FR2850330A1 - High performance pantograph for high-speed electric train, uses two motorized servo-mechanisms to provide course and fine control of movement of pantograph - Google Patents

Abstract

The high-performance pantograph (6) has two motorized units (2), one with a low performance servo-mechanism which provides the large amplitude movements, and the second with a high bandpass servo-mechanism ensuring higher performance for movements of small amplitudes. The pantograph has two distinct structures, one upper and one lower, each corresponding to a different performance level.

Description

LE PANTOGRAPHE HAUTE PERFORMANCETHE HIGH PERFORMANCE PANTOGRAPH

L'invention consiste en un système de construction des pantographes ferroviaires permettant d'allier des mouvements de faible amplitude avec des performances 5 élevées, pour le suivi des variations dynamiques d'une caténaire qui alimente le train à grande vitesse, et des mouvements de grande amplitude avec des performances plus faibles, non seulement pour le monte et baisse du pantographe à la mise en route et à l'arrêt de la motrice, mais aussi pour suivre les variations de hauteur statiques des caténaires, notamment celles dues au passage de la ligne dans un tunnel ou un passage 10 à niveau par exemple.  The invention consists of a system for constructing railway pantographs making it possible to combine movements of small amplitude with high performance, for monitoring the dynamic variations of a catenary which feeds the train at high speed, and movements of large amplitude with lower performance, not only for raising and lowering the pantograph when starting and stopping the powerplant, but also for following the static height variations of the catenary, especially those due to the passage of the line in a tunnel or a level crossing 10 for example.

On connaît dans la demande de brevet français numéro 11733 du 14 septembre 2000, une description d'un pantographe comportant une structure principale pour les mouvements de grande amplitude, et une structure plus petite placée à l'extrémité de 15 la précédente pour résoudre les problèmes des mouvements de faible amplitude. Cela dit, bien que ce document suggère une motorisation, il n'explicite pas clairement les deux niveaux de performances requis pour la motorisation afin d'assurer un fonctionnement correct. Par ailleurs, telle que décrite dans le document, la structure " haute performance " n'est pas insensible aux " efforts horizontaux ". 20 On connaît par ailleurs la demande PCT/FROI/02835 du 12 novembre 2001 qui fait état d'un pantographe motorisé, mais ne comporte qu'une seule structure et une seule cinématique, donc un seul niveau de performances; il en résulte que ce système ne représente qu'un compromis assurant de ce fait des performances moyennes dans 25 chacune des phases.  We know in French patent application number 11733 of September 14, 2000, a description of a pantograph comprising a main structure for large amplitude movements, and a smaller structure placed at the end of the previous one to solve the problems. small amplitude movements. That said, although this document suggests a motorization, it does not clearly explain the two performance levels required for the motorization in order to ensure correct operation. Furthermore, as described in the document, the "high performance" structure is not insensitive to "horizontal forces". 20 We also know request PCT / FROI / 02835 of November 12, 2001 which reports a motorized pantograph, but has only one structure and one kinematics, therefore one level of performance; as a result, this system represents only a compromise, thereby ensuring average performance in each of the phases.

Le but de l'invention est donc de prévoir 2 systèmes de motorisation pour un même pantographe, un premier assurant les amplitudes importantes à faibles performances afin d'assurer un suivi grossier du profil de la caténaire, et l'autre système disposé le 30 plus près possible des archets assurant le déplacement asservi de ceux-ci sur de faibles amplitudes mais avec une grande précision (bande passante élevée).  The object of the invention is therefore to provide 2 motorization systems for the same pantograph, a first ensuring large amplitudes at low performance in order to ensure a rough monitoring of the profile of the catenary, and the other system arranged most 30 possible close to the bows ensuring the controlled movement of these over low amplitudes but with great precision (high bandwidth).

II

Dans une première variante, on construit un pantographe télescopique comportant deux structures différentes, lesquelles structures s'emboîtent l'une dans l'autre afin que replié, l'ensemble ait un encombrement minimum.  In a first variant, a telescopic pantograph is constructed comprising two different structures, which structures fit into each other so that when folded, the assembly has a minimum bulk.

Avantageusement, la structure inférieure aura une motorisation de servitude grande amplitude, faibles performances (un vérin pneumatique par exemple) alors que la structure supérieure sera pilotée par une motorisation à hautes performances, petite amplitude (forte bande passante) notamment un système d'asservissement avec moteur électrique sans balai directement commandé par la mesure de l'effort des archets sur la 1 0 caténaire.  Advantageously, the lower structure will have a large amplitude, low performance motorization (a pneumatic cylinder for example) while the upper structure will be controlled by a high performance motorization, small amplitude (high bandwidth) including a servo system with brushless electric motor directly controlled by measuring the force of the bows on the catenary.

Il en sera de même pour le choix des systèmes d'équilibrage o on préférera un équilibreur performant à forte bande passante (équilibreur mécanique prévu dans la demande précitée) sur la structure supérieure, et un appareil plus classique sur la 15 structure inférieure o un vérin pneumatique (par exemple) pourra éventuellement assurer la fonction de motorisation et d'équilibrage.  The same will apply to the choice of balancing systems where a high-bandwidth high-performance balancer (mechanical balancer provided for in the aforementioned application) is preferred on the upper structure, and a more conventional device on the lower structure o a jack pneumatic (for example) could possibly provide the motorization and balancing function.

On pourra avantageusement commander automatiquement la structure inférieure (la moins performante) par la structure supérieure (la plus performante). Ainsi par 20 exemple, une position haute de la structure supérieure entraînerait automatiquement le déploiement de la structure inférieure, et une position basse de la structure supérieure entraînerait automatiquement un repli de la structure inférieure.  Advantageously, the lower structure (the less efficient) can be automatically controlled by the upper structure (the more efficient). Thus, for example, a high position of the upper structure would automatically cause the deployment of the lower structure, and a low position of the upper structure would automatically cause a fall of the lower structure.

Bien évidemment, l'invention prévoit l'inversion de ces structures, à savoir la 25 structure performante en dessous de la structure de servitude.  Obviously, the invention provides for the inversion of these structures, namely the efficient structure below the service structure.

Avantageusement, les deux structures seront construites suivant les caractéristiques définies dans la demande de brevet PCT/FROI/02835 afin que leur sensibilité sur l'axe vertical soit indépendante des " efforts horizontaux ", du sens de marche de la motrice 30 ainsi que de leur hauteur de déploiement.  Advantageously, the two structures will be built according to the characteristics defined in patent application PCT / FROI / 02835 so that their sensitivity on the vertical axis is independent of "horizontal forces", the direction of movement of the motor 30 as well as their deployment height.

Enfin, il sera possible de disposer, sur une même structure inférieure, plusieurs structures supérieures correspondant au nombre de pantographes que doit comporter une même motrice afin de circuler sur des réseaux différents et avec des courants différents.  Finally, it will be possible to have, on the same lower structure, several upper structures corresponding to the number of pantographs that a same powerplant must have in order to circulate on different networks and with different currents.

On notera enfin que ce système de double structure permet, en raccourcissant 5 considérablement la longueur des bras de la structure performante d'en augmenter les performances sans sophistication particulière de sa géométrie, ni du matériau utilisé.  Finally, it will be noted that this double structure system makes it possible, by considerably shortening the length of the arms of the high-performance structure, to increase its performance without any particular sophistication of its geometry or of the material used.

Cela facilite par ailleurs la lubrification des différents organes qui composent la structure en entraînant, pour une course des archets donnée, des mouvements de plus grande amplitude sur les articulations et les différents composants de sa chaîne 10 cinématique.  This also facilitates the lubrication of the various organs that make up the structure by causing, for a given bow stroke, movements of greater amplitude on the joints and the various components of its kinematic chain.

Dans une deuxième variante: On disposera près des archets une deuxième motorisation qui, à grande vitesse prendra 15 le relais de la motorisation de base alors débrayée.  In a second variant: A second motorization will be placed near the bows which, at high speed, will take over from the basic motorization then disengaged.

Cette motorisation pilotera alors un aileron disposé près de la tête de captage du pantographe et l'angle d'attaque de l'aileron dans l'air sera asservi à l'effort par les archets sur la caténaire.  This motorization will then pilot a fin placed near the capturing head of the pantograph and the angle of attack of the aileron in the air will be controlled by the effort by the bows on the catenary.

On pourra avoir un pantographe avec une seule structure, mais comportant deux motorisations.  We can have a pantograph with a single structure, but with two motorizations.

Avantageusement, et pour les mêmes raisons que celles évoquées dans la précédente 25 variante, cette structure sera de type de celle définie dans la demande PCT/FROI/02835. Ce point étant d'autant plus sensible ici que ce système doit avoir une bande passante élevée pour ne pas être perturbé par les trains croiseurs ou le passage dans les tunnels.  Advantageously, and for the same reasons as those mentioned in the previous variant, this structure will be of the type defined in application PCT / FROI / 02835. This point being all the more sensitive here that this system must have a high bandwidth so as not to be disturbed by cruising trains or passing through tunnels.

Bien sr le degré de liberté de l'aileron devra lui permettre de s'adapter à toutes les vitesses du train et aux deux sens de marche.  Of course, the degree of freedom of the aileron should allow it to adapt to all train speeds and to both directions of travel.

La mise en place de cette deuxième motorisation qui n'interviendra que pour les grandes vitesses pour lesquelles la motorisation inférieure sera débrayée, entraînera certes un supplément de masse embarquée que l'on pourra avantageusement compenser par la mise en place d'une motorisation inférieure asservie.  The installation of this second motorization, which will only intervene for high speeds for which the lower motorization will be disengaged, will certainly lead to an additional on-board mass which can advantageously be compensated for by the installation of a lower controlled motorization .

Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins sur lesquels: La figure 1 est une structure de pantographe asservie telle que définie dans la demande PCT/FRO1/02835, ladite structure étant avantageusement utilisée comme structure supérieure de la première variante.  In the description which follows, given solely by way of example, reference is made to the drawings in which: FIG. 1 is a structure of a pantograph controlled as defined in application PCT / FRO1 / 02835, said structure being advantageously used as a structure of the first variant.

La figure 2 est un exemple de structure double suivant la même demande pouvant être avantageusement utilisée comme structure inférieure de la première variante.  FIG. 2 is an example of a double structure following the same request which can advantageously be used as the lower structure of the first variant.

La figure 3 représente la même structure que celle définie figure 1, mais comportant 15 l'aileron motorisé pour les grandes vitesses de la deuxième variante.  FIG. 3 represents the same structure as that defined in FIG. 1, but comprising the motorized fin for the high speeds of the second variant.

Dans la structure représentée dans la figure 1, on reconnaît en 2 le système d'asservissement et sa cinématique, en 4 l'équilibreur mécanique sur lequel est montée la cinématique de la structure proprement dite 6. 20 Sur la figure 2, on reconnaît, fixé sur une base mécanique 8, deux structures symétriques S et S' telles que représentées sur la figure 1. Cet ensemble représente la structure double évoquée dans la demande PCT/FR01/02835 mais non explicitée. En effet, le bras 10 est solidaire de l'axe 12, alors que le bras 14 est lui solidaire en 25 rotation de l'axe 16 par l'intermédiaire des manivelles 18, 20 et 22, et des bielles 24 et 26 (on reconnaît ici la structure simple S). On remarquera que la manivelle 20 est montée folle sur l'axe 12. L'axe 12 et l'axe 16 sont chacun solidaire de 2 pignons identiques engrainant ensemble, ils sont donc solidaires en rotation mais synchronisés en sens inverse. On se retrouve donc exactement dans la même cinématique de 30 structure représentée figure 1 et décrite dans la demande PCT/FROI/02835, la seule différence étant que la cinématique de l'équilibreur 4 est alors remplacée par la base mécanique 8 qui assure la même fonction de synchronisation des arbres 12 et 16 avec sens de rotation inversé. (Cette synchronisation inversée pouvant s'obtenir par tout autre système).  In the structure shown in FIG. 1, we recognize in 2 the servo system and its kinematics, in 4 the mechanical balancer on which is mounted the kinematics of the structure itself 6. In FIG. 2, we recognize, fixed on a mechanical base 8, two symmetrical structures S and S 'as shown in FIG. 1. This assembly represents the double structure mentioned in application PCT / FR01 / 02835 but not explained. Indeed, the arm 10 is integral with the axis 12, while the arm 14 is itself integral in rotation with the axis 16 via the cranks 18, 20 and 22, and connecting rods 24 and 26 (we here recognizes the simple structure S). It will be noted that the crank 20 is mounted idly on the axis 12. The axis 12 and the axis 16 are each integral with 2 identical pinions driving together, they are therefore integral in rotation but synchronized in opposite directions. We therefore find ourselves in exactly the same kinematics of the structure shown in FIG. 1 and described in application PCT / FROI / 02835, the only difference being that the kinematics of the balancer 4 is then replaced by the mechanical base 8 which provides the same synchronization function of shafts 12 and 16 with reverse direction of rotation. (This reverse synchronization can be obtained by any other system).

Bien sr, la base mécanique 8 n'assure aucune fonction d'équilibrage ni de motorisation, les systèmes assurant ces deux fonctions n'étant pas représentés sur la figure 2 et pouvant être réalisés par un seul ou plusieurs vérins pneumatiques par  Of course, the mechanical base 8 does not provide any balancing or motorization function, the systems ensuring these two functions not being shown in FIG. 2 and can be produced by one or more pneumatic cylinders by

exemple.example.

Tel que suggéré dans la demande PCT/FRO1/02835, la deuxième partie S' de la structure double (une structure simple sur chaque arbre) est ici réalisée par les bras 28 et 30, le bras 28 étant solidaire de l'axe 16. Les bras 14 et 30 sont articulés sur les axes 32 et 34, du support 36. On notera à ce sujet que la présence du support 36 permet de 10 s'affranchir, pour le bras 30, du système de liaison que représentent les manivelles 18, et 22 ainsi que des bielles 24 et 26 pour le bras 14. En effet, le parallélisme des bras 30 et 10 est forcé par le support 36 à condition toutefois que le repli de la structure n'amène pas un risque d'arcboutement. Il y aurait alors lieu dans ce cas de reproduire pour 30 la même cinématique que pour 14.  As suggested in application PCT / FRO1 / 02835, the second part S ′ of the double structure (a simple structure on each shaft) is here produced by the arms 28 and 30, the arm 28 being integral with the axis 16. The arms 14 and 30 are articulated on the axes 32 and 34 of the support 36. It will be noted in this regard that the presence of the support 36 makes it possible to overcome, for the arm 30, the connection system represented by the cranks 18 , and 22 as well as connecting rods 24 and 26 for the arm 14. Indeed, the parallelism of the arms 30 and 10 is forced by the support 36 provided, however, that the folding of the structure does not lead to a risk of bending. It would then be necessary in this case to reproduce for 30 the same kinematics as for 14.

L'invention telle que définie dans sa première variante, à savoir le pantographe télescopique consiste donc à disposer une ou plusieurs structures supérieures à hautes performances telles que définies figure 1 sur le support 36 de la structure inférieure à basses performances. On notera à ce sujet que si la configuration en structure simple à 20 deux bras est particulièrement adaptée aux exigences de performances et d'encombrement de la structure supérieure, la structure double à quatre bras semble particulièrement intéressante pour la structure inférieure peu performante mais nécessitant une grande stabilité du support 36 surtout si celui-ci est destiné à recevoir plusieurs structures supérieures.  The invention as defined in its first variant, namely the telescopic pantograph therefore consists in placing one or more upper structures with high performance as defined in FIG. 1 on the support 36 of the lower structure with low performance. It will be noted in this regard that if the configuration in a simple structure with two arms is particularly suited to the performance and space requirements of the upper structure, the double structure with four arms seems particularly advantageous for the lower structure which is not very efficient but requires a high stability of the support 36 especially if it is intended to receive several upper structures.

On notera au sujet de cette structure double qu'elle est naturellement insensible aux efforts horizontaux sans adjonction d'aileron supplémentaire (voir la demande précitée L'invention, bien entendu, intègre le fait que les systèmes d'équilibrage et/ou de motorisation de la structure supérieure peuvent être implantés sur la base de la structure inférieure et qu'un système de transmission adéquat peut piloter la base de la structure supérieure fixée sur son support.  It will be noted with regard to this double structure that it is naturally insensitive to horizontal forces without the addition of an additional fin (see the aforementioned request The invention, of course, incorporates the fact that the balancing and / or motorization systems of the upper structure can be installed on the base of the lower structure and that a suitable transmission system can drive the base of the upper structure fixed on its support.

La figure 3 montre un pantographe tel que défini figure 1 mais qui comporte, à l'extrémité de son bras supérieur un aileron 38 dont l'angle d'attaque dans l'air est asservi à l'effort des archets sur la caténaire par une motorisation non représentée. Cet aileron peut prendre des positions telles que celles représentées en a ou b de telle sorte 5 de générer un effort dans les deux sens et ceci quel que soit le sens de marche de la motrice.  Figure 3 shows a pantograph as defined in Figure 1 but which comprises, at the end of its upper arm a fin 38 whose angle of attack in the air is controlled by the force of the bows on the catenary by a motorization not shown. This fin can take positions such as those shown in a or b so as to generate a force in both directions and this regardless of the direction of movement of the powerplant.

Cet asservissement étant mis en service à grande vitesse et après débrayage de la motorisation 2, ledit débrayage pouvant s'effectuer progressivement au moment de la 10 vitesse de transition.  This control being put into service at high speed and after disengaging of the motorization 2, said disengagement being able to be carried out gradually at the time of the transition speed.

Le positionnement de l'aileron 38 dont l'axe de rotation se situe vers l'extrémité du bras supérieur permet d'obtenir, grâce à la structure décrite, un gain mécanique constant lorsque l'aileron actionne le pantographe et ceci sur toute la hauteur de 15 déploiement.  The positioning of the fin 38 whose axis of rotation is located towards the end of the upper arm makes it possible to obtain, thanks to the structure described, a constant mechanical gain when the fin actuates the pantograph and this over the entire height of 15 deployment.

Claims (8)

Revendications:claims: 1. Pantographe à hautes performances caractérisé en ce qu'il comprend deux motorisations, une de servitude à faibles performances assurant les mouvements de 5 grande amplitude, une d'asservissement à bande passante élevée assurant à haute performance les mouvements de faible amplitude.  1. High performance pantograph characterized in that it comprises two motorizations, one of low performance bondage ensuring movements of large amplitude, one of high bandwidth control ensuring high performance movements of low amplitude. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend deux structures distinctes, une supérieure et une inférieure, chacune correspondant à un niveau de 10 performances différent.  2. Device according to claim 1 characterized in that it comprises two distinct structures, an upper and a lower, each corresponding to a different level of performance. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la structure inférieure est à basses performances et la structure supérieure est à hautes performances.  3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the lower structure is at low performance and the upper structure is at high performance. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ces structures simples ou doubles sont du type de celle définie dans la demande PCT/FROI/02835 du 19 septembre 2001.  4. Device according to claims 1 and 2 characterized in that these simple or double structures are of the type defined in application PCT / FROI / 02835 of September 19, 2001. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la structure supérieure est une structure simple (2 bras) et la structure inférieure une structure double (4 bras).  5. Device according to one of claims 1, 2 and 3 characterized in that the upper structure is a simple structure (2 arms) and the lower structure a double structure (4 arms). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 5 caractérisé en ce que la structure 25 à hautes performances est motorisée par un système d'asservissement à bande passante élevée, et la structure à faibles performances par un système à faible bande.  6. Device according to one of claims 1, 2 and 5 characterized in that the high performance structure 25 is motorized by a high bandwidth control system, and the low performance structure by a low band system. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 6 caractérisé en ce que le système d'équilibrage de la structure à hautes performances est un équilibreur mécanique et 30 que le système d'équilibrage de la structure à basses performances est un vérin pneumatique.  7. Device according to one of claims 1, 2 and 6 characterized in that the balancing system of the high performance structure is a mechanical balancer and that the balancing system of the low performance structure is a jack pneumatic. 8. Dispositif selon 9. la revendication 1,' caractérisé en ce que la deuxième motorisation consiste en un aileron disposé au niveau des archets dont l'angle d'attaque est asservi à l'effort produit par les archets sur la caténaire.  8. Device according to claim 9, characterized in that the second motorization consists of a fin disposed at the level of the bows whose angle of attack is controlled by the force produced by the bows on the catenary.