La mesure de la vitesse dans les trains

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2 Jean-Pierre Kieken. La mesure de la vitesse dans les trains Direction du Matériel SNCF. Enregistrement à bord du record de vitesse du TGV. Cl. SNCF < Cabine de conduite BB 1 à 80 La nécessité d'installer des appareils indicateurs de vitesse à bord des locomotives a mis plus de cinquante ans pour s'imposer aux responsables de l'exploitation des chemins de fer en France. Ce n'est, en effet, qu'un peu avant la fin du second Empire que ces appareils apparaissent sur certaines locomotives destinées à la remorque des trains rapides et express. Récemment encore, certaines locomotives britanniques en étaient encore dépourvues ainsi d'ailleurs que les rames du métropolitain conçues avant la guerre. Cependant, l'augmentation de la vitesse des convois et les mesures de Sécurité qu'elle entraîne, ainsi bien sûr que les impératifs dus au respect de l'horaire, ont conduit inexorablement les compagnies exploitantes, à l'expérimentation et à l'installation systématique, sur toutes les locomotives du réseau français, de dispositifs indicateurs de vitesse. A la fin du XIX e siècle, alors que la doctrine, en la matière, n'était pas encore établie, les ingénieurs s'orientèrent dans plusieurs directions : - Des matériels furent installés au sol, pour contrôler la vitesse des convois, au droit des points réputés dangereux (ponts, courbes, etc.). Ils pouvaient n'être que de simples enregistreurs, mais ils pouvaient également agir sur un signal, ou même déclencher l'explosion de pétards lorsqu'il devenait indispensable que le conducteur réduise immédiatement sa vitesse. - Des matériels portatifs furent embarqués sur les véhicules pour enregistrer leurs conditions d'exploitation: un contrôleur de la marche du train, dû à M. Brunot, détectait à l'aide d'un pendule les trépidations dues au roulement des convois. Les mouvements du pendule commandaient un style permettant de repérer, sur un disque tournant à vitesse constante, l'utilisation journalière du véhicule contrôlé. - Enfin, des indicateurs de vitesse au sens où nous l'entendons aujourd'hui, furent montés sur certaines locomotives du P.L.M. dès 1868 : le mouvement des essieux entraînait une pompe centrifuge qui refoulait dans un tube une hauteur d'eau d'autant plus importante

3 Coii * UN. Contrôleur de la marche des trains de M. A. Brunot (Compagnie du Nord) que la vitesse était plus élevée. (Appareil Stroudley.) Le souci d'associer à l'indicateur de vitesse un enregistreur permettant de reconstituer a posteriori la marche des trains, conduisit cette même compagnie du P.L.M. à compléter l'équipement des locomotives avec un chronotachymètre dont l'invention revient à M. Pouget. Cet appareil associait, à un tambour enregistreur entraîné à vitesse uniforme par un mouvement d'horlogerie, un mécanisme provoquant une perforation de l'enregistrement à chaque tour de roue de la locomotive. Le dépouillement et la reconstitution des vitesses enregistrées se faisaient de façon assez peu commode en dénombrant le nombre de perforations, donc de tours de roue par unité de temps. Vers la fin des années 1880, apparurent les premiers indicateurs enregistreurs mécaniques dont le principe est encore largement employé de nos jours et qui repose sur l'association d'un chronomètre et d'un compte-tours : Le mouvement d'horlogerie du chronomètre divise le temps en périodes d'égales durées ; au début de chacune de ces périodes, un mécanisme embraye un engrenage, l'intégrateur, avec un arbre solidaire de l'essieu de la locomotive dont on veut connaître la vitesse ; à la fin de la période de mesure, le pignon intégrateur est débrayé et ramené à sa position initiale. Le déplacement maximum atteint par l'intégra- teur est représentatif de la vitesse moyenne de l'essieu pendant la période de mesure. L'intégrateur accomplit ainsi, sous le contrôle du chronomètre, des mesures successives de la vitesse ; l'aiguille de l'indicateur ou le style s'il s'agit d'un enregistreur, sont solidarisés avec cet intégrateur à la fin de chaque période de mesure, un mécanisme auxiliaire les immobilisant pendant la durée de l'intégration proprement dite. L'appareil Hausshàlter, commercialisé par la firme suisse Hasler, avait déjà été diffusé à plus d'un millier d'exemplaires sur les réseaux européens en Il fut largement utilisé par la suite sur les réseaux de Paris- Orléans et du Midi, ainsi que sur l'ancien réseau Alsace- Lorraine. Comme cet appareil fut un des premiers de ce genre à être mis en service, ses performances étaient assez modestes : la période d'intégration de l'indicateur était de 6 secondes, ce qui provoquait des sauts de l'aiguille relativement importants dans les phases d'accélération ou de freinage; pour l'enregistrement de la vitesse, les intégrations duraient 12 secondes, au bout desquelles une pointe était projetée au travers du papier de l'enregistreur. L'ordonnée de la perforation indiquait, sur la bande, la vitesse atteinte. (Ce système d'enregistrement sera utilisé jusqu'en 1950 sur les appareils Hasler.) A la fin du siècle dernier, à la suite de plusieurs

4 Indicateur de vitesse dû à l'ingénieur britannique Stroudley (principe) accidents intervenus sur les divers réseaux, le ministère des Travaux Publics invita fermement les divers réseaux à équiper leurs engins moteurs d'appareils indicateurs enregistreurs de la vitesse (dépêches ministérielles du 28 mai 1897). A la même époque, un ingénieur de la Compagnie de l'est, M. Flaman, proposait un appareil mécanique. Après divers essais, cet appareil fut adopté par les réseaux de l'est (1902) et du Nord (1905). Sa période d'intégration n'était que de 2,4 s, ce qui rendait sa lecture plus aisée, car les sauts de l'aiguille en régime de vitesse variable, étaient beaucoup moins importants que sur l'appareil Hausshâlter. A partir de 1927 sur les réseaux Paris-Orléans et Midi, l'appareil Hausshâlter cède la place à un matériel plus moderne de la firme Hasler : le Téloc RT 220. Ses dimensions plus réduites et l'existence d'une version sans enregistreur donnent plus de facilité pour l'aménagement des engins électriques bicabines. Sa période d'intégration réduite à deux secondes rend plus agréable la lecture de la vitesse. L'appareil Flaman donnera lieu à de nombreuses variantes parce qu'il permet par des contacts électriques de commander différents types d'appareils au franchissement de certains seuils de vitesse prédéterminés : - Commande de l'ouverture des portes et de l'abaissement des marchepieds aux très basses vitesses sur les automotrices. - Commande de la variation de la pression aux cylindres de frein au-delà d'une certaine vitesse (freins à haute puissance). - Commande du shuntage des moteurs de traction sur les engins électriques. - Commande des graisseurs de rail... Il équipera, finalement, la majorité du parc des locomotives au début des années 50. C'est à cette époque qu'un concurrent plus moderne lui sera opposé ; le remplacement progressif des engins de traction vapeur par des engins à bogies électriques ou diesels posait des problèmes délicats de transmission du mouvement mécanique de l'essieu vers l'indicateur installé dans la cabine; les débattements importants des bogies sous la caisse imposant des accouplements déformables sujets à usure et à pannes. Des transmissions flexibles seront bien mises en œuvre, mais elles ne sauront pas rivaliser avec le nouveau matériel «Teloc RT 9» produit par Hasler vers Cet appareil mécanique, de dimension réduite, présentait le double avantage de s'intégrer très facilement dans les pupitres des engins modernes et de pouvoir être entraîné par un transmetteur électrique composé d'un émetteur en bout d'essieu et d'un récepteur en cabine installé directement sous l'indicateur ou l'enregistreur. La liaison entre l'émetteur et le récepteur se rédui-

5 15 pouilages en 3 minutes 60- ter l\ 90 _ 100. «0. _20. niinuto» 30minuta» -4 mirxut 1 Vilomctrc Appareil Hausshâlter Diagramme d'enregistrement. sait à une ligne électrique triphasée. La souplesse des conducteurs permettait de suivre sans problème les mouvements du bogie, et l'appareil indicateur pouvait alors occuper une position quelconque dans la cabine. La ligne électrique pouvait aussi être dérivée pour alimenter un deuxième appareil lorsque l'engin était, comme c'est presque toujours le cas sur les engins modernes, équipé de deux cabines de conduite. C'est ce matériel dont U périodicité de mesures est de l'ordre de la seconde qui sera monté sur les rames du métro construites après la guerre, sur le matériel S.N.C.F. de banlieue, et sur certains engins grandes lignes. En 1957, la Société Vaucanson, qui commercialisait jusqu'alors l'appareil Flaman, sort un appareil, le «Tachro», dont les performances sont comparables à celles du Teloc II équipera les principales locomotives de ligne construites en France jusqu'en A noter la sérieuse réduction de la période d'intégration qui est réduite à 0,4 s : les sauts de l'aiguille deviennent pratiquement imperceptibles à l'observateur humain. Pour développer les automatismes liés à la mesure de la vitesse sur les locomotives, la S.N.C.F. emploie depuis 1975 sur ses locomotives modernes des centrales de mesure électroniques pour la commande des indicateurs et des enregistreurs. Leur fonctionnement est le suivant : - Un capteur, constitué par un aimant permanent entouré par un bobinage, est placé devant une roue dentée entraînée par le moteur. Chaque passage d'un élément de la denture devant le capteur provoque une variation de réluctance et induit

6 une force électromotrice dans la bobine. Le capteur de faible volume peut être placé sur le carter d'engrenage d'un essieu moteur. Il est raccordé à l'armoire d'appareillage de la machine par un câble souple. Un circuit électronique élabore, dans la centrale de mesures, une tension proportionnelle à la fréquence des variations de force électromotrice dans la bobine du capteur. Cette tension commande, après amplification, l'affichage de la vitesse sur les indicateurs des cabines de conduite, ainsi que le déplacement du style dans l'enregistreur graphique placé dans la centrale. Autres utilisations des mesures de vitesse. Depuis une dizaine d'années, les mesures électroniques de la vitesse se sont multipliées sur les rames automotrices ou tractées : La mesure de vitesse à bord d'une locomotive moderne est systématiquement utilisée pour assister le conducteur dans ses actions de conduite : - Le dispositif de vitesse imposée régule automatiquement les efforts de traction ou de freinage en comparant la vitesse sélectionnée par le conducteur, à l'aide du manipulateur, à la vitesse effective du train. - Les systèmes d'antipatinage et d'antienrayage surveillent en permanence la vitesse des essieux de la locomotive : si dans une phase d'accélération, l'un des essieux tend à s'emballer parce que le rail est glissant, l'automatisme réduit immédiatement l'effort de traction appliqué sur cet essieu; si pour des raisons analogues, dans une phase de freinage, un essieu tend à se bloquer avant l'arrêt effectif, l'automatisme réduit l'effort de freinage sur cet essieu. Les mesures individuelles de la vitesse de chaque essieu sur les engins de traction modernes permettent ainsi d'adapter au mieux les performances à l'adhérence disponible. Sur la ligne nouvelle Paris-Sud-Est, le système de transmission des informations de signalisation en cabine permet, en association avec la mesure de la vitesse, de contrôler les actions du conducteur : si ce dernier dépasse en un point quelconque de la ligne la vitesse autorisée, un freinage automatique immobilise le convoi. Sur la plupart des réseaux urbains modernes, les métros sont équipés d'un pilotage automatique. Comme sur la ligne nouvelle Paris-Sud-Est, ce système associe l'élaboration des vitesses à respecter à une transmission voie-machine des informations de signalisation. Leur respect est assuré par la combinaison d'un système de vitesse imposée et d'un contrôle de ces vitesses. Enfin, les machines tournantes de forte puissance sont contrôlées en vue d'éviter leur destruction par survitesse, il en est ainsi: - des moteurs de traction des engins électriques ou diesels, - des moteurs thermiques des engins diesels. Les mesures de la vitesse à bord des trains font aujourd'hui appel à des circuits électroniques bien connus. Elles assurent la surveillance permanente des principales pièces tournantes des véhicules : essieux et moteur sur les engins de traction, essieux sur les voitures à voyageurs. Des progrès pourraient cependant être encore Appareil Flaman Appareil Tachro

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8 obtenus, si Ton pouvait s'affranchir de la liaison rouerail qui apporte, lorsque l'adhérence est mauvaise, des pertes momentanées d'information (blocage de l'essieu en freinage, patinage des essieux moteurs en accélération). Pour répondre à ce besoin, des recherches ont été effectuées depuis une quinzaine d'années dans deux directions : 1. Utilisation de radars à effet Doppler. Déjà largement utilisé en aviation, ce matériel a montré qu'il pouvait s'appliquer au transport ferroviaire. Il permet, en particulier, des mesures de l'espace parcouru remarquablement précises. 2. Mesure de la vitesse par corrélation. Le principe en est le suivant : Deux sources de rayonnement électromagnétique distantes d'une longueur «1» éclairent le rail. Deux capteurs associés aux sources analysent les signaux réfléchis. La mesure à l'aide d'un corrélateur du décalage temporel entre les discontinuités des signaux reçus sur les deux voies de captage permet d'évaluer, sans aucun contact mécanique, la vitesse relative du convoi par rapport au rail. Ces techniques qui ne dispenseront pas pour autant des mesures traditionnelles de la vitesse des essieux, apparaissent séduisantes car elles dispensent de tout contact mécanique avec le sol. Elles sont cependant restées, jusqu'à présent, au stade de l'expérimentation parce que leur compétitivité sur le plan économique reste discutable, mais aussi parce que l'eau, la neige et surtout la glace s'opposent fortement à la transmission des ondes électromagnétiques employées par ces systèmes. Dans le domaine de l'enregistrement de la vitesse par contre, l'apparition des circuits à haut niveau d'intégration ouvre des voies très prometteuses sur le plan de la fiabilité et surtout sur le plan de l'aide au dépouillement que pourraient procurer les ordinateurs associés à cette technologie.