Caractérisation du contact électrique glissant pour une application ferroviaire

Descriptif du banc d'essais

  Depuis 2021, en collaboration avec la SNCF, un banc de caractérisation du contact électrique glissant est en service au sein du laboratoire Femto-ST et permet de reproduire, en laboratoire et dans des conditions maîtrisées, le contact fil - bande de la liaison pantographe - caténaire.
   
  Un pion en carbone est en contact avec un disque en cuivre tournant à des vitesses importantes. Le pion est animé d’un mouvement de translation qui permet de s’assurer d’une part qu'il soit toujours en contact avec du cuivre « neuf » d’un point de vue thermique et d’autre part que sa vitesse relative par rapport au disque reste constante quel que soit sa position. L'ensemble est alimenté électriquement.

Objectifs scientifiques

L'objectif de ce travail de recherche (projet Sliding Contact Investigation for Carbon pantograph wear Evaluation - SLICE) est de tester différents matériaux et profils d'usage tout en mettant en place des mesures spécifiques et beaucoup plus fines telles que :

• Un suivi des paramètres importants tels que le courant, la force d'appui, les vitesses de rotation du disque et de balayage du pion ainsi que les températures du pion.
• le développement d'une méthode optique pour caractériser l'usure du pion au cours d'un essai.
• la rugosimétrie 3D pour l'état de surface du pion.
• Une caractérisation fine de la surface de contact via la microscopie optique et électronique à balayage (MEB) des analyses EDS (spectroscopie à dispersion d'énergie) et  XPS (spectrométrie photoélectronique par rayons X).

Le banc expérimental est en constante évolution et il faudra par exemple développer une méthode innovante de détection des arcs électriques à l'origine de l'usure. Les premiers essais réalisés ont démontré que la vitesse de glissement, le courant et la force d'appui sont les grandeurs les plus influentes sur le taux d'usure observé. Malheureusement, aucune loi de comportement n'a été identifiée et les résultats présentent une trop forte variabilité - en particulier - en fonction de la nature du matériau utilisé pour être pleinement exploitables. 

A terme, le projet SLICE, devrait permettre (1) d'établir des lois de comportement et d'usure et (2) de discriminer les performances des différents types de matériaux carbonés.

L'ambition du projet SLICE est donc d'apporter une réponse très concrète à un problème industriel (l'usure des bandes de captage dans le domaine ferroviaire) après une analyse exhaustive du phénomène physique sous-jacent, c.-à-d. le contact électrique glissant.

Le projet SLICE s'inscrit parfaitement dans le projet des départements Energie et Mécanique Appliquée (DMA) de l'Institut Femto-ST. Au sein du département Energie, cela concerne les axes SYS de l'équipe SHARPAC et MACS de l'équipe THERMIE. Pour le DMA, c'est l'équipe ECTO qui sera sollicitée pour son expertise en tribologie. Au final, les 3 équipes concernées sont :

• SYS / Control, energy management and design of electric systems
• MACS / Thermal machines and systems
• ECTO / Mecanochemistry and Tribology

L'Université de Franche-Comté (UFC) est une université pluridisciplinaire, à taille humaine,
implantée dans 5 villes de la région : Besançon, Belfort, Montbéliard, Vesoul et Lons-le-Saunier.
L'institut FEMTO-ST (Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences
et Technologies) est une Unité Mixte de Recherche associée au CNRS (UMR 6174). FEMTO-ST a été
créé en janvier 2004 par la fusion de 5 laboratoires de Franche-Comté actifs dans les domaines de la
mécanique, de l'optique et des télécommunications, de l'électronique, du temps-fréquence, de
l'énergétique et de la fluidique. Actuellement l'institut FEMTO-ST regroupe des compétences variées et
complémentaires, et cultive la pluridisciplinarité, le souci de l’excellence scientifique et de l’innovation
à travers 7 départements de recherche.
L'effectif total de FEMTO-ST est aujourd’hui d'environ 700 personnes dont 325 permanents (230
chercheurs ou enseignants chercheurs et 95 ingénieurs, techniciens et administratifs). Les recherches
sont conduites avec l'aide de 225 doctorants qui reçoivent ainsi une formation de haut niveau par la
recherche.
 

Compétences requises :
Mécanique, Thermique, Instrumentation et mesures, Modélisation.

Outils logiciels utilisés :
Labview, Python