Modélisation du comportement dynamique du couple pantographe-caténaire. Application à la détection de défauts dans la caténaire

par Jean-Pierre Massat

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Fabrice Thouverez.


  • Résumé

    Aujourd’hui, le captage du courant électrique reste un des verrous technologiques majeurs à l’augmentation de vitesses des trains. Par ailleurs, les incidents afférant sont à l’origine de plus d’un million de minutes de retard chaque année en Europe. La maîtrise de l’interaction pantographe-caténaire nécessite donc une étude approfondie tant pour la conception des futurs composants que pour l’évolution de la stratégie de maintenance. Deux objectifs ont guidé les recherches menées dans cette thèse. Le premier était de contribuer au développement d’un outil de simulation fiable, robuste et flexible permettant de mieux comprendre les phénomènes mécaniques en jeux et d’analyser les effets des défauts présents dans la caténaire sur le couplage pantographe-caténaire. Le deuxième objectif était de mettre au point des outils de traitement du signal capables d’analyser les mesures en ligne, enregistrées à 300 km/h par un pantographe instrumenté, dans le but de détecter, localiser et identifier ces mêmes défauts. La modélisation du comportement dynamique du système pantographe-caténaire s’appuie généralement sur la méthode des Eléments Finis. En effet, elle est la seule à offrir la flexibilité nécessaire pour la modélisation en trois dimensions des géométries complexes et variées des caténaires. La simulation temporelle du couplage dynamique entre le pantographe et la caténaire réunit par ailleurs des problématiques complexes : propagation d’ondes, charges mobiles, périodicité des structures, contact unilatéral et non-linéarités géométriques fortes. Afin de mieux mesurer l’impact de ces différents phénomènes et de spécifier les hypothèses acceptables, un modèle analytique simple a été développé. Celui-ci offrant un plan de contact parfaitement continu, à l’inverse du modèle Eléments Finis, les effets numériques dus à la discrétisation ont pu être mesurés et corrigés par des améliorations simples. La confrontation des résultats de ces deux modèles complémentaires ainsi qu’une comparaison aux mesures a permis de valider les codes et de déterminer certains paramètres tels que l’amortissement. Enfin, l’introduction de défauts dans la simulation autorise la génération de signatures temporelles propres à chaque défaut présent dans la caténaire, en vue de leur détection. Des méthodes de traitement du signal spécifiques ont en effet été testées, afin non seulement de détecter les défauts, mais de les localiser et de les identifier. Etant donnés l’environnement et les conditions d’essais, ces traitements doivent tenir compte du manque de reproductibilité et de l’aspect non-déterministe des mesures sur une caténaire soumise aux conditions climatiques et à l’usure. Les ondelettes, dotées de qualités intrinsèques pour la détection, ont donné des résultats très encourageants et les dernières avancées de ces méthodes, les ondelettes adaptées, rendent cet outil incontournable dès lors que l’on souhaite discriminer les défauts tout en minimisant le nombre de fausses alertes. Enfin, en créant une bibliothèque exhaustive de signatures de défauts simulés, l’outil de détection acquerra la robustesse et la fiabilité indispensable à une évolution de la stratégie de maintenance.


  • Résumé

    Nowadays, current collection is one of the blocking points for increasing the train speed. Besides, statistics consolidated over Europe show an average number of one million minutes of delay each year in Europe related to the pantograph-catenary interface. Hence, the pantograph-catenary interaction deserved a deep study in order to improve future components design as well as maintenance evolution strategy. Two objectives have been the guidelines of this work. The first one was the simulation tool development. It had to be reliable, robust and flexible in order to allow a better understanding of the mechanical phenomena and in order to analyse the effects of catenary defects on the pantograph-catenary interaction. The second objective was the signal processing tools design. These tools had to allow a real-time measurement analysis, recorded by an instrumented pantograph running at 300 kph, in order to detect, localize and identify these defects. Usually, the pantograph-catenary system’s dynamic behaviour is modelled thanks to the finite element method. Indeed, it is the only method that can help us modelling complex 3D geometries as the catenary geometries. Time dependent simulation of dynamic interaction between pantograph and catenary gather also complex problematics :Wave propagation, moving loads, structure’s periodicity, unilateral contact and strong geometrical non-linearities. In order to get a better assessment of the impact of these different phenomena and to specify acceptable hypothesis, a simple analytical model has been developed. As this model offers a continuous contact plan, numerical effects induced by discretization have been assessed and corrected by simple solutions. Results comparison of these two complementary models has allowed the software validation and parameters identification such as damping. At last, from the introduction of defects in the simulation has come out the temporal signature generations of each defect type in the catenary. Finally, specific signal processing methods have been tested in order to detect defects and to localize and identify them. Regarding the environment and tests conditions, these analyses must take into account the lack of test reproducibility and non-deterministic aspect of catenary measurements related to climatic conditions and wear. The use of wavelets gave very interesting results for defect detection ; especially the last development in this domain called adapted wavelet that makes this tool a major tool as far as defect detection and low false alert rate are concerned. Finally, with the building of a defects signature’s library, this detection tool will get the necessary robustness and reliability required for the evolution of the maintenance strategy.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2007 par Ecole centrale de Lyon à Ecully

Modélisation du comportement dynamique du couple pantographe-caténaire. Application à la détection de défauts dans la caténaire


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Informations

  • Détails : 1 vol. (192 p.)
  • Annexes : 90 réf.

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