Toujours aussi électrisant après toutes ces années : une appréciation du pantographe

Plus de 100 ans après son évolution, le Panto surprend toujours en tant que haut lieu de l'innovation

N'essayez pas cela à la maison

Si quelqu'un était assez stupide pour passer son bras par la fenêtre d'un train à grande vitesse qui dévale les voies ferrées à toute vitesse, il aurait probablement un avant-goût des forces en jeu sur un autre type de bras, celui qui est perché au sommet du train. Découvrez l'un des composants les plus miraculeux et méconnus du transport en commun : le pantographe.

Et l'aérodynamisme n'est qu'un des défis auxquels cet équipement polyvalent est confronté alors qu'il remplit sa fonction essentielle, à savoir extraire la charge d'un fil caténaire, cette longue ligne électrique au-dessus des voies, et la diriger de manière appropriée pour propulser le train.

Alliant la précision et l'agilité d'une ballerine à la force brute d'un rhinocéros en pleine charge, le panto est l'une des pièces les plus durables, dynamiques et essentielles de l'équipement ferroviaire moderne. Disponible dans une variété presque illimitée, le pantographe continue d'inspirer l'imagination collective des meilleurs ingénieurs de l'industrie ferroviaire pour le rendre plus léger, plus résistant, plus conducteur et encore plus réactif que jamais.

Le siècle du « bras unique »

Alors que l'invention du pantographe « en forme de diamant » remonte à John Q. Smith et aux voyages en train de banlieue dans la baie de San Francisco en 1903, la perfection du panto est largement attribuée à Louis Faiveley, ancêtre de Wabtec. Non seulement il a amélioré le panto de style diamant avec son propre design amélioré au début des années 1920, mais il a fini par complètement briser le moule en inventant le panto à bras unique. La conception progressive de Faiveley a ensuite établi le record du monde de vitesse (331 km/h/206 mph) pour un train à propulsion électrique la même année, 1955, et constitue la norme de l'industrie à ce jour.

Et grâce à l'innovation continue apportée au panto à bras unique, des performances record ont suivi. Les nouveaux modèles Panto de Wabtec ont permis aux trains d'atteindre des vitesses maximales de 515 km/h à 320 mi/h et 574 km/h à 356 mi/h en 1990 et 2007, respectivement. Au-delà de l'établissement de nouveaux records de vitesse, les pantographes Wabtec ont réalisé de nombreuses premières au cours des 20e et 21e siècles, notamment en matière d'innovations en matière de conception des matériaux, d'encombrement, d'intégration sur les toits, de portée des bras et de modes d'alimentation, contribuant ainsi à une prolifération de pantographes qui dépasse les 150 types et plus de 90 000 appareils installés dans le monde entier.

Le besoin de rapidité

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Mais revenons à la vitesse supérieure. Les pantos en forme de losange du début du 20e siècle correspondaient à la rigidité et à la tension des câbles aériens de cette époque. Pourtant, leur forme volumineuse n'était pas propice à la vitesse élevée et à l'augmentation de la tension sur les fils caténaires. Faiveley a saisi l'occasion pour développer un nouveau type de pantographe, plus léger, plus aérodynamique et plus conducteur, et doté d'une plus grande dextérité pour maintenir le pantographe en contact permanent avec le fil.

Paradoxalement, les concepteurs et ingénieurs de pantographes de Wabtec sont toujours confrontés aux mêmes défis aujourd'hui dans la recherche du pantographe optimal.

« Le développement des pantographes consiste principalement à obtenir des performances dynamiques stables, à garantir une collecte de courant de haute qualité et à livrer à la fois dans l'emballage ou le calibrage requis par le client », explique Matt Atkins, directeur de l'ingénierie de la collecte d'énergie chez Wabtec. « Par performance dynamique, je veux dire que le panto doit fonctionner dans des conditions réelles (pensez à la météo, au vent, à la vitesse, au rebond du train et au mouvement du fil, pour commencer) ; et pour la collecte du courant, considérez à nouveau ces mêmes facteurs, ainsi qu'une longue liste de problèmes de capacité électrique et d'ingénierie mécanique. En fin de compte, nous avons besoin des deux pour propulser un train de manière efficace, mais il existe de nombreuses contraintes qui font tout notre possible pour nous y opposer, et c'est à nous de les déborder et de les surmonter. »

Une autre façon de comprendre les défis liés à la conception et à l'ingénierie d'un pantographe est d'examiner une courte liste de produits « indispensables » pour un pantographe :

1. Il doit être léger.
2. Il doit être solide.
3. Il doit être aérodynamique.
4. Il doit fonctionner dans les deux sens (avant et arrière, contrairement à un avion !)
5. Il doit conduire l'électricité.
6. Elle doit gérer les frictions.
7. Il doit fonctionner dans un environnement dynamique et en constante évolution.
8. Et il doit être configurable pour s'adapter à un monde de tensions, de hauteurs de câbles aériens et de types de trains variables, ainsi qu'à tout ce qui va suivre (voir ci-dessous).

Bien entendu, cette liste ne s'arrête jamais. Et personne ne le sait mieux que l'équipe panto de Wabtec ou n'est plus dévoué à affiner et à améliorer la gamme de pantographes de l'entreprise pour répondre à ces demandes souvent concurrentes.

Le rêve du pantographe parfait

Les ingénieurs pantographes de Wabtec du monde entier partagent une même obsession : développer le panto parfait. Alors, à quoi cela pourrait-il ressembler ? Encore une fois, Matt Atkins a quelques idées.

« Je pense que nous sommes tous d'accord pour dire que le panto parfait sera ultraléger, ce qui nécessitera des innovations dans le domaine de la tête de coupe, qui est intrinsèquement en carbone métallisé. Aujourd'hui, plus le matériau de la tête cylindrique est dense, plus il peut supporter une capacité de courant élevée. Mais cela ajoute du poids, qui est l'ennemi de la vitesse. Le Saint Graal serait donc un pantographe très léger et à très haute capacité de courant », a déclaré Atkins.

« Et ce n'est que la moitié de l'histoire. Nous n'avons même pas mentionné les longueurs que les pantographes doivent littéralement parcourir pour répondre aux besoins de nos clients. Nos clients font toujours pression pour que les pantos aient une très grande autonomie physique, c'est-à-dire la capacité du bras de panto à étendre habilement différentes distances, afin qu'ils puissent utiliser leurs trains sur différentes voies avec différentes hauteurs de caténaires. L'Inde en est un excellent exemple, où Wabtec est leader du marché des pantos haut de gamme. »

Panto du futur

En plus de relever les défis physiques, matériels, électriques et mécaniques liés à l'innovation panto, Wabtec doit également faire face à une variable plus humaine : la réglementation gouvernementale.

À l'heure actuelle, l'une des plus grandes discussions dans le monde des pantographes est de savoir comment répondre au mieux au mandat de l'ERJU en matière de trains « sans air ». Sur le papier, les perspectives de trains sans air sont excellentes. En retirant les gros compresseurs d'air et la tuyauterie des locomotives et des wagons de transport en commun, les trains deviendront plus légers et plus efficaces.

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Mais cette évolution représente un défi de taille pour les pantographes, car nombre d'entre eux ont besoin d'air pour fonctionner. Tous ces mouvements dynamiques en temps réel qui maintiennent la tête de coupe étanche à la caténaire sont généralement activés par les cylindres ou les soufflets à air comprimé du panto.

À terme, la réponse pourrait résider dans un pantographe entièrement électrique, le « ePanto », que Wabtec a conçu et qui est actuellement en train de prototyper et qui est prêt à être bientôt validé. Les défis sont nombreux, notamment l'introduction 1) d'un actionneur électrique capable de déplacer le bras de panto de manière aussi réactive que les systèmes pneumatiques, et 2) d'un système de largage automatique électrique capable d'arrêter un panto au même taux de réponse inférieur à la seconde que les systèmes actuels qui améliorent la sécurité des trains. En outre, il existe des problèmes d'isolation électrique à résoudre entre les tensions de fonctionnement au niveau des composants du pantographe et les tensions de collecte sur la ligne aérienne.

« Les ePantos peuvent changer la donne pour Wabtec et l'industrie dans son ensemble dans la mesure où ils éliminent le besoin de nombreux équipements coûteux à fabriquer pour les constructeurs automobiles et à entretenir pour les clients », a déclaré Philippe Geoffroy, responsable du développement des produits Power Collection Pantograph chez Wabtec. « Mais elles nécessiteront des innovations importantes, un défi que Wabtec n'a jamais hésité à relever.

« Pour évaluer les limites actuelles de l'innovation en matière de pantographes, je ne peux m'empêcher de revenir sur ce que Faiveley a accompli et sur la voie couronnée de succès qu'il a tracée pour cette entreprise. Je trouve incroyable que plus de 100 ans après sa première grande innovation en matière de conception de pantographes, nous soyons toujours confrontés aux mêmes forces physiques et aux mêmes réalités électromécaniques que lui. Et que, comme lui, notre diligence et notre créativité se traduisent par des avancées tangibles pour nos clients, notre entreprise et notre industrie. »