cited above, forming a reference base MP of length E chosen from a range of wavelengths of which Xa and xb are part.
The measured dip values Ya and Yb are not equal and it can be seen that, for a longer wavelength (xb> A3, the measured dip value is smaller (Yb <yy).
The measured trough values "a and Yb therefore do not necessarily represent the trough H in full magnitude but, on the contrary, variable quantities depending on the wavelength of the deformation which cannot be used as such, but must still be This means that, in the end, we cannot speak of measured strains, but rather of strains estimated using these devices.
The embodiment of the device shown in FIGS. 3 and 6 is intended for measuring the wave deformations of the rolling table of the rails of a railroad track whose wavelength is included in a first range of waves xi, for example in a range of short waves OC between 3 and 15 cm and whose appearance is shown schematically greatly enlarged fig. 4, as well as those whose wavelength is included in a second wave range x2, for example in a long wave range
OL between 90 cm and 3 m.
This device comprises a measuring carriage 1 bearing on each of the two rows of rails 2 of a railroad track by two guide rollers 3 and 4. This carriage 1 is equipped with two electronic sensors, preferably without contact, 5 and 6 , for example at
Eddy, arranged between the two rollers opposite a generator of the line of rails 2 and at a distance El from one another less than the shortest wavelength 31M of the deformations included in the wave range 3i, as shown in fig. 4, according to a first relation: El <xl M. An accelerometer 7 is also placed on this measuring carriage 1 in the area occupied by the sensors 5 and 6.
This measuring carriage 1 is connected by an articulated drawbar 8 to a vehicle intended to travel the track to be measured, not shown.
The two sensors 5 and 6 are adjusted to deliver electrical signals representative of the distances hA and hc separating two imaginary points A and C of the rolling chassis 1 of the considered generator of the rail file 2, the segment constituting a reference base parallel to this generator (fig. 4). These two sensors and the accelerometer 7 are connected to an electronic measurement circuit which is preferably arranged in the control cabin of the towing vehicle, and the block diagram of which is shown in fig. 6.
This electronic circuit is arranged to proceed according to a method for determining the value of the trough Hl of the deformations of wavelengths included in the first aforementioned range of x waves using as difference the difference A of the two distances hA and hc measured by sensors 5 and 6.
This difference value A1 is linked to the value of the trough Hl by the relation:
EMI2.1
this relation being established from the measured input quantity A and the ratio
El
31E of the distance between probes El at the effective wavelength AIE of the detected deformation included in the range of selected waves xl.
In order to avoid a zero crossing of the relationship, this report
El
i1E is chosen according to the relation:
El O <7: <,:
11E and the most favorable but non-limiting recommended values of this ratio are between
1 5
- and -:
6 6
1 E1 5
6 A, E 6
This method of determining the hollow Hl offers the advantage already mentioned of making the measurement independent of the vibrations of the rolling chassis 1, and this by the fact that the value of the difference A1 used is not influenced by a vertical translation of the rolling chassis 1 and is only influenced by a rotation of the latter in a ratio lower than the tolerances allowed.
Indeed, under the effect of a vertical translation y of the rolling chassis 1, the value of this difference is written:
Ai = (hA - y) - (hc - y) or A1 = hA - hc, value unchanged.
Under the effect of a rotation, for example caused by a runout of 0.1 mm from the rollers 3 and 4, these being spaced by 2000 mm,
The inclination of the reference base is
0.1
2000 and the measurement error is therefore negligible.
The electronic circuit shown in fig. 6 is also arranged to proceed according to a method for determining the trough H2 of deformations of wavelengths included in a second aforementioned second wave range x2 from a summation of two measurement signals. One of these two signals, coming from one of the two sensors, here sensor 6, is representative of the distance hc from the point
C from the reference base to the line of rails 2 (fig. 4) and the other, coming from the accelerometer 7, is representative of the variations in positions Yp in the space of a point P of said base of reference.
Fig. 5, which illustrates the principle of this method of determination, clearly explains that the real profile Dl of the line of rails 2 is reconstructed by superimposing the rail-accelerometer distances represented by the distances hc given by the sensor 6 to the displacement profile D2, of the accelerometer, this superposition being represented by the sum S = hc + Yp of the quantities determined by these two instruments.
To deliver output signals representative of the hollows H1 and
H2 of the deformations according to the abovementioned determination methods, the
electronic measurement circuit shown in fig. 6 includes:
a first comparator 9 connected to the two sensors 5 and 6 and
delivering an output signal representative of the difference A1 =
hA - hc of the two distances measured by these sensors;
- an integrator 10 connected to the accelerometer 7 and delivering a
output signal representative of the position deviations Yp from point P of
the reference base, function of the accelerations measured by
the accelerometer;
- a second comparator 11 connected to the sensor 6 and to the integrator
10 and delivering a summation signal representative of the sum
S = hc + Yp of the distance measured by sensor 6 and the deviation of
position determined by the accelerometer 7 and the integrator 10;
;
- electronic equipment 12 connected to comparators 9 and 10
and comprising the elements suitable for determining the hollows Hl and H2 from the speed V of the measurement vehicle, from the difference signal
Ai and the summation signal S.
In order to ensure the full-scale determination of the hollow Hl
deformations of wavelengths included in the first
short wave range xl detected by sensors 5 and 6, this
electronic equipment 1 1 includes:
:
an apparatus 13 for determining the average length
effective xlE of the waves of said deformations connected to the first
comparator 9 and delivering an output signal representative of this
quantity h, E;
a device 14 for processing the signals A1 and hlE, connected to the
outputs of the first comparator 9 and of the determination device 13
and delivering an output signal representative of the hollow Hl of said
deformations by treatment of the abovementioned difference A1 according to a
T1 transfer coefficient established from the report
And A1E
between the distance El separating the two sensors 5 and 6 and the length
effective mean of the wave of the deformation detected <RTI
ID = 3.34> XIE.
For the determination of the hollow H2 of the deformations of lon
wavelengths included in the second long wave range x2,
this electronic equipment 12 includes an assembly 15 connected to the
second comparator 1 1 and comprising elements specific to
amplify and filter the information according to the speed V of the
measurement vehicle, of the kind known and already described in the
Swiss Patent No 588374.
The electronic equipment 12 shown here has a second
apparatus 16 for determining the effective length x2E of said
deformations, connected to the second comparator 11, but this device is not
not essential for determining the H2 trough. It is however
interesting to get this information because knowledge of the
effective wavelength of the deformations is important for the
programming of the work to rectify the running surface
rails and to analyze the causes of these deformations.
For further analysis, the device output signals
13 and 16 for determination and treatment apparatuses 14 and 15,
respectively representative of the effective average wavelengths
ves 31E and X2E and hollows Hl and H2, are directed on a device
recording 18 which is here a strip with tracing styles, but which can also be constituted by a magnetic strip, supplemented
or not an encoder to convert these analog signals into
digital values. In order to condense the information to give it
a form directly usable on paper tape, a
information capacitor 17 is interposed in this circuit of
processing at the input of the recording device 18.
This circuit
capacitor 17 can for example be of the kind described in
Swiss patent No 588374 and including an operational rectifier
and an apparatus for determining the current continuous mean of
the speed controlled by the speed V of the measurement vehicle.
Devices for determining average wavelengths
effective A1E and 12E of the deformations detected, which have not been
defined concretely above, can be constituted either by
up-downcounters for changes in signs of their signals
input A1 and S either by frequency spectrum analyzers
said deformations, again by a combination of these two
means.
The processing device 14 delivering the output signal represented
tative of the hollow Hl can be constituted either by a computer programmed to deliver said signal as a function of the transfer coefficient T1, or by a frequency filter adjusted according to a coefficient
1
T1 inverse of said transfer coefficient.
It is possible, in the context of the invention, to measure more than two types of deformation using a single device. For example, when the short wave deformations Xl are supported by medium wave deformations h, between 15 and 90 cm, the latter will remain after grinding the short wave deformations; it is therefore interesting, during the same measurement path, to also control these mean wave deformations.
To this end, in a variant not shown in the drawing since it is simple to imagine, a third measurement sensor is associated with the first set of the two sensors 5 and 6 so as to form with one of them, for example with the sensor 6, a second set of two sensors. The spacing between this additional sensor and the sensor 6 of the first set will be established according to the teaching given, that is to say less than the shortest wavelength of the deformations included in the range of mean waves X3. This second set of two sensors thus formed will be connected to a second processing stage inserted in the electronic measurement circuit.
This second stage will include the same apparatus, comparator and apparatus for determination and treatment, as that described and shown in FIG. 6 for short wave deformations Xl.
Of course, according to the same principle of embodiment, it is possible to equip a rolling chassis with several sets of two sensors, independent or combined as in this variant, for simultaneously measuring in this way more than three ranges of deformation waves.
Although the device shown in fig. 3 is suitable for measuring the deformations of the rolling table of the rails in a vertical plane, it is obvious that it is possible to measure deformations in other planes, oblique and / or horizontal, distributed around the head of the rails on the fillet or the inner flank.
Finally, in another variant, not shown, and relating to the electronic circuit shown in FIG. 6, the second comparator 11 is connected by an input no longer to a single one of the two sensors 5 and 6, but to both, by means of an apparatus suitable for making the half sum
hA + hc
2 of the distances measured by these two sensors. This half-sum, in fact, taking into account the wave type of the deformations traversed during the measurement, makes it possible to reconstruct, from the profile D2 given by the accelerometer, the average profile Dl of the line of rails 2, if desired.