Accélérométrie embarquée ferroviaire : certifier un matériel roulant puis le surveiller en service

Le besoin

Un train de plusieurs tonnes ne repose sur le rail que par une surface de l'ordre d'une pièce de deux euros par roue. Les efforts qui s'y exercent conditionnent la sécurité de marche, la consommation d'énergie et l'usure des matériaux. Deux enjeux se succèdent donc sur la durée de vie d'un matériel roulant : le certifier lors du développement, puis le surveiller en service sans arrêter l'exploitation.

Les points de mesure

Les accéléromètres se montent en boîte d'essieu, sur le châssis de bogie et sur la caisse. Sur les trains à grande vitesse, dont les bogies subissent de fortes sollicitations, la surveillance en temps réel des accélérations transverses permet de suivre la dynamique de marche, de prévenir les déraillements et d'optimiser le franchissement des courbes.

Chaque mesure se rattache à une norme :

EN 14363 : comportement dynamique des véhicules ferroviaires ;
EN 12299 : confort des voyageurs ;
EN 13749 : exigences de résistance des châssis de bogie ;
EN 13848 : description de la géométrie de la voie ;
EN 50317 : interaction dynamique pantographe–caténaire.

Ces mêmes capteurs transforment aussi des trains en service en plateformes mobiles de surveillance de l'infrastructure (Continuous Track Monitoring, CTM) : le nivellement longitudinal, le gauche et le dressage se calculent depuis des trains circulant à leur vitesse commerciale, sans train de mesure dédié.

L'exigence de chaîne de mesure

Pour le nivellement longitudinal, responsable de 70 à 80 % des défauts de voie, la norme EN 13848 impose une incertitude de mesure cumulée inférieure à 0,5 mm sur toute la chaîne. Le nivellement se détermine tous les 2 cm, quelle que soit la vitesse du train. Cela exige une fréquence d'échantillonnage d'au moins 1 kHz, soit 1 000 mesures par seconde.

Un retour d'expérience établi

La technologie de capteurs ASC équipe des trains à grande vitesse en service commercial depuis 2018, à 300 km/h et au-delà. Certains trains ainsi équipés ont dépassé trois millions de kilomètres avec des capteurs toujours opérationnels.

En France, PM Instrumentation travaille le sujet avec un constructeur de matériel roulant, un centre d'essais ferroviaires et un exploitant du réseau : certification des véhicules, campagnes d'essais en ligne et surveillance de la voie.

Les capteurs recommandés

La série RAIL d'ASC est qualifiée selon EN 50155 et d'autres normes ferroviaires applicables. Cette qualification préexistante évite à l'exploitant une part de documentation individuelle, avec gain de temps et de coût.

Pour les mesures d'accélération, le RAIL-x15LN est un accéléromètre MEMS capacitif à sortie analogique différentielle ±4 V, disponible en 1, 2 ou 3 axes, avec des étendues de ±2 g à ±400 g, un boîtier inox IP68 et une tenue aux chocs de 5000 g : fiche produit RAIL-x15LN.

Pour une acquisition numérique, le DiSens ECO RAIL offre une sortie CAN 2.0B, des étendues de ±2 à ±40 g et un échantillonnage jusqu'à 4 kHz : fiche produit DiSens ECO RAIL.

Pour les vitesses angulaires (tangage, roulis, lacet), le gyromètre RAIL-27x1 complète la gamme.

Au-delà du capteur

PM Instrumentation fournit la chaîne complète autour des capteurs :

des chaînes d'acquisition pour les sorties analogiques ou CAN des capteurs RAIL ;
des enregistreurs de données autonomes, embarquables sur le véhicule pour mener une campagne d'essais sans infrastructure à bord ;
des capteurs intelligents (smart sensors) pour le CTM : l'accéléromètre est enrichi de fonctions de traitement embarqué (edge) qui réalisent un prédiagnostic et simplifient le travail du superviseur.