Le Freinage Ferroviaire

13 juin 2008

INDEX

1°) Les circuits de commande

a) Le circuit de frein Westinghouse

b) Le circuit de frein électropneumatique

c) Le frein à commande électrique

2°) Le Distributeur

3°) La mise en œuvre du freinage

a) Freinage sur roue par semelle ou sabot

b) Le frein à disques

c) Le frein électromagnétique

d) Le frein à courant de Foucault

e) Les appareillages utilisés sur la technologie actuelle

4°) Description et fonctionnement

a) Le Frein d'immobilisation

b) Le Frein Direct

c) Le Frein Continu Automatique

5°) La Reconnaissance d'Aptitudes au Transport

6°) Les essais de frein

7°) Le calcul du freinage

Le Freinage Ferroviaire

C’est au milieu du XIVème siècle quele premier système de frein ferroviaire est né dans les mines, en Europe, celui-ci était matérialisé sur un wagonnet, par une pièce de bois, disposée horizontalement au-dessus d'une roue, qui était articulée sur le flanc du chariot.Pour le faire fonctionner, le conducteur, souvent un enfant,appuyait de la main ou du pied contre cette pièce afin de ralentir la vitessede ces chariots miniers lancés généralement dans de faibles déclinaisons.

Puis au 18^ème siècle se développa le freinage mécanique, qui permettait aux conducteurs des diligences d’appliquer un ou plusieurs sabots sur les roues, sans descendre de leur siège, au moyen d’un levier. Ce système sera la première ébauche du freinage à commande centralisée.

Mais c’est au 19^ème siècle, que le freinage ferroviaire fit une grande avancée.

A cette époque, pour freiner un train, le conducteur faisait retentir le sifflet de sa locomotive pour demander l’application des freins à des gardes-freins placés sur les voitures ou les wagons. Un code de signaux commandait les degrés de serrage ou de desserrage.

Cependant, le manque de synchronisation des gardes-freins avait de sérieuses répercussions sur les attelages. De plus ceux-ci devaient affronter les conditions météorologiques et pour les gardes-freins des trains de fret américains, être debout sur les wagons.

Les accidents étaient donc nombreux et cette méthode de freinage s’avérait de surcroît, insuffisante.

Un Garde Frein de la Santa Fe Railroad

(http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/1530648)

1°) Les Circuits de commande

a) Le Circuit de frein Westinghouse :

George Westinghouse, inventeur américain, eut l’idée, afin de perfectionner le freinage des trains, d’installer sur chaque véhicule, un cylindre dans lequel un piston actionnait la timonerie des freins. Ces cylindres étaient en communication au moyen d’une tuyauterie présente sur tout le train et reliée à la locomotive :la Conduite Générale(CG).

Grâce à un robinet, le mécanicien pouvait envoyer de la vapeur dans cette conduite. Les pistons des cylindres de freins entraient alors en action.

Mais résidait encore un problème de taille, celui de la vapeur, car celle-ci se condensait en eau, voire en glace les jours de froid. Cette condensation faisait perdre en qualité de freinage et bloquait les appareillages.

George Westinghouse trouva la solution, en 1870, en substituant la vapeur par l’air comprimé, s’inspirant ainsi dela perforatrice Sommeiller, qui était utilisée pour percer la galerie du Mont Cenis.

Cette innovation constituera la base du frein pneumatique. Celui-ci se présente sous deux formes différentes :

- le frein à air comprimé (le système de freinage le plus répandu), dont le principe consiste à appliquer les freins suite à une baisse de pression dans la conduite pneumatique,

- le frein à vide (en voie de disparition) fonctionnant suite à une hausse de pression dans la conduite qui est maintenue sous une certaine pression de vide.

b) Le Circuit de frein électropneumatique :

Les limites du circuit de frein pneumatique Westinghouse,concernant notamment la précision des arrêts et les réactions rapides,ont contraint les exploitants des infrastructures ferroviaires à le développer. Ces recherches vont donner naissance à une amélioration de la puissance de freinage, mais aussi à différents appareillages, distributeurs et circuits de frein, dont l’électropneumatique.

Avec ce circuit les inconvénients de la commande pneumatique sont évités en la remplaçant par une commande électrique, permettant de remplir ou de vidanger en même temps l’ensemble des cylindres de frein d’une rame. L’effort de freinage n’est donc plus progressif mais simultané, correspondant aux capacités potentielles des équipements de freins. De ce fait les distances de freinage sont considérablement raccourcies.

c) Le frein à commande électrique

Sur les locomotives électriques ou diesel, il peut être combiné au frein à air, un frein électrique. Ce système utilise l’effort de retenue crée par les moteurs électriques qui fonctionnent en génératrices.

Deux solutions sont alors possibles :

- le Frein rhéostatique, quand l’énergie électrique produite est envoyée dans les résistances ;

- le Frein à récupération, quand l’énergie électrique est dissipée dans la caténaire.

Ce frein peut être mis en œuvre indépendamment des autres freins, il est dès lors graduable et sera utilisé pour maintenir des vitesses constantes lors de descentes des longues pentes.

Ce frein est toujours utilisé en complément du frein pneumatique car, seul, il n’offre pas des conditions de sécurité optimales. Mais son utilisation combinée à d’autres freins permet de créer un effort de freinage impossible à atteindre par la seule présence du frein pneumatique.

2°) Le Distributeur

Le distributeur est l’un des organes essentiels du système de freinage. C’est l’interface entre le système de commande (CG) et le cylindre de frein.

Il est relié à la conduite générale, au cylindre de frein, au réservoir auxiliaire et à un réservoir de commande qui lui est dédié. Son rôle est de permettre, au serrage, le passage de l’air du réservoir auxiliaire dans le cylindre de frein et au desserrage l’échappement de l’air du cylindre vers l’atmosphère.

3°) La mise en œuvre du Freinage

a) Freinage sur roue par sabot ou semelle

Le frein à frottement sur roues pourtant ancien est encore le plus utilisé aujourd’hui, principalement sur les wagons. Il utilise des sabots ou des semelles amovibles qui viennent frotter sur la table de roulement de la roue. Lessabots sont généralement composés en fonte et les semelles en matière composite ou frittée. Au début du chemin de fer, celles-ci étaient faites en bois. La semelle ou le sabot de frein comporte généralement un repère d'usure en creux ou en relief,

servant à délimiter l'épaisseur minimale à accepter pour les maintenir en service.

Un Frein à sabot

b) Le Frein à disque

Dans les années 60, le transport ferroviaire a connu un fort développement surtout concernant la vitesse. Le freinage par frottement sur roues s’est alors révélé insuffisant et inadapté, de part les sollicitations thermiques et mécaniques qui étaient bien trop importantes. Afin d’effectuer le frottement sur un autre organe que la roue, le frein à disques fut développé, il est depuis utilisé à grande échelle.

Ce frein est généralement monté en complément du frein à sabots sur certains engins moteurs et sur certains véhicules et commandé par le même distributeur. Comparés aux semelles de frein, les freins à disque ont une bien meilleure durée de vie, ce qui réduit évidemment les coûts de maintenance. Ils permettent aussi une réduction des distances d'arrêt.

Les 3 grands types de freins à disques sont :

- les freins à disques montés sur la roue, qui sont destinés aux bogies moteurs d'automotrices et aux bogies de locomotives, quand le moteur et le réducteur ne permettent pas l'installation de disques calés sur l'essieu ;

- les freins à disques calés sur essieu, qui sont utilise quand il existe suffisamment de place entre les roues sur un même essieu,

- les freins à disques flasqués, fixés par vis sur la partie centrale de l'essieu (appelé moyeu)

c) Le Frein électromagnétique

Ce frein agit directement par frottement sur le rail, en utilisant un patin appliqué avec force par des électro-aimants. Ces freins sont le plus souvent montés sur des éléments automoteurs (exemple : le TGV) circulant à une vitesse supérieure ou égale à 160km/h, sur les trains de montagne et sur les tramways. Ils sont généralement utilisés comme freins d'urgence et en complément à d’autres équipements de freins.

Au début de son application, ce système avait pour défaut de dégrader la surface des rails, mais les dernières évolutions en la matière ont permis de remédier à cet inconvénient.

Un frein magnétique

d) Le frein à courant de Foucault

C’est un système de freinage indépendant de l’adhérence roue-rail. Dépassant ces limites physiques, il est donc plus dynamique et puissant. Basé sur un principe électromagnétique, il consiste à opposer deux champs magnétiques entre eux créant une force permettant de ralentir un train, l’effort de retenue.

Il est matérialisé sous deux formes :

- le Frein rotatif à courant de Foucault, composé de bobines entourant la partie inférieure des roues des essieux et qui par attraction magnétique avec le rail créeront l’effort de freinage ;

- le Frein linéaire à courant de Foucault, qui dans sa constitution ressemble fortement au frein électromagnétique, mais qui diffère dans sa mise en action, car ses patins ne frottent pas le rail, mais sont maintenus quelques millimètres au dessus afin de générer le magnétisme qui ralentira le train.

e) Les appareillages utilisés sur la technologie actuelle

Sur le TGV, la rame dispose de quatre types de freins :

- frein rhéostatique (moteurs)

- frein à courant de Foucault (monté sur le bout des arbres moteurs), c'est le système de freinage de base ;

- le frein électromagnétique, c'est le freinage d'urgence ;

- frein à sabots à commande pneumatique (sabots à semelle de fonte appuyant sur un côté des roues), c'est le freinage d'arrêt.

Sur l’AGV, qui va bientôt être mis en service sur le réseau ferroviaire Italien l’appareillage est à peu prés le même que sur le TGV, à la différence qu’il combine le frein à rhéostat avec le frein à récupération d’énergie, comme sur certaines rames du TGV Est européen. L’énergie produite par les moteurs et non consommée lors des phases de freinage est renvoyée sur le réseau électrique national.

4°) Description et fonctionnement

Le freinage ferroviaire fonctionne en deux phases :

- le serrage, lorsque le frein est en action ;

- le desserrage, lorsqu’il est inactif.

Pour effectuer ces étapes, le mécanicien dispose, dans la cabine de conduite d’un train, d’une commande de frein : le robinet du mécanicien

Les ordres donnés par l’intermédiaire de ce robinet sont transmis à une commande à distance, la Conduite Générale, présente en continuité de la tête à la queue du train.

Ces ordres sont ensuite exécutés par les Distributeurs, qui équipent les locomotives et les véhicules.

Et enfin, les cylindres de frein permettent l’application des Sabots (ou semelles) sur les roues par l’intermédiaire de la timonerie.

Une Timonerie

Généralement un train est composé de 3 types de freins utilisant les mêmes organes mécaniques :

a) Le Frein d’immobilisation :

Celui-ci était, jusqu'il y a peu de temps, le frein à vis à commande manuelle. L’évolution du matériel tend à le remplacer définitivement par un dispositif automatiquepermettant l’immobilisation de la rame après serrage, c'est-à-dire qu’il se substitue progressivement au frein pneumatique après épuisement de l’air présent dans le reservoir auxiliaire ou les cylindres de frein.

b) Le Frein Direct :

Il n’agit que sur l’Engin Moteur et n’est utilisé que lorsque l’engin circule seul ou pendant une manœuvre (CG non reliée). Son serrage est obtenu par l’alimentation de la conduite du Frein Direct et son desserrage par la vidange de cette même conduite.

c) Le Frein Continu Automatique :

Ce frein est utilisé en ligne et en manœuvre quand les véhicules remorqués sont reliés à la conduite générale. Il est dit Continu car il peut être mis en action à partir d’un point quelconque du train et Automatique puisqu’il peut se mettre en action de lui-même suite à une anomalie d’étanchéité de la conduite de freinage, provoquant ainsi le serrage.

Il peut être modulable au serrage et au desserrage, pour adapter progressivement l’intensité de freinage.

Deux régimes de freinage sont possibles sur les trains, suivant leur équipement :

le régime Voyageur et le régime Marchandises.

Le régime Voyageur correspond à un freinage quasi simultané sur l’ensemble des véhicules du train.

Le régime Marchandise correspond, quant à lui, à un freinage progressif. Les distances d’arrêt des trains utilisant ce système de freinage sont bien plus longues que celles des voyageurs. C’est donc en grande partie pour cette raison que les trains de marchandises sont limités à la vitesse de 100 km/h.

Si ce régime est utilisé sur les trains de fret, c’est parce qu’il y a souvent de trop grandes disparités de poids entre les véhicules pour pouvoir les freiner au régime voyageur. Les risques sont l’enrayage, une détérioration rapide des tables de roulements, une usure prématurée du rail, voire des chocs et des réactions inacceptables au niveau des attelages.

C’est pour éviter ces risques que certains wagons disposent en plus, d’un dispositif appelé vide/chargé permettant d’adapter son freinage en fonction du chargement, sur d’autres véhicules. Il s’adapte automatiquement et est alors appelé, « autovariable ».

Toutefois, des wagons freinés au frein continu voyageur peuvent être incorporés dans un train de marchandises, si la masse freinée voyageur totale n’excède pas 200 tonnes.

Un train de messagerie est entièrement freiné au frein continu voyageur, mais il accepte dans sa composition des véhicules marchandises. Pour permettre cela, des wagons ont la possibilité d’être freinés à l’un ou l’autre de ces régimes. Un dispositif de changement de régime est donc placé sur ceux-ci.

5°) La Reconnaissance d’Aptitude au Transport

Il est donc impératif qu’avant chaque départ origine d’un train, ces manettes soient dans la bonne position.

Afin de le vérifier ainsi que d’autres points, un agent dit « Reconnaisseur » effectue une reconnaissance à l’aptitude au transport de tout le train. Cette opération essentielle à la sécurité des circulations, des infrastructures et surtout des personnes, est effectuée à partir du sol et des deux côtés du train.

Lors de cette opération, plusieurs points doivent être vérifiés, dont certains concernent directement ou indirectement le freinage du train.

Ces points se situent sur le wagon mais aussi sur les documents le concernant, notamment pour ce qui est des vitesses et des charges limites. Quand le train transporte des matières dangereuses, ces vérifications sont plus nombreuses.

Si le reconnaisseur détecte une inaptitude ou une avarie, il peut faire remanier la composition du train ou autoriser la traction sous certaines conditions, voire interdire l’acheminement de certains véhicules.

6°) Les essais de freins

En cas de nécessité, le train doit pouvoir s’arrêter d’urgence et ce depuis un point quelconque de la rame.

Cet arrêt doit s’obtenir automatiquement en cas de rupture de la conduite générale.

Il est donc impératif de vérifier le bon fonctionnement des freins d’un train périodiquement, après chaque anomalie détectée ou modification effectuée et, d’une manière plus générale, après chaque formation d’un train.

Différents contrôles des freins peuvent être effectués sur les trains, suivant :

- leur gare de formation ;

- - l’ajout ou le retrait de véhicule ou d’engin moteur et selon leur position dans le train ;

- leur temps de stationnement ;

- - leur nature : trains de voyageurs, messageries, marchandises ou de travaux

- - - le matériel utilisé ;

- une interruption éventuelle de la conduite générale.

Ces essais sont les suivants :

Essai complet : Vérifier le bon fonctionnement au serrage, puis au desserrage des freins de tous les véhicules sur lesquels le frein continu est en action, ainsi que la continuité de la conduite générale.

Essai partiel : Vérifier le bon fonctionnement au serrage, puis au desserrage des freins de certains véhicules ainsi que la continuité de la conduite générale.

Essai continuité : Vérifier la continuité de la conduite générale en s’assurant du bon fonctionnement au serrage puis au desserrage des freins du dernier véhicule freiné du train.

Essai raccordement : Vérifier le rétablissement de la conduite générale, en s’assurant du bon fonctionnement au serrage, puis au desserrage des freins du premier véhicule freiné situé en arrière du point de raccordement par rapport à la locomotive de remorque.

En outre, les trains comportant, en plus de la conduite générale, une conduite principale alimentée par l’engin moteur de remorque, font l’objet, au cours de l’essai du frein continu, d’une vérification de la continuité de cette conduite.

Ces essais sont effectués par les agents habilités.

Les vérifications de serrage et de desserrage des freins sur les véhicules se font visuellement, à l’aide du pied en appuyant sur les sabots ou au moyen de voyants ou de manomètre de contrôle.

7°) Le Calcul du Freinage

Pour partir, un train doit respecter certaines règles de composition avec un matériel correspondant aux caractéristiques de la ligne qu’il doit emprunter. Celles-ci sont référencées dans une consigne : le Livret de la Marche des Trains.

Afin de calculer le freinage suffisant des trains, il faut prendre en compte plusieurs éléments : le coefficient de décélération, le temps de réaction du frein, la déclivité, l'adhérence, le matériel utilisé.

Pour ce faire, l’argent formation, qui est chargé d’établir le bulletin de freinage (voir Annexe 4), doit connaître le nombre de véhicules, la longueur totale du train, la masse remorquée du train (ou masse sur rail), ainsi que la masse freinée réalisée.

En fonction de la masse remorquée (MR), l’agent calcule la masse freinée nécessaire du train (MFN), correspondant à un certain pourcentage de la MR.

Cette MFN doit être inférieure à la masse freinée réalisée pour que le train puisse partir. Si elle ne l’est pas, le train doit être remanié ou la vitesse restreinte, jusqu’à ce qu’elle le soit. Dans ces cas là, le régulateur circulation doit être avisé.

La masse freinée nécessaire sert au conducteur à adapter le freinage de son train.

Toutes restrictions ou observations sont portées dans le cadre prévu à cet effet dans le bulletin. Le bulletin ainsi établi sert à informer le conducteur sur son train.

Conclusion

Le freinage est un outil essentiel de la sécurité, certainement le plus important. L’augmentation de la vitesse et du trafic tendent à le développer et donc à rechercher et essayer de nouveaux systèmes, comme en leurs temps le frein automoteur et le frein à contrepoids dont les projets furent abandonnés par manque de fiabilité, ou encore le frein électro-hydraulique présent aujourd’hui sur certains tramways.

Des innovations sont donc à venir, notamment dans le domaine de la friction avec l’arrivée de nouveaux matériels (céramiques, aluminium renforcé, carbone, composites performants, etc.).

En matière de commande aussi, l’électronique devrait se généraliser sur les trains de fret, comme aux USA.

Cette commande permet une réduction des distances d’arrêts, d’usure des freins et de consommation d’énergie et donc une augmentation de la vitesse et une meilleure maniabilité du système de freinage.

Et si les matériaux évoluent, les règlements et le calcul du freinage connaissent eux aussi quelques changements, comme en atteste le passage il y a quelque années du bulletin de composition au bulletin de freinage.

Toutes ces recherches et prescriptions n’ont pour but que de répondre à l’éternel problème du transport ferroviaire : le faible coefficient d’adhérence roue sur rails.

Deux sites à visiter :

http://florent.brisou.pagesperso-orange.fr

http://www.deschamps-web.com

Posté par Myltiad à 20:04 - Commentaires […] - Permalien [#]

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