la robotique dans la construction ferroviaire
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La robotique dans la construction ferroviaire
Automatisation de la maintenance des voies grâce à la robotique pour une sécurité renforcée et pour remédier à la pénurie de main-d'œuvre
GREGOR SCHMID | GERHARD SENDLHOFER | MARKUS LEXHALLER
Procédés robotisés pour la
maintenance des rails
Depuis la mi-2018, Robel mène des
recherches sur les processu s de maintenance
automatisée par robot avec sa propre équipe
dans le Centre technique nouvellement créé
(illus. 1). La proximité géographique et
technique avec le département de
développement de la division Machines et
outils de l 'entreprise est pour cela très utile. Il a
ainsi été possible d'adapter des outillages
légers motorisés éprouvés parmi les produits
existant pour des applications robotiques. Ces
outils de robotique sont actuellement testés
sur deux robots Fanuc dans l 'environnement
de laboratoire du Centre technique (tab. 1) et
subissent des améliorations pour util isation sur
rails. Les brevets pour les procédés
correspondants ont été déposés.
Exemple de soudage automatisé Des essais de soudage automatique de rails
(i llus. 2) montrent que le soudage robotisé permet de réaliser des joints de rails
répondant à toutes les exigences de qualité et de sécurité du processus :
Illus. 2 : Les joints de rail soudés par robot répondent à toutes les exigences de qualité et de sécurité et permettent un gain de temps considérable.
Source : Robel Baumaschinen GmbH
La résistance a pu être facilement démontrée lors
de l'essai de f lexion en trois points (illus. 3).
Le temps total réalisé, refroidissement compris, est
bien inf érieur à celui des procédés conventionnels.
Une température de préchauffage réduite et le
faible apport de chaleur pendant le soudage
raccourcissent la phase de chauffe et de
ref roidissement.
Grâce à la structure de la soudure aux contours
proches de l'état f inal, il n'est pas nécessaire
d'effectuer un ébavurage ni un meulage grossier
(illus. 4).
Une reconstruction complète du champignon de
rail par rechargement est possible.
Des métaux d'apport et des paramètres de
soudage réglables permettent d'obtenir des
résultats de travail nettement meilleurs et
reproductibles.
Grâce à la reconnaissance automatique de la
surface, différents ty pes de rails peuvent être
soudés sans changement d'outillage majeur.
Un rapport détaillé sur les essais réalisés en
collaboration avec la Schweißtechnische Lehr- und
Versuchsanstalt München suivra au 1er trimestre
2020.
Comment le robot arrive-t-il sur le chantier ?
Les résultats des recherches de ces dernières
années sont en cours d'intégration dans la
conception d'une nouvelle f amille de produits
comprenant de multiples options de transport pour
chacun des robots : des wagons ou conteneurs peu
coûteux pour les petits chantiers aux unités de
maintenance mobiles comme usines roulantes pour
les travaux sur voies, en passant par le véhicule de
déparasitage des caténaires, un large portefeuilles
de véhicules incluant des solutions d'automatisation
est en cours de création.
La solution la plus basique : remorque à
robot
Le véhicule de support de base (illus. 5) peut
accueillir jusqu'à deux robots portant une charge
utile de 70 kg chacun. Selon la programmation et le
module intégré au véhicule, ces robots effectuent par
exemple des tâches de mesure, meulent des âmes
de rail ou des cœurs d'aiguillage ou v issent ou
clippent les f ixations de voies. Dans le cadre de son
salon d’usine 2019, Robel a également présenté
pour la première f ois un nettoyage des rails
automatisé et respectueux de l'environnement grâce
à un nouv eau procédé de nettoyage cry ogénique
(illus. 6). Ce véhicule est spécialisé dans une tâche
particulière mais peut être modif ié pour d'autres
activ ités dans le dépôt.
Le standard : conteneur à robot
Le robot, les outils et le matériel ainsi que
l'alimentation électrique se trouvent dans un
conteneur standard (illus. 7). Il est utilisé
Des études montrent qu'au cours des cinq
prochaines années, environ 10 000 emplois
dev ront être pourvus en Allemagne dans les
domaines de la superstructure, du génie
civ il et de la construction de caténaires
pour couv rir les fluctuations et la demande
croissante due à des investissements plus
importants. Dans une situation où le taux de
chômage dépasse à peine les 3 %, il sera
presque impossible de trouv er dans le futur
la main-d'œuv re nécessaire dans le secteur
de la construction ferrov iaire. Aujourd'hui,
très peu de personnes sont prêtes à
trav ailler de nuit, par mauv ais temps, les
jours fériés et les week-ends, en extérieur et
dans des conditions parfois dangereuses.
De plus, le secteur ferroviaire est en
concurrence avec d'autres secteurs
florissants comme le BTP. Robel a reconnu
cette tendance et a commencé à développer
une nouv elle ligne de produits sous la
forme de robots pour la construction et la
maintenance des v oies.
Illus. 1 : De la machine guidée à la main au robot : démonstration de forage de traverses au Centre technique de Robel Source : Robel Baumaschinen GmbH
Illus. 3 : Test de rupture à la flexion en trois points d'un rail soudé MSG UIC 60 classe de qualité
R260
Source : Robel Baumaschinen GmbH
Illus. 4 : Grâce à la structure de la soudure aux
contours proches de l'état f inal réalisée par un
robot, il n'est pas nécessaire d'ef f ectuer un
cisaillement et un ponçage grossier
Source : Robel Baumaschinen GmbH
comme dernier maillon d'un train de maintenance sur
un wagon plat. Le robot effectue les activ ités les plus
div erses, dont des activités variables, telles que des
tâches de mesure et de contrôle, des activités de
nettoy age, des tâches de meulage et de fixation.
Il peut également être utilisé pour corriger les défauts
du champignon de rail. Dans les procédés courants,
les défauts de rail sont traités en plaçant
manuellement sur le rail une fraiseuse de champignon
de rail. Le champignon de rail est ensuite soudé selon
un procédé sous gaz de protection et la surface est
ensuite f inie par meulage. La ligne est ensuite libérée
après mesure du nouveau profil. Ce type de
dépannage nécessite habituellement trois personnes
et entre trois et cinq heures de travail,
selon les conditions de la voie et les conditions
climatiques. Avec une solution entièrement
automatisée, la réparation peut être effectuée par un
opérateur en une à deux heures.
Le cas particulier : robots à caténaires
Les déf auts de caténaires sont souvent la cause de
retards car l'alimentation électrique de la caténaire
doit toujours être coupée av ant l'élimination de la
source du défaut par du personnel spécialement
formé. Les opérations d'arrêt, dont la mise à la terre,
peuv ent durer jusqu'à une heure et constituer un coût
considérable, en particulier dans le transport urbain.
De plus, les courants de f uite générés lors de la mise
hors tension et sous tension de la caténaire
entraînent des coûts supplémentaires élevés.
Le robot, protégé électriquement dans le v éhicule de
maintenance, élimine également les éléments de
perturbation de la caténaire sous tension, par
exemple à l'aide d'outils de préhension et de
découpe, en mode automatique ou télécommandé
par l'opérateur. Personne n'entre à aucun moment
en contact avec les lignes électriques et les coûts
sont réduits au minimum.
Le package complet : robot de maintenance mobile
La pose de voies robotisée permet d'atteindre une
eff icacité maximale dans l'environnement protégé
d'un système de maintenance mobile, composé
d'une unité de traction et d'alimentation, d'une unité
de maintenance avec
Forage
d'âmes de rail
Forage de
traverses
Meulage de
champignons
de rail
Tronçonnage Vissage Détection de
rail
Détection de
traverse
Détection de
glace
Éprouv é en test OUI
OUI
OUI
OUI
NON
OUI
OUI
OUI
Qualité par rapport au procédé manuel
0
+
++
+++
0
0
0
Qualité par rapport au procédé
mécanique
++
++
+
++
+++
+++
0
Durée du procédé par rapport au procédé manuel
+++
++
++
++
++
Durée du procédé par rapport au procédé mécanique
++
+
0
+
+
Flexibilité par rapport au procédé manuel
+++
+++
+++
0
++
Flexibilité par rapport au procédé mécanique
+++
+++
+++
0
++
++
++
Tab. 1 : Aperçu des résultats de la première série de tests du robot. D'autres procédés sont déjà à l 'essai.
Graphique f orce/déplacement test de rupture à la f lexion UIC 60
Forc
e [k
N]
Déplacement [mm]
accès au rail et d'une unité de stockage facultative.
Dans l'unité de maintenance pouv ant atteindre 18 m
de long, plusieurs robots sont montés sur un rail de
roulement parallèle à la v oie (illus. 8). Il est ainsi
possible de déplacer des charges jusqu'à environ
500 kg et même jusqu'à 5 000 kg avec des
dispositifs de compensation de poids. La disposition
alignée des robots automatise presque toutes les
activités de réparation ponctuelle : changement de
coupons, remplacement des joints d'isolation,
changem des semelles, réparation des cœurs et des
lames d'aiguillage. Tous les processus de travail sont
en outre pleinement documentés.
Le matériel et les outils sont également amenés
automatiquement depuis le wagon intermédiaire par
des modules de palan à chaîne se déplaçant sur
toute la longueur du palan. Un poste de commande
et de contrôle dans l'unité de maintenance permet à
l'opérateur de surveiller le chantier.
À l'heure actuelle, des équipes de chantier comptant
habituellement six personnes sont déployées dans
un système de maintenance mobile. À l'avenir, ces
activités de maintenance pourraient être effectuées
en toute sécurité et avec précision par un seul
opérateur.
Illus. 5 : Jusqu'à deux robots d'une charge de 70 kg chacun peuvent être montés sur la remorque de base.
Source : Robel Baumaschinen GmbH
processus complexes du système de maintenance. Il
bénéf icie pour cela de l'assistance d'un serv ice en
ligne
disponible 24h/24 et 7j/7. En fonction de la position
et de l'équipement du véhicule, des experts se
connectent, passent en revue les
Le rôle de l'être humain dans le scénario
Une technologie sophistiquée facilite le passage à
l'automatisation : l'unité de commande de tous les
produits robotisés est conçue de manière à ce que
chaque agent de voie possédant une qualification
supplémentaire acquise lors de la formation du
fabricant puisse exploiter chaque chantier, de la
remorque à robot aux
Illus. 6 : Alternative écologique : grâce à un nouveau
procédé de nettoyage cryogénique, le robot élimine
la saleté des surfaces sans laisser de résidus.
Source : Robel Baumaschinen GmbH
Illus. 7 : Un conteneur standard sur un wagon permet d'accueillir les robots, les outils, le matériel et
l'alimentation électrique destinés aux activ ités de maintenance v ariables. Source :Robel Baumaschinen
GmbH
optimise également la log istique : Les
réapprov isionnements d'équipements et de
matériels sont eff ectués directement à partir de la
machine ou, dans une prochaine étape,
automatiquement à partir du système à l'aide de
la technologie Kanban.
La coopération sûre entre l'être humain et la
machine est au premier plan de toutes les étapes
de dév eloppement. Les robots et les v éhicules
porteurs sont conf ormes aux réglementations et
normes en v igueur. D'autres dispositif s de
sécurité tels que la surv eillance de l'espace de
trav ail, la technologie de commande et la
séparation spatiale sont issus de processus de
l'industrie robotique ay ant f ait leurs preuv es
depuis des décennies et répartis dans les
paramètres spécif iques à la pose de v oies.
De nouveaux modèles économiques pour une
nouvelle ère
Au début d'un projet, chaque processus de trav ail
est caractérisé av ec le client v ia des machines de
réf érence et des installations d'essai dans le
laboratoire du Centre technique. Cela réduit
considérablement le délai de liv raison et le délai
de mise en serv ice. En peu de temps, les robots
de pose de v oies trav aillent av ec une grande
qualité dans chacun des réseaux prév us.
Selon les besoins du client, les produits robotisés
sont proposés de la location au serv ice complet
en passant par l'achat. Les v éhicules porteurs
peuv ent être achetés ou loués par le client. Il est
garanti pendant la durée du contrat que les
robots f onctionnent de manière optimale dans
chacune des conf igurations et qu'ils sont
entretenus ou remplacés en temps opportun.
Selon les heures de f onctionnement, un robot
peut f onctionner entre trois et neuf ans av ant de
dev oir être remplacé. Le remplacement ne dure
que quelques heures et s'effectue chez Robel ou
chez le client. Si les besoins changent, le client a
la possibilité de louer à court terme de nouv eaux
processus de trav ail, y compris les outils et
équipements nécessaires. Le robot est ensuite
équipé ultérieurement du logiciel et du matériel
appropriés. L'utilisation optimale ainsi obtenue
permet de réduire les coûts au minimum. Le
client est ainsi f lexible, les coûts restent
prév isibles et dépendent de la situation des
rev enus.
Le calendrier de mise sur le marché des robots
de pose de v oies est clairement déf ini : durant la
prochaine étape, un v éhicule porteur sera
dév eloppé en série pilote, construit et testé sur la
v oie d'essai af in de le présenter sur le marché
lors de l'Innotrans 2020.
■
diff érentes étapes du processus av ec l'opérateur
ou corrigent les pannes par télémaintenance.
Grâce à la technique de caméra intégrée, le
technicien de maintenance peut v oir le chantier
sous tous
les angles nécessaires. La commande du robot
est connectée en ligne au centre de serv ice et
transmet l'état actuel de la machine. La
numérisation totale
Illus. 8 : Vision d'avenir : étude sur l 'util isation d'un robot de pose de voies dans l 'unité de
maintenance mobile du système Romis. Source : Robel Baumaschinen
GmbH
Dipl.-Ing.(FH) Gregor Schmid Responsable unité commerciale
Sy stèmes et véhicules
Robel Bahnbaumaschinen GmbH,
Freilassing
Dipl.-Ing.(FH) Gerhard Sendlhofer Responsable robotique
Robel Bahnbaumaschinen GmbH,
Freilassing
Markus Lexhaller B.Sc. Ingénieur de dév eloppement Sy stèmes et véhicules
Robel Bahnbaumaschinen GmbH,
Freilassing