Cours de TRACTION Ferroviaire

T R A C T I O N F E R R O V I A I R E ___________________________________________________________________

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Pierre CHAPAS

Ingénieur DPE Professeur à l’ESTACA

TT RR AA CC TT II OO NN

FF EE RR RR OO VV II AA II RR EE

Edition 2001


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COURS

de

TRACTION FERROVIAIRE

Pierre CHAPAS Ingénieur DPE

Professeur ESTACA Avec la collaboration de : Marc DEBRUYNE Bernard LEROUGE Jacques LARGE Ingénieur HEI Ingénieur ESE Ingénieur INSA – Lyon Professeur ESTACA et ESEM

Antonio MESAGLIO Jean-Michel PETIT Jean-Charles LAMURE Ingénieur ECL Ingénieur ENSEM Nancy Ingénieur Commercial


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Ce Document est la propriété exclusive de l’Auteur. Il ne peut être reproduit, partiellement ou complètement par quelque moyen que ce

soit, sans son accord écrit.


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Ce cours est le fruit de plus de dix années d’enseignement et de formation en entreprise et en écoles d’Ingénieurs. Il s’adresse aux techniciennes, techniciens et ingénieurs désireux de connaître les points de repères essentiels de leur métier ou futur métier.

Les éditions précédentes sont entièrement revues et complétées du

fait certes, de l’évolution technologique, mais aussi de la démarche système qui s’applique au chemin de fer. Ce moyen de transport est une des composantes majeures de la vie économique. Quel que soit notre rôle, nous devons avoir la préoccupation constante de réduire son coût tout en améliorant sans cesse sa performance grâce à l’innovation.

L’auditoire auquel nous nous adressons est varié, c’est pourquoi aucun aspect n’est négligé, y compris le rappel des solutions « anciennes ». L’histoire en effet, explique pour une large part l’acuité des problèmes à résoudre.

L’esprit de l’ouvrage privilégie l’aspect concret en l’allégeant des

lourdes démonstrations que le lecteur trouvera dans les publications spécialisés.

Mes vifs remerciements s’adresse à l’équipe d’Ingénieurs qui m’a prodigué conseils, remarques ou orientations. Le « moteur » de ce travail est la passion pour ce métier ferroviaire, domaine - clé du siècle débutant. Pierre CHAPAS


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S o m m a i r e

ORIGINES ET DEVELOPPEMENT DU CHEMIN DE FER 1-1 (fichier : 1_ORIGINE.doc)

LE SYSTEME FERROVIAIRE 2-1 (fichier : 2_SYSTEME.doc)

LE CONTACT ROUE-RAIL 3-1 (fichier : 3_CONTACT.doc)

L’effort à transmettre : le problème de l’adhérence 3-2 Roulement, frottement et surface de contact Loi de Coulomb, surface de Hertz 3-2 Contraintes au contact roue -rail 3-2 Un phénomène physique : le pseudo –glissement 3-4 Effort transmissible : coefficient d’adhérence 3-5 Facteurs influençant l’adhérence 3-5 Le guidage de l’essieu 3-6 Le lacet : mouvement parasite de l’essieu 3-7 Le déraillement 3-7 Cas particulier : le roulement sur pneumatique 3-8 LA VOIE 4-1 (fichiers : 4_VOIE_1.doc et 4_VOIE_2.doc)

Technologie 4-2 Le tracé de la voie 4-13 Le profil 4-13

Les courbes 4-15 Les appareils de voie 4-22

Le gabarit 4-26 La maintenance de la voie 4-27 Voies spéciales 4-29

LE MATERIEL ROULANT 5-1 (fichier : 5_MATERIEL.doc)

Le matériel remorqué pour les passagers 5-2 Le matériel remorqué pour le fret 5-3 Le matériel moteur 5-4 Les différents modes de traction 5-5

La traction autonome 5-5 La traction électrique 5-6

Comparatifs des modes de traction 5-6 Une question de terminologie 5-7


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DIMENSIONNEMENT et ARCHITECTURE d’un ENGIN MOTEUR 6-1 (fichier : 6_DIMMENS.doc) Dimensionnement de l’engin moteur 6-2

Le programme de traction 6-3 L’effort de traction 6-4 Adhérence utilisable en traction 6-5 Les efforts résistants 6-5 Résistance à l’avancement – expression générale 6-5

Résistance à l’avancement du matériel moteur 6-7 Résistance à l’avancement du matériel remorqué 6-7 Résistance à l’avancement d’une automotrice 6-8 Résistance à l’avancement du matériel à grande vitesse 6-8 Résistance due au profil de la voie 6-9 Résistance due à l’inertie : effort accélérateur 6-10 Cas particulier de la résistance au démarrage : le “ décollage ” 6-11

La vitesse 6-11 Puissance de traction 6-12

Caractéristique effort – vitesse 6-12 Régimes de marche 6-13

Puissance absorbée, puissance auxiliaire, rendement 6-13 Masse et gabarit 6-14 Exercice d’application 6-15 Effort en freinage 6-19 Architecture de l’engin moteur 6-20

ALIMENTATION en ENERGIE de TRACTION 7-1 (fichier : 7_ALIMENTATION_HT.doc)

Premier constat : des systèmes d’alimentation différents 7-3 Les systèmes d’alimentation 7-3 Fourniture de l’énergie électrique 7-6 Interface avec le réseau général : les sous-stations de traction 7-6 Sous-station à courant continu 7-6

Technologie d’une sous-station à courant continu 7-6 Evolution des sous-stations 1500 V 7-9 Distribution du courant de traction 7-10 Monophasé à fréquence industrielle 50 Hz (ou 60 Hz) 7-11

Constitution d’une sous-station monophasée 7-12 Prélèvement monophasé :sectionnement 7-13 L’alimentation en 2 × 25 kV 7-15 Monophasé en fréquence spéciale 16,7 Hz 7-16 Franchissement de séparation de deux systèmes 7-17

Commande – contrôle des sous-stations 7-18 Distribution de l’énergie de traction : deux systèmes 7-19 Conducteur latéral 7-19 Le système caténaire 7-20 Géométrie de la caténaire 7-21 Tension mécanique du fil de contact 7-22 Suspension 7-23


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Caténaire à courant continu 7-24 Caténaire monophasée 7-25 Retour du courant de traction 7-26

ROULEMENT – BOGIE 8 1 (fichiers : 8_BOGIE_1, 8_BOGIE_2, 8_BOGIE_3.doc)

Pourquoi un bogie ? 8 2 Fonctions du bogie 8 3 Disposition générale 8 3 Inscription en courbe 8 6 Stabilité sur voie : tenue du bogie en alignement 8 8 Technologie de l’essieu moteur 8 9 Support de la charge - Suspension primaire 8 13 Châssis de bogie 8 13 Liaison essieu - châssis de bogie 8 14 Transmission des efforts 8 15 Moteur sur bogie 8 15 Moteur et transmission semi suspendus 8 16 Moteur entièrement suspendu sur bogie 8 16 Transmission moteur essieu 8 17 Moteur sous caisse 8 17 Moteur et transmission entièrement suspendus entre caisse et bogie 8 18 Bogie à essieux orientables : liaison moteur essieu 8 18 Bogie à roues indépendantes 8-19 Rapport de réduction 8-20 Interfaces caisse – bogie 8-22 Support de charge et suspension secondaire 8-22 Inscription en voie 8-22 Transmission des efforts – le cabrage 8-23 Exemple d’application 8-27 CAISSE – INSTALLATION 9-1 1 (fichiers : 9_CAISSE_1.doc, 9_CAISSE_2.doc)

La caisse 9-1 2 Fonctions à assurer 9-1 2 Transmission des efforts : la structure 9-1 2

Dimensionnement 9-1 2 Matériaux des structures 9-1 3

Différents types de structures 9-1 4 Validation de la structure 9-1 6 Choc et traction 9-1 6 Chocs accidentels 9-1 8 Installation des fonctions 9-2 10 Fonctions réparties 9-2 11

Câblage 9-2 11 Tuyauterie 9-2 11

Evacuation des pertes 9-2 12


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Fonctions spécifiques 9-2 14 Diagramme 9-2 14 Conduite 9-2 17 La rame articulée 9-2 18 Le principe et le pourquoi 9-2 18 L’articulation sur bogie 9-2 19 La remorque – clé 9-2 21 La remorque extrême 9-2 21

PARTIE ELECTRIQUE 10-1 1 (fichier : 10_1_Evolution.doc)

La chaîne de traction 10-1 2 évolution de la traction électrique 10-1 2 La traction électrique débute grâce au moteur à courant continu 10-1 2 L‘avènement de la fréquence industrielle 10-1 3 Moteurs asynchrone, synchrone et semi conducteurs 10-1 4 Et le bogie monomoteur ? 10-1 6 Et maintenant ? 10-1 6

Le MOTEUR ELECTRIQUE de TRACTION 10-2 1 (fichier : 10_2_Moteur_dc.doc) Quelques rappels 10-2 1 Le moteur à courant continu 10-2 2 Caractéristiques du moteur à courant continu 10-2 4 Adaptation des caractéristiques du moteur 10-2 5 Technologie du moteur à courant continu à collecteur 10-2 6 Un double handicap du moteur à courant continu à collecteur 10-2 7 Le moteur de traction synchrone (fichier : 10_3_Moteur_S.doc) 10-3 1 Principe de fonctionnement 10-3 1 Le moteur synchrone en traction 10-3 1 Alimentation du moteur synchrone 10-3 2 Onduleur d’alimentation d’un moteur synchrone double étoile 10-3 3 Technologie du moteur synchrone 10-3 5

Le moteur de traction asynchrone (fichier : 10_4_Moteur_AS.doc) 10-4 1 Principe de fonctionnement 10-4 1 Le démarrage 10-4 2 L’onduleur de courant 10-4 3 L’onduleur en tension 10-4 4 Caractéristique F(V) et adhérence 10-4 6 Technologie du moteur asynchrone 10-4 7 Les SEMI-CONDUCTEURS de PUISSANCE en TRACTION 10-5 1 (fichier : 10_5_Semicond.doc) Qu’est-ce qu’un semi conducteur ? 10-5 1 Le dopage 10-5 1 Jonction et diode 10-5 2 Application de la diode : le redressement 10-5 4 Le thyristor 10-5 5 Le thyristor GTO 10-5 7 Transistor IGBT 10-5 9


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Thyristor MCT 10-5 11 Evacuation des pertes – refroidissement 10-5 12 SCHEMAS de PUISSANCE 10-6 (fichier : 10_6_ Schémas.doc) Schémas de puissance avec moteur à courant continu 10-6 2

Les schémas de jadis . . . 10-6 2 Le redresseur sous tension alternative en fréquence industrielle 10-6 4 Traction thermo - électrique à courant continu 10-6 5 Le semi conducteur contrôlé : schémas à THYRISTORS 10-6 6 Thyristor sous tension continue 10-6 8

Le filtre d’entrée 10-6 9 Schémas multi tensions 10-6 10

La sélection de la tension 10-6 10 Schémas de puissance avec moteur synchrone 10-6 11 Schémas de puissance avec moteur asynchrone 10-6 14

Convertisseur d’entrée : pont monophasé à commutation forcée 10-6 15 Schéma mono tension continue 10-6 16 Schéma bi tension monophasé / continue 10-6 17 Schémas en traction autonome 10-6 18

Les AUXILIAIRES 10-7 1 (fichier : 10_7_Auxiliaires.doc) Qu’entend-on par « AUXILIAIRES » ? 10-7 1 Inventaire des fonctions auxiliaires 10-7 1

Evacuation des pertes : refroidissement – ventilation 10-7 2 Energie pour le frein 10-7 3 Pertes en freinage électrique 10-7 3

Energie pour le frein 10-7 3 Energie électrique basse tension 10-7 3 Energie de confort 10-7 4 Energie pour le train 10-7 4 Bilan des auxiliaires 10-7 4

Architecture des auxiliaires 10-7 5

TECHNOLOGIE des CIRCUITS de PUISSANCE 10-8 (fichier : 10_8_Technologie.doc) Captage du courant 10-8 1 Le pantographe 10-8 1 Le frotteur 10-8 3 Haute tension et protection 10-8 4 Ligne de toiture 10-8 4 Protections 10-8 5 Le disjoncteur 10-8 5 Parafoudre 10-8 9 Palpage 10-8 9 Sectionneur de mise à la terre 10-8 9 Adaptation de la tension : le transformateur 10-8 9 Commutation électromécanique 10-8 10 Sectionneur 10-8 10 Contacteur 10-8 10


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Inverseur et commutateur traction freinage 10-8 11 Installation en blocs 10-8 11 Refroidissement 10-8 11 Rhéostat de freinage 10-8 12 COMMANDE – CONTRÔLE - REGULATION – PROTECTION – SECURITE 10-9 (fichier : 10_9_Controle.doc) Commande et contrôle 10-9 1 Evolution de la commande et du contrôle 10-9 3 La régulation 10-9 5 Protections 10-9 6 La sécurité – Interfaces sol 10-9 7 Veille automatique 10-9 7 Enregistrement – Informations vitesse 10-9 7 Equipements de sécurité sol 10-9 8

TRACTION à MOTEUR THERMIQUE 11-1 (fichier : 11_THERMIQUE.doc) Aperçu historique 11-1 Caractéristiques et dimensionnement 11-2 Architecture de base 11-4 Choix du moteur thermique 11-4 Choix de la transmission de puissance 11-4 Spécificités de l’installation 11-6

Le SYSTEME de FREINAGE 12-1 (fichier : 12_FREIN.doc) Généralités 12-2 Principes 12-2 Paramètres du freinage 12-2 Puissance de freinage 12-4 Comment freiner ? 12-5 Le freinage par frottement 12-5 Le freinage dynamique 12-6 La commande du freinage 12-9 La production d’énergie pneumatique 12-13


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L’EXPLOITATION des TRAINS – La SIGNALISATION 13-1 (fichier : 13_EXPLOITATION.doc) Qu’est-ce que l’exploitation ? 13-2 Les contraintes de l’exploitation 13-2 Les acteurs de l’exploitation 13-2 Le réseau 13-3 Le parc de matériel roulant 13-3 Les systèmes de sécurité associés 13-3 Les entités de régulation 13-3 Plusieurs types d’exploitation 13-6 Exploitation grande ligne 13-6 Exploitation métro et ligne grande vitesse 13-6 Exploitation « banlieue » 13-7 Exploitation spéciale 13-7 La signalisation – Qu’est ce que la signalisation ? 13-8 (fichier : 13_2_SIGNALISATION.doc) Signalisation et sécurité 13-8 Les fonctions assurées par la signalisation 13-10 L’espacement des trains 13-10 La protection des itinéraires 13-10 L’information de vitesse 13-11 Les moyens de la signalisation 13-11 Les installations au sol 13-11 Les installations de contrôle de vitesse 13-15 Les équipements embarqués 13-17 Equipements passifs 13-17 Equipements actifs 13-18 Les systèmes de signalisation européens 13-19 Les Postes de commande 13-21 La signalisation spécifique de traction électrique 13-22

Annexe 1 Lignes de chemin de fer dans le monde Bibliographie


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1° partie

OORRIIGGIINNEESS eett DDEEVVEELLOOPPPPEEMMEENNTT

dduu CCHHEEMMIINN ddee FFEERR


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OORRIIGGIINNEESS eett DDEEVVEELLOOPPPPEEMMEENNTT dduu CCHHEEMMIINN DDEE FFEERR ’invention de la roue, datant d’environ 5000 ans avant Jésus-Christ, fût accompagnée, probablement dès l’Antiquité, par la recherche de son guidage au moyen d’ornières : les Grecs et les Romains en parlent. Le chemin de fer est un système de transport guidé dont l’existence précède largement

l’invention de la vapeur : les diligences ou wagonnets miniers, sur voies en bois puis en fer, étaient tractés par des chevaux ou poussés par l’homme. Quelques repères chronologiques mettent en évidence cette lente maturation avant l’invention du “ CHEMIN de FER ” tel que nous le connaissons aujourd’hui : 1550 : La plus ancienne image de rails connue, une gravure sur bois de la Cosmographie Universelle de Sébastien Munster, parue à Bâle, montre un wagonnet poussé par un mineur dans la mine alsacienne de Leberthal.

1734: le “ Cours de Physique expérimentale ” de Désaguliers mentionne l’usage de la roue “ à mentonnet ”, ancêtre du boudin de guidage.

1738 : Des plaques de fonte commencent à recouvrir les rails de bois pour les protéger d’une usure prématurée sous le fréquent passage des wagonnets. Les charbonnages anglais de Whitehaven renforcent ainsi leurs voies. 1671 : Denis PAPIN découvre la force de la vapeur. 1765 : James WATT construit une machine à vapeur fixe.

1769 : Nicolas CUGNOT construit le premier véhicule routier à vapeur.

1804 : La première locomotive au monde est construite par Richard Trevithick. D’une masse de 15 tonnes, elle remorque un train de 10 wagons chargés de 10 tonnes de fer avec 70 hommes sur 15 km entre les forges de Clamorganshite et Abercynon au Pays de Galles.

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1828 : Marc SEGUIN invente la chaudière tubulaire ; ses premières locomotives construites à partir de celles de STEPHENSON, circulent dès 1831 sur la première ligne de chemin de fer française entre St Etienne et Andrézieux. 1839 : De l’Usine SCHNEIDER, au CREUSOT sort la première série de locomotive “ GIRONDE ” pour le chemin de fer de Paris à Versailles, tandis que les Etablissements KOECHLIN de Mulhouse construisent la NAPOLEON pour la ligne de THANN. Plus d’un siècle et demi de progrès Les premières lignes de chemin de fer sont construites en Europe et aux Etats-Unis. La traction à vapeur acquiert ses lettres de noblesse : les locomotives CRAMPTON sont autorisées à rouler à 120 km/h dès 1853 par la Compagnie du Nord.

Investisseurs privés et puissance publique misent sur ce nouveau moyen de transport : le seul parce que l’aéronautique est balbutiante et la route n’a pas encore quitté la traction animale.

1837 1851 1875


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L’électricité toute récente part à la conquête du rail en 1879 grâce au petit train électrique de SIEMENS et HALSKE présenté à l’exposition industrielle de Berlin, suivi dès 1881, par la mise en service du premier tramway électrique dans la même ville.

Les transports urbains ont bénéficié de la traction électrique avant la « grande ligne » pour deux raisons :

- la traction animale des « omnibus » posait déjà des problèmes de pollution - les puissances relativement faibles mises en jeu étaient à la portée de

l’électrotechnique de l’époque face à la vapeur capable de vitesses élevées et d’efforts de traction importants. C’est le 14 juillet 1900 que la première ligne de métropolitain est inaugurée à Paris.

Outre la traction, les autres technologies ferroviaires telles que signalisation, voie, infrastructure, se développent au même rythme : les premiers signaux et aiguillages commandés à distance datent de 1903 à la Compagnie du Midi. 1900 : premier train français à traction électrique entre Paris -Orsay et Austerlitz sous tension continue 600 Volts.

1903 : une automotrice à moteurs asynchrone construite par Siemens et AEG, circule à 213 km/h. Elle est alimentée en courant alternatif triphasé sous 10 000 Volts, 45 Hertz.

1904-1905 : premiers essais en Suisse d’une locomotive alimentée sous tension 15 kV et fréquence 16,7 Hz sur la ligne Seebach-Wettingen, par BEHN-ESCHENBOURG et HUBER-STOCKAR, Directeur des Ateliers de Construction d’OERLIKON. L’apparition du moteur à combustion interne en traction date de 1912, grâce à la Société suisse SULZER. Première locomotive de 1200 ch équipée grâce à l’invention, 16 ans plus tôt, de l’allemand Rudolph DIESEL. La Compagnie du P.L.M. met en service en 1931 les premières locomotives Diesel à transmission électrique pour les manœuvres. En traction de grandes lignes, ce sont les fameux « Trains Automoteurs Rapides - T.A.R » qui desservent Paris - Lille dès 1934.

Les destructions de la seconde guerre mondiale imposent de remettre en route l’économie des pays. La traction à vapeur est la seule en mesure d’assurer les besoins quotidiens du transport ferroviaire.


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La France importera des Etats-Unis , grâce au Plan Marshall, plus de 1000 locomotives :

les fameuses 141 R qui seront les dernières machines à vapeur en service sur le réseau français jusqu’en 1974.

SCHNEIDER au Creusot, livre de 1949 à 1952 la dernière série de locomotives à vapeur étudiée en France: les 241 P. D’une puissance maximum aux cylindres de 4000 ch à la vitesse de 120 km/h, elles ont bénéficié des perfectionnements élaborés par les deux « grands » de la vapeur : André CHAPELON et Marc DE CAZO.

Le développement de la traction électrique prend à la Libération un essor sans précédent

suivant trois axes : - les grandes électrifications, telle que PARIS-LYON en 1952, grâce à la mise en service de

locomotives à grande puissance et adhérence totale : les CC 7100 et BB 9000 - l’utilisation de la tension monophasée en fréquence industrielle 50 Hertz - l’accroissement des vitesses commerciales Deux noms sont attachés à ces choix cruciaux qui décidèrent de l’avenir ferroviaire dont nous vivons encore : Louis ARMAND (1905-1971) Fernand NOUVION

Président-Directeur Général de la SNCF Ingénieur général à la Division des Etudes de Traction

Electrique de la SNCF

L’industrie ferroviaire est représentée par les principaux constructeurs : - la Société Générale de Constructions Electriques et Mécaniques – ALSTHOM - - le Matériel de Traction Electrique – MTE - regroupant :

• Forges et Ateliers de Construction Electrique de JEUMONT – FACEJ - • SCHNEIDER-WESTHINGHOUSE - SW -


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• Société des Forges et Ateliers du CREUSOT-Usines SCHNEIDER –SFAC - - BRISSONNEAU et LOTZ à La Rochelle - CAREL FOUCHE ; ANF ; MOÏSE, CEM (devenu Traction CEM Oerlikon)


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Ce sont les années des records de vitesse : - 243 km/h en février 1954 sur Dijon -Beaune avec la CC 7121

- 331 km/h en mars 1955 sur la ligne des Landes avec les CC 7107 et BB 9004

1954 : VALENCIENNES-THIONVILLE :première ligne électrifiée en 25 kV 50 Hz, à l’issue de l’expérimentation sur ANNECY - LA ROCHE sur FORON. La quasi totalité des lignes électrifiées par la suite le seront avec ce système.

La fréquence industrielle “ à la française ” s’exporte dans de nombreux pays : INDE, CHINE, URSS (avant CEI), JAPON, COREE du Sud, CROATIE, SERBIE, ANGLETERRE, DANEMARK, PORTUGAL, TURQUIE, etc.

L’industrie ferroviaire européenne fonde le « Groupement 50 Hz » avec ALSTHOM, MTE, BBC, Siemens, AEG, ACEC. La décennie 70 est celle du développement de la grande vitesse : - prototype TGV 001 de la SNCF : rame à turbines à gaz et transmission électrique destinée à explorer la dynamique ferroviaire aux vitesses supérieures à 300 km/h - mise en service des trains rapides à 200 km/h

en France sur PARIS - TOULOUSE et BORDEAUX (“ le Capitole ”, “ l’Etendard ” au temps où les trains portaient des noms !). Les locomotives CC 6500 de 5900 kW en assurent la traction,

locomotives à courant continu à rhéostat de puissance unitaire probablement jamais égalée. - Le “ TOKAÏDO ” au JAPON (électrifié en 25 kV - 50 Hz) - 1981 : mis en service commerciale du TGV - PARIS - Sud-Est.


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DEVELOPPEMENT et AVENIR Trois axes majeurs de développement marque le XXI° siècle : la grande vitesse, les

transports urbain et suburbain, le transport du fret La grande vitesse Après la France et le Japon, pionniers en la matière, tous les continents misent sur son extension ou sa création comme argument majeur du développement économique. L’unification européenne contribue à l ‘élaboration d’un véritable réseau à grande vitesse comme l’indique la carte. Les transports urbain et suburbain

Les réseaux de métropolitains construits au début du XX° siècle se modernisent et étendent leurs lignes aux nouveaux quartiers, tandis que de nombreuses villes créent leur propre réseau.

L’investissement est tel que d’autres s’orientent vers le réseau de surface en « site propre » grâce au Tramway. Délaissé en France au profit de l’automobile dans les années d’après-guerre, au contraire des pays germaniques, il connaît une renaissance spectaculaire. Les banlieues voient leur trafic croître également faisant appel à des solutions mixtes telle que le « Tram-Train ».

Le transport du fret Le chemin de fer avait autrefois le monopole en la matière. Son coût et son manque de

souplesse – inapte au porte à porte, retour de matériel vide – l’on placé en position très défavorable face à la concurrence. En revanche le développement considérable du transport routier conduisant à la saturation et à l’insécurité, provoque une reprise de parts de marché du fret ferroviaire.

L’Europe comme les autres continents connaîtront des investissements très lourds dans le fret dans les années à venir. Citons pour mémoire les traversées alpines en projet : tunnels de base du St Gothard et du Lötschberg, liaison Lyon – Turin

. Les technologies appliquées au transport ferroviaire connaît les développements de

l’électronique, de l’informatique et de l’information. Les exemples que nous développeront dans cet ouvrage sont nombreux : le moteur asynchrone supplante le moteur à courant continu ; le contrôle commande informatisé est généralisé, les composants s’industrialisent à la place du particularisme ferroviaire.

Les objectifs s’orientent vers l’économie en matière de coûts de cycle de vie et d’exploitation – maintenance, énergie, recyclage. La page du bel objet ferroviaire, chef d’œuvre de technique est bien tournée au profit de solutions fiables et économiques.


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2° partie

LLee SSYYSSTTEEMMEE FFEERRRROOVVIIAAIIRREE


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LLEE SSYYSSTTEEMMEE FFEERRRROOVVIIAAIIRREE A la base du système ferroviaire est la technologie de roulement et de guidage ROUE – RAIL : Comme tout système, il se décline en plusieurs composantes – ou vecteurs - : - le MATERIEL ROULANT, basé sur cette technologie, comprend:

• le matériel REMORQUE dédié au transport des Clients (Passagers et Fret) • le matériel MOTEUR nécessaire à la traction des charges remorquées

Ce matériel se déplace sur : - une INFRASTRUCTURE constituée par :

• la PLATE-FORME : terrain sur lequel elle est construite • les VOIES FERREES sur lesquelles circule le matériel roulant • les OUVRAGES D’ART pour le franchissement des obstacles naturels : ponts,

viaducs, tunnels, tranchées, remblais, déblais • les TERMINAUX et GARES permettant l’accès et le transit des Clients

Le matériel roulant a besoin pour se mouvoir : - d’ENERGIE sous deux formes possibles :

• COMBUSTIBLE embarqué à bord • ELECTRIQUE distribuée aux engins moteurs grâce aux INSTALLATIONS

FIXES d’alimentation à partir d’un réseau général. L’ensemble des transports est assuré par des trains; la gestion de leur circulation constitue :

- le TRAFIC répondant à la demande des Clients. Celui-ci doit être géré par : - l’EXPLOITATION conformément à des HORAIRES et une REGULATION de ceux-ci. - la SECURITE constituée des installations au sol et embarquées et d’une réglementation

La tenue en service de toutes les composantes du système exige une MAINTENANCE

organisée.

roues

boudins

rails


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Les CLIENTS

Ils sont la raison d’être du système ferroviaire. Deux types s’en partagent la demande : les PASSAGERS et le FRET.

Pour chacune d’elles on distinguent plusieurs catégories : - Passagers « grandes lignes » exigeant des relations rapides et confortables - Passagers « inter – villes », moyenne distance, exigeant la fréquence des relations - Passagers « banlieue » - Passagers intra-muros type « métropolitain » ou tramway

La demande - FRET est caractérisée par une grande variété de Clients :

- produits pondéreux (agricoles, chimiques, sidérurgiques ou minéraux) - combustibles (charbon, pétrole, gaz, etc.) - produits finis (automobiles) - combinés (containers, caisses mobiles) - colis isolés

Le transport du fret est l’objet d’un vaste plan d’adaptation dans les pays fortement industrialisés. A partir de l’infrastructure existante et des atouts de base du chemin de fer : économe en énergie, respectueux de l’environnement, apte au transport de masse. La réduction des coûts de transport exige de « réinventer » des dessertes en termes de souplesse, de qualité, de rapidité. A chaque demande doit répondre une offre spécifique faisant appel à un « PROGRAMME de TRACTION » . L’universalité en matière ferroviaire n’existe pas ! L’objet de cet ouvrage est de mettre en évidence l’évolution de la traction en soulignant, pour chacune des composantes du système, les fonctions à assurer et les contraintes à satisfaire. L’offre et la demande de transport sont gérées par les entités commerciales comme pour toute entreprise. Elles se traduisent par une OFFRE de PRODUITS, sous deux formes principales: * la TONNE KILOMETRES (TK) ou TONNE KILOMETRES BRUT REMORQUEE (TKBR) mesurant la charge totale y compris le contenant ou tare. * le VOYAGEUR - KILOMETRES (VK) complétée, éventuellement par des prestations annexes telles que réservations d’hôtel, location de voitures, terminaux, stockage, etc.…) L’ensemble des composantes peut être présentée ainsi :


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Le système ferroviaire est un ensemble inséré dans un contexte socio-économique tel que sa capacité de transport constitue un enjeu déterminant de développement. Dans de nombreux pays il est encore structuré en entreprise publique ou semi-public. Parallèlement aux privatisations qui se multiplient, il existe de nombreux réseaux privés jouant un rôle particulier dans un contexte local ; réseaux miniers ou touristiques par exemple. Par ailleurs la tendance est d’organiser les réseaux en scindant les parts de l’infrastructure et de l’exploitation. En France « Réseau Ferré de France » gère les voies et installations fixes, tandis que la SNCF est exploitante. Dans tous les cas le système ferroviaire doit satisfaire un certain nombre de contraintes garantissant les prestations offertes aux Clients, tant du point de vue sécurité que du point de vue commercial.

Les Réseaux sont très souvent interconnectés: le modèle européen est exemplaire de ce point de vue. Les transports ferroviaires évoluent dans un contexte de concurrence ; les investissements représentent des montants tels qu’ils ne peuvent être supportés par la collectivité sans une sélectivité accrue, voir même une rentabilité qui se substitue à la notion de service public. La recherche permanente de productivité s’accompagne d’une démarche de « Life Cycle Cost - LCC » ou « coût de Cycle de Vie » comprenant les frais d’acquisition et d’amortissement, les coûts d’exploitation – énergie, conduite, les coûts de maintenance – opérations d’entretien, de réparation, pièces de rechange – et coûts de recyclage et de destruction.

Ces évolutions transforment radicalement le chemin de fer tel qu’il a vécu durant plus d’un siècle en situation de monopole, - aux frais rarement maîtrisés – du contribuable.

MATERIEL ROULANT

MMMAAATTTEEERRRIIIEEELLL RRREEEMMMOOORRRQQQUUUEEE

MMMAAATTTEEERRREEELLL MMMOOOTTTEEEUUURRR

EEENNNEEERRRGGGIIIEEE IIINNNFFFRRRAAASSSTTTRRRUUUCCCTTTUUURRREEESSS

TTTRRRAAAFFFIIICCC EXPLOITATION SECURITE

CCCLLLIIIEEENNNTTTSSS

FRET PASSAGERS

- Plate-forme - Voies - Ouvrages d’art - Terminaux

- Combustible - Energie électrique

- Horaires - Régulation

- Signalisation - Réglementation


27

CE QU’EST LE CHEMIN DE FER DANS LE MONDE

En 1996 le Chemin de fer représente dans le monde, 1 226 000 km de voies ferrées, dont plus de 260 000 km en Europe, et près de 33 000 km exploités en France. La répartition par continents est donnée ci-après; le tableau de l’Annexe 1 est la liste exhaustive de tous les Pays équipés de réseaux ferroviaires.

Continent Lignes (km) EUROPE 261 590 Pays C E I 148 110 AFRIQUE - MOYEN-ORIENT 96 096 AMERIQUES 434 779 ASIE OCEANIE 285 925

total 1226500

EUROPE21 %

OCEANIE 3 %

AMERIQUE du Nord26 %

AMERIQUES Centrale et Sud

9 %AFRIQUE 8 %

Pays C E I12 %

ASIE20 %

A titre d’exemple le volume des Clients transportés par voies ferrées dans le monde en 1996 est:

Passagers - km (M²) Tonnes - km (M²) EUROPE (+ CEI - RUSSIE) 430 634dont France 55 48 CHINE 354 1283INDE 319 249JAPON 249 25ETATS-UNIS 8 1906reste du monde 325 1409

total 1685 5506


28

33°° PPaarrttiiee

LLee CCOONNTTAACCTT RROOUUEE –– RRAAIILL

AADDHHEERREENNCCEE eett GGUUIIDDAAGGEE


29


30

LLEE CCOONNTTAACCTT RROOUUEE -- RRAAIILL L’EFFORT à TRANSMETTRE : le PROBLEME de l’ADHERENCE Le nom « ADHERENCE » est, dans l’esprit de tous, lié au déplacement terrestre, qu’il soit humain : nos pieds sur le sol, ou mécanisé comme celui de la roue. C’est dire l’importance de ce phénomène physique pour le rail, comme l’a parfaitement situé Louis ARMAND :

« L’adhérence est au chemin de fer ce que la portance est à l’aviation »

Les matériaux en présence ont profondément évolués. Les premiers rails étaient en fonte, avant l’élaboration du fer puddlé, puis en acier. Le faible coefficient de frottement mis en jeu a fait douter de la possibilité de transmettre un effort de traction. En 1813, William BRUNTON présente même un modèle de locomotive à vapeur muni de deux béquilles !

Le scepticisme fait cependant place à la certitude de Christopher BLACKET et William

HEDLEY qui démontrent en 1814 que l’adhérence des roues sur le rail permet la traction des trains. Mais l’éclatante preuve est celle de Marc SEGUIN au cours du fameux essai du 7 novembre 1829 à Lyon, avec sa locomotive à chaudière tubulaire :

« . . . elle commença à manœuvrer sur un chemin de fer d’essai de 140 mètres de long, qui a été établi dans un chantier de Perrache et qui présente les difficultés les plus grandes que l’on aura à surmonter sur la ligne, à savoir une pente de 16 mm et une courbe de 500 mètres de rayon. La machine remorquait quatre wagons chargés de quinze tonnes de fonte de fer ; ainsi en ajoutant au poids remonté, celui des wagons, elle a remorqué en montant dix neuf tonnes. Elle a exécuté cette manœuvre avec la plus grande facilité. On l’a fait arrêter au milieu de la pente la plus forte afin de s ‘assurer qu’elle pouvait surmonter cet obstacle sans être aidée par le mouvement acquis. Après quelques instants de repos, elle repartie sans la moindre difficulté. » Roulement, frottement et surface de contact Les lois de COULOMB ont les premières exprimé le frottement de deux solides en contact :

Le travail des forces de frottement est négatif dans le déplacement vrai de deux solides en contact

Les frottements ont toujours pour effet de diminuer la force vive d’un solide et l’amène au repos en un temps fini.

Les corps se déforment toujours au niveau de leur contact de sorte que celui-ci est une aire. Les forces qui s’exercent en tous points communs sont opposées et égales en module en vertu du principe de l’action et de la réaction. En un point A de la surface de contact, l’ensemble des réactions de S sur T donne :

- une résultante Rr

, appliquée en A - un couple K

r

S

T

NRr

Rt

Kr


31

La résultante se décompose suivant une réaction normale commune et une composante tangente à S et T, appelée force de frottement :

f est un coefficient numérique appelé coefficient de frottement de glissement. De même le couple se décompose en une composante TK

r dans le plan tangent commun à

S et T : c’est le moment du couple de frottement de roulement ; et la composante mKr

portée par la normale commune à S et T : c’est le moment du couple de frottement de pivotement. La surface de Hertz L’étude théorique du frottement considère le contact géométrique des deux solides S et T. Il ne prend pas en compte les paramètres de résistances des matériaux en présence, tels que la dureté et l’élasticité. Les études de HERTZ et BOUSSINESQ ont montré que l’aire de la surface de contact était une ellipse dont les axes sont fonction de :

- la charge Q - des modules d’Young E1 et E2 - des coefficients de Poisson v1 et v2

La relation entre surface de contact et charge est valable sous deux conditions : - la surface de contact est suffisamment petite en regard des dimensions des deux corps - les surfaces des deux corps sont supposées parfaitement lisses de sorte que le contact

soit soumis à une pression normale sans effort de cisaillement.

A : rayon de courbure du rail B : rayon de courbure de la roue k1 k2 : constantes dépendant du

module d’élasticité de l’acier et du coefficient de Poisson

m,n : coefficients dépendants du rapport :ABAB

+−

Q : charge de la roue sur le rail

Les demi -axes de l’ellipse ont les relations :

( )( )

31

21

BA4kkQ3ma ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

+⋅⋅⋅=

π

( )( )

31

21

BA4kkQ3nb ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

+⋅⋅⋅=

π

La surface de l’ellipse a pour expression : baS ⋅⋅= π

Une roue de 1100 mm de diamètre chargée à 11 tonnes donne un contact de : - grand axe a = 16,2 mm - petit axe b = 13 mm - surface S = 160 mm2

- pression maximale de Hertz p0 = 1 GPa - pression moyenne pmoy = 0,7 GPa - écrasement roue + rail δ = 98 μm

QQ == 1111 tt

B = 1100 m

m

AA


32

Ces contraintes dépassent largement la limite élastique des aciers :il y a un phénomène d’écrouissage au voisinage des surfaces. Mais compte tenu du très petit volume concerné, ces pressions considérables n’engendrent pas de déformation permanente ; les parties qui l’entourent réalisent une sorte de frettage. Un phénomène physique : le pseudo glissement

La roue soumise à un couple moteur, exerce un effort tangentiel sur la surface du rail. Les efforts au niveau des deux corps sont :

- dans la roue : compression en amont du contact ; traction en aval - dans le rail : traction en amont du contact ; compression en aval.

Ainsi les surfaces de contact de la roue et du rail ne coïncident-elles pas : la vitesse circonférentielle Ω1 est plus élevée que la vitesse de translation V2 de son centre. C’est le pseudo glissement.

Il existe deux zones : l’une soumise à ce pseudo glissement, l’autre non soumise, dans laquelle le contact des deux surfaces coïncide. Plus l’effort transmis est important, plus la zone de pseudo glissement s’étend. Au delà d’un seuil la totalité du contact est en pseudo glissement : il n’ y a plus adhérence : c’est le glissement franc. Si l’effort tangentiel est moteur – en traction - c’est le patinage : la vitesse circonférentielle de la roue est plus élevée que celle de son centre ; Si l’effort tangentiel est résistant – en freinage - c’est l’enrayage : la vitesse circonférentielle de la roue diminue et peut s’annuler. Le graphe du glissement en fonction de l’effort est donné ci-contre.

pseudo glissement

adhérence

glissement

effort

zone de glissement franc

zone de pseudo glissement


33

Effort transmissible : coefficient d’adhérence L’ADHERENCE est le phénomène physique permettant la transmission d’un effort

tangentiel – de traction ou de freinage – juste avant le glissement franc. Elle est définie par le rapport de l’effort tangentiel maximal à la charge supportée par la roue :

QFμ max=

Le coefficient d’adhérence est sans dimension : il exprime le pourcentage de la masse sur rail capable de permettre la traction ou le freinage. Il s’applique à la roue seule ou à l’essieu ou à un ensemble de plusieurs essieux. Facteurs influençant l’adhérence La réalité de l’exploitation est le plus souvent différente de la physique modélisée. Le contact roue rail est influencé de trois manières :

- l’état des surfaces en contact - la variation de la charge sur l’essieu - la vitesse L’état du rail est fonction de l’environnement : climat, pollution atmosphérique jouent un

rôle prépondérant sur l’adhérence. Il est bien connu que les voies ferrées traversant les zones forestières sont très perturbées par la chute des feuilles en automne. A l’inverse, un mauvais état du rail peut être compensé par l’interposition de sable. Le sablage reste l’un des derniers recours pour rétablir une bonne qualité de contact roue rail.

La charge par essieu statique est fréquemment modifiée par les conditions d’application de l’effort. En traction notamment, le phénomène de cabrage dû à la différence d’altitude des points d’application des efforts provoque des déchargements des essieux avants tels que l’on ne peut plus compter sur la charge statique pour solliciter la meilleure adhérence.

L’influence de la vitesse est une constatation expérimentale qui n’a pu être modélisée. On constate une diminution de l’effort transmissible avec l’accroissement de la vitesse. De nombreux essais ont été effectués notamment par la SNCF, de sorte que des lois empiriques sont en usage :

Fmax

Q

0 100 200 300 V(km/h)

Adhérence

0,4

0,3

0,2

0 1


34

LE GUIDAGE DE L’ESSIEU Guider toutes les roues des véhicules constituant un TRAIN est l’atout maître du système ferroviaire. Il repose sur un profil spécial de la roue conjugué à celui du rail. La table de roulement de la roue est conique, d’angle au sommet α ; elle est prolongée par un épaulement appelé “boudin”. L’ensemble de l’essieu constitue un “dicône” capable de se centrer naturellement en voie courbe : chaque roue se place sur le diamètre correspondant au chemin à parcourir : c’est un différentiel automatique.

Le boudin n’intervient normalement pas dans l’inscription de l’essieu en courbe. Mais dans le cas de rayons de courbure trop élevé par rapport à la conicité des roues ou d’un force centrifuge importante, il vient en contact avec le champignon du rail extérieur et joue le rôle de guidage sécuritaire.

αα αα

boudins

rails inclinés

D d D d


35

Le « lacet » : mouvement parasite de l’essieu En théorie le dicône se déplace suivant une trajectoire rectiligne sur une voie en alignement. En pratique les charges de chaque roue de l’essieu ne sont jamais identiques, de sorte que les diamètres de roulement ne sont pas égaux. Il se produit une oscillation autour du point d’équilibre.

A vitesse V l’essieu est animé d’un mouvement sinusoïdal autour de l’axe de la voie dont l’amplitude est :

Vb

2d

2tg

siny ⋅=

α

et la phase :

t.Vb

2d

2tg

cosn ⋅⋅=

α

ϕϕ

Le décalage transversal et l’angle d’inclinaison sont déphasés de π/2. Ce phénomène parasite revêt une grande importance en exploitation, compte tenu des masses en mouvement, donc des efforts transversaux mis en jeu. La technologie des liaisons entre organes de roulement et caisse de véhicule cherche à minimiser le mouvement de lacet. Le déraillement C’est le phénomène résultant d’un effort excessif de guidage du boudin par le champignon du rail. Dans ce cas on dit que le boudin « monte » sur le rail. L’équation d’équilibre au point de contact est donnée par la relation :

δ

δtg1

tg⋅+

−⋅=

N

N

ffQY

Y est l’effort transversal. La condition de circulation d’un véhicule ferroviaire est telle que :

Y ≤ 1,5 Q

d αα

2b

π/2-ϕ

y

Q

N fN

Y δ


36

Cas particulier : le roulement sur pneumatique Les atouts du roulement acier sur acier ont leur contre parties :

- limite de l’effort transmissible en traction et encore davantage en freinage - sensibilité aux inégalités du plan de roulement dues aux défauts et à l’usure des rails - bruit de roulement qui en résulte Très tôt les spécialistes de l’automobile et de son roulement sur pneumatique ont tenté de

joindre les deux technologies. C’est l’exemple de Robert William THOMSON qui, en 1846 dépose un brevet pour un véhicule muni de bandages à boudins creux en caoutchouc gonflé à l’air. Le chemin de roulement est constitué de rails plats, le guidage est réalisé par un 3° rail sur lequel viennent se guider des galets horizontaux placés entre les chemins de roulement. Cette invention fut délaissée. Il faut attendre 1929 pour qu’André MICHELIN, au cours d’un voyage en wagon-lit entre Paris et Cannes, perturbé par le rythme lancinant du martèlement des roues au passage des joints de rails, imagine mettre des pneumatiques à la place des roues en acier. Ce fut le développement des fameuses « MICHELINES ». Elles ne survécurent pas à sa mort et à la guerre en 1939.

Le principe du roulement sur pneumatique fut néanmoins repris par le métro parisien

dans les années 1950. Pour des raisons de performances en traction et en freinage et de bruits et vibrations, le développement pris une ampleur que nous connaissons : ligne 11 Porte des Lilas – Châtelet en 1957 ; ligne 1 Vincennes – Neuilly en 1964 ; métro de Santiago du Chili en 1970 puis Montréal ; métro de Lyon en 1978 ; métros automatiques « VAL »

La technologie repose sur le roulement pneumatique – piste associé à un roulement acier – acier en secours. Le guidage est assuré par des galets latéraux en pneumatique.

Les roues pneus étant cylindriques, un différentiel doit être associé à l’essieu pour absorber les différences de chemins parcourus en courbe.

Piste de guidage

rails

Piste de roulement

différentiel


37

Les performances en terme d’adhérence sont nettement plus élevées grâce à un coefficient minimum de 60 %. Les accélérations en traction et en freinage sont à la mesure du service demandé aux transports intra muros. Par contre l’infrastructure et le matériel roulant est beaucoup plus complexe donc plus onéreux qu’un chemin de fer classique.

________________________


38

4° Partie

LLAA VVOOIIEE


39


40

LLaa VVOOIIEE Depuis l'origine du chemin de fer, la VOIE permet l’acheminement des charges. Elle assure trois fonctions :

le SUPPORT de la masse roulante sa REPARTITION sur le sol le GUIDAGE des roues par les deux files de rails

TECHNOLOGIE Le RAIL C'est une poutre de profil spécial en acier laminé, composé de 3 parties :

• le PATIN permettant l’appui sur la traverse • l'ÂME assurant l'inertie verticale pour supporter la charge • le CHAMPIGNON, à forte inertie transversale comprenant la table de roulement et les

joues

Ce type de rail, appelé « rail VIGNOLE »1 ou « rail à patin », a succédé au rail à double champignon qui présentait l’intérêt d’être réversible mais ne permettait pas une assise correcte sur la traverse.

Les dimensions du rail varient suivant les pays. Elles se caractérisent par la masse linéaire (en kg/m). L’Union Internationale des Chemins de Fer a normalisé deux types de rails pour les charges à l’essieu pratiquées en Europe : 54 et 60 kg/m (représenté ci-dessus). Un rail de 71 kg/m est en cours de normalisation.

1 Charles VIGNOLE (1793-1875) : Ingénieur anglais qui introduit en Europe le rail à patin de l’American Stevens

Âme

Patin

Table de roulement

Champignon


41

Le CHAMPIGNON a une largeur permettant d’absorber l’effet de frettage de la zone où

se produisent les contraintes dues au contact roue - rail. Sa hauteur donne toujours une marge d’usure verticale suffisante : de l’ordre de 1 mm pour 80 millions de tonnes (soit 100 000 trains de 800 tonnes). La forme de la table de roulement est en anse de panier de rayon 200 mm environ. L’inclinaison des joues du champignon doit être telle qu’il ne puisse avoir contact entre boudin de roue et face intérieure du champignon lorsque l’essieu roule en alignement. Par contre, lorsque le rayon de courbure est assez faible, un contact se produit entre boudin et joue du rail en avant du centre instantané de rotation de la roue. Pour réduire cette pression, et donc l’usure en chanfrein du rail qui en résulte, les joues sont inclinées au 1/20. Le PATIN est caractérisé par sa largeur, son épaisseur et la forme des ailes. La largeur conditionne la rigidité du rail dans le plan horizontal et détermine le taux de compression sur les traverses.

L’ÂME a son épaisseur conditionnée par les efforts tranchants qu’elle supporte et les sollicitations élevées qui se développent au voisinage des trous d’éclissage. Elle est de l’ordre de 17 mm, voire davantage pour les rails posés en tunnel pour résister à la corrosion. Les congés de raccordement constituent un point délicat. La photoélasticimétrie permet de les optimiser.

L’acier à rail doit satisfaire aux contraintes suivantes : • résistance à l’abrasion • absence de fragilité • soudabilité en vue de constituer des barres de grande longueur • prix de revient réduit

Elles sont parfois contradictoires et aboutissent à des caractéristiques, résultat d’un compromis tel que la composition courante est (catégorie acier à oxygène):

• Carbone : de 0,60 à 0,80 % • Manganèse : 0,80 à 1,3 % • Silicium : 0,10 à 0,50 % • Phosphore : ≤ 0,05 % • Soufre : ≤ 0,05 %

La résistance à la traction est comprise entre 885 et 970 N/mm². On exige par ailleurs les qualités fondamentales suivantes :

• absence de défauts superficiels, conduisant à des écaillages de table de roulement

• rectitude résultant d’un excellent dressage. La fabrication des rails, après coulée du lingot, utilise deux phases :

• le blooming passant du lingot de 5 tonnes à un parallélépipède de 260 mm × 165 mm destiné au train finisseur.

• le train finisseur : la figure ci-contre donne l’évolution de chaque passe (de droite à gauche)

Le rail ainsi obtenu est d’une seule longueur, multiple de 36 m, avec une sur longueur permettant le tronçonnage.


42

Il existe un type de rail spécial, appelé “ rail à gorge ” ou “ rail - tramway ” destiné à la pose en chaussée, noyé dans le revêtement. Son utilisation est réservée aux voies urbaines, industrielles ou portuaires, compatibles avec la circulation automobile.

TRAVERSE et FIXATION du RAIL

Interposées entre rail et ballast, les traverses assurent trois fonctions : écartement constant entre les 2 files de rails support des efforts :

- verticaux : dus à la charge de roue (statique et dynamique) - transversaux : dus au guidage (par la conicité ou le boudin de roue) - longitudinaux : dus aux efforts de traction et de freinage

transmet et répartit ces efforts au ballast et à la plate-forme

L’écartement

Il est mesuré entre les deux joues internes du champignon de rail : 2e

C’est en 1825 que STEPHENSON a choisi l’écartement de 4 pieds, 8 pouces 1/2, soit 1435 mm, correspondant à l’écartement normal des véhicules routiers de l’époque. Cette valeur a progressivement été adoptée par les principaux réseaux occidentaux; il est appelé “ voie normale ”. Pour des raisons stratégiques ou économiques d’autres réseaux ont adopté un écartement différent, les principaux sont :

Type de voie Ecartement (mm) Principaux Pays

1676 Espagne, Portugal, Inde, Sri Lanka Large 1524 Russie, Finlande

1435 Europe, Amérique du Nord Chine, Maroc, Algérie

Normale 1067 Afrique anglophone, Japon Métriques 1000 Afrique francophone

750 Indonésie (en partie) Etroites 600 réseaux locaux

chaussé

2e


43

L’écartement n’est pas constant en fonction du tracé de la ligne. Pour faciliter l’inscription des essieux en courbe on ménage un “ sur écartement ”. Pour la voie normale il est de :

• rayon de courbe < 200 m sur écartement = 1450 mm • rayon de courbe ≥ 200 m > 300 m sur écartement = 1437 mm

Support des efforts - travelage

Les efforts verticaux sont transmis par le patin du rail sur la surface de la traverse qui le reçoit, soit environ 200 cm². Les efforts transversaux et longitudinaux sont transmis aussi par le patin du rail à la traverse par l’intermédiaire d’un assemblage démontable. Pour transmettre correctement ces efforts à l’assise (ballast ou plate-forme rigide) la traverse doit avoir une surface portante optimum sachant que la nature de ces efforts est essentiellement répétitive due au passage des essieux, et d'amplitude très variable provoquée par les surcharges dynamiques dues aux défauts de voie et aux suspensions des véhicules.

La traverse a longtemps eu la forme d'une poutre parallélépipédique recevant le patin du rail et ses pièces de fixation. La surface d’appui du patin du rail est inclinée au 1/20 de sorte que le point de contact roue - rail se situe au sommet du champignon avec une conicité de roue au 1/20 également. Marc SEGUIN a inventé la traverse en bois pour remplacé les dés en pierre que l’on plaçait initialement sous les rails à l’origine du chemin de fer. Le bois est de mise en œuvre facile et répond bien aux contraintes très inégales sur sa longueur, comme le montre le graphe ci-après :

Les différentes essences de bois utilisées sont : • chêne : 60 % • hêtre : 23 % • bois tropicaux (azobé, bilinga, tali) : 14 % • autres essences (orme, acacia, charme) : 3 %

160

2600 260

N/cm²

10

8

6

4

2

0


44

La fabrication comporte trois stades :

• l’abattage des arbres, leur débardage et débitage • la dessiccation, le frettage, entaillage et perçage • l’imprégnation à la créosote donnant le pouvoir insecticide et fongicide

Le nombre de traverses au kilomètre conditionne la répartition des charges sur le ballast. Il est donc fonction de la charge par essieu et du type de traverse. En France le travelage est de 1722 traverses au kilomètre pour les traverses en bois et 1666 pour les traverses en béton. Aux Etats-Unis ou en Russie le travelage est compris entre 1850 et 2000 traverses au kilomètre. L’accroissement des charges par essieux et des vitesses de circulation ont soumis a rude épreuve le système traditionnel de fixation rail - traverse par tire-fond : la portée du col du tire-fond sur la patin est faible et le serrage peu énergique. Le passage répété des charges provoque un martèlement du rail sur la traverse qui accentue l’inefficacité du serrage.

L’interposition d’une selle métallique entre le patin et la traverse a nettement amélioré le serrage. En effet le rail est serré sur la semelle par une griffe dont la portée sur le patin est beaucoup plus importante ; ce système est appelé “ pose indirecte ”. Il est très utilisé dans de nombreux pays. En France on lui préfère la pose directe d’un moindre coût.

Le serrage direct par tire-fond a été remplacé par celui de griffons en acier à ressort et l’interposition d’une semelle en élastomère sous le patin du rail capable d’absorber une partie de l’énergie de choc. Une selle métallique répartissant mieux l’effort de serrage complète l’ensemble.


45

Le bois a un faible rendement : un m3 de grume donne au maximum 7 traverses. Il se dégrade rapidement et nécessite une maintenance lourde. Par ailleurs le diagramme de répartition des charges ci-dessus montre que la partie centrale de la traverse n’intervient pratiquement pas dans la répartition de la charge. Aussi dès la fin des années 1950 la traverse en béton armé, matériau beaucoup plus résistant et ne se dégradant pratiquement pas, supplante progressivement le traverse en bois. Sa mise en œuvre se présente sous deux formes:

* traverse monobloc en béton précontraint

* traverse en “ bi-blocs ” , ou à deux blochets

Cette dernière disposition permet de mettre la matière nécessaire au droit des plus fortes charges, l’entretoise métallique assurant la fonction d’écartement. Sa masse, comprise entre 200 et 300 kg, confère à la voie une inertie nettement supérieure à celle de la traverse bois. Elle équipe toutes les voies à fort trafic et à grande vitesse.

La fixation du rail sur traverse en béton exige l’emploi d’un “ boulon - tire-fond ” vissé dans une gaine isolante noyée dans le béton.

L’attache peut être un griffon élastique :

fils de précontrainte

griffon élastiquecale isolante


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Attache VOSSLOH ou “ ε ”

L’attache peut être réalisée par un simple ressort reliant une bride fixée à la traverse et le patin du rail : aucun vissage n’est nécessaire. C’est le système “ FIT and FORGET ”auquel appartient l’attache anglaise “ PANDROL ”. Les inconvénients sont importants :

• aucun contrôle du serrage possible • aucun rattrapage de jeu possible

Il existe également des traverses métalliques dont la forme est “ U ” renversé. ce type de traverse est de moins en moins utilisé parce que trop léger et posant des problèmes d’isolement du rail.

Ballast et plate-forme

Rails et traverses reposent sur la plate-forme par l’intermédiaire d’un “ lit ” appelé “ ballast ”. C’est l’intermédiaire entre traverses et plate-forme permettant :

• l’amortissement des vibrations grâce à ses propriétés “ rhéologiques ”, c’est-à-dire de dissipation d’énergie vibratoire par “ attrition ” des éléments de granulats entre eux ;

• le drainage des eaux ; • la rectification du nivellement et du tracé par bourrage -dressage mécanisé.

Il est constitué par un granulat 25/50 (mm ∅) résultant du concassage des roches extraites de carrières de pierres dures (granit, porphyre, grès, gneiss, etc.) Le profil du ballast donne les épaisseurs de granulat suivant la coupe ci-dessous :


47

ballast

épaisseur sous traverse

piste

3,60 à 3,70 selon vitesse1,50min.

sous-couche

couche anticontaminante

géotextile

dispositif de drainagecouche de fondation

couche de forme

Sous traverse, l’épaisseur du ballast varie de 20 à 30 cm suivant les vitesses pratiquées. Il est placé à “ plancher découvert ” de sorte que le dessus des traverses est apparent. Le transfert des efforts sur voie au ballast s’effectue suivant les trois dimensions. L’intérêt de la traverse béton bi-blocs est évident puisque les surfaces d’appui latérales sont deux fois plus importantes qu’en traverse parallélépipédique. Le ballast représente une masse d’environ 4000 tonnes par kilomètre. Les opérations de mise en place comprennent, outre l’épandage par wagons-trémies, le “ bourrage ” à l’aide de machines spéciales munies d’outils jumelés de forme ci-contre.

La plate-forme est le terrain aménagé sur lequel repose la voie. Elle répond à deux critères principaux : la nature géotechnique du sol : granularité, dureté, altérabilité et contenu organique; les conditions hydrologiques et hydrogéologiques. Elle nécessite, dans la plupart des cas, la mise en place d’une sous-couche faite de matériaux d’apport pour compenser le déficit plus ou moins important du terrain.

Voie sans ballast

De nombreux essais ont eu lieu et sont encore effectués pour substituer au ballast une plate-forme en béton. Si les avantages techniques et économiques étaient évidents ce serait chose faite. Il n’en est rien : la voie sur béton est encore réservée à des cas particuliers. Le plus important est celui des souterrains ou tranchées de grande longueur dans lesquels la maintenance du ballast serait problématique : tunnel sous la Manche, lignes souterraines à grand gabarit.


48

Une application courante de la voie sur béton est celle des transports urbains à faible charge par essieu (tramway). Dans tous les cas, il convient de filtrer soigneusement les vibrations dues au roulement : en sus de l’interposition d’une semelle en élastomère cannelée, la traverse est dotée d’un coussin pneumatique à structure cellulaire fermée.

Pose de la voie : le problème de la dilatation des rails

Le problème majeur de la voie résulte des différences de températures auxquelles elle est soumise. Rappelons que la loi de dilatation linéaire d’un solide est : Δl = α.l.Δt dans laquelle :

• Δl : variation de longueur • Δt : variation de température • α : coefficient de dilatation linéaire du matériau (10,5 . 10-6 pour le rail)

Pour un coupon de 36 m soumis à une élévation de température de 40 ° C (de 0 ° à + 40 ° C) la variation de longueur est de : Δl = 10,5.10-6 × 36 × 40 = 15,12 mm En supposant que cette variation se répartisse uniformément, le coupon s’allonge à chaque extrémité de 7,56 mm. La prise en compte de la variation de longueur des rails a profondément évoluée depuis les années 1955-1960. A l’origine les rails étaient posés en coupons de longueur déterminée (12, 18, 36 m), compatible avec les écarts calculés ci-dessus. La liaison entre coupons est alors réalisée par un “ joint ” constitué de deux “ éclisses ” boulonnées de part et d’autre de l’âme aux extrémités des coupons.


49

Les inconvénients de ce type de pose sont nombreux et évidents : • fatigue du matériel roulant au passage de chaque roue (phénomène de martèlement) et

bruit qui en résulte • matage et fragilisation des extrémités de coupons de rail • détérioration des traverses au droit des joints et du bourrage du ballast • maintenance lourde

Par ailleurs l’application pure et simple de la loi de dilatation ne tient pas compte des efforts au niveau des attaches rail - traverses. La variation de longueur ne se produit pas uniformément : entre deux traverses, le rail étant rigidement fixé, la dilatation se transforme en contrainte dans le rail sans variation de longueur.

Depuis les années 1960, les recherches ont permis la mise au point d’un joint de dilatation en “ biseau ” compatible avec ces longs rails soudés (LRS) . Très efficace, ce dispositif nécessite une maintenance très soigneuse pour éviter tout “ blocage ” du cheminement du rail. Les avantages sont l’exacte réciproque des défauts du joint à éclisses.

En étendant l’application à une longueur infinie, on réalise une voie sans joint. La condition nécessaire pour que la dilatation se résorbe en contrainte entre deux traverses est la réalisation de la fixation du rail telle que l’attache NABLA décrite ci-dessus. L’emploi de joints de dilatation est cependant encore nécessaire dans les deux cas ci-après : le franchissement des ouvrages d’art (viaduc, ponts) du fait des dilatations différentes entre voie et structure d’ouvrage la réalisation des isolements électriques nécessaires au cantonnement de signalisation pour lequel on utilise des joints collés.


50

La soudure des rails

Les rails étant élaborés par tronçons de 2 ou 3 fois 36 m, la réalisation de grandes longueurs nécessite de les souder bout à bout entre eux. Deux procédés principaux de soudage sont mis en œuvre :

• sans métal d’apport : par INDUCTION • par métal d’apport : procédé ALUMINOTHERMIQUE

Le soudage par induction est réalisé en pressant les extrémités de rails à assembler l’une contre l’autre et en les portant à 1370 °C par un inducteur épousant la forme des profils. Ce procédé est surtout utilisé en atelier.

Le procédé aluminothermique consiste à apporter du métal en fusion, identique à celui du rail, dans un moule entourant le joint, afin de reconstituer le profil. Cette fusion est obtenue grâce à la réduction de l'oxyde de fer par l'alumine, après addition de carbone et de manganèse pour obtenir, à la place du fer, un acier dont la nuance correspond à celle du rail à souder. La réaction est très exothermique : le métal est libéré à une température supérieure à 2500 °C. Le mélange [alumine - oxyde de fer - additifs] est préparé en usine, sous forme de charges. L'ensemble est recueilli dans un creuset réfractaire, permettant le préchauffage des extrémités de rails à souder. Ce procédé se prête particulièrement aux soudures réalisées sur les chantiers de pose ou de maintenance de la voie. Les vues ci-dessous montrent les phases de réalisation :

Lors des opérations de soudage permettant la réalisation de grandes longueurs de voie, en construction de ligne nouvelle ou en maintenance, la température doit être choisie de sorte qu’il n’y ait aucune contrainte dans le rail (25 °C). Cette valeur se situe approximativement à égale distance entre les températures extrêmes (+ 60 °C, - 10 °C). Cette température est généralement obtenue en utilisant des groupes de réchauffage au propane. On peut utiliser également des dispositifs de traction par vérins hydrauliques.

_______________________

mise en place préchauffage démoulage meulage - finition du creuset


51

LE TRACE de la VOIE La géographie physique est à la base du tracé des voies ferrées. Leur construction est fonction des contraintes du relief. Les premières lignes de chemin de fer, compte tenu des puissances et des efforts réalisables, ont suivi les vallées aux faibles pentes et au tracé sinueux. De nos jours, la tendance est plutôt du style “ par monts et par vaux ”, les engins moteurs disposant de capacités de traction bien supérieures. Le tracé est caractérisé par le “ PROFIL ” représentant la géométrie de la ligne suivant deux plans : - vertical : profil en LONG

- horizontal : profil en PLAN (ou en travers) Le Profil en LONG Il indique :

• la longueur de la ligne en Points Kilométriques (PK) et hectométriques • l’altitude en mètres • les déclivités :

− palier en horizontal − rampe pour la montée − pente pour la descente

Les déclivités sont exprimées en “ millimètres par mètre ” ou “ pour mille : ‰ ”. Le Profil en PLAN Il indique la trajectoire de la ligne :

• alignement : voie en ligne droite • courbe • contre-courbe : courbe en sens inverse succédant à une courbe

Les courbes sont caractérisées par leur RAYON en mètres. Les catégories de profils Selon la géographie, le profil des lignes de chemin de fer se classe en trois catégories :

Profil de PLAINE

Le tracé suit le relief peu accentué des grands espaces ; les courbes sont rares et de grand rayon, supérieur à 1000 m autorisant des vitesses élevées. Les déclivités présentent de faibles gradients, jusqu'à 5 ‰.

Profil ACCIDENTE

Le tracé suit les vallées sinueuses et franchit les “ accidents ” du relief : seuils, cols, défilés. Les rayons de courbes sont faibles : entre 500 et 1000 m. Les déclivités sont prononcées, supérieures à 5 ‰ pouvant atteindre les 10 à 15 ‰. Les exemples de tels profils sont nombreux en Europe ; citons en France :

− la traversée des Causses entre Limoge et Brive, sur Paris -Toulouse − le franchissement du seuil de Bourgogne entre Les Laumes -Alésia et Dijon, sur Paris

- Lyon, avec les rampes nord et Sud de Blaisy -Bas en 8 ‰.


52

Profil exceptionnels de MONTAGNE

Tous les axes ferroviaires traversant les massifs montagneux appartiennent à cette catégorie. Courbes et déclivités atteignent des valeurs exceptionnelles :

− 250 à 300 m de rayon − rampes de 25, 30, voire 40 ‰

Les contraintes du relief imposent fréquemment la construction d’ouvrages d’art imposants : ponts, viaducs, remblais, tranchés, tunnels. Les exemples alpins ou pyrénéens sont connus :

− CHAMBERY - MODANE, entre St Jean de Maurienne et Modane : 16 km en 30 ‰ − TOULOUSE – TARBES par la rampe de CAP VERN en 35 ‰ − St GERVAIS -CHAMONIX-VALLORCINE détient le record du monde en rampe de 90

‰ sans crémaillère (en voie métrique) − le SAINT-GOTHARD entre Lucerne et Chiasso :

• rampe Nord de 27 ‰ sur 29 km • rampe Sud de 39 km

La ligne construite entre 1872 et 1880, comporte un tunnel de 15 km et neuf autres totalisant 30 km entre Schwyz et Bellinzona . Cinq tunnels hélicoïdaux permettent l’ascension jusqu’au tunnel principal.

− Le LÖTSCHBERG entre Berne, Spitz et Domodossola, donne accès aux tunnels du Lötschberg et du Simplon (respectivement de 14,612 km et 19,731 km). Les rampes de 25 ‰ sur plus de 20 km, comportent trois tunnels hélicoïdaux.

− Le TAUERN entre Vienne et Villach comporte également des rampes de 20 ‰ sur plus de 20 km.

En Amérique latine la traversée des Andes péruviennes présente des lignes culminant à 4 781 m d’altitude partant de lima, sur une distance de 172 km, soit une rampe moyenne de 28 ‰.

En Asie, la Birmanie présente deux lignes exceptionnelles entre Thazi et Schwen Yong et Mandalay - Maymio avec des rampes de 40 ‰. Le gain en altitude est obtenu par le système du “ reversing ” ou rebroussement :


53

Le profil de ligne Il représente les caractéristiques en long et en plan sous forme développée. Il constitue la donnée d’entrée de toute simulation de parcours pour le dimensionnement du matériel de traction.

Les Courbes La circulation en courbe de tous mobiles, qu’il soit terrestre ou aérien, pose le problème

de la force centrifuge. Supposons en effet un véhicule ferroviaire négociant une trajectoire courbe de rayon R et un point matériel de masse M, qui lui est lié. Ce dernier est soumis à : − son poids : Mg

− à la force centrifuge : MV²R

=

La résultante de ces deux forces est inclinée par rapport à la verticale d’un angle α tel que :

tgV²

R gα =

⋅

La composante centrifuge se transmet au rail extérieur de la courbe proportionnellement à la masse du véhicule.

Pour éviter que les efforts latéraux ne deviennent néfastes pour la stabilité de la voie, il faut donner à la file extérieure des rails un surhaussement appelé “ DEVERS ” destiné à compenser la force centrifuge.

Altitude 1300 1200 1100 1000 900 800

22 24 23 27 4 14 27 27 27 15 15 15 15 15 Rampe

BRIG Lalden Goppenstein Kandersteg SPIEZ G

Plan des i

Tunnel


54

La valeur de ce rehaussement est : d 2e tg2e V²R g

= ⋅ =⋅⋅

α

2e : écartement des files de rail

Si 2e = 1435 mm, R et d étant en mètres : d 0,0118V²R

=

La compensation de la force centrifuge est réalisée à condition de franchir la courbe de rayon R à la vitesse V. Si ce n’est pas le cas, et si la vitesse est inférieure à V ou nulle, la masse des véhicules a tendance à porter sur le rail intérieur. Il y a frottement entre les boudins de roues intérieures et le champignon du rail de sorte que le redémarrage peut devenir impossible. Si la vitesse de franchissement est supérieure à V, la compensation est insuffisante.

Une courbe ne peut donc satisfaire au dévers théorique compte tenu des franchissements à vitesses variables de toutes les circulations . On cherche un compromis entre le dévers théorique et le dévers réel. Pour les trains franchissant la courbe Pour les trains dont la vitesse est plus faible à vitesse plus élevée, il y aura : il y aura : INSUFFISANCE de DEVERS : I EXCES de DEVERS : E

d

M

2e

RV²M =

d

M

RV²

M =

insuffisance

α β

d

M

Rv²M =

excè

α β


55

Ces écarts par rapport au dévers théorique se traduisent par une inclinaison : β1

I2e

= et β2

I2e

=

du poids apparent par rapport à la normale au plan de la voie. Le véhicule et les passagers sont

soumis à une accélération transversale non compensée I g2e⋅

ou E g2e⋅

.

A une vitesse plus ou moins élevée, l’accélération est augmentée ou diminuée et il y a insuffisance ou excès de dévers :

γg

d I2e

=+

ou : γg

d E2e

=−

soit : γ γ= +⋅

1

I g2e

I g2e⋅

représente l’accélération transversale non compensée.

L’expérience montre qu’elle ne doit pas dépasser 0,10 à 0,15 g, et garantit également que les efforts sur voie restent dans les limites acceptables. Il faudrait, en effet, atteindre des valeurs beaucoup plus élevées pour mettre en jeu la sécurité. Le “ basculement ” des véhicules ne risque de se produire que si l’accélération transversale dépasse 0,30 g, soit trois fois plus. L’insuffisance de dévers (ou l’excès) ne devra pas être au-delà du dixième de l’écartement, en voie normale, soit environ 0,15 m. La détermination pratique du dévers est limitée à une valeur maximale comprise entre 150 et 160 mm, exceptionnellement 180 mm sur les lignes à grande vitesse.

Les conséquences de l’insuffisance de dévers : un double point de vue

Sauf exception, ou hasard, un train franchit une courbe en situation d’insuffisance ou d’excès de dévers. Dans les deux cas l’infrastructure et la voie en particulier en subit les conséquences en termes d’efforts transversaux. Qu’en est-il du passager ? Qu’en est-il de la voie ?


56

Le confort du passager apporté par la PENDULATION

De la démonstration ci-dessus, il est clair qu’un point matériel tel qu’un passager, subit la sensation de la force centrifuge lorsque la résultante n’est pas normale au plancher du véhicule. Pour rétablir son équilibre il suffit d’incliner la caisse du véhicule proportionnellement à la vitesse et au rayon de la courbe : c’est la PENDULATION.

Qu’en est-il de la voie ?

En courbe, comme en alignement, la masse du véhicule se répartit sur les deux files de rails, mais la composante centrifuge agit par le boudin de la roue extérieure sur le seul rail extérieur, quelle que soit l’inclinaison donnée à la caisse : XA = 0 Les équations des moments par rapport aux points A et B donnent :

( ) ( ) αααα cos2sincos²cossin eYeHR

VMeHMg A+−=+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ += αα tg

eH

RVMtg

eHMgYA 2

12

²21

2

mV²R

=


57

( ) ( ) αααααα sin2sincos²sincoscos eXeHR

VMHeMgEY EB ++−−=

ααα tgXtge

HR

VMtge

HMgY EB +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

21

2²

221

RVMX B

²−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −= αα tg

eH

RVMtg

eHMgYB 2

12

²22

1

La pendulation n’a donc aucun effet atténuateur sur l’infrastructure : les efforts exercés sont identiques . A masse de véhicule égale, si, grâce à la pendulation pour le confort du passager on accroît la vitesse sur une courbe de rayon R, l’effort transversal sur la voie augmente, produisant une fatigue plus importante. L’entrée en courbe : le RACCORDEMENT PARABOLIQUE Le passage d’un alignement à une courbe de rayon R, munie d’un dévers d ne peut s’effectuer de manière discontinue : l’inconfort des passagers et la fatigue du matériel en serait encore aggravés. Il convient de ménager entre les deux zones un raccordement dans les deux plans :

− plan horizontal : passage progressif du rayon ∞ au rayon R − plan vertical : passage progressif d’un dévers nul au dévers d

Le raccordement de dévers est tel qu’il varie linéairement de la zone en alignement au départ de la courbe R :

H

XB

YB

YA

2e

A

B

α

Mg

Rv²MG

Dévers théorique Dévers réel

Insuffisance de dévers

Alignement : Dévers = 0 Raccordement de dévers

Courbe : dévers = d


58

Le raccordement de courbure est tel qu’entre une droite et un arc de cercle il doit : − être tangent à l’alignement et à l’arc − présenter une courbure nulle au point de tangence et à l’arc de cercle − présenter une courbure 1/R au point de tangence à l’arc de cercle − avoir une courbure progressive entre les deux points de tangence

Son équation est celle de la parabole de Nordling : yx

12pR

3

= . La mesure du

raccordement sur le terrain s’effectue par le diagramme des flèches : − un alignement est représenté par l’axe des abscisses − une courbe par une parallèle à l’axe des abscisses − un raccordement par une droite inclinée, dont la pente est égale à la variation de la

flèche.

59,9

37,1 7,129,9

R'R

p²/6R

C

parabole

f0 f1 f2 f3 f4 ft-2 ft-1 ft fc fn fp-1 fp

10 piquet


59

Vitesse admissible en courbe La circulation des véhicules ferroviaires en courbe est essentiellement conditionnée par le confort des passagers.

Les valeurs généralement admises pour l’accélération transversale sont :

γT ≤ 0,15 g et d

g sγ T

dt≤ ⋅0 10, /

basée sur les constatations expérimentales suivantes :

Confort Valeurs de γT pour un passager (m/s²)

dγ/dt

(m/s3) assis debout Très bon 1 0,85 0,3 Bon 1,2 1 0,45 Acceptable 1,4 1,2 0,7 Acceptable exceptionnellement

1,5 1,4 0,85

L’ensemble des conditions de définition du tracé sont données par le tableau ci-dessous : Condition Origine Expression

SECURITE

Théorie du dévers

R11,8 V²

I Dmini =⋅

+

Limite de déformation (pose sur traverses béton)

I 5002250

P1,5V≤ + −

(avec P en 104N, V en km/h)

CONFORT

limite d’insuffisance

Variations d’accélérations

I ≤ 160 mm

DI / dt ≤ 90 mm/s dD / dt ≤ 60 mm/s

EXPLOITATION

Arrêt en courbe

D ≤ 180 mm


60

La condition de sécurité donne les valeurs d’insuffisance de dévers et de rayon pour les vitesses suivantes :

Vitesse (km/h)

P (t/essieu) 150 200 250 300

16

I (mm)

< 415

< 340

< 265

< 190

R (m)

> 450

> 900

> 1650

> 2860

20

I (mm)

< 387

< 312

< 237

< 162

R (m)

> 470

> 960

> 1770

> 3100

On en déduit les rayons de courbe en fonction de la vitesse suivant deux critères : - la condition de sécurité ( ______ ) - la condition de confort (- - - - - - - )

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

50 100 150 200 250 300

Vitesse (km/h)


61

Les APPAREILS de VOIE La géographie des lignes ferroviaires montre l’absolue nécessité d’établir des ITINERAIRES sur un même plan. Ceux-ci peuvent être communs ou sécants. Une voie ferrée est en mesure d’assurer :

- des BRANCHEMENTS entre deux lignes permettant le passage de l’une à l’autre ; c’est le cas des BIFURCATIONS et COMMUNICATIONS :

- des CROISEMENTS entre plusieurs lignes qui se coupent :

− la combinaison du branchement et du croisement : c’est la TRAVERSEE-JONCTION, simple ou double :

Dans certains cas de lignes à fort trafic, les croisements à niveau sont remplacés par un ouvrage d’art permettant le franchissement non sécant : c’est le “ saut de mouton ” :

Technologie du branchement A partir d’une direction, appelée “ voie directe ” il donne naissance à une autre direction appelée “ voie déviée ”. Un appareil de voie est caractérisé par l’angle de déviation entre les directions, exprimé par sa tangente, et surtout par le rayon de la courbe en voie déviée.


62

Le branchement comporte 3 parties :

L’aiguillage est constitué de deux pièces mobiles appelées “ aiguilles ” qui peuvent au moyen d’un dispositif de manœuvre, soit venir en contact des rails adjacents appelés “ contre -aiguilles ”, soit s’en écarter pour laisser libre passage aux boudins des roues. Une lame d’aiguille doit être “ au collage ” tandis que l’autre est ouverte. Le côté par lequel on aborde l’aiguillage s’appelle “ la pointe ” en venant du tronc commun, le côté opposé est “ le talon ”

Les rails constituant l’aiguille et le contre -aiguille sont usinés. Le rail -aiguille est à âme épaisse - 28 mm - Pour obtenir une ornière suffisante la course de manœuvre de l’aiguille est comprise entre 115 et 140 mm. A l’autre extrémité la lame d’aiguille pivote autour de son “ talon ” grâce à la flexibilité du rail constituant l’aiguille. Le croisement permet à deux files de rails de se couper :

Voies intermédiaires

croisement

aiguillage Prise en pointe

Prise en talon

aiguille

course de manœuvre


63

C’est un ensemble constitué d’une pointe de cœur encadrée par une “ patte de lièvre ” et des deux rails extérieurs munis de contre-rails. Lors du passage de la roue sur le cœur il y a une lacune et le guidage de l’essieu est assuré par le contre-rail sur la face interne de la roue opposée (voir la cinématique du franchissement en page ..) La lacune constitue un point faible du franchissement, source d’usure, de vibrations et engendre une maintenance rigoureuse pour garantir la sécurité. Pour la supprimer il suffit de rendre la pointe de cœur mobile et capable de se coller sur les pattes de lièvre : c’est l’aiguille à “ cœur mobile ” : La pointe mobile de cœur repose sur un berceau permettant l’encastrement et l’ancrage de la pointe pour résister aux efforts imposés. Il n’est plus nécessaire de prévoir de contre-rail.

La manœuvre de la pointe de cœur est conjuguée avec celle de l’aiguille avec dispositif de verrouillage. Ce type de branchement convient particulièrement aux grandes vitesses mais également lorsque les vibrations doivent être supprimées dans les réseaux urbains souterrains.

Pointe de cœur

Contre-rail

Patte de lièvre


64

CINEMATIQUE du FRANCHISSMENT d’AIGUILLE en VOIE DEVIEE

VoieVoie

Contre-rail Cœur

Voie déviée

Voie directe

Lames


65

Technologie de la Traversée L’essieu, composé des roues 1 et 2, est guidé jusqu’au point de contact S2 de la roue 2 avec le contre-rail surélevé. “ x ” représente la distance sans guidage tant que la roue 1 n’a pas atteint la pointe P1. “ l ” est la lacune dans l’ornière de la traversée. La distance sans guidage est fonction de la surélévation Z2 du contre-rail et du diamètre de roue. Cette surélévation est généralement voisine de 60 mm, compatible avec les exigences de gabarit.

X2 X1

∅

∅ cercle flanc vertical∅ roulement

Contre-rail surélevé P1

X

Roue 2 Roue 1 Roue 2 Roue 1

P1

P PRoue

P PRoue

Contre-railssurélevés

S2

lacune

X2

X1

x

S2 S2

Z2


66

La manœuvre des aiguilles Les deux aiguilles sont solidaires l’une de l’autre par une “ tringle d’écartement ” : La manœuvre s’effectue par un levier solidaire de la tringle d’écartement commandé soit manuellement “ à pied d’œuvre ”, soit par un moteur électrique commandé à distance. Dans les deux cas elle est assurée par un double dispositif de calage et de verrouillage, complété par un contrôle de positionnement donnant à distance la validation de la position. La commande conjuguée de plusieurs branchements ou traversées constitue la « commande d’itinéraires ». La sécurité des circulations doit permettre d’éviter toute collision frontale ou latérale ( prise en écharpe) aussi la commande d’itinéraires est-elle couplée à celle de la signalisation. Le GABARIT Il définit l’enveloppe à l’intérieur de laquelle doit se situer le matériel roulant d’une part et les obstacles fixes par rapport à la voie d’autre part. Le gabarit de matériel roulant Il est caractérisé de deux manières :

− statique : définit le contour limite que ne doit pas dépasser le chargement d’un wagon ouvert ;

− cinématique : tient compte des déplacements géométriques et dynamiques auxquels sont soumis les véhicules par la souplesse de leur suspension.

Le gabarit d’obstacles Il concerne les installations fixes propres au chemin de fer et celles qui sont situées à proximité (bâtiments, etc..) Ce gabarit tient compte non seulement du matériel roulant mais aussi des transports dits “ exceptionnels ” acheminés par voie ferrée (gabarit “ B+ ” permettant le passage des transports de conteneurs ou véhicules routiers). Il intègre les distances d’isolement nécessaires aux installations de traction électrique. Chaque Réseau ou continent dispose de son propre gabarit : gabarit américain, gabarit européen, gabarit russe. L’UIC a défini un gabarit pour les voies à écartement normal (1,435m)


67

La MAINTENANCE de la VOIE Pour conserver la voie dans un état correspondant au service attendu la maintenance comprend trois types d’opérations :

− l’entretien courant − les réparations − le renouvellement de voie et ballast (RVB)

Le coût de cycle de vie (Life Cycle Cost - LCC) d’une voie représente la part prépondérante des frais de maintenance de l’infrastructure d’un réseau ferroviaire : près de 40 % de la maintenance des installations fixes de la RFF en France) Bien que variant d’un réseau à l’autre, l’organisation de la maintenance s’articule autour de la révision “ cyclique ” comportant une phase “ vérification ” et une phase “ intervention ”. Chaque zone d’un parcours est traitée sur une périodicité de 3 à 12 ans suivant l’importance de la ligne. Contrôle de l’état de la voie Autrefois effectué à pied par les hommes responsables d’un “ canton ” (... les Cantonniers ”) les contrôles se font de nos jours par voiture d’enregistrement remorqué par train régulier. L’Ingénieur MAUZIN a, le premier, conçu ce type de voiture. Elle enregistre, sous charge, la position géométrique des rails grâce à trois bogies mesurant les paramètres :

14372000 à 2100

3290

3250 4310

3,57 à 3,67 m

7,767 m (pour entraxe de 3,57 m)

4800

2500

2260

GABARIT d’OBSTACLES

GABARIT du MATERIEL

ROULANT


68

- Nivellement Horizontal (NH) : écart d’un point médian par rapport à la moyenne de 8 points dont les extrêmes sont distants de 12,2 m.

- Nivellement Transversal (NT) : écart de dévers par rapport au dévers moyen. - Dressage (D) : écart de flèche sur corde de 10 m par rapport à la flèche moyenne de la

courbe. - Ecartement (E) : par rapport à l’écartement moyen.

Les valeurs généralement respectées sur les sections de voie en longs rails soudés aptes à 200 km/h sont données ci-dessous :

critère Valeur courante crête (mm)

Défaut isolé crête (mm)

Ecart moyen sur 300 m (mm)

NL 2,5 5 0,7 / 1 NT 2 4 0,5 / 0,6 D 3,5 6 1 / 1,6 E 2,5 3 0,8 / 1

Dégradation de la voie sous l’action des circulations Une modélisation de la dégradation de la voie a été effectuée dans le cadre de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées ; il en ressort que :

− l’élément prépondérant de l’évolution des défauts est la fréquence d’oscillation propre des véhicules qui appartient à des bandes étroites.

− l’agressivité des véhicules croît très fortement avec les fréquences propres d’oscillations et un rail à forte inertie permet de lutter contre ce phénomène.

− la dégradation de la voie en termes de NL résulte de deux facteurs distincts : ∗ les surcharges dynamiques sont prépondérantes pour les faibles longueurs

d’ondes ( < 7 m ) ∗ l’hétérogénéité du ballast et de la plate-forme est prépondérante pour les

défauts de grande longueur d’onde ( > 8 m )

L’usure des rails

Le champignon est soumis à deux types d'usures : − l’usure latérale concerne surtout le rail extérieur en courbe. Elle est combattue par

l’utilisation de rails durs et par graissage des boudins de roues ou des rails. − l’usure ondulatoire :

∗ courte : longueur d’onde 6 cm due à plusieurs causes notamment l’action des galets de dressage et à l’oscillation de relaxation des roues de véhicules.

∗ moyenne : longueur d’onde 10 à 40 cm liée à l’inscription des bogies en courbe.

∗ longue : longueur d’onde > 40 cm, d’origine incertaine et concerne surtout les réseaux à fortes charge par essieu.

Les phénomènes d’usure se résorbent par meulage des

champignons de rails à l’aide de “ trains -meuleurs ”.


69

Le Renouvellement de Voie et Ballast ou “ RVB ” Cette opération intervient lorsque les méthodes ponctuelles ne suffisent plus à assurer une qualité suffisante de la voie. La périodicité des renouvellements est une fonction directe du trafic de l’ordre de plusieurs centaines de millions de tonnes. Le renouvellement se décompose en plusieurs phases :

∗ le dégarnissage et le criblage du ballast ancien ∗ la substitution de la voie nouvelle à la voie ancienne ∗ le ballastage et le relevage de la voie ∗ le nivellement et le dressage ∗ le soudage par aluminothermie et la libération des contraintes

Ces phases sont intégrées dans un train continu de renouvellement dont l’avancement est de l’ordre de 500 m/h . VOIES SPECIALES Quelques cas particuliers de traction exige une infrastructure spéciale dérivée de la voie classique, tels que :

− le roulement sur pneumatique utilisé sur certaines lignes de réseaux urbains − la traction par crémaillère − la traction par funiculaire Ces deux derniers types de voies se rencontrent en chemins de fer de montagne capables

de très fortes rampes pour lesquels la simple adhérence ne suffit plus pour exercer les efforts de traction nécessaires. Roulement sur pneumatique Comme nous l’avons indiqué lors de l’étude du contact roue – rail, certaines lignes de métro utilise le roulement sur pneumatique. Pour des raisons de sécurité en cas de crevaison et de simplicité des appareils de voie, l’infrastructure est une combinaison de pistes planes et de rails classiques : La fonction roulement est assurée par :


70

∗ deux pistes planes destinées aux pneumatiques ∗ deux rails pour les roues à boudins intervenant en cas de crevaison d’une roue à pneu,

de roulement ou de guidage La fonction guidage est assurée par deux pistes planes latérales pour les roues de guidage. Ces pistes servent également à l’alimentation électrique par frotteur.

Le passage des appareils de voie est classique, grâce aux roues à boudin :

Piste de guidage rails Piste de roulement

piste de guidagepiste de roulement rail

Passage en voie déviée

Roulement sur Roue de roulement

Roue de guidage Contact


71

Crémaillère et funiculaire Lorsque la seule adhérence n’est plus suffisante pour permettre l’exercice de l’effort de traction, du fait notamment du profil trop difficile à très fortes rampes (> 90 ‰), il est nécessaire d’adopter un autre moyen de transmission de l’effort à la voie. Depuis fort longtemps les deux systèmes : crémaillère et funiculaire ont été développés en pays montagneux.

La voie à crémaillère

Une crémaillère est disposée longitudinalement entre les deux fils de rails et fixée, par segments, aux traverses. Une roue dentée motrice s’engrène et permet la traction. L’ancrage de la voie sur la plate-forme est très important; il est réalisé grâce aux traverses métalliques de profil spécial complété par des pieux calant les traverses à intervalles réguliers. Les appareils de voie sont complexes, la crémaillère devant s’effacer pour le passage des roues.

crémaillère

bogie

roue


72

Le funiculaire

Dans ce cas le véhicule est tracté par un câble enroulé sur un tambour-moteur. Deux véhicules peuvent être mus par le même câble: l’un en montée l’autre en descente; il s’agit alors d’un ascenseur incliné sur rails. Le câble de traction est guidé dans l’axe de la voie par des poulies, plus ou moins espacées suivant le rayon de courbe de la voie. Le croisement des véhicules s’effectue à mi-distance par un aiguillage spécial; les essieux sont à roues dissymétriques: l’une à gorge, assurant seule le guidage de l’essieu, l’autre cylindrique, assurant la charge.

câble - aller câble - retour

roue à roue

passage en « a »

a


73


74

5° partie

LLee MMAATTEERRIIEELL RROOUULLAANNTT


75


76

LLee MMAATTEERRIIEELL RROOUULLAANNTT Le matériel roulant ferroviaire comprend : * le matériel REMORQUÉ destiné aux Clients : passagers ou fret * le matériel MOTEUR assurant la traction du matériel remorqué. Le MATERIEL REMORQUÉ pour les PASSAGERS Le type de transport des passagers est déterminant pour caractériser ce que l’on appelle généralement une “ VOITURE ”. En matière de relations sur longue distance les impératifs de confort nécessitent des équipements nombreux et complexes:

- espacement des places assises - aménagement en cabine ou couchettes pour trains de nuit - équipement de climatisation - sonorisation; signalétique - toilettes

Le cas des relations à grande vitesse a donné lieu à une solution originale en France, grâce au système de la rame articulée à composition fixe; chacune des voitures appelée “ remorque ” repose sur un bogie commun. Le transport des passagers en lignes urbaines ou suburbaines a de toutes autres contraintes:

• entrées et sorties facilitant les montées et descentes en station • ventilation; aération • places debout; 2 niveaux; etc.

26 m Tare 42 t + charge : 8 t = 50 t


77

LE MATERIEL REMORQUE POUR LE FRET Le “ wagon de marchandises ” d’autrefois a pratiquement disparu du trafic européen. La spécialisation du transport de fret conduit a concevoir un véhicule adapté à chaque usage :

- transport de produits en vrac : céréales, combustibles solides, liquides ou gazeux : wagon-trémie, wagon-citerne

- - transport de véhicules: porte-autos; porte -camions

- transport combiné

15 m

Tare 20 t + charge : 55 t = 75 t

15 m




78

LE MATERIEL MOTEUR Le classement se fait selon que l’engin moteur transporte ou non des passagers. S’il est dédié à la traction il s’agit d’une LOCOMOTIVE – ou locotracteur en faible puissance. Si il est conçu pour le transport des passagers ce sont les AUTOMOTRICE – EMU - et AUTOMOTEUR – DMU - suivant le mode de traction

ENGINS MOTEURS sans transport de passager

LOCOMOTIVE

LOCOTRACTEUR SHUNTING LOCOMOTIVE

Faible puissance

ENGINS MOTEURS transportant des passagers

AUTOMOTRICE ELECTRIC MULTIPLE UNIT – EMU

Véhicule moteur à traction électrique comportant des compartiments passagers

AUTOMOTEUR DIESEL MULTIPLE UNIT – DMU

Véhicule moteur à traction autonome comportant des compartiments passagers (caisse unique ou multi caisses)


79

Les DIFFERENTS MODES de TRACTION

Deux modes de traction se répartissent les engins moteurs suivant le type d’énergie utilisé : si elle est embarqué à bord sous forme de combustible, c’est la traction AUTONOME si elle mise à disposition tout le long de la ligne, c’est la traction ELECTRIQUE

La traction autonome La fonction motrice est assurée par un moteur thermique transformant l’énergie fossile

d’un combustible en énergie mécanique. Le combustible doit être embarqué et régulièrement approvisionné. Le chemin de fer s’est développé grâce à la traction autonome pendant plus d’un siècle : le combustible était le charbon, ou le fuel, vaporisant l’eau également transportée à bord de la locomotive, ou d’un tender attelé. L’énergie de la vapeur animait un ou plusieurss moteurs à piston - bielle - manivelle entraînant les roues motrices. Les progrès des moteurs thermiques, du MOTEUR DIESEL suralimenté en particulier, ont permis l’extension de la “ grande traction ”. La traction autonome se décline en plusieurs catégories selon le type de “ transmission ” du couple moteur aux essieux :

Transmission mécanique

Ce fut la première utilisée, à l’instar de l’automobile. Le moteur entraîne, par l’intermédiaire d’un embrayage, une boîte vitesse à plusieurs rapports d’engrenages . Cette technologie n’est pratiquement plus utilisée compte tenu des puissances importantes mises en œuvre.

Transmission hydraulique

L’intermédiaire est un coupleur hydraulique dont on fait varier la pression d’huile entre un plateau à aubes primaire et le plateau de sortie. Très simple et économique en termes de maintenance, elle est beaucoup utilisée par les réseaux germaniques

Moteur thermique

Boîte de vitesse

Moteur thermique

Convertisseur hydraulique


80

Transmission électrique

L’ensemble forme un groupe électrogène : le moteur thermique entraîne un générateur électrique – génératrice ou alternateur – alimentant des moteurs de traction avec si nécessaire un ou des convertisseurs intermédiaires – redresseur, onduleur. Très utilisée aux Etats-Unis et en Europe – France en particulier – elle a la souplesse de la traction électrique et permet des puissances élevées. La Traction électrique L’énergie motrice est mise à disposition des engins de traction par un réseau de distribution réparti le long de la ligne, à partir du réseau général d’électricité. La première application de l’électricité au service des chemins de fer date de 1879 avec le train de l’exposition de Berlin inventé par SIEMENS. Depuis, le développement de la traction électrique ferroviaire a suivi de très près celui de l’électrotechnique et de l’électronique de puissance. Les différents aspects – infrastructures d’alimentation, chaînes de traction sont étudiés dans les chapitres suivants. COMPARATIFS des MODES DE TRACTION Il est intéressant de distinguer les choix qui ont présidés aux deux modes de traction exposés précédemment. L’histoire ferroviaire nous enseigne que seule la traction autonome a permis le développement grâce à l’énergie de la vapeur. L’électricité a vue le jour dans le domaine des transports urbains - petites distances, petites puissances - mais surtout grâce à l’énergie électrique dont on disposait en environnement « industriel » quasi urbain. La traction électrique nécessite une infrastructure lourde : - interfaces entre réseau générale de distribution d’électricité et lignes de chemin de fer - réseau de distribution réparti - appareillages de contrôle - commande et de protection complexes Ce sont, en conséquence les réseaux des pays industrialisés qui ont en premier, bénéficié de la traction électrique. Le critère actuel est davantage la densité d’industrialisation et de production d’énergie électrique telle qu’elle permet les connexions multiples au réseau général d’alimentation. Citons par exemple, les chemins de fer de Suisse qui sont entièrement électrifiés ; à l’inverse les réseaux américains sont pratiquement tous en traction autonome à l’exception de la côte Est des Etats-Unis. Le tableau ci-après et l’annexe 1 donnent, pour chaque continent et tous les pays, la répartition et les distances des lignes à traction autonome et des lignes électrifiées. La traction autonome est largement prédominante avec 80 % des lignes non électrifiées.

GGconvertisseur

Moteur thermique Générateur

M 1 M 2 Moteursde traction


81

Continents Longueur

totale (km) Longueur

électrifiée (km) Pourcentage électrifié (%)

EUROPE

261591

111553

43

CEI

148115

54256

37

AFRIQUE

MOYEN-ORIENT

96 097

10 090

10

AMERIQUES

434 779

6 830

2

ASIE

OCEANIE

285 925

69 397

24

total

1 226 507

245 296

20

Une question de terminologie Le vocabulaire ferroviaire résulte de l’histoire et il circule encore des termes variés tel que motrice, rame, remorque, autorail, micheline ! Clarifions :

• un autorail trouve son origine dans les premiers temps de la traction à moteur à essence : une auto sur des rails ! Ce nom est remplacé par automoteur

• La micheline a eu son heure de gloire grâce à MICHELIN qui développa des autorails sur pneumatique ; il ne doit bien entendu plus être utilisé !

• Le nom RAME désigne un train quelle que soit sa nature : passagers, fret, métro, tramway

• La RAME peut être REVERSIBLE si sa conduite est assurée dans les deux sens de circulation

• REMORQUE désigne une voiture de voyageurs intégrée dans une rame à composition fixe, genre rame à grande vitesse articulée type TGV

• L’engin moteur est en “UNITE SIMPLE” s’il est unique pour remorquer la rame • en “UNITE MULTIPLE” si deux ou plus d’engins sont associés. “Unité multiple

répartie” si les engins sont répartis dans le train; c’est le cas des rames TGV dans lequel il y a une motrice à chaque extrémité.

• MOTORISATION REPARTIE : les moteurs sont répartis tout le long de la rame • DOUBLE TRACTION : l’expression désigne deux engins conduits chacun par un

agent. Cette configuration est plutôt rare actuellement compte tenu des possibilités de télécommande.

• POUSSE : un engin moteur est adjoint en queue de train pour franchir un profil à forte rampe; la pousse peut être attelée ou non attelée.


82

• HAUT le PIED : engin moteur circulant seul

UNITE SIMPLERAME

UNITE MULTIPLE

UNITE MULTIPLE REPARTIE

RAME REVERSIBLE VOITURE-PILOTE MOTRICE

TRONÇON MOTRICE MOTRICE


83


84

6° partie

DDIIMMEENNSSIIOONNNNEEMMEENNTT

eett AARRCCHHIITTEECCTTUURREE

ddee ll’’EENNGGIINN MMOOTTEEUURR


85


86

ENGIN MOTEUR

DDIIMMEENNSSIIOONNNNEEMMEENNTT ddee ll ’’EENNGGIINN MMOOTTEEUURR

Un engin moteur est conçu pour satisfaire le cahier des charges répondant aux exigences d’un PROGRAMME de TRACTION. Celui-ci définit :

une charge remorquée un parcours un horaire

Le cahier des charges définit les contraintes opérationnelles dans lesquelles doit évoluer l’engin : - caractéristiques de la voie et des infrastructures : gabarit, masses - profil de ligne : profil en long, profil en plan : rampes, pentes, courbes - alimentation en énergie dans le cas de la traction électrique - autonomie en combustible dans le cas de la traction autonome - consommation d’énergie : rendement - interfaces avec le matériel remorqué : attelage, énergie, communications - interfaces environnementales : nuisances sonores - interférences électromagnétiques, pollution - exigences de confort pour le personnel utilisateur : conduite - exigences de fiabilité, disponibilité de service et de sécurité - contraintes de maintenance - compétitivité économique MATERIEL

REMORQUE

VOIE

EXPLOITATION

NNUUIISonores Pollutions Électromagnétiques

PASSAGERS

Maintenabilité

MAINTENANCE

Consommation Autonomie Rendement

ALIMENTATION en ENERGIE

MASSE GABARIT

TRACTION FREINAGE

Énergie Confort

Liaisons Sol- train

Disponibilité Fiabilité Sécurité

Profil de ligne


87

Le PROGRAMME de TRACTION L’éventail de la demande de transport des Clients est très étendu :

• Passagers : - liaisons à grandes distances et grande vitesse : trains légers, arrêts peu fréquents - liaisons inter villes : moyennes distances, quelques arrêts - liaisons régionales : faibles distances, arrêts fréquents - transports suburbains et de grandes banlieue : charges élevées, arrêts fréquents - transports urbains : grande cadence, arrêts très fréquents (métro, tramway)

• Fret : - convois lourds sur grandes distances sans arrêt - trains “ centre à centre ” - dessertes locales - convois spéciaux de type “ miniers ” de très fort tonnage Chacun de ces programmes est caractérisé par deux paramètres :

la charge remorquée la vitesse commerciale

La réponse apportée par l’engin moteur s’exprime par deux caractéristiques fondamentales :

l' effort dont il est capable pour remorquer la charge la vitesse maximale à laquelle il doit circuler

Pour les satisfaire il faut installer une puissance et des organes capables de la développer. L’ensemble doit s’inscrire dans les contraintes de masse et de gabarit. Dimensionner l’engin de traction consiste à déterminer les 5 paramètres fondamentaux :

EFFORT VITESSE PUISSANCE MASSE VOLUME

Ils permettent de déterminer ensuite les paramètres des principaux constituants. L' effort de traction L’engin doit être capable d’exercer un effort donné par la relation fondamentale de la dynamique :

ΣF = Σ M × γ La somme des efforts qui s’exercent est composée : - des efforts résistants engendrés par les véhicules, y compris l’engin moteur - de l’effort permettant l’accélération du train


88

L'effort résultant, appelé "effort à la jante" s'applique aux contacts roues -rails de tous les essieux moteurs. Il a pour expression :

j4j3j2j1γrr FFFFFFFFrrrrrrrr

++++=+−=− ∑ L'application des efforts résistants se fait :

- à l’attelage pour toutes les résistances provenant du matériel remorqué - à l’avant du premier véhicule pour tous les efforts provenant de l’environnement

(résistance de l’air) - sur l’engin moteur pour toutes résistances qui lui sont propres.

L’effort de traction est limité par : - la résistance des attelages et de tous les organes mécaniques participant à la traction :

transmissions, structure de caisse, etc. - l'adhérence utilisable aux contacts roues -rails

On caractérise l'engin moteur par l'effort maximal au démarrage, exprimé en kN.

Limite de résistance des attelages

En Europe, l’attelage manuel à vis est calculé pour : - limite élastique de 43 t (427 kN) - limite de rupture de 100 tonnes (981 kN).

Les attelages centraux automatiques disposent : - limite élastique de 150 t (1471 kN) - limite de rupture de 350 t (3433 kN)

Fr

Fj1 Fj1 Fj2 Fj3 Fj4


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Adhérence utilisable en traction

Le coefficient d’adhérence est le rapport : QFμ =

F : l’effort tangentiel à la jante Q : la charge de la roue

Les valeurs pratiques d’adhérence en exploitation varient suivant l’état du rail : - conditions climatiques (humidité, pollution par les résidus végétaux) - environnement (pollution grasse, zones industrielles)

Les constructeurs de matériel moteur fournissent un coefficient d’adhérence pour les conditions normales du rail : propre et sec, qu’il convient de préciser. On considère généralement le coefficient d’adhérence maximal utilisable au démarrage du train, phase la plus difficile à réaliser. En pratique, compte tenu des moyens actuels de contrôle de l’effort moteur, notamment en conditions dégradées (nous en étudierons les modalités dans le chapitre “ Chaîne de traction ”), on admet des coefficient compris entre 0,35 et 0,40.

Un essieu chargé, par exemple à 22,5 t, peut exercer un effort à la jante compris entre : 0,35 × 22,5 × 9,81 = 77,25 kN < FJ < 0,40 × 22,5 × 9,81 = 88,3 kN

Etant donné l’effort maximal à exercer on en déduit le nombre d’essieux que devra comporter l’engin moteur. Pour une locomotive à 4 essieux moteurs l’effort à la jante sera :

309 kN < FJ < 353 kN Les EFFORTS RESISTANTS Les efforts à vaincre pour la mise en mouvement du train proviennent :

- de la résistance à l’avancement des véhicules, moteur et remorqués - du profil de la voie - de l’inertie du train à vaincre

Résistance à l’avancement : expression générale

Elle est de la forme : R = A + B.V + C.V² A représente la résistance massique, indépendante de la vitesse. Elle intègre : - les frottements des paliers d’essieux - la résistance au roulement roue - rail due aux pertes par déformation élastique des métaux en

contact - les frottements des organes de transmission de l’engin moteur (engrenages, paliers) - la résistance due aux organes auxiliaires entraînés par les essieux (génératrices auxiliaires

des voitures ou des wagons frigorifiques) B rassemble toutes les résistances autre que celles exprimées par A et CV² et notamment celles qui résultent du contact périodique entre boudins et rails. Il est donc fonction de tous les paramètres de stabilité des véhicules.


90

C est le coefficient aérodynamique caractérisant la pénétration dans l’air. Il est fonction de : S : surface du maître -couple K1 : paramètre de forme (avant et arrière) K2 : paramètre d’état de surface “ mouillée ” ψ : périmètre transversale partiel de rail à rail l : longueur de la rame Δl : longueur fictive équivalente à une césure entre éléments n : nombre d’éléments automoteurs Np : nombre de pantographes en service Seule l’expérimentation permet de vérifier les principaux paramètres. La SNCF a mis au point une expression du coefficient aérodynamique telle que:

C = K1S + K2ψ [ l + (n-1)Δl ] + 21.10-4 Np

S

l ψ

césures


91

Résistance à l’avancement du matériel moteur

Un grand nombre d’expressions ont été élaborées par les réseaux et les constructeurs au cours du développement des différents types de matériel. Nous mentionnerons les plus utilisées actuellement. L’expression la plus courante est :

V²103VL10n0,13L1065R -4-44L ⋅⋅+⋅⋅+⋅+⋅⋅= −

en kN L : masse de l’engin moteur (en tonnes) N : nombre d’essieux V : vitesse (en km/h)

Résistance à l’avancement du matériel remorqué

Selon le type de matériel, les expressions les plus courantes sont :

type

Résistance à l’avancement (kN)

Matériel PASSAGER

37 t < Tare < 42 t

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

4500V²1,5

100mR V

Tare > 42 t

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

6300V²1,25

100mR V

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅+=

5750V²V0,0080,870

100mR V

rame wagons

“ tout venant ”

RF = 100m

(1,2 + 0,00899.V + 0,00044.V²)

Matériel FRET

rame wagons transport

combiné

RF = 100m

( 1,2 + 0,01.V + 0,00035.V²)

rame porte-autos

RF = 100m

( 1,2 + 0,01.V + 0,00056.V²)

Le réseau utilisateur propose fréquemment ses propres formules résultant de ses mesures.


92

Résistance à l’avancement d’une automotrice

Comme il est indiqué précédemment, une automotrice est composée d’un ou plusieurs véhicules moteurs attelés en permanence à une ou plusieurs remorques. La résistance globale à prendre en compte résulte de l’expérience et à pour expression :

V²CP V0,01Q101,3R A ⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+=

avec :

p3214 N102

1004cc10lψS1035C ⋅⋅+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ +⋅+⋅+⋅=

Q : charge par essieu en tonnes V : vitesse (km/h) P : masse totale de la rame (t) S : surface du maître -couple (m²) ψ : périmètre transversal partiel de rail à rail (m) l : longueur totale de la rame (m) c1 : nombre de césures

Résistance à l’avancement du matériel à grande vitesse

Les résultats indiqués ci-dessus sont valables pour les vitesses inférieures à 200 km/h. Au-delà le terme CV² devient prépondérant : 60 % à 200 km/h

> 85 % à 250 km/h Les essais à grande vitesse conduits en France depuis les années 1970 ont permis de mettre au point la formule suivante :

V²CP V0,01Q10 1,2RGV ⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+=

avec C :

10045lψ1025S1019C 4-4- −

⋅⋅⋅+⋅⋅= A titre d’exemple la résistance à l’avancement des rames TGV-Paris-Sud-Est (10 véhicules, 407 t) est égale à :

RPSE = 3,90 +4,07.10-2 V + 6,32. 10-4.V² (kN)

D’autres facteurs influencent la résistance à l’avancement : − le vent latéral a tendance à provoquer la permanence du contact boudin-rail ; on

l’assimile à une résistance correspondant à un accroissement de vitesse de 5 km/h jusqu'à 200 km/h et 8 km/h au-delà.

− la circulation en tunnel ; les Chemins de fer Fédéraux Suisses (CFF) ont mené de nombreuses expérimentations en souterrains de grande longueur (St Gothard, Simplon) et ont montré un accroissement de résistance à l’avancement de 20 à 40 %.


93

Résistance due au profil de la voie

La voie exerce une double résistance : - suivant le profil en long : influence des rampes - suivant le profil en Plan : influence des courbes

• Influence des rampes

Un convoi de masse M sur un plan incliné (rampe ou pente) faisant un angle α avec le plan horizontal, est soumis à un effort Fp tel que: Fp = M g sin α L’angle s’exprime par sa tangente, en mm par m, (‰) sinus et tangente étant très proches.

On assimile la valeur de la rampe à la résistance massique qu ‘elle engendre :

Rr = i (‰) en kg/t = i.9,81.10-3 en kN/t exemple : en rampe de 10 ‰ la résistance engendrée est de : 10.9,81.10-3 = 0,098 kN/t

• Influence des courbes ou profil corrigé Bien que de très faible coefficient de frottement, le contact roue - rail intervient pour tous les véhicules. En alignement le contact boudin - rail est accidentel, il peut devenir permanent en courbe malgré la bi-conicité des roues, notamment dans le cas des faibles rayons de courbure des voies de lignes de montagne ou voies de service.

L’ensemble des paramètres intervenant en courbe est assimilé à une résistance à l’avancement supplémentaire due au profil. Le terme correcteur est de la forme:

ρkii' += ρ : rayon de la courbe en mètres.

Les essais en courbe sur voies de caractéristiques différentes donnent : 500 < k <1200

La valeur la plus couramment adoptée est : k = 800 exemple : Un profil en rampe de 10 ‰ comprenant une succession de courbes de 300 m de

rayon a un profil corrigé de : i’ = 10 + 300800 = 10 + 2,67 = 12,67 ‰

Résistance due à l’inertie : effort accélérateur

La mise en vitesse du train obéit à la loi fondamentale de la dynamique : F = ΣM . γ La somme des masses en mouvement comprend:

• les masses en translation: masse totale de tous les véhicules - moteur et remorqués • l’inertie équivalente en translation des masses en rotation comprenant :

- essieux et accouplements - roues dentées de transmission - disques de frein - rotors de moteurs de traction

α

Mg

Fp


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Son expression devient : F = ΣM γ = γR²ρ²Im

R²IM e

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅++ = c. M γ = (cm Mm + cr.Mr) γ

exemple : train composé de :

- locomotive Mm = 114 t Cm = 1,09 - rame Mr = 10 x 59 t = 590 t Cr = 1,04 - accélération : 0,01 m/s²

F = [(1,14 x 1,09 × 0,981) + (5,90 x 1,04 × 0981)] 103.0,01 = 72,38 kN Les accélérations pratiquées en traction ferroviaire dépendent du type de trafic. Les valeurs courantes à retenir sont :

Transport Accélération γ (m/s²)

Fret

0,02 à 0,03

Passager

0,05 à 0,08

Urbain

0,5 à 1

On tient compte d’une accélération résiduelle permettant, au voisinage de la vitesse maximale d’être en mesure de l’atteindre en un temps fini. Des valeurs d’accélération plus faible (0,01 m/s²) sont pratiquées dans les cas difficiles de démarrage en rampe de trains lourds en situation dégradée.

Cas particulier de la résistance au démarrage : le “ décollage ”

La phase de démarrage d’un train est un cas spécifique qui tient compte de la mise en mouvement des organes en rotation au cours de laquelle le film d’huile entre pièces en contact n’est pas formé complètement. Ce phénomène de “ décollage ” est accentué en période de basses températures. Une résistance à l’avancement supplémentaire est prise en compte, notamment en rampe du fait de la tension mécanique existante entre attelage de chaque véhicule. Les valeurs couramment utilisées sont :

Type de train Rampe Résistance supplémentaire (kN)

Passagers

i < 17 ‰ ( )6,80,981i100mRd +⋅=

i > 17 ‰ ( )2,750,981i1,25

100mRd +⋅⋅=

FRET

i < 7 ‰ ( )4,50,981i

100mRd +⋅=

i > 7 ‰ ( )2,750,981i1,25

100mRd +⋅⋅=


95

La VITESSE La vitesse moyenne permet de réaliser l’horaire; elle tient compte :

• de l’accélération, en traction et en freinage • de la vitesse maximale de la ligne.

La vitesse caractérise les organes en rotation et en particulier le moteur de traction et la transmission du couple moteur aux essieux. Elle conditionne également les caractéristiques mécaniques des matériels moteur et remorqués en termes de tenue sur voie et notamment des mouvements parasites qu’elle génère. Tenant compte enfin des paramètres de la résistance à l’avancement, la vitesse intervient par son carré; elle influence directement l’énergie mise en jeu ; c’est donc un paramètre économique. Les vitesses habituellement pratiquées en transport ferroviaire sont :

• 60 à 80 km/h en transport urbain • 100 à 120 en transport suburbain • 140 à 160 en inter villes • 200 à 220 en liaisons grandes lignes • 300 en grande vitesse • 100 à 140 pour le fret

L’expression “ vitesse commerciale ” est souvent employée; elle caractérise la vitesse normalement pratiquée sur une ligne donnée. La vitesse maximale dont est capable un matériel roulant peut être supérieure. PUISSANCE de TRACTION C’est le produit de l'effort par la vitesse : P = F . V Connaissant l'effort à la jante à obtenir à une vitesse donnée, on obtient la puissance à la jante à installer. Caractéristique EFFORT-VITESSE Dans le plan effort -vitesse, on trace :

− la (ou les) courbes de résistance à l’avancement : engin moteur + rame remorquée − la caractéristique effort -vitesse de l’engin moteur.

Celle-ci comprend deux zones : zone de limitation d’effort :

son ordonnée à l’origine indique l’effort maximale au démarrage : FD. Il tient compte de l’adhérence maximale utilisable à vitesse nulle, telle que définie précédemment. Lorsque la vitesse augmente, l’effort diminue parce que l’adhérence utilisable diminue avec la vitesse. Cette décroissance est généralement fixée

par l’expression empirique :0,2V80,1V8μμ 0 +

+=

μ : adhérence à vitesse V μ0 : adhérence au démarrage

FD

V max.

Mγ

Limitation d’adhérence

EEEqqquuuiiipppuuuiiissssssaaannnccceee

R totale avancement


96

zone d ’équipuissance : La fonction F = f(V) est une hyperbole équilatère d'équation :

VPF =

aussi appelée hyperbole d'équipuissance. Elle caractérise tous les points de fonctionnement à puissance constante, correspondant à un effort et à une vitesse donnés. Régimes de marche Le parcours d’un train est fonction du programme de traction définit précédemment. On distingue trois régimes de marche dimensionnant en termes de puissance et de composants de la chaîne de traction :

− régime de démarrage : la puissance mise en jeu est nulle à V= 0 ; l’effort est le plus élevé.

Pour un train de fret parcourant une longue distance avec peu d’arrêts ce régime est peu fréquent ; par contre il peut durer un temps important s’il s’effectue en rampe. Un train de banlieue dont les stations à desservir sont rapprochées effectue des démarrages très fréquents avec des efforts importants du fait des fortes accélérations.

− régime continu : on appelle ainsi la marche à puissance telle que tous les organes de la transmission soit à leur température d’équilibre qu’ils peuvent supporter un temps infini.

De ce qui précède, ce sont les parcours à longue distance qui utilisent ce régime. − régime de surcharge : il est possible pour certains organes de la transmission

de délivrer une puissance supérieure à leur régime continu en restant dans des limites d’échauffement acceptables.

Autrefois appelé “ régime uni horaire ”, ce régime peut être défini pour un temps donné différent de l’heure. PUISSANCE ABSORBEE, PUISSANCE AUXILIAIRE, RENDEMENT L’énergie absorbée par un engin moteur est plus importante que celle utilisée à la jante pour la traction. La répartition est double : - à chaque étape de sa transformation ou de son traitement, l’énergie subit des pertes sous forme de calories à évacuer. Cette opération nécessite la mise en œuvre d’organes de refroidissement et de ventilation - l’engin assure, outre sa fonction principale de traction, des fonctions annexes indispensables à la mission dans son ensemble :

• énergie de freinage • climatisation de l’espace de conduite • énergie pour la rame remorquée • communication avec le sol

Evacuation des pertes et fonctions annexes nécessitent un réseau particulier de bord fournissant la puissance auxiliaire. Le rendement de l’engin de traction est le rapport entre :

pertes absorbée PuissanceJante Puissance

+=η

Le rendement tient compte de la part consommée pour l’évacuation des pertes et non de la totalité de la puissance auxiliaire.

V


97

Par contre, en termes de rendement global au niveau du train il faut considérer le rendement de la traction comme le rapport :

totale auxiliaire puissance absorbée Puissanceattelagel' à Puissance

+=η

MASSE et GABARIT Les contraintes de l’infrastructure ferroviaire : voies, ouvrages d’art, imposent au matériel roulant et en particulier à l’engin moteur, deux limites :

• masse • gabarit

La masse

Elle est définie en terme de masse par essieu. En Europe elle varie entre 17 t et 22,5 t. Les lignes à grande vitesse en France sont limitées à 17 t. Aux Etats-Unis et pour certains autres réseaux elle atteint 32 t. D’autres critères complètent cette imposition, notamment l’équilibrage des masses sur chaque essieu et entre masse par file de rail. Les tolérances sur ces valeurs sont fixées par une norme UIC. Les conditions d’exercice de l’effort de traction étudiée ci-dessus conduisent à déterminer aisément le nombre d’essieux pour respecter l’exigence de masse : au démarrage FD est l’effort à

la jante nécessaire, μ0 l’adhérence utilisable, la masse adhérente est : 0

DμFL =

Q étant la charge par essieu imposée, le nombre d’essieux nécessaires est : QLn =

La disposition des essieux est fonction de l’inscription en voie; elle sera étudiée au chapitre “ Bogie ”. Le gabarit Tel qu’il a été définit au chapitre de la voie, il impose une géométrie et un volume à l’engin moteur : largeur, longueur, hauteur, entraxe des bogies de roulement.

Gabarit UUUIIICCC 555000555---111


98

EXERCICE d ’ APPLICATION Dimensionnement et caractéristiques d’une locomotive Nous nous proposons d’étudier une locomotive dédiée au trafic fret en vue d’assurer le programme de traction suivant : - trains : 1200 tonnes de wagons de transport combiné - vitesse maximale : 120 km/h - rampe maximale : 10 ‰ - courbe R min. : 350 m - charge par essieu : 22 tonnes

__________________

I - Détermination de l’effort maximal au démarrage

L’effort maximale au démarrage - à vitesse nulle - s’exerce dans les conditions les plus difficiles en rampe de 10 ‰ et courbe de 300 m. La résistance à l’avancement du train RT est : RT = RW+ RL + Rr Résistance à l’avancement de la rame remorquée à V=0 :

RW = 1001200

( 1,2 + 0,01.V + 0,000171.V²) = 12.1,2 = 14,4 kN

Résistance à l’avancement de la locomotive à V=0 : V²103VL10n13L1065R -4-44

L ⋅⋅+⋅⋅+⋅+⋅⋅= − ,0 (en kN) Ne connaissant pas la masse de la locomotive L, on prendra comme hypothèse une locomotive BoBo à 4 essieux, soit une masse totale de : 22 × 4 = 88 tonnes :

kN 1,09 = 40,13 881065R 4L ⋅+⋅⋅= −

L’influence de la courbe minimum de 300 m s’exprime par le profil corrigé avec k = 800 :

28,1235080010ki'i =+=+=

ρ

La résistance au démarrage due à la rampe corrigée est : kN 162,7 = 12880,0098112,2888)+(1200109,81iR 3

r ⋅⋅=⋅⋅⋅= −

La résistance à l’avancement totale au démarrage est : RT = RW+ RL + Rr = 14,4 + 1,09 + 162,7 = 178,19 ≅ 178 kN

L’effort nécessaire pour exercer une accélération minimale en rampe tient du coefficient majorateur dû aux masses tournantes que l’on prend égal à :

- 9 % pour la locomotive - 4 % pour la rame

Fγ = m.γ = [(1200 × 1,04) + (88 × 1,09)].γ (F en kN, m en tonnes, γ en m/s² ) L’accélération minimale à prendre en compte doit être de l’ordre de 0,02 m/s², soit :

Fγ = 1344 × 0,02 = 26,88 kN ≈ 27 kN L’effort maximal au démarrage à exercer en rampe est de :

FR = RT+ Fγ = 178 + 27 = 205 kN

L’adhérence sollicitée au démarrage est : μ 0DFL

20588 9,81

= =×

= 0,24

qui représente une faible sollicitation de l’adhérence par rapport à ce qui est couramment pratiqué avec des coefficients compris entre 0,35 et 0,40. Le calcul ci-dessus ne tient pas compte de l’éventualité d’un “ décollage ” du train difficile qui peut se produire dans certaines circonstances de température basse ou de stationnement


99

prolongé du matériel remorqué. Dans ce cas on considère l’expression de la résistance en profil corrigé de :

( )

( )

R m i

R kN

D

D

= ⋅ ⋅ +

= ⋅ ⋅ + =

1001 25 0 981 2 75

1288100

1 25 12 28 0 981 2 75 229 4

, , ,

, , , , ,

L’effort maximal au démarrage devient : FD = RD + Fγ = 230 + 27 = 247 kN

Il est prudent de choisir un effort au démarrage FD de 300 kN permettant de couvrir tous les cas difficiles de démarrage avec une marge de sécurité. L’adhérence sollicitée est alors de :

μ 0DFL

30088 9,81

= =×

= 0,35

2) Tracé de la caractéristique F(V) en limitation d’adhérence

C’est l’équation : V2,08V1,08FF 0 +

+= avec F0 = 300 kN

correspondant à : V2,08V1,08

0 ++

μ=μ avec μ0 =0,35

3) Tracé de la caractéristique F(V) en équi-puissance

L’équipuissance se déduit du calcul de la puissance à Vmax. dans les conditions les plus courantes, c’est-à-dire en palier : P = F.V = ΣR.V = (RL+RW).V

A 120 km/h les résistances à l’avancement sont : kN 6,5 kN 6,47 =120²103 1208810 40,13 881065R 4-44

L ≅⋅⋅+⋅⋅+⋅+⋅⋅= −−

RW =100

1200 ( 1,2 + 0,01.V + 0,000171.V²) = 15 . 1,2 = 58,35 kN

P = (6,5 + 58,35) 6,3

120 = 2160 kW (sans réserve d’accélération)

Pour ménager une réserve d’accélération de 0,001 m/s² environ à 120 km/h il faut une

puissance supplémentaire de : Pγ = F.V = m.γ.V = 1288.0,008.6,3

120 = 340 kW

soit une puissance à la jante totale de : P = 2160 + 340 = 2500 kW


100

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

105

110

115

120

Vitesse (km/h)

Effort(kN)

Limitationd'ADHERENCE

Résistance àl'avancement totale

Rampe 10 % o

R Fret

R Loco

R total en palier

EQUIPUISSANCE4200 kW

FD

Résistance au"décollage"


101

Vitesse R Loco R Fret RL+RW R rampe R total EFFORT 10 %o Limit adhérence Equipuissance

km/h kN kN kN kN kN kN 2500 kW (kN)0 1,1 14,4 15,5 163 247 3005 1,1 15,1 16,2 163 179 28310 1,2 15,8 17,0 163 180 27015 1,3 16,7 18,0 163 181 25920 1,4 17,6 19,0 163 182 25025 1,5 18,7 20,2 163 183 24230 1,6 19,8 21,5 163 184 23635 1,8 21,1 22,9 163 186 23040 1,9 22,5 24,4 163 187 225 22545 2,1 24,0 26,1 163 189 20050 2,3 25,5 27,8 163 191 18055 2,5 27,2 29,7 163 192 16460 2,7 29,0 31,7 163 194 15065 2,9 30,9 33,8 163 13870 3,2 32,9 36,0 163 12975 3,4 34,9 38,4 163 12080 3,7 37,1 40,8 11385 4,0 39,4 43,4 10690 4,3 41,8 46,1 10095 4,6 44,3 49,0 95100 5,0 46,9 51,9 90105 5,3 49,6 54,9 86110 5,7 52,4 58,1 82115 6,1 55,3 61,4 78120 6,5 58,3 64,8 75


102

EFFORT en FREINAGE Si il y a égalité des valeurs absolues d’accélération en freinage et en traction, toutes les considérations précédentes s’inversent : les efforts résistants en traction participent au freinage; il suffit de doter l’engin moteur d’un système fournissant l’effort de retenue complémentaire pour réaliser la décroissance de vitesse jusqu’à l’arrêt. La réalité présente un impératif de sécurité tel que les valeurs d’accélération négative sont beaucoup plus importantes qu’en traction pour obtenir des distances d’arrêt les plus courtes possibles. Ainsi l’énergie mise en jeu pour un train de 1400 tonnes à 120 km/h est :

J 107,83600

11012010140021MV²

21E 8

233 ⋅=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅⋅==

Si l'arrêt s’effectue en 60 s - ce qui correspond à une décélération de 0,75 m/s²- la puissance de freinage devra être de :

kW 000 1360

10 . 7,8 = tE =P

8

≅

soit plus de quatre fois la puissance en traction. Il s’agit d’une double impossibilité : - l’installation d’une telle puissance, donc la dissipation d’une telle énergie, est incompatible

avec les impératifs de masse et de gabarit - les efforts au niveau des contacts roues-rails dépassent les limites d’adhérence ; pour une

locomotive à 4 essieux, en effet, l’effort à la jante à 120 km/h, serait de :

kN3906,3120

13000VPF =⋅==

sollicitant une adhérence de :

44,081,990

390120 =

⋅=μ

alors que l’adhérence à cette vitesse ne peut être sollicitée de plus de 10 % ; l’effort maximale de retenue ne peut donc être supérieur à : F = μ . Q = 0,10 . 90.9,81 = 88,3 kN

soit une puissance de freinage de : kW 2943=3,6120 88,3=V F =P ⋅⋅

La différence fondamentale entre un véhicule isolé et une rame tractée se situe au niveau de la puissance de freinage à mettre en œuvre. Il est indispensable de rendre “ actif ” tous les véhicules composant un train. Ce fut le cas dès les premiers temps du chemin de fer lorsque les wagons, munis de “ vigie ” abritait un agent nommé “ serre-frein ” qui, au coup de sifflet de la locomotive, actionnait les freins de son wagon ! Le procédé s’est quelque peu automatisé depuis ! La puissance de freinage installée dans l’engin moteur est utilisée pour les besoins de son seul ralentissement. Par contre les moyens mis en œuvre pour réaliser ce freinage diffère de ceux du matériel remorqué dès lors qu’il est possible d’utiliser la réversibilité de l’organe moteur pour dissiper de l’énergie. C’est le cas du moteur électrique fonctionnant en générateur et capable d’exercer un couple résistant. Nous l’étudierons dans le cadre de la chaîne de traction.


103

AARRCCHHIITTEECCTTUURREE ddee ll ’’EENNGGIINN MMOOTTEEUURR

La conception d’un engin moteur répond d’une part aux fonctions principales permettant de satisfaire un cahier des charges et d’autre part aux fonctions de contraintes résultant de son environnement opérationnel. Le cahier des charges du Client les précise en termes :

- de performances capables d’assurer un programme de traction - de caractéristiques environnementales - d’objectifs économiques liés à l’utilisation du produit pendant sa durée de vie.

La réponse du concepteur se traduit par une arborescente de grandes fonctions

Traction Freinage dynamique

TRACTION / FREINAGE

Production / Traitement d'énergiepour le frein

Freinage

FREIN

Production Distribution

ENERGIE AUXILIAIRE

Essieux / Bogie moteur Essieux / Bogie porteur

ROULEMENT ESSIEUX / BOGIE

Caisse motrice Caisse PassagersRemorque / Voiture

CAISSE - INSTALLATION - AMENAGEMENTS

Confort motrice Confort Passagers

CONFORT

EXPLOITATION AIDE à la CONDUITE Aide à la MAINTENANCE

CONTRÔLE-COMMANDE


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Fonction TRACTION - FREINAGE

La nature de l’alimentation en énergie - autonome ou traction électrique - détermine la chaîne de traction à utiliser. Dans le cas où l’organe moteur est réversible, la spécification du freinage dynamique est précisée.

Fonction FREIN

Elle concerne l’ensemble des dispositions capables d’assurer le maintien de la vitesse, le ralentissement et l’arrêt. Lui sont associées deux sous - fonctions : la production d’énergie nécessaire pour assurer le freinage, qu’il soit pneumatique ou hydraulique , le freinage proprement dit.

Fonction ENERGIE AUXILIAIRE

Le fonctionnement de l’engin moteur impose des contraintes : - de rendement, donc de pertes à évacuer, - de prestations auxiliaires telles que : confort nécessaire aux passagers ou à l’agent de

conduite, alimentation des circuits basse tension, batterie, etc. .. Un certains nombres d’organes consommateurs d’énergie assurent ces fonctions

« auxiliaires » tels que ventilateurs, pompes de circulation de fluide, compresseur, batterie d’accumulateurs, électricité basse tension, climatiseurs. Un générateur d’énergie auxiliaire associé à un réseau de distribution et de répartition doit être spécifié.

Fonction ROULEMENT – ESSIEUX / BOGIE

Elle est à la base de l’engin moteur : par elle s’exerce les efforts de traction et de freinage. Simultanément elle est l’interface avec la voie. Le roulement concerne aussi la partie « portée » de l’engin lorsqu’elle existe.

Fonction CAISSE - AMENAGEMENTS

Le contenant par excellence est la caisse. Sa structure participe aux efforts de traction et de freinage. La disposition de tous les organes constitue les aménagements. Elle peut, dans le cas d’automotrice, contenir les passagers.

Fonction EXPLOITATION - AIDE à la CONDUITE et à la MAINTENANCE

Elle rassemble toutes les dispositions permettant d’exploiter l’engin de traction : conduite, interfaces homme - machine (IHM ), liaisons sol - train, signalisation, équipements de sécurité, maintenance : curative et préventive

Fonction CONTRÔLE - COMMANDE

L’ensemble des informations ou des actions nécessaires aux fonctions précitées constitue le contrôle - commande répondant à une architecture fonctionnelle. Cette fonction, assurée il y a peu, par une infrastructure électromécanique (à relais) est très rapidement supplantée par une informatique embarquée.

Pour chacune de ces fonctions on analysera : - les caractéristiques permettant de satisfaire les performances - les contraintes d’interface et d’environnement à satisfaire - les contraintes en termes de coût de cycle de vie - LCC “ Life Cycle Cost ”

Nous débutons cette étude par les fonctions mécaniques : ROULEMENT - ESSIEUX et CAISSE - AMENAGEMENTS. En effet l’engin de traction assure une fonction dynamique quel que soit le système de propulsion et l’énergie mis en œuvre ; l’ensemble des fonctions imposent


105

des contraintes sur la partie mécanique de l’engin, d’où le grand nombre d’interfaces intervenantes.

Nous poursuivrons par l’étude de la chaîne de traction et ses principaux composants : moteur de traction, convertisseurs, production d’énergie auxiliaire et contrôle - commande.

Le freinage sera étudié en termes de principes fondamentaux. L’exploitation fera l’objet d’un chapitre spécial donnant les bases essentielles de l’exploitation ferroviaire .

____________________


106

7° partie

AALLIIMMEENNTTAATTIIOONN

eenn EENNEERRGGIIEE ddee TTRRAACCTTIIOONN


107


108

AALLIIMMEENNTTAATTIIOONN eenn EENNEERRGGIIEE ddee TTRRAACCTTIIOONN

L’énergie nécessaire aux engins moteurs pour la remorque des trains est fournie :

en traction “ autonome ” par un combustible embarqué et transformé à bord de l’engin par un moteur thermique : moteur à explosion, Diesel ou turbine à gaz. en traction électrique par un réseau constituant une ligne d’alimentation en électricité directement utilisable.

Mentionnons le cas particulier d’alimentation en énergie électrique autonome à partir de batteries d’accumulateurs embarquées, utilisé pour la remorque de trains de travaux des réseaux urbains ou suburbains. La différenciation des deux types de traction se situe en termes d’infrastructures :

• en traction autonome elles sont de simples stations-service d’approvisionnement en carburant. (établissement de maintenance ou points de relais)

• en traction électrique elles nécessitent : - des interfaces avec le réseau de distribution générale, voire même un réseau spécial

pour le chemin de fer - la distribution répartie le long des lignes ferroviaires.

La comparaison des coûts d’investissement entre les deux systèmes mérite une analyse approfondie et ne peut être dissociée de l’aspect historique. Rappelons que le chemin de fer est né grâce à l’énergie de la vapeur produite par la combustion du charbon portant l’eau à ébullition, d’un très mauvais rendement (5 % environ). Les inventeurs du XIX° siècle se sont naturellement tournés vers l’électricité naissante : le moteur électrique présente un rendement très élevé : 80 à 95 %.

Le moteur à explosion, dont le cycle thermique à été inventé par Beau de Rochas et appliqué par Otto en 1877, et le moteur à combustion interne inventé par Rudolph Diesel en 1893, ont très tardivement trouvés leurs premières applications en ferroviaire. Le développement des chemins de fer a donc bénéficié de celui de l’électrotechnique dans la mesure où le trafic a justifié les investissements importants qu’exige l’alimentation en énergie électrique. D’autres facteurs interviennent dans la comparaison, tels que le coût de l’énergie, le coût de maintenance, les problèmes de pollution, la disponibilité de service. L’étude du présent chapitre porte sur les systèmes d’alimentation en énergie électrique de traction.


109

Premier constat : des SYSTEMES d’ALIMENTATION DIFFERENTS Il faut chercher dans l’histoire ferroviaire l’explication de la si grande diversité des

systèmes d’alimentation des engins de traction en énergie électrique. A la base : le moteur électrique de traction Le moteur à courant continu a été choisi dès l’origine pour ses caractéristiques parfaitement adaptées à la traction ferroviaire :

- effort au démarrage très important - capacité de surcharge exceptionnelle.

Il est par ailleurs capable de fonctionner sous tension alternative à basse fréquence : c’est le moteur universel. Son handicap majeur est de nécessiter une alimentation particulière, soit sous tension continue, soit sous tension alternative à basse fréquence, différente des réseaux de distribution, généralement à fréquence moyenne : 50 ou 60 Hz. Nombre de compagnies de chemins de fer se sont dotées d’installations spéciales: centrales génératrices à fréquence spéciale ou sous-stations de conversion à courant continu. Il faut attendre les années 1951-1954 pour que le chemin de fer devienne enfin un « abonné » du réseau de distribution général. Le développement, initié en France par Louis ARMAND a permis de convertir à bord de l’engin de traction le courant sous la fréquence dite « industrielle ». En tout état de cause, les différents systèmes existent; il convient de les utiliser au mieux ; leur unification n’est pas envisageable à terme. Les systèmes d’alimentation Le courant continu

Développé très tôt aux Les Etats-Unis l’ont utilisé très tôt pour les transports urbains, suivis par l’Europe : France (1922), Belgique, Espagne, Italie. La tension continue ne pouvant être obtenue de façon simple, et les limites d'isolement étant d'un niveau faible, l'alimentation des lignes devait permettre une utilisation directe sur la locomotive. Ceci explique les tensions d'alimentation utilisées relativement basses : 1 500 ou 3 000 Volts. Les réseaux urbains et certaines grandes lignes sont électrifiées sous tension de 750 V, voire 600 V.

Le courant alternatif basse fréquence 16,7 Hz

En courant alternatif le transport jusqu’à la locomotive peut s’effectuer sous tension plus élevée qu’en continu (15 000 V) du fait des distances d’isolement plus facile à mettre en œuvre. C’est le choix initié par deux grands Ingénieurs suisses : Huber-Stockar et Behn-Eschenburg en 1905. A cette époque les grands réseaux de distribution n’existent pas ou peu et le chemin de fer est son propre fournisseur d’électricité. Ainsi la tension et la fréquence d’alimentation furent-elles choisies en fonction des contraintes ferroviaires, d’où cette valeur de 16,7 Hz (le tiers de 50 Hz) assimilable par le moteur à collecteur fonctionnant en moteur universel.


110

Le courant alternatif en fréquence industrielle (50 Hz ou 60 Hz)

Développé à l’initiative de la France, il s’est répandue dans le monde entier de sorte que la plupart des électrifications nouvelles le sont avec ce système. Le tableau et la carte ci-après indique la répartition des principaux systèmes.

Courant continu

Courant alternatif

750 V 1 500 V 3 000 V 15 000 V 16 Hz 2/3

25 000 V 50 Hz

Réseaux Urbains

FRANCE Sud-Est Sud-Ouest

ITALIE ALLEMAGNE FRANCE Nord-Est Ouest Lignes GV

GB Sud Londres

PAYS-BAS BELGIQUE SUISSE DANEMARK

ESPAGNE AUTRICHE INDE MAROC SUEDE COREE (60Hz) SLOVENIE NORVEGE CHINE POLOGNE PORTUGAL TURQUIE ESPAGNE:

Ligne GV GB

Nord Londres JAPON SERBIE CROATIE ex-URSS

Des systèmes différents entre pays voisins ou à l’intérieur d’un même pays comme la France, pose le problème du franchissement de ces « frontières électriques » . Nous étudierons les solutions développées notamment grâce aux engins « multitensions .


111

25 kV 50 Hz 15 kV 16,7 Hz 3 kV dc 1,5 kV dc 750 V dc


112

FOURNITURE de l’ENERGIE ELECTRIQUE Deux types sont à considérer :

- le réseau ferroviaire est son propre fournisseur; c’est le cas de ceux qui utilisent une fréquence spéciale (16,7 Hz). Ils possèdent leurs centrales ou des centrales intermédiaires convertissant la fréquence du réseau général. (Suisse, Allemagne, Autriche, Pays Scandinaves) et leur propre réseau de distribution.

- le réseau est un abonné du réseau général; il doit mettre en œuvre l’adaptation nécessaire à ses propres besoins.

INTERFACE avec le RESEAU GENERAL : les sous-stations de traction L’énergie électrique primaire est fournie par des centrales distribuant le courant à tous les abonnés, domestiques ou industriels. Le réseau est en très haute tension comprenant des postes d’interconnexion alimentant à leur tour des postes de distribution. Le chemin de fer doit adapter cette tension grâce à des postes qui lui sont propres, appelés « sous-stations ».

Sous-station à courant continu

Le problème consiste à convertir la tension alternative suivant deux étapes : - abaissement de la tension du réseau général pour être utilisable par les engins moteurs. On

a vue que la tension continue se prête mal aux valeurs élevées du fait de la coupure de l’arc très difficile à effectuer en cas de court-circuit

- conversion de la tension alternative en tension continue par redressement La réalisation pratique se complique du fait des puissances mises en jeu. En effet pour une

puissance donnée, la tension faible (1500 V ou 3000 V) entraîne l’utilisation de courants forts, d’où : - équipements lourds capables de ces intensités élevées - chutes de tension élevées, d’où pertes importantes. Elles sont minimisées en multipliant les

points d’alimentation, donc le nombre de sous-stations. Mais le maillage du réseau général n’est pas à la mesure du nombre de connexions nécessaires : un réseau auxiliaire haute tension s’avère indispensable.

réseau général THT

Sous stations

caténaire

ligne auxiliaire HT


113

Bercy Brunoy

VILLEVAUDE

Plessis

Samorceau

Montereau

Villefranche

St GeorgesBelleville

Romanèches Crèches

MACONSenozan

FleurvilleLe Villars

Tournus Sennecey

CHALONS s/S Varennes

Meursault

Beaune Corgoloin

Vosnes Gevrey

St MammèsSamois

MELUN

Champigny

St Martin du tertre

Villeneuve le Guyard

Cezy

LAROCHE

St Florentin

Flogny Le Petit Beru

Pacy

Nuits-s/s Ravières St Barbe

SeignyGissey

Verrey Baume la roche

Velars DIJON

LYON

SIVRY

ROUSSON

VIELMOULIN

GENISSIAT

Henri PAUL

CRENEY

Ligne auxiliaire HT

Sous-station de traction Centrale EDF

Schéma d’alimentation de la ligne PARIS – DIJON - LYON

PARIS

Quincieux

Les Grands VioletsLa BOISSE

Cusset

JOUXRéseau général THT

Chagny


114

Technologie d’une sous-station à courant continu

L'organe essentiel est le groupe de traction composé : • d'un transformateur abaisseur • d'un redresseur

Le (ou les) groupes débitent sur une "barre" 1 500 V (ou 3 000 V) sur laquelle sont connectés les "départs" vers les lignes de contact, par l'intermédiaire de disjoncteurs et de sectionneurs. Le transformateur est généralement à deux enroulements secondaires alimentant les trois phases d’un pont de Graëtz triphasé.

disjoncteurs HT

transformateur abaisseur

redresseur

barre 1500 V

départs caténaires

rail

sectionneurs

disjoncteurs


115

Evolution des sous stations 1500 V et réalisations récentes

La technologie des sous-stations de traction à courant continu a beaucoup évolué, bien que leur nombre se soit peu accru au bénéfice du monophasé.

La généralisation des redresseurs secs au silicium a permis des gains de surface et d’appareillages auxiliaires considérables par rapport aux redresseurs à vapeur de mercure des années 1950.

La vue ci-dessous montre une sous-station de la ligne LYON-AVIGNON-Rive Droite de 10 MW, construite en 1962, comparée à celle de la ligne Paris -Dijon – Lyon des années 50 ci-dessus:

portique d'arrivée HT, avec sectionneurs et disjoncteurs HT groupe transformateur - redresseur de traction (dans le bâtiment) herse de distribution aux caténaires avec sectionnements et départs 1500 V.

Groupe redresseur à diode au silicium


116

Distribution du courant de traction

Compte tenu des très fortes intensités distribuées aux engins moteurs les configurations des sous-stations sont telles que l’on cherche à optimiser l’impédance de la ligne par leur alimentation en parallèle. Les schémas de principe couramment rencontrés sont les suivants :

Alimentation bilatérale L'engin moteur reçoit son courant par les 2 sous-stations encadrantes.

Mise en parallèle Sur les lignes à double voie, les deux lignes de contact participent à l'alimentation en disposant un poste de mise en parallèle au point médian de chaque intervalle. L'engin reçoit donc son courant de 4 circuits : la diminution de résistance ohmique qui en résulte réduit d'autant les chutes de tension.

Sectionnement En cas d’incident ou de travaux sur une section donnée, il permet d’isoler une portion de voie sans affecter les portions adjacentes. Conjugué avec la mise en parallèle des sous-stations, le schéma devient le suivant :

S/ST 1

S/ST2

I1 I2

S/ST 1

S/ST 2

Poste de Sectionnement

et mise en parallèle

Voie 1

Voie 2

caténaire

voie 1

voie 2

S/ST 1

S/ST2


117

Monophasé à fréquence industrielle 50 Hz (ou 60 Hz)

Le réseau ferroviaire est un abonné ordinaire du fournisseur d’énergie. Les tensions utilisables en alternatif sont élevées parce que la coupure de l’arc en cas de court-circuit est aisée, le courant s’annulant deux fois par période. Les chutes de tension sont, à puissance absorbée égale au continu, réduites dans le rapport inverse des tensions (1 500 / 25 000), l'espacement des sous-stations peut être beaucoup plus important, de l'ordre de 60 à 100 km. Chaque sous-station peut être implantée au droit d'une ligne HT par simple « piquage ». La figure ci-dessous montre l'implantation des sous-stations de la ligne TGV-Paris-Sud-Est et la configuration de l’alimentation HT.

S/ST n°1 Crisenoy

PARIS

S/ST n°3 Carisey

SST n°4 Sarry

ligne

S/ST n°2 La VoulzieLe CHESNOY

ROUSSO

93 km

35

90

24 km

La BOISSE

38

37

39

VIELMOULIN

Henri

S/ST n°5 St Martin deCommune

S/ST n° 6 Curtil

S/ST n° 7 Charnay

LYON

S/ST n° 8 Rancé


118

Constitution d’une sous-station monophasée

A partir d'une ligne THT du réseau général, chaque sous-station comprend une double alimentation HT, pouvant être isolée l'une par rapport à l'autre par un jeu de sectionneurs. Chaque groupe d'alimentation comprend, en aval des sectionneurs et disjoncteurs HT, un transformateur monophasé HT / 25 kV, fournissant la tension aux caténaires par un disjoncteur, sectionneurs et interrupteurs de départ. Un transformateur auxiliaire permet le service des circuits de commande et contrôle. Herse de départs Transformateurs Ligne THT

THT

25 kV


119


120

Prélèvement monophasé - Sectionnement Les sous-stations sont alimentées par le réseau THT-triphasé. Pour obtenir une tension monophasée il suffit de se connecter entre deux phases, ce qui a pour effet de déséquilibrer le réseau THT. Compte -tenu des puissances appelées importantes cet inconvénient est inacceptable sans réaliser un pseudo équilibrage par. La solution adoptée consiste à brancher les sous-stations successives sur des phases différentes du réseau THT : phases 1-1, phases 1-2, phases 1-3. De ce fait les zones de caténaires alimentées par des sous-stations successives doivent être isolées entre elles grâce aux postes de sectionnement.

Franchissement de sectionnement Il doit s'effectuer sans risque de court-circuit des deux zones de caténaires par le - ou les - pantographes de l'engin. Entre ces deux zones il est ménagée une zone neutre. Au passage de celle-ci l'alimentation de l'engin doit être coupée. Une signalisation spéciale indique à l’Agent de conduite qu'il doit ouvrir le disjoncteur. Sur ligne à grande vitesse parcourue par des Rames de grande longueur, en Unités multiples (UM), cette signalisation est reportée en cabine de sorte que l'autorisation de fermeture du disjoncteur tient compte du dégagement du dernier pantographe hors de la zone neutre. Elle est de plus en plus complétée par un dispositif automatique de déclenchement, basé sur une information ponctuelle délivrée par balise placée en avant de la zone neutre.

Poste de SECTIONNEMENT

et de mise en parallèle

Sous-station A Sous-station B

123


121

DJ M

DJ M

3300 mm

DJ M

neutre

DJ M

25 kV ~ 25 kV ~

SECT à 500 m


122

L’alimentation en 2 x 25 kV

Son principe, initié et développé par les chemins de fer japonais, est le suivant : - chaque transformateur (HT / 25kV) a un secondaire à point milieu relié au rail. Les deux extrémités d'enroulements sont reliées, l'une à la caténaire, l'autre à un feeder parallèle à la caténaire. La caténaire et le feeder son alternativement au potentiel +25 kV et -25 kV. A distance de la sous-station un autotransformateur à point milieu relié au rail, est branché sur caténaire et feeder, de sorte qu'il "reprend" les tensions fournies par la sous-station et les réinjecte à la caténaire. Ainsi, vu de la sous-station, l'énergie est transportée en 2 x 25 kV, soit 50 kV. Les chutes de tension sont par conséquent divisées par 2, et permettent ainsi de doubler l'intervalle entre 2 sous-stations. Cette technique se généralise pour toute électrification nouvelle.

AUTOTRANSFORMATEUR

Feeder

Caténaire

Rail25 kV

25 kV

50 kV

TRANSFORMATEURS/ST

THT

+25 kV

-25 kV

t

tension Caténairetension Feeder

U

50 kV


123

Monophasé en fréquence spéciale 16,7 Hz

La fourniture d’énergie en fréquence spéciale telle qu’elle est pratiquée dans les pays germaniques, nordiques et la Suisse, dispose de trois solutions : alimentation par centrales monophasées indépendantes du réseau général, qui desservent une ligne en THT, alimentant à son tour des sous-stations réparties sur la ligne ferroviaire.

Alimentation par des postes de conversion de fréquence connectés sur le réseau général et desservant une ligne THT comme précédemment.

Alimentation par sous-stations individuelles de conversion de fréquence connectées sur le réseau général.

AT TURBINE

CENTRALE

THT – 16,7 Hz

15 000 V – 16,7 Hz

S/ST1

S/ST 2

S/ST 1

Réseau général 50 Hz

Conversion de fréquence

Ligne THT 16,7 Hz

Sous-stations 16,7 Hz

S/ST 2


124

Franchissement de séparation de deux systèmes

Les « frontières » entre systèmes différents sont nombreuses, notamment en Europe et en France en particulier du fait de la juxtaposition du continu et du monophasé. Le franchissement, en vitesse, de la séparation exige une procédure spéciale : les deux zones sont séparées par une zone « neutre » reliée à la terre. Une signalisation appropriée avertit l’agent de conduite pour ouvrir les circuits par le disjoncteur tandis qu’il configure le schéma pour le nouveau système. Le scénario est le suivant :

25 kV ~ 1500 V =

25 000 1500

25 kV ~ 1500 V =

1500

6600 mm

neutre

25 kV ~ 1500 V =

25 000 1500

25 kV ~ 1500 V =


125

Commande - contrôle des sous-stations

L'alimentation en énergie des lignes électrifiées est commandée et contrôlée à partir de centres spécialisés, appelés Postes de Commande Centralisée (PCC), ou Centraux sous-stations. Leur rôle est double : assurer la liaison avec le fournisseur d'énergie ; gérer l'alimentation en fonction des incidents éventuels, des impératifs d'entretie et maintenance, etc. Chaque poste est responsable d'une section de ligne comprenant plusieurs sous-stations, sous le commandement d'un "Régulateur Sous-station". La gestion se fait à l'aide d'informations venant du terrain au moyen de télémesures ; les transmissions s'effectuant par lignes multiplexées temporelles longeant la voie. La visualisation de la configuration est donnée par un Tableau de Contrôle Optique (TCO).

Commande centralisée des sous-stations (CSS)

25 kV

Télécommandes Téléinformations THT

manque tension HT

Büchholz amorçage Masse

manque Tension auxiliairemesure Intensité

manque Tension départ 25 kV

manque Tension caténaires


126

DISTRIBUTION de l’ENERGIE de TRACTION : DEUX SYSTEMES L’engin moteur doit disposer de l’énergie adaptée par les sous-stations tout le long de son parcours. Deux systèmes ont été développés dès l’origine de la traction électrique :

conducteur latéral appelé improprement “ 3° rail ” câble de contact tendu au-dessus de la voie, appelé “ caténaire ”

Conducteur latéral Il est très répandu pour les transports urbains, surtout souterrains, du type métropolitains, utilisant des tensions relativement basses, comprises entre 500 et 750 V. Les conditions d’isolement du conducteur sont aisées à satisfaire dans un encombrement réduit s’accordant avec le gabarit étroit de ces lignes et les exigences de sécurité du personnel intervenant. Quelques grandes lignes sont électrifiées ainsi : le sud de Londres par exemple. Le conducteur latéral, qui n’a rien d’un rail de roulement, est de grosse section permettant de fortes intensités du fait de la tension peu élevée. L’équivalent -cuivre d’un conducteur en acier est d’environ 900 mm² soit deux fois plus que la section d’une caténaire que nous étudions ci-après. Il présente par contre l’inconvénient de devoir être interrompu pour le franchissement des appareils de voie. La pose de conducteurs latéraux de part et d’autre s’impose avec de nombreux raccordement par câble.

Enfin la sécurité des personnels devant intervenir sur les voies exige des protections et des procédures rigoureuses. Le captage du courant se fait par un frotteur disposé sur le bogie de l’engin moteur. Le retour de courant est assuré par les rails de roulement. Dans le cas particulier du roulement sur pneumatique, les pistes de guidages latérales assurent l’amenée du courant. Par contre, le retour ne pouvant se faire par les roues de roulement, les deux pistes latérales font offices de prises positive et négative.


127

Le SYSTEME CATENAIRE Le mot "caténaire" vient du mot "chaînette" (catena en latin). La suspension du fil de contact est régie par l'équation d'un fil tendu entre deux points : la chaînette. Caténaire est la contraction usuelle de l'expression :"fil de contact à suspension caténaire".

Quelle que soit la tension d'alimentation, la caténaire remplit deux fonctions principales : • distribuer le courant de traction à l'engin moteur en tous points de la ligne, par

l’intermédiaire d’un appareil articulé, appelé “ pantographe ”. Ce sont les caractéristiques électriques.

• permettre un contact mécanique optimum quels que soient les paramètres de circulation : ce sont le caractéristiques mécaniques.

Du point de vue électrique, le système répond aux contraintes suivantes :

• résistance électrique minimum pour optimiser la chute de tension (en Ω/km) • respecter les isolements électriques par rapport à l’environnement (supports, obstacles,

ouvrages d’art, etc.) Du point de vue mécanique, l'ensemble de suspension du câble de contact présente :

• une rigidité suffisante au passage du pantographe • une hauteur la plus constante possible par rapport au rail

Le système se présente sous la forme d’un ensemble de câbles suspendus à des supports : • le câble porteur • le fil de contact suspendu au câble porteur par des « pendules » de hauteurs différentes

permettant son maintient à une altitude constante.

Câble porteur et fil de contact sont tendus simultanément entre deux points d’ancrages espacés d’une longueur appelée « section ».

Support

Fil de contact

Câble porteur Pendules

HPantographe


128

Géométrie de la caténaire

Les caténaires utilisées actuellement sont du type “ polygonales ”.

En courbe le plan vertical constitué par le câble porteur et le fil de contact se projette suivant un polygone sur le plan horizontal de la voie. En alignement le fil de contact doit être désaxé périodiquement pour permettre au pantographe de ne pas s’user au même endroit, ce qui entraînerait sa destruction rapide :

La valeur du désaxement la plus courante est ± 20 cm sur une seule portée entre deux supports.

La portée normale en alignement entre deux supports est de 63 m. En courbe ils sont plus rapprochés en fonction du rayon. Dans certains cas particuliers de zones fortement ventées ou sur viaduc la portée est réduite à 54 m pour éviter les soulèvements intempestifs du fil de contact qui provoquerait l’échappement du pantographe et l’arrachement de la caténaire.

20 cm

20 cm

aires de

archet de

fil de

63 m en alignement


129

Tension mécanique du fil de contact

Pour garantir une hauteur constante et un soulèvement minimum du fil de contact au passage de l’archet du pantographe, et ce quelles que soient les conditions de température entraînant dilatation ou rétraction, on doit maintenir l’ensemble porteur et fil de contact en tension mécanique. Elle assurée par un système simple d’ancrage et contrepoids.

Les tensions adoptées généralement sont de 1700 daN en courant continu et 1000 daN en monophasé, pour des températures ambiantes de -10°C à +50°C. Les lignes à grande vitesse voit la tension mécanique de leur caténaire portée à 1400 daN. Le passage d’une zone à la suivante se fait progressivement grâce au système de la “ lame d’air ”: l’archet du pantographe voit l’un des fils de contact remplacé par l’autre :

Vue du passage en lame d’air de deux cantons de pose

La longueur d’un canton de pose est comprise entre 1500 et 2000 m.

ancrag

tendeu

contrepoid

lame d’air


130

Suspension

Le fil de contact est suspendu au câble porteur au moyen des pendules. Le pendule relie, d’une part un cavalier sur le câble porteur, d’autre part une “ griffe ” en deux demi parties sur le fil de contact:

Le positionnement du fil de contact dans l’axe voulu est assuré par l’antibalançant et son bras de rappel . Celui-ci peut être en traction ou en compression. L’ensemble est fixé au support de caténaire par l’intermédiaire: * d’une console * d’un hauban * isolés au moyen d’isolateurs

Montage en compression Montage en tension

porte cavali

pendul

griffe en 2 ½

fil de


131

Caténaire à courant continu

Compte tenu des intensités débitées, la caténaire à courant continu est caractérisée par de fortes sections de cuivre nécessitant un armement de supports lourd. Sur les lignes à fort trafic le câble porteur est doublé d’un câble porteur auxiliaire; le fil de contact est doublé. En outre pour réduire les chutes de tension la ligne est complétée par un “ feeder ”. Les sections et matériaux utilisés sont donnés ci-dessous :

Porteur principal Bronze

116 mm²

Porteur auxiliaire Cuivre dur 143 mm² Fil de contact Cuivre dur 2 × 150 mm² Feeder Cuivre dur

ou Alu - Acier 262 mm² 288 mm²

Les principaux composants sont :

1- support 2- console 3- hauban 4- antibalançant 5- bras de rappel 6- câble porteur 7- porteur auxiliaire 8- fil de contact 9- pendule


132

Caténaire monophasée

La tension d'alimentation plus élevée permet des intensités beaucoup plus faible, donc une section cuivre plus petite. L'armement des supports s'en trouve allégé. Elle est constituée d'un câble porteur et d'un fil de contact suspendu par pendules :

Câble Matière Section (mm²)

Porteur bronze à l'étain 65 Fil de contact cuivre dur 120

Au droit de chaque support un porteur auxiliaire de courte longueur permet de réduire l'effet de "point dur" de suspension en le répartissant. C'est ce que l'on appelle la suspension en "Y". Le soulèvement du fil de contact au passage du pantographe est autorisé par le bras de rappel articulé sur l'antibalançant. Les supports sont utilisés également pour la suspension des feeders d'alimentation et la mise à la terre.

Caténaire monophasée simple régularisée

Certaines lignes à faible ou moyen trafic ne nécessitent pas un équipement aussi complet qu’une ligne normale; c’est le cas, entre autres, des lignes à voie unique où le nombre de trains alimentés simultanément par la même sous-station est réduit; les chutes de tension sont, dans ce cas, faibles. L’équipement caténaire est constitué par un seul fil de contact, régularisé au droit des support par un câble de suspension : La section du fil de contact est de 107 mm², celle du câble de suspension en bronze de 35 mm². Cette technologie est largement développée en France sur les lignes telles que Bellegarde - Evian, St Cloud - St Nom la Bretèche, Gagny - Valenton, Bréauté Gravanchon, Epône - Plaisir.

8 mFil de contact

Câble de suspension


133

Retour du courant de traction Quel que soit le type de distribution du courant de traction, caténaire ou rail conducteur latéral, le retour du courant s ’effectue par les rails de roulement. La résistance électrique d’une file de rails de 1 km est d’environ 0,04 Ω / km soit, pour une voie : 0,04 Ω /2 = 0,02 Ω / km. Courant continu Les intensités élevées absorbées par les engins moteurs engendrent d’importantes chutes de tensions. Exemple : pour I = 4000 A ; U = rI = 0,02 × 4000 = 80 V / km soit pour 10 km : 800 V. Cette chute de tension est considérablement réduite en reliant toutes les files de rails en parallèle au moyen de liaisons transversales. Il reste néanmoins un tension résiduelle provoquant la circulation de courants “ vagabonds ” entre rails et sol, l’isolement de l’un par rapport à l’autre étant difficile à réaliser du fait de la qualité des traverses, du ballast et des conditions atmosphériques. Le niveau de ces courants peut atteindre 20 % du courant de traction.

Certaines dispositions sont à prendre pour s’assurer qu’effectivement ce retour se fasse avec toutes les garanties de sécurité, notamment celle du Personnel amené à intervenir sur les voies. Pour ce faire, les rails doivent avoir une conductibilité aussi parfaite que possible pour éviter les surtensions et les courants “ vagabonds ” par le sol. Les discontinuités de rails au droit des joints à éclisses, sont résolues par des connexions en cuivre fixées par brasure sur la face extérieure du champignon : Courant alternatif Le cheminement du courant de retour n’emprunte les rails qu’au droit des points d’alimentation et de charge pour s’amortir rapidement entre ceux-ci. Le courant mesurable dans le rail comprend deux composantes :

• le courant de retour traction It, c’est-à-dire la partie du courant Ic absorbée par l’engin de traction

• le courant induit se propageant dans les rails et provenant de l’induction électromagnétique propre au courant caténaire Ic.

Leur répartition est la suivante :


134

Coexistence du courant de retour traction et canton de signalisation

Les lignes sont très souvent équipées en signalisation automatique. Il s’agit d’assurer la continuité du courant de retour traction et l’isolement des cantons de signalisation les uns à la suite des autres. Deux solutions ont successivement été mises en œuvre :

- soit par connexion inductives à forte impédance, laissant passer le courant de traction et constituant un circuit bouchon pour les courants de signalisation

- soit par l’utilisation d’audio fréquences que le courant de traction ne peut perturber. Perturbations engendrées par le courant de traction Une caténaire engendre des effets électrostatiques et électromagnétiques dont les conséquences sont :

- danger pour le personnel - perturbations des installations situées au voisinage de la ligne, notamment dans le

domaine des télécommunications. Danger pour le personnel Rappelons qu’il y a danger pour une personne lorsque le corps est parcouru par un courant supérieur à 15 mA lors d’un contact avec un conducteur influencé et la terre ou lorsqu’il y a, dans les mêmes conditions, une force électromotrice induite supérieure à 60 V en régime permanent ou 430 V en régime de court-circuit, pour une durée inférieure à 300 ms. En courant continu, seules les tensions induites pendant les courts-circuits sont à considérer du point de vue électromagnétique. Pour les lignes électrifiées en alternatif il y a lieu de s’assurer que les risques définis ci-dessus sont éliminés tant en régime permanent qu’en court-circuit. Pratiquement la protection du personnel est assurée par la mise à la terre de toute les pièces métalliques situées au voisinage des lignes électrifiées. Perturbations des installations Les troubles apportés à l’exploitation des circuits à courant faible sont de deux ordres : - réduction de la qualité de la transmission : bruits pouvant provoquer des erreurs de transmissions de données - perturbations de circuits de signalisation

Courant dans la caténaire

Ic Courant induit dans les

Ir Courant de retour tractionCourant total rail

100 75 50 25

10 5 0 5 10 15 0 5

Distance entre 2 points d’alimentation et de charge : 20 km


135

Pour éliminer ces perturbations des contraintes constructives sont imposées au câblage de ces circuits (mise en câbles souterrains des lignes aériennes de télécommunications), mais également aux engins moteurs par restriction d’émission d’harmoniques.


136

8° partie

RROOUULLEEMMEENNTT

BBOOGGIIEE


137


138

RROOUULLEEMMEENNTT -- BBOOGGIIEE POURQUOI un BOGIE ? L’exercice de l’effort de traction s’effectue au niveau du contact roue - rail. Il est limité par deux paramètres :

- la limite d’adhérence utilisable au niveau de ce contact - la charge par essieu admissible

Ces deux paramètres déterminent le nombre d’essieux permettant de satisfaire les performances. Les essieux doivent s’inscrire dans la géométrie de la voie, notamment en courbe, dans des conditions satisfaisantes en termes :

- d’usure des organes en présence - roues et rails – - de conséquence du roulement, notamment de bruit acoustique résultant des contacts

parasites L’engin le plus simple est composé de deux essieux : un seul ou les deux étant moteur. Dans la plupart des cas une telle disposition autorise des performances modestes ; en effet pour une charge par essieu maximum de 22,5 t, soit une masse totale de 45 t, l’effort à la jante maximale qu’il est possible d’exercer, compte -tenu d’une adhérence de 35 %, est de :

F = μ . Q = 0,35 × 22,5 × 0,981 = 77,2 kN Par ailleurs l’entraxe des deux essieux - appelé « empattement » - fixés rigidement sous la caisse est défavorable à une bonne inscription en courbe de faible rayon. Deux méthodes permettent de résoudre ces deux contraintes : rendre les essieux orientables pour faciliter leur inscription dans la voie réduire leur entraxe en les disposant sous un châssis commun appelé « bogie »

α


139

FONCTIONS du BOGIE Les organes de roulement du matériel moteur sont, le plus souvent regroupés pour constituer le BOGIE. Il assure les fonctions principales suivantes :

• le roulement sur la voie • le support de la charge de l’engin moteur • la transmission des efforts de traction et de freinage

Faisant partie intégrante de l’engin, il doit respecter les contraintes de l’ensemble : • masse, charge par essieu • gabarit, notamment au niveau de la voie • satisfaire les performances en termes d’effort et de vitesse • s’inscrire dans les objectifs de coût de cycle de vie (LCC)

En contact permanent avec la voie, le bogie doit être le moins agressif possible à son égard, notamment en courbe. Réciproquement il doit supporter les contraintes résultant du tracé - courbes, appareils de voie - des défauts de voie sans risques engageant la sécurité, le confort, le bruit, etc.. . DISPOSITION GENERALE L’architecture d’ensemble d’un bogie comprend les sous-ensembles principaux suivant :

• un châssis reliant et reposant sur les essieux • les organes de roulement comprenant les roues • la transmission du couple du moteur aux roues • la suspension entre châssis et essieux, appelée « primaire » • la suspension entre caisse et châssis de bogie, appelée « secondaire » • la liaison d’entraînement entre caisse et bogie • les organes de freinage • les accessoires divers, tels que dispositifs de sablage, de graissage des boudins ou

des rails, les capteurs (signalisation, vitesse, etc..) L’étude du bogie de matériel remorqué est similaire à l’absence de transmission motrice près. Les différents types de bogies sont classés en fonction du nombre d’essieux et de la disposition du moteur (quelle que soit sa nature) par rapport aux essieux :

• un moteur entraîne un essieu : c’est la solution « multi moteurs » • un seul moteur entraîne tous les essieux: c’est la solution « monomoteur »

Le tableau ci-après résume ces principaux types :

Type 1 moteur par essieu Monomoteur

2 essieux

Bo

B

3 essieux

Co

C

4 essieux

BoBo

BB


140

L’architecture de l’engin moteur est fonction du nombre de bogies et de leur disposition sous caisse :

2 bogies Bo

BoBo

2 bogies B

BB

2 bogies Co

CoCo

2 bogies C

CC

3 bogies Bo

BoBoBo ou 3Bo

2 x 2 bogies B

4B


141

L’architecture de l’engin moteur et le choix du type de bogie est fonction des critères fondamentaux examinés dans le chapitre « Dimensionnement »:

• effort maximal et adhérence maximale utilisable • vitesse • masse par essieu • caractéristiques de voie • coût

La voie est déterminante en termes de rayon de courbes. Comme nous l’étudierons l’inscription du bogie dans les courbes s’accommode difficilement de l’architecture « C ». S’il est cependant nécessaire de disposer de 6 essieux la solution BBB s’impose.

Locomotive BoBoBo « Le Shuttle » Eurotunnel La disposition BB + BB (ou 4B) est rarissime ; on l’a rencontré dans quelques cas de réseaux africains et actuellement en Russie. L’engin BoBo ou BB est, de loin, le plus répandu pour les réseaux européens. Le continent américain utilise la configuration CoCo quasi exclusivement.


142

INSCRIPTION en COURBE La fonction « ROULEMENT » est assurée par les essieux positionnés par le châssis de bogie. La distance « e » entre essieux extrêmes est appelée « EMPATTEMENT » : Se pose le problème de l’inscription d’un bogie en courbe dès lors que l’empattement n’est pas négligeable par rapport au rayon de courbure. Que se passe-t-il en effet entre le boudin de la roue - en sailli - et le flanc du champignon de rail ? L’épure montre un contact tel qu’il y a frottement entre les deux surfaces courbes : Ce contact concerne essentiellement la roue avant extérieure. La méthode d’Heumann permet de calculer l’effort transversal Y dit de « ripage ». Celui créé un couple de renversement du rail, équilibré par le dispositif d’attache rail - traverse. En fonction de la charge verticale sur l’essieu, la condition de non - renversement du rail est définie par le rapport :

1,2QY

≤

e

½ Coupe a - a

a a

Y


143

Ce critère étant respecté le frottement entraîne cependant une usure du boudin et du champignon de rail. On atténue ces effets par un graissage judicieux, soit du boudin des roues soit des flancs intérieurs des champignons de rails. Le cas d’un bogie C présente le problème de l’inscription de l’essieu médian dans la courbe: elle serait impossible sans un degré de liberté transversale. En contre partie ce jeu engendre une possibilité d’instabilité en alignement.

L’essieu orientable : une solution au problème de l’inscription en courbe

L’angle d’attaque étant la cause du frottement boudin - rail, il faut le réduire, voire l’annuler, en donnant aux essieux la possibilité de s’orienter par rapport à l’axe du châssis de bogie. Ce degré de liberté angulaire peut être réalisé de deux manières : • soit passive : c’est

l’action du rail qui impose le déplacement angulaire de chaque essieu grâce à une faible rigidité longitudinale, Kx, de la liaison essieu – châssis :

• soit active : les essieux extrêmes du bogie ont leur déplacement angulaire couplés mécaniquement.


144

Le graissage du boudin

La solution la plus courante

adoptée pour minimiser l’usure du boudin de roue résultant de l’inscription en courbe est de le lubrifier régulièrement par un dispositif « graisseur » :

STABILITE SUR VOIE - Tenue du bogie en alignement Le mouvement d’un essieu isolé en alignement a été étudié au chapitre du contact roue - rail. Le fait de lier plusieurs essieux ne neutralise pas le phénomène du lacet : la trajectoire de chaque essieu se compose pour donner un mouvement de « lacet » au bogie. L’expérience montre qu’à partir d’une certaine vitesse, appelée « vitesse critique » apparaît une oscillation transversale entretenue dont la fréquence est généralement comprise entre 3,5 Hz et 6 Hz. Au-delà de ce seuil de vitesse des efforts de ripage de la voie apparaissent, pouvant même entraîner le déraillement. Le critère de .Prudhomme définit l’effort transversale qui donne la limite de ripage d’une voie de standard européen:

32Q

1S 0+=

S : effort transversal ; Q0 : charge par essieu (tonnes)

Les facteurs permettant de relever la vitesse critique sont : - faible masse du bogie en premier lieu - empattement grand - rigidité des liaisons élastiques essieu - bogie la plus élevée possible. - faible conicité des roues

Il y a une parfaite dualité entre les critères de stabilité en alignement et d’inscription en courbe. Le choix résulte d’un compromis tenant essentiellement compte des voies. Il est probable qu’un engin dédié à la grande vitesse parcourra des lignes à forte proportion en alignement et exceptionnellement à faibles rayons de courbe, l’empattement de ses bogies pourra être important. Pour un trafic destiné à des lignes au profil difficile, à vitesse peu élevée on privilégiera un empattement court.


145

TECHNOLOGIE DE L’ESSIEU MOTEUR Il est constitué de deux roues « calée » sur un axe appelé « essieu - axe ». Il peut comprendre également une roue dentée de transmission, calée également, ou le dernier étage de l’entraînement par maneton ou plateau. La Roue

Elle comprend quatre parties : la table de roulement le boudin le moyeu le voile reliant table - boudin et moyeu

La technologie de la roue a beaucoup évoluée. A l’origine du chemin de fer le corps de roue était à rayons; la table de roulement et le boudin constituait le bandage calé à chaud sur le corps. La roue « monobloc » est maintenant généralisée. Forgée puis usinée, la table de roulement subit un trempe superficielle.

roue dentée

roue

fuséeessieu - axe


146

La table de roulement est de profil conique. La conicité varie suivant les réseaux; la plus répandue est au 1/20°. Le boudin de forme semi - annulaire est caractérisé par sa hauteur. Le rayon du congé de raccordement avec la table est caractérisé par le Qr. Les diamètres de roues motrices varient suivant le type d’engin : - de l’ordre de 900 mm pour les automotrices - de 1067, 1150 à 1250 mm pour les locomotives

Reprofilage de roue

Le roulement, les efforts de traction et de freinage au contact roue - rail, les efforts de freinage exercés par les semelles de frein, si elles existent, les efforts de guidage en courbe et les efforts transversaux dus aux mouvements parasites de l’essieu, les chocs accidentels ou les défauts métallurgiques internes, provoque l’usure de la table de roulement et du boudin. A un certain degré les qualités de roulement se dégradent jusqu’à ce que la sécurité du guidage soit mise en jeu. Il importe donc de rétablir le profil de table et de boudin par usinage appelé « reprofilage ». L’enlèvement de matière consécutif au reprofilage est limité par l’épaisseur de la table de roulement. Pour une roue de 1150 mm de diamètre, l’usure tolérée est de 40 mm au rayon, soit, en fin de vie un diamètre de 1070 mm. L’exigence des réseaux est caractérisée par : - la durée de vie supérieure à 1 million de km - le parcours entre reprofilages supérieur à 250 000 km

Usure et déformation de la table de roulement

Amincissement du boudin

Ø

QR


147

L’essieu - axe et la calage des roues L’axe reliant les deux roues est en acier forgé. Il comporte trois parties : - l’axe proprement dit - les fusées recevant les roulements de boîtes d’essieu - les portées de calage d’un diamètre supérieur à l’axe, recevant les roues (roues de roulement et éventuellement roue de transmission)

Fusée Portées de calage Axe Portée de calage Fusée

L’essieu - axe peut être plein ou creux.

L’alésage axial permet : - son allégement et participe à la réduction des masses non suspendues - le contrôle par ultrasons, sans démontage autre que le couvercle de boîte d’essieu


148

Le calage des roues s’effectue à froid par emmanchement à force avec un serrage très

important, de l’ordre de 0,3 mm. Une presse de calage exerce un effort de 300 tonnes; la portée de calage est lubrifiée. Le décalage est précédé par l’injection d’huile sous pression par un perçage usiné dans le moyeu .


149

SUPPORT DE LA CHARGE - SUSPENSION PRIMAIRE L’essieu reçoit la charge du bogie grâce aux « boîtes d’essieu » comprenant le ou les roulements prévus pour :

- supporter la charge verticale - recevoir les efforts transversaux

résultant des mouvements parasites en alignement et des efforts en courbe.

Ils sont le plus fréquemment à double rangée à rouleaux coniques. Leur durée de vie courante est de 3 millions de km. Le châssis de bogie repose sur la boîte d’essieu par l’intermédiaire d’une suspension dite « primaire ». Son rôle est d’absorber l’énergie résultant des variations de trajectoire de l’essieu dues aux défaut de voie et aux mouvements parasites. Les boîtes d’essieu peuvent être disposées soit à l’extérieur des roues soit à l’intérieur.

Châssis de bogie

Les fonctions assurées par le châssis sont : - fixer l’empattement - recevoir la charge de caisse et la transmettre aux essieux - recevoir la transmission des efforts de traction et de freinage - transmettre ces efforts à la caisse

Il est constitué par une structure rigide de forme variable suivant le nombre d’essieux, la nature de l’entraînement de la caisse, le type de transmission et de positionnement du ou des moteurs. Quelques exemples sont donnés ci-dessous : châssis en « H » châssis fermés

châssis droit châssis en col de cygne

suspension primaire


150

Liaison essieu - châssis de bogie

Les fonctions principales de la liaison du châssis et de l’essieu sont d’assurer : - la transmission des efforts de traction et de freinage développés par l’essieu - le support vertical du châssis de bogie - le guidage transversal

Il existe donc entre châssis et boîte d’essieu un mouvement relatif dans le plan vertical et le plan transversal. Nous donnons ci-après quelques exemples de solutions en service : Liaison par biellettes montées sur Silentbloc Le corps de boîte d’essieu est lié au châssis de bogie par deux biellettes. Les articulations sont des Silentblocs dont la flexibilité transversale, Ky, est obtenue par déformation de l’élastomère. Elle est indépendante de la charge verticale. Le châssis repose sur le corps de boîte par l’intermédiaire de la suspension primaire constituée par deux ressorts hélicoïdes. Un amortisseur complète le dispositif. Liaison par blocs - sandwichs annulaires

C’est une variante appliquée sur un

grand nombre de motrice à faible charge par essieu (motrices de rame rapides et métro). Un seul ressort de suspension complète l’élasticité des blocs - sandwichs acier - élastomère disposés de part et d’autre de la boîte d’essieu.

Liaison par boîte à bras Le corps de boîte d’essieu se prolonge par un « bras » articulé élastiquement sur le châssis. La suspension primaire comprend un seul ressort .

châssis de bogie

boîte d’essieu biellettes à silentblocs

suspension primaire

ressort de suspension

primaire

plots concentriquesacier - élastomère

ressort de suspension primaire

articulation élastique


151

TRANSMISSION DES EFFORTS Pour transmettre son couple au moyen d’une chaîne cinématique simple, le moteur de traction doit être disposé au plus près des essieux. Il est donc naturel de l’intégrer au bogie. Les premiers tramways disposaient de moteur électrique dont le rotor était l’essieu - axe lui-même, solution appelée « gearless » qui réapparaît d’ailleurs. Les contraintes imposées par le moteur de traction sont importantes :

• organe lourd : la masse de fer du circuit magnétique est prépondérante. Ordre de grandeur : 2600 kg pour 1000 kW en asynchrone; soit 2 kW/kg.

• organe complexe et fragile : il ne peut subir des efforts dynamiques importants tels que vibrations, accélérations verticales ou axiales.

Comme il a été indiqué précédemment, la masse du bogie est l’un des facteurs essentiels de la tenue sur voie. Expérimentalement, les efforts transversaux sont d’autant plus faibles que la

valeur du rapport : 4 2ma

ρ²

est faible.

ρ : rayon de giration m : masse totale du bogie a : empattement Le rayon de giration est minimisé soit en diminuant la masse, soit en la concentrant le plus près possible au centre du bogie. Les - ou le - moteur(s) de traction étant l’un des arguments principaux de la masse, deux solutions s’offrent au concepteur : - moteurs sur bogie au plus près du centre - moteur hors bogie - sous caisse

Moteur sur bogie

La position du moteur par rapport à l’essieu est conditionnée par la recherche de la chaîne cinématique la plus simple et la moins lourde possible. L’inventaire des masses du bogie fait apparaître une distinction essentielle entre masses dites « non suspendues » et « suspendues ». Masses non suspendues Elles qui sont en contact direct avec le rail, soumises directement aux accélérations verticales et transversales. Réciproquement la voie subie les surcharges dynamiques dues à ces accélérations entraînant sa dégradation progressive au passage de chaque essieu. Il y a donc un impératif commun entre infrastructure et matériel visant à réduire la part des masses non suspendues, et ce d’autant plus que la vitesse est élevée. L’essieu et ses boîtes sont les seules à être obligatoirement non suspendues. Le type de transmission est déterminant dans le bilan des autres masses de ce type. Les critères de choix dépendent de la catégorie de voie et de la vitesse. Masses suspendues Ce sont celles qui reposent sur les boîtes d’essieu par l’intermédiaire de la suspension primaire. Il y a absorption d’énergie lors des surcharges dynamiques engendrées par les défauts de voie. Le châssis, une part ou la totalité de la transmission, les organes accessoires sont suspendus.


152

Moteur et transmission semi - suspendus

La chaîne cinématique est un couple d’engrenages : pignon moteur et roue dentée calée sur l’essieu - axe. L’entraxe est maintenu par l’arrimage du moteur sur un palier à roulements, appelé « canon - box », solidaire de l’essieu - axe.

Le « nez » du moteur est porté par le châssis de bogie par une suspension élastique, tandis qu’il repose rigidement sur l’essieu par le palier opposé, d’où l’appellation de « semi - suspendu ». Cette disposition, simple et économique, est très répandue sur tous les engins dont la vitesse est peu élevée : jusqu'à 140 km/h sur voie de bonne qualité. Pour des vitesses supérieures la masse non suspendue - essieu avec roue dentée et palier sur essieu - devient trop importante. Moteur entièrement suspendu sur le bogie

Pour des vitesses élevées la masse non - suspendue devant être la plus réduite possible, le moteur et sa transmission sont fixés sur le châssis de bogie et bénéficie ainsi de la suspension primaire. La masse des moteurs est au plus près du centre géométrique du bogie, favorisant ainsi le moment d’inertie. Se pose un double problème de transmission :

• l’éloignement des axes complique la chaîne cinématique par l’interposition d’un étage intermédiaire :

Moteur 2

canon box

moteurde traction

Moteur 1

châssis de bogie

nez


153

• le mouvement relatif des axes respectifs du moteur et de l’essieu exige une

transmission souple entre moteur et essieu

Transmission moteur - essieu

Le réducteur est lié au châssis de bogie comme le moteur. Le débattement entre la dernière roue dentée du réducteur, montée sur un « arbre creux » entourant l’essieu - axe, et l’essieu est réalisé par un accouplement « flottant » ou « dansant » ; les articulations sont des manetons montés sur élastomère. L’une des applications la plus répandue est la transmission « Jacquemin » à double cardan :

moteur

carterréducteur

transmission à cardans

arbre creux


154

Moteur sous caisse

Les mouvements relatifs entre caisse et bogie sont d’amplitudes importantes et dans tous les plans. L’arbre à double cardan coulissant se prête à cette fonction. La fonction réducteur est réalisée par un carter d’engrenages flasqué sur le moteur. Ces deux organes sont fixés élastiquement sous le châssis de la caisse en trois points. L’arbre à cardans relie le réducteur à un autre réducteur constitué d’un pignon et de la roue calée sur essieu. Ce dernier est contenu dans un carter semi - suspendu entre l’essieu - axe et la châssis de bogie.

Moteur et transmission entièrement suspendus entre caisse et bogie

Solution médiane entre le moteur entièrement suspendu et le moteur sous caisse, elle évite les deux étages de réducteur et réduit de moitié la masse du moteur sur le bogie :

CAISSE

BOGIE REDUCTEUR

moteur

réducteur

cardan coulissant « tripode »

réducteur sur essieu

châssis de bogie

suspension du réducteur

suspension moteur - réducteur sous caisse (3points)


155

Bogie à essieux orientables : liaison moteur - essieu

Le moteur et la transmission doivent dans ce cas, suivre le débattement angulaire de l’essieu. Leur liaison au châssis de bogie est articulée :


156

BOGIE à ROUES INDEPENDANTES

La disposition classique des roues liées par un axe impose un encombrement en hauteur qui peut être une contrainte nuisible eu égard à la hauteur de plancher du véhicule. C’est le cas lorsque l’accès des passagers est une priorité en termes de confort, de sécurité et de temps de montée – descente. Le réseau britannique, entre autres, a toujours conçu les quais de gares à hauteur de plancher des voitures ! Des générations de voyageurs en d’autres pays ont « escaladé » les trois ou quatre marches des portières ! En transport urbains c’est une condition sans appel, notamment pour les tramways pour lesquels il est hors de question de construire des quais hauts sur la voirie existante : d’où la notion de « plancher bas » nécessitant un bogie à roues « sans essieu » ou indépendantes. La conception classique, allant du châssis de bogie à la liaison moteur – essieu, est remise en cause :

- Les roues sont du plus petit diamètre possible - Le châssis est surbaissé - Le, ou les, moteurs de traction sont disposés à l’extérieur du châssis, soit

longitudinalement entraînant deux roues, soit chaque roue est entraînée par son propre moteur.

La vue 3D ci-dessous en montre un exemple :

Moteur de traction


157

Rapport de réduction Le dimensionnement de la transmission est déterminé par son « rapport de réduction » permettant d ‘adapter le couple et la vitesse du moteur de traction au couple et à la vitesse de l’essieu. Les données d’entrée principales sont donc :

• l’effort à transmettre • la vitesse de rotation du moteur • la vitesse linéaire de l’essieu • le diamètre de roue

Les contraintes sont : • le nombre de dents minimum du pignon moteur • la garde au rail - ou encombrement maximum - en partie basse de bogie • l’entraxe maximum entre essieu et moteur compte -tenu des dimensions du bogie • le module de denture minimum fonction des efforts mis en jeu

Exemple de calcul Les grandeurs sont les suivantes : Pignon moteur Couronne Dpp : diamètre primitif Dpc : diamètre primitif np : nombre de dents Dec : diamètre extérieur nc : nombre de dents M : module de denture L : largeur de denture k : coefficient de largeur de denture Re : caractéristiques acier Roue Dru : diamètre roue usée Vmax : vitesse locomotive F : effort à transmettre Nmax : vitesse de rotation du moteur E : entraxe moteur – essieu g : garde sous carter e : épaisseur carter j : jeu carter - couronne r : rapport de réduction

nc dents module M

np dents module M

g : garde sous carter

j : jeu carter - couronne

E : entraxe moteur - essieu

couronne

pignon moteur

e : épaisseur carter

Dru : Ø roue usée


158

Les relations diamètre – module sont les suivantes :

MnD.MnD

cpc

ppp

=

=

p

c

pp

pc

nn

DD

= np et nc sont premiers entre eux

( )rupcec

cppcpp

D2MDD

2EnnMDD

<+=

=+=+

La garde sous carter est donc : ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−−= ej2

D2

D ecrug

La vitesse linéaire de la locomotive est, en fonction de la vitesse de rotation du moteur :

NrD0,1885V ⋅=

La largeur de denture est : L = kM

Le module : ekR

F2,3M ≥

Application numérique Une locomotive BoBoBo a les caractéristiques suivantes : - vitesse maximale : 70 km/h - vitesse moteur : 2165 tr/mn - Diamètres : roue neuve : 914 mm roue mi-usée : 879 mm roue usée : 844 mm - entraxe moteur – essieu : 394 mm - garde sous carter : 75 mm - épaisseur carter : 5 mm - jeu couronne – carter : 5 mm

Le rapport de réduction théorique est de : 5,12570

21650,8790,1885V

ND0,1885r =××

=⋅⋅

=

Pour un module théorique de 8,12 le nombre total de dents est de : 978,12

3942Nd =×

=

Le diamètre extérieur de la couronne est : 674mm10101508442e2j2gDD ruec =−−−=−−−=

Le diamètre primitif de la couronne dentée est : 657,76mm8,122150462MDEDP cc =⋅−−=−= 7

Le nombre de dents de la couronne est : 818,12

657,76=

Le nombre de dents du pignon est : 97 - 81 = 16 Le rapport de réduction : 81 / 16 = 5,06


159

INTERFACES CAISSE - BOGIE Les fonctions principales assurées par la liaison caisse - bogie sont :

- le support de la charge et sa suspension - la rotation du bogie par rapport à la caisse - la transmission des efforts de traction ou de freinage

Support de charge et suspension secondaire Sa fonction est triple :

- le support - l’absorption d’énergie - la rotation

La masse de caisse se répartie théoriquement, à part égale sur chaque bogie. En réalité cette répartition n’est jamais uniforme compte - tenu de la disposition des sous-ensembles en caisse. Par ailleurs pour absorber une partie de l’énergie mise en jeu lors des mouvements parasites de caisse dus aux imperfections de roulement engendrées par la voie, il importe d’insérer un intermédiaire élastique entre caisse et bogies: c’est le rôle de la suspension dite « secondaire ». Les suspensions peuvent être réalisées soit à l’aide de ressorts hélicoïdaux, soit d’élastomères associés au métal (plots « sandwichs », soit pneumatique pour la secondaire. Inscription en voie

En COURBE

Pour doit s’inscrire parfaitement en courbe chaque bogie doit être libre en rotation sous la caisse. En sortie de courbe il doit se repositionner dans l’axe de l’engin sans interférence entre boudins de roues et rails: c’est le rappel en rotation. Cette double fonction est assurée, dans le cas du pivot, par l’axe qu’il constitue; dans le cas de la liaison par barre de traction c’est la suspension secondaire qui joue le rôle de pivot par déformation angulaire.

suspension secondaire

suspensionprimaire


160

En ALIGNEMENT

Du fait de la conicité des roues le mouvement longitudinal de l’essieu n ’est pas rectiligne mais sinusoïdal ; il est appelé mouvement de lacet autour de l’axe du déplacement. Ce mouvement parasite engendre une agressivité du bogie à l ’égard de la voie puisqu’il peut occasionner des contacts périodiques boudins de roues - rails, avec, lors de chacun d’eux un effort de réaction transversale transitoire élevé. L’énergie mise en jeu n’est pas absorbée par le rappel en rotation, aussi convient-il de le faire par un dispositif amortisseur entre caisse et bogies. Transmission des efforts - Le cabrage Châssis de bogie et châssis de caisse se transmettent mutuellement les efforts de traction et de freinage. La position relative des points d’application des efforts pose le problème du « cabrage ». En traction la caisse remorque la charge par l’intermédiaire de l’attelage (crochet ou attelage automatique) situé à une altitude H par rapport au rail. Le point d’application de l’effort de traction des essieux s’applique au niveau du rail : il en résulte un couple dit de « renversement » ou de « cabrage ». Ce couple a pour effet de « décharger » les premiers essieux qui, par conséquent ne peuvent exercer le plein effort pour une adhérence disponible donnée. Par contre les essieux arrières sont surchargés et pourraient exercer un effort plus important à condition que le moteur en soit capable.

Le phénomène du cabrage est donc nuisible pour la meilleure utilisation de l’adhérence ; il y a intérêt à le réduire, voire l’annuler en ramenant le point d’application de l’effort entre caisse et bogie au plus près ou au niveau du rail.

Détermination des variations de charge sur les essieux

H étant la hauteur de l’attelage par rapport au rail, le couple de cabrage global a pour valeur : FR = Σ FM . H

amortisseurs antilacet

H

FR

FM3 FM1 FM2 FM4

Q1 Q2 Q3 Q4


161

Les charges de chaque essieu sont différentes de l’une à l’autre : Q1 ≠ Q2 ≠ Q3 ≠ Q4 . Le problème est de déterminer les variations de charges pour en déduire les efforts transmissibles. La méthode de résolution consiste à étudier séparément le bogie et la caisse. L’hypothèse simplificatrice est de ne pas tenir compte des suspensions du bogie et de la caisse. Cabrage de Bogie

Un bogie moteur d’empattement e transmet un effort de traction 2Z par sa liaison avec la caisse située à une hauteur h. Le bogie est chargé par le poids Mg/2 de la caisse et son propre poids mg. L’équilibre des forces est figuré ci-dessous : On suppose Q1 et Q2 égaux; en l’absence d’effort Z leur expression est :

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += m

2M

2g

2

mg + g2

M

= Q2 = Q1

Sous l’action des efforts Z et 2Z le bogie est soumis à un couple de cabrage. L’égalité des

moments par rapport au milieu de l’empattement e s’écrit : 2

Q1)(Q22Z.h e−=

Sous l’action du cabrage les charges sur chaque essieu deviennent:

lh2Z = ΔQ Q.e2Z.h

2Q1-Q2 = Q Q 2 = Q2-Q1 ±Δ=⇒Δ⇒Δ :où d'

Cabrage de Caisse

La caisse repose sur ses bogies par l’intermédiaire d’un point d’appui sur chacun d’eux. L’altitude des points d’appui est h; l’entraxe des bogies est a.

-p2

2Z

-p1 Mg2

Z e

Z

Q1 Q2

h mg

Sens du déplacement

4Z

2Z2Z H h

a

Mg


162

Sous l’action de l’effort de traction 4Z et des efforts de chaque bogie la caisse est soumise à un couple de cabrage entraînant une inégale répartition des charges sur chaque bogie. En l’absence d’effort on supposera les charges P’ et P’’ également réparties :

P’ = P’’ = M2 g

L’égalité des moments par rapport au milieu de l’entraxe des points d’appui s’écrit:

2a )'(P'-P' = h)-(H 4Z

Posons :

ah - H4Z = P

P 2 = P - g2

M - P+g2

M= P' P"-

P +g2

M = P" P - g2

M = P'

⋅Δ

Δ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

ΔΔ

Expression globale des transferts de charge

Soit maintenant la locomotive dans son ensemble, les variations de charge sur chaque essieu sont : ΔQ1, ΔQ2, ΔQ3, ΔQ4

Q-2P-= Q4 Q+

2P- = Q3 Q-

2P = Q2 Q+

2P = Q1 Δ

ΔΔΔ

ΔΔΔ

ΔΔΔ

ΔΔ

L’essieu « 1 » est le plus « déchargé » :

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−Δ+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

Δ eeh

ahH2Z = Q1 h2Z.

ahH

24Z = Q1

en valeur relative on obtient : ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−ΔΔeh

ahH

Mg8Z =

4MgQ1 =

Q1Q1

Pour les autres essieux :

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−Δ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +−Δ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −Δ eee

ha

h-H 2Z = Q4 ha

h-H 2Z = Q3 ha

h-H 2Z = Q2

a

4Z

h H

e

ΔQ1 ΔQ3

ΔQ2 ΔQ4


163

Le terme H- h

a exprime le cabrage de caisse. Dans la plupart des cas H > h, le point

d’application de l’effort étant à une altitude supérieure à celles des ponts de liaison caisse -bogie.

Le terme he

exprime le cabrage de bogie dans le cas où l’entraînement de caisse

est au-dessus du plan de la voie. Ces résultats peuvent être visualisés par un diagramme simple, synthétisant l’influence des paramètres géométriques de la locomotive:

• en abscisse on trace h, considéré comme une variable indépendante laissée au choix du concepteur

• en ordonnées on trace d’une part H / a, paramètre très peu variable d’un engin à l’autre; en effet H est imposé par la hauteur de tamponnement et a varie peu pour des locomotives de caractéristiques similaires; et H / e d’autre part.

Diagramme de déchargement des

essieux

H a

h = 0 h = H

H

H a

1

2

3

Diagramme de déchargement

du 1°essieu

H a

h = 0 h = H

H

4

déchargement

surcharge


164

Exemple d’application : Une locomotive BB de 88 t exerce un effort de traction au crochet de 300 kN ; ses dispositions mécaniques sont les suivantes:

Calcul du cabrage de caisse : ΔP 4ZH h

a=−

= 300 . 0,5 / 10 = 15 kN

Le bogie avant est déchargé et supporte : Q1 = (88 - 15) / 2 = 43,25 kN Le bogie arrière est en surcharge : Q2 = (88 + 15) / 2 = 44,75 kN Le pourcentage de transfert de charge dû au cabrage de caisse est faible, de l’ordre de 1,7% Calcul du cabrage de bogie Sur chacun des essieux on a : ΔQ = ± 2Z.H / e = ± 150. 1/ 3 = ± 50 kN Soit : Q1 = 220 - 15 - 50 = 15,5 kN Q2 = 220 - 15 + 50 = 25,5 kN Q3 = 220 + 15 - 50 = 18,5 kN Q4 = 220 +15 + 50 = 28,5 kN L’écart dû au cabrage de bogie est prépondérant de l’ordre de 23 %. Le pourcentage maximum de déchargement sur l’essieu avant est de 30 %. Si l’adhérence utilisable est de 35%, l’effort de traction maximal qui pourra être développé sera :

• pour le premier essieu : 155 x 0,35 = 5,425 kN • pour le second : 285 x 0,35 = 9,975 kN

Cette diminution n’est pas compensée par l’accroissement d’effort sur le dernier essieu; celui-ci sera limité par l’adhérence à son contact roue - rail.

H = 1 m H = 0,5 m

e = 3 m

a = 10 m


165

Dispositifs anti-cabrage L’influence importante du cabrage de bogie sur l’effort de traction transmissible impose de rechercher les moyens d’atténuer - voire de supprimer - les effets du cabrage. Le déchargement le plus important est dû à la hauteur H - origine du couple « effort au crochet - effort à la jante ». Il convient de réduire cette hauteur. Un moyen simple consiste à reporter le point d’application de l’effort au crochet dans le PLAN du RAIL. Pour ce faire on dispose d’une, ou deux, BARRE de TRACTION entre caisse et bogie de sorte que sa, ou leur, direction concourt au même point situé à l’altitude la plus proche du rail.

Dans le cas de deux barres chacune travaille dans un sens de marche et dispose, à son point d’ancrage d’un jeu permettant la rotation du bogie sous caisse lors du passage en courbe. Dans le cas d’une seule barre, elle travaille soit en traction soit en compression. Dans le cas d’une liaison par pivot le point d’entraînement ne peut être au niveau du rail à cause du dégagement du gabarit sous caisse; la liaison pivot - châssis de bogie peut se faire par une bielle inclinée offre un avantage comparable à la barre de traction.

traverse de tête

traverse intermédiaire

traverse intermédiaire

traverse - pivot

pivot

hbielle inclinée


166

9° Partie

CCAAIISSSSEE

IINNSSTTAALLLLAATTIIOONN


167


168

CCAAIISSSSEE –– IINNSSTTAALLLLAATTIIOONN –– AAMMEENNAAGGEEMMEENNTT La CAISSE Fonctions à assurer Les fonctions principales assurées sont :

- transmettre les efforts de traction et de freinage aux véhicules remorqués - contenir l'ensemble des organes exceptés les organes de roulement - permettre la conduite du train - recevoir les passagers dans le cas d’une automotrice ou d’un automoteur

Les fonctions de contraintes résultent de l’utilisation et de l’environnement ferroviaire : - inscription dans le gabarit - respect de la charge par essieu - maintenance économique - cycle de vie approprié en termes de durée et de recyclage - tolérance aux agressions externes : chocs, pollutions

Transmission des efforts : la structure L’engin moteur comme le matériel remorqué sont intégrés dans une rame : il participe à

la transmission des efforts de traction et de freinage. D’autre part le contenant que représente la caisse doit être capable de supporter les charges de tous les organes. La structure supporte ces deux catégories d’effort.

Dimensionnement

Il prend en compte quatre types de contraintes : - efforts statiques résultant :

• de la charge portante – efforts verticaux dus aux organes ou / et passagers – • de la charge remorquée - effort longitudinaux appliqués au niveau des

extrémités. • des opérations de levage, relevage ou réanraillement

- efforts dynamiques résultant des accélérations normales ou accidentelles, verticales ou longitudinales.

- efforts répétés engendrant une fatigue dus : • au roulement sur voie • au cycle de chargement et déchargement dans le cas de matériel transportant

des passagers • au passage en tunnel et aux croisement entre deux trains

- efforts résultant de chocs accidentels : résistance au « crash » Les critères de dimensionnement se situent par rapport à :

- la limite élastique du matériau : le facteur de sécurité S1 est tel que :

1,15 S1calculée Contrainte

élastique Limite=≥


169

- la limite de rupture : il est nécessaire de prévoir une marge de sécurité entre la

charge maximale de conception et la charge de rupture. C’est le critère S2 tel que :

1,5S2calculée Contrainte

rupture de Limite=≥

L’ensemble de la structure prend en compte les interfaces de liaison ou se situent ces

contraintes, en termes de : - liaison caisse – bogie - fixation des équipements lourds - zones avant et arrière

Matériaux des structures

En fonction de l’exploitation projetée du véhicule et des contraintes à satisfaire, le matériau est l’argument majeur du dimensionnement de la structure. On en distingue quatre catégories :

- acier - aluminium - composites - multi matériaux

La structure acier est la plus ancienne. Elle se présente sous forme de profilés – pliés ou étirés – soudés entre eux. La nature de l’acier va de l’acier classique à l’acier inoxydable, exigeant un procès de soudage particulier, et aux aciers à Haute Limite Elastique « HLE » permettant de diminuer les épaisseurs mises en œuvre. Les nuances d’acier sont fonctions du type de sollicitations : acier plus résistant pour les extrémités ou les traverses pivot, soumises directement aux efforts de traction et de freinage et aux efforts verticaux.

La structure aluminium présente l’atout de masse plus faible que l’acier : 2,7 kg/dm3 contre 7,8 kg/dm3. Par contre sa moindre résistance impose des épaisseurs plus importantes ou des inerties plus élevées par l’emploi de profilés « multitubulaires ». L’ensemble d’une structure en aluminium se rapproche d’une coque homogène, lui conférant une grande stabilité. La mise en œuvre des soudures est relativement complexe.

La structure composite fait, à l’heure actuelle, une timide apparition dans le domaine ferroviaire : coût élevé, longévité à prouver. L’avenir et leur développement sont liés à trois atouts majeurs : - l’extrême variété des mises en œuvre possible : anneaux « sandwichs » pressés, enroulement

filamentaire, moulage au contact, injection, etc. . - gain de masse considérable autorisé - réunion de plusieurs besoins simultanés : résistance, isolation acoustique et thermique, teinte

« dans la masse » La structure multi matériaux fait appel aux matériaux ci-dessus, utilisés en fonction des

sollicitations. L’assemblage nécessite d’autres procédés tels que le rivetage, boulonnage ou collage. On la rencontre surtout en structure légère tels que les tramways.

Le choix du matériau composant la structure répond à quatre critères : • techniques : caractéristiques mécaniques : limites d’élasticité et de rupture, module

d’Young, densité, température de fusion • sécurité : aptitude à l’absorption d’énergie, tenue à la fatigue, résistance au feu,

résistance à la corrosion


170

• industrielles : effet de série, mise en œuvre (découpage, pliage, cintrage, emboutissage,

etc…), assemblage (soudage, rivetage, boulonnage, collage, etc), traitement de surface, intégration des systèmes de fixation, maintenabilité.

• économiques : coûts d’achat (fluctuation des cours de matières premières), coût de main-d’œuvre, frais fixes d’industrialisation (outillage, formation, etc…), consommation d’énergie, coût de maintenance

Différents types de structures

Pour les engins lourds deux types de structures sont mises en œuvre : Caisse à CHÂSSIS PORTANT Seul le châssis participe aux efforts de traction et de freinage. Les équipements fixés au châssis sont protégés par des capots rapportés.

Le châssis est constitué de deux longerons entretoisés. Des entretoises maîtresses appelées traverses - pivots constituent l’interface avec les bogies. Les extrémités de châssis reçoivent chacune une traverse de tête équipée des organes d’attelage et éventuellement des dispositifs de protection contre les chocs. Caisse AUTOPORTANTE Châssis et superstructure constituent un ensemble dont tous les éléments participent à la résistance et aux transmissions d'efforts. Ses principales parties sont :

• le châssis est constitué de deux longerons et deux traverses de tête recevant les organes d’attelage et éventuellement de protection

• les traverses - pivot, interfaces avec les bogie • des entretoises assurant la rigidité de l'ensemble. • les faces latérales dont la structure est :

- soit en « treillis », constituées de profilés en "oméga" fermés - soit « pleines », la structure se nomme «à faces travaillantes »,soit

“ travaillante ” : il s’agit alors d’une tôle soudées sur des montants verticaux, rapportées au châssis par soudure.


171

• les extrémités dont la nature dépend de la fonction « conduite ».

Si l’extrémité doit comporter un espace nécessaire à l’Agent de conduite ce sera un caisson rapporté au châssis.

Si tel n’est pas le cas, l’extrémité sera un tôlage simple ou permettant un intercirculation avec le véhicule adjacent. La cabine peut être soudée sur le châssis ou rapportée par boulonnage, voire même suspendue par plots élastiques. Caisse triangulée


172

Validation de la structure

Elle a pour objet : • de vérifier la résistance de la structure soumise au charges maximum et l’absence de

déformation permanente • de déterminer la résistance de la structure en cas de charge de service • de déterminer le comportement dynamique :

- soit sur maquettes de sous-ensembles avec, ou sans, essais destructifs; - soit sur caisse terminée par essai de compression sur banc.

Exemple d’efforts d’épreuve Choc et traction Les traverses d’extrémité du châssis sont équipées entre autres, des organes dits de « choc et traction » qui assurent les fonctions d’attelage et d’accostage entre deux véhicules adjacents. Deux types sont en service actuellement : manuel et automatique

Attelage manuel

Les opérations sont effectuées par un opérateur entre les deux véhicules à atteler. Cette disposition est en vigueur depuis l’origine du chemin de fer : elle équipe encore la quasi totalité des réseaux européens. Présentant des risques d’accidents évidents, il est curieux de noter cet archaïsme contre lequel toutes les prévisions budgétaires ont échouées !

2000 kN

300 kN

4000 kN

1000 kN

charge verticale répartie430 kN


173

Attelage automatique

Chaque extrémité du véhicule est équipé d’un dispositif d’attelage tel que les deux réalisent ensembles la liaison de traction - compression. Un tel attelage peut être soit : - à fonction de liaison mécanique seule - multifonctions : mécanique, électrique,

pneumatique ; il est alors dit « intégral » La plupart des réseaux dans le monde sont

équipés d’attelages automatiques. Notons qu’il se répand en Europe à la faveur des rames automotrices et des rames à

grande vitesse ; ces engins, en effet, constituent des parcs homogènes, travaillant « entre eux », sans contact avec le reste, très nombreux, des voitures et wagons.

Un exemple d’attelage intégral est donné ci-dessous :

dispositif amortisseur tête d’attelage mécanique

liaisons pneumatiques

liaisons électriques fixation sur traverse de tête

Présentation - alignement des têtes

Armement

Attelage


174

Chocs accidentels Le calcul de la résistance de caisse prend en compte les cas de chocs accidentels avec notamment, les véhicules routiers. Si ceux-ci sont de faibles dimensions et de faible masse telle qu’une automobile, les organes de choc fixés sur la traverse de tête peuvent suffire à absorber l’énergie. Cette traverse peut être complétée par une traverse – et des tampons fusibles amovibles (figure ci contre)

Certains engins comportent une structure de cabine de conduite avec caisson d’absorption d’énergie. Il peut être complété par une zone de structure capable d’absorber aussi une partie de l’énergie résultant de la collision.

C

B

A

ossature de caisse

« nid d’abeille »

dispositif à encastrement

bouclier d ’appui

modules d’absorption d’énergie par déformation

zones fusibles


175

Par ailleurs en cas de collision il se peut que deux véhicules adjacents dévient de leur trajectoire et se chevauchent. Un tel scénario est générateur de risques très importants pour les passagers. Les extrémités sont alors équipées d’un dispositif antichevauchement.

antichevauchement

véhicule A véhicule B


176

IINNSSTTAALLLLAATTIIOONN INSTALLATION des FONCTIONS L’installation en caisse constitue une fonction en elle-même destinée à attribuer un espace à chacune des fonctions composant l’engin moteur, compte tenu de toutes les contraintes à satisfaire. L’installation concerne essentiellement les organes. Elle est complexe du fait des antinomies des contraintes entre elles. La figure ci-dessous en donne un exemple de réalisation. 1 Cabine de conduite 12 Ventilateur de moteurs de traction 2 Bogie 13 Batterie 3 Bloc électrique centrale 14 Semi-conducteurs de puissance 4 Bloc auxiliaire – batterie 15 Résistances de freinage 5 Transformateur principal 16 Lanterneau de sortie d’air 6 Moteur de traction 17 Pantographe 7 Suspension primaire 18 Servo -moteur pneumatique de commande 8 Suspension secondaire 19 Disjoncteur monophasé 10 Sablière 20 Ligne de toiture 11 Réservoir d’air principal 21 Liaison haute tension 22 Groupe de filtration d’air Le rôle premier de l’installation est de répartir l’espace. Il est commode de distinguer deux catégories : les fonctions réparties et les fonctions spécifiques.

1

7

2

3

4

56

8

1 1

1

1

1

15 1

118

1 2 2

2


177

Fonctions réparties Elles comprennent celles qui permettent l’exercice des fonctions spécifiques tels que :

câblage tuyauterie évacuation des pertes

Câblage

Les sous-ensembles reliés électriquement nécessitent des raccordements par câbles isolés. On distingue deux catégories de câblage :

• câblage de puissance comprenant toutes les liaisons du schéma de puissance et des auxiliaires généralement à forte section de conducteur (cuivre ou autre)

• câblage de commande et contrôle à basse tension reliant tous les appareils . Il peut être complété par un multiplexage par câble ou fibre optique.

Les contraintes majeures du câblage sont : - la séparation des torons de

puissance de ceux du contrôle - commande pour éviter les influences électromagnétiques des premiers sur les seconds. (compatibilité électromagnétique - CEM)

- la disposition des câbles de puissance assurant la dissipation correcte des échauffements.

La disposition prévoit généralement le câblage basse tension en partie haute de la caisse, le câblage de puissance en partie basse. Deux types de raccordements entre sous-ensembles sont utilisés :

- fixe par cosses boulonnées - amovible par coupleurs

L'industrialisation actuelle du câblage consiste à réaliser un pré câblage sur table ou "mannequin", monté ensuite en caisse; Cette méthode permet un gain important de temps et de contrôle - qualité. Différents types de câbles sont utilisés en fonction de la tension d’isolement à satisfaire et des contraintes telles que: résistance aux agents extérieurs (huile synthétique, fuel) et normes anti-feu.

Tuyauterie

Les organes utilisant un fluide sont reliés par tuyaux. Les principaux fluides utilisés sur un engin moteur sont :

- air comprimé nécessaire aux équipements pneumatiques et le frein - air extérieur pour l’élimination des pertes concentrées dans des échangeurs (air - air,

air - eau, air - huile) - eau pour le refroidissement des appareils électriques de puissance et du moteur

thermique - combustible du moteur thermique - huile pour les appareils électriques de puissance et le moteur thermique

câblage partie haute

câblage « sous parquet »


178

Le dimensionnement des tuyauteries ou gaines doit optimiser les pertes de charges. Les facilités de montage et de maintenance nécessitent un agencement des cheminements. Enfin la qualité de la réalisation doit garantir la propreté interne pour éviter des dysfonctionnements, notamment des fonctions de freinage.

Evacuation des pertes

Les sous-ensembles participant à l’alimentation – ou génération - au traitement et la transformation de l’énergie engendrent des pertes à évacuer. Le fluide « absorbeur » de cette énergie est finalement l’air extérieur. Le dimensionnement de cette fonction impose un bilan thermique. Sa réalisation doit intégrer les contraintes suivantes :

- l’apport d’air extérieur introduit des particules polluantes dans l’engin de traction - le volume d’air en transit se fait à une certaine vitesse génératrice de bruit - l’air évacué peut atteindre des températures dangereuses pour l’environnement. Ainsi

le refroidissement d’un rhéostat de freinage évacue-t-il l’air à plus de 500°C Inventaire des pertes Les organes dissipateurs sont, dans la plupart des cas :

Organe Refroidissement Fluide type

Transformateur principal huile circulation forcée radiateurs air - huile

Conversion énergie de traction et énergie auxiliaire

air

huile

eau

flugène

ventilation naturelle circulation forcée circulation forcée radiateurs enceinte étanche + ventilation forcée

Moteur Diesel eau circulation forcée radiateurs air - eau

Turbine air ventilation forcée Moteur de traction

air ventilation naturelle ou ventilation forcée

Caisse

air ventilation naturelle ou ventilation forcée

Les moyens de transmettre les pertes à l’air extérieur sont de deux sortes : - ventilation naturelle grâce au mouvement de l’engin - ventilation forcée par ventilateur à entraînement mécanique, électrique ou

hydraulique L’ensemble fait l’objet du schéma de ventilation indiquant :

- cheminements - sens de circulation des flux - débits, vitesses d’air - pertes de charges - températures d’entrée et de sortie


179

La disposition des entrées et sorties d’air tient compte des zones les moins favorables aux

pollutions ambiantes : poussières de ballast et neige poudreuse. Par contre l’extraction d’air chaud, provenant du refroidissement des résistances de freinage notamment, ne peut s'effectuer à « hauteur de quai » pour des raisons évidentes de sécurité.

Le cas de la traction thermique nécessite une conception particulière en rapport avec le refroidissement du moteur. Pour les fortes puissances il s’effectue dans un compartiment spécialisé appelé compartiment “ radiateurs ”, ventilé par un groupe entraîné soit mécaniquement par le moteur Diesel, soit électriquement par moteurs électriques auxiliaires.

Quel que soit le besoin, l’air importé doit être débarrassé de ses impuretés par une filtration appropriée. Elle tient compte de l’ environnement : climat, nature des terrains traversés, environnement urbain, etc. Citons par exemple le cas du milieu désertique, type saharien : l’air nécessaire est admis dans une “ centrale de filtration ” à deux étages : centrifugation puis filtration par mailles.

aspiration

rhéostat

de freinage

radiateur du transformateur

bloc électrique

sortie

aspirationsortie

MMootteeuugroupe de refroidissement


180

Le système à « persiennes » a été très utilisé en France dans les années 1970. Chaque élément est constitué par un profil en double parabole :


181

Il permet des vitesses d’air faible, par contre est inefficace pour les pollutions fines . La protection contre la corrosion et l’eau La résistance à la corrosion est une caractéristique fondamentale du matériel ferroviaire, compte tenu de sa durée de vie: 25 à 35 ans. Les dispositions constructives assurent une protection efficace grâce à deux techniques :

- la protection des « corps creux » effectuée avant fermeture définitive - la peinture, nécessitant une préparation soignée des éléments métalliques, d’une part,

et la préparation des surfaces avant couche de finition d’autre part L’étanchéité d’un engin de traction doit être assurée au niveau de toutes les solutions de continuité, non seulement en toiture mais également au niveau des orifices et surfaces d’aspiration d’air. Fonctions spécifiques Les fonctions – train se répartissent par grandes masses et volumes pour élaborer un diagramme. La distinction entre engins moteurs sans passager ou avec passagers et bien sûr fondamentale.

Diagramme

Les masses ou encombrements les plus importants sont : - en traction électrique : le transformateur, les blocs électriques, l’espace de conduite - en traction thermique : le groupe électrogène, le groupe de refroidissement, le bloc

électrique, éventuellement, et l’espace de conduite. - en automotrice ou automoteur: le compartiment passagers en plus

Les dispositions les plus courantes sont les suivantes :

mmootteeuu

soute combustible

bloc électrique

groupe refroidissement

MONOCABINE


182

mmootteeuu

soute combustible

bloc électrique

groupe refroidissement

BBIICCAABBIIbloc

électrique auxiliaire

transformateur

Pneumatique

BICABINE à couloirs latéraux

bloc électrique auxiliaire

Couloir latéral

Couloir latéral

BICABINE à couloir central

bloc électriqueauxiliaire

couloir central


183

bloc électrique auxiliaire

transformateur bloc

électrique

MOTRICE Cabine unique

bloc électrique

transformateur

AUTOMOTRICE

transformateur

TRAMWAY

transformateur

METRO


184

Conduite

La fonction « conduite » revêt toujours une importance fondamentale, bien que les tâches allouées à l’Homme aient considérablement évoluées. L’analyse de la fonction demande un inventaire rigoureux des domaines qu’elle recouvre:

tâches relatives au fonctionnement du train tâches de résolution de situation dégradées (information et conduite à tenir) tâches d’observation et de surveillance (voie, signalisation) environnement de l’Agent de conduite (ergonomie, confort) sécurité et facilité des accès à l’engin

Il y a une forte imbrication des solutions constructives propres à satisfaire le meilleur exercice de la conduite d’un train. L’ensemble est installé dans un espace appelé « cabine de conduite » comportant un pupitre sur lequel sont montés tous les dispositifs utilisés par l’agent de conduite. La cabine doit bénéficier d’une visibilité conforme à une morphologie type. L’ambiance est maintenant climatisée; le niveau de bruit acceptable est atteint grâce à des dispositions insonorisantes. Un exemple de disposition de cabine et de pupitre de conduite est donné ci-dessous.


185

La RAME ARTICULÉE Son principe consiste à placer l’organe de roulement - essieu ou bogie - en commun sous deux caisses adjacentes. L’idée est ancienne puisqu’elle a été développée par Ettore BUGATTI sur l’un de ses autorails à grande vitesse, célèbre en 1930. Lorsque le premier projet de ligne à très grande vitesse pris forme en 1966 pour relier Paris à Lyon, la firme BRISSONNEAU et LOTZ de La Rochelle, puis ALSTHOM en liaison avec la SNCF, entreprirent des recherches systématiques sur la technologie du bogie commun avec caisses articulées. Le Principe et le Pourquoi Le véhicule ferroviaire classique est composé d’une caisse sur deux essieux ou deux bogies. En plaçant un essieu ou un bogie commun à deux caisses les paramètres suivant se trouvent considérablement améliorés : - réduction de moitié du nombre de bogies, permettant de réduire la masse et les perturbations

aérodynamiques - la liaison entre véhicules et bogie commun assure une grande stabilité de roulement - diminution de la césure entre véhicules donc amélioration de l’aérodynamisme - éloignement des organes de roulement - sources de bruits et d’inconfort - des salles occupées

par les passagers. - abaissement du plancher des véhicules permettant de :

• réduire leur hauteur ou de ménager deux niveaux de salles • faciliter l’accès

- intercirculation entre véhicules étanche et confortable En courbe le bogie prend la direction de la bissectrice de l’angle des deux véhicules:

α


186

L’articulation sur bogie Elle assure trois fonctions :

- articulation des caisses entre elles dans les trois plans - articulation du bogie et la transmission des efforts - support de la charge et sa suspension

Pour réaliser ces fonctions une caisse est dite “ portante ”; elle reçoit la caisse adjacente dite « portée ». La caisse portante repose sur le bogie. L’articulation des caisses entre elles est réalisée par une “ rotule ” permettant le mouvement relatif dans tous les plans. L’articulation du bogie sous la caisse portante est réalisée par un pivot solidaire de la caisse portante. Le support et la suspension sont réalisés soit par un système à ressort soit par une suspension pneumatique. L’intercirculation entre caisse est assurée par un anneau réalisé en deux parties : - fixe solidaire de la caisse portante recevant la rotule, la suspension, le pivot et l’équipement d’intercirculation; - mobile, lié élastiquement à la caisse portée et comprenant la rotule.

crochet d’attelage

articulation

caisse portante

caisse portée

suspension pivot


187


188

La remorque - clé Si l’on considère une rame constituée d’un nombre de remorques tel qu’il y ait symétrie dans l’axe du train, il est nécessaire que l’une des remorques soit “ portée ” à ses deux extrémités: c’est la “ remorque - clé ” reliant les deux demi- rames ensemble :

Remorque -clé La remorque extrême Elle est intermédiaire entre la motrice et les remorques. Si l’on choisit la configuration de motrices indépendantes et dételables, la remorque extrême sera « mixte » c’est-à-dire à la fois sur un bogie indépendant et sur un bogie commun à la remorque suivante. D’autre part, suivant la puissance à installer, le bogie indépendant est porteur ou moteur. La remorque extrême peut alors contenir l’appareillage correspondant.

Motrice Remorque-


189

1100°° PPaarrttiiee PPAARRTTIIEE EELLEECCTTRRIIQQUUEE


190


191

LLaa CCHHAAÎÎNNEE ddee TTRRAACCTTIIOONN

Ainsi est nommée la fonction permettant l’exercice du couple moteur à partir de l’alimentation en énergie. L’expression « chaîne de traction » est la plus couramment utilisée dans le cas où le couple moteur est exercé par un moteur électrique. Elle s’applique aussi au couple fourni par un convertisseur hydraulique ou un intermédiaire mécanique. (Le terme « propulsion » , bien que couramment utilisé, ne s’applique pas au domaine ferroviaire). Le présent ouvrage traite uniquement des chaînes de traction électriques et thermo électriques. La démarche d’étude suit une logique basée sur le moteur de traction. Le ferroviaire est particulièrement influencée par celui-ci ; c’est pourquoi nous insisterons en préambule, sur son évolution. Nous étudierons ensuite: les moyens de conversion et de traitement de l’énergie à partir des systèmes d’alimentation existants. la mise en œuvre des semi-conducteurs de puissance la technologie des schémas de puissance EVOLUTION DE LA TRACTION ELECTRIQUE LLee cchhaappiittrree ccoonnssaaccrréé aauuxx oorriiggiinneess ddee llaa ttrraaccttiioonn ffeerrrroovviiaaiirree mmeennttiioonnnnee lleess pprriinncciippaalleess ééttaappeess dduu ddéévveellooppppeemmeenntt ddee ll’’éélleeccttrriicciittéé aapppplliiqquuééee aauu cchheemmiinn ddee ffeerr.. LLeess ddééccoouuvveerrtteess ddee ll’’éélleeccttrrootteecchhnniiqquuee ssoonntt lleess ppooiinnttss ccllééss ddee cceettttee éévvoolluuttiioonn :: -- 11885544 –– 11998800 :: aapppplliiccaattiioonn dduu mmootteeuurr àà ccoouurraanntt ccoonnttiinnuu -- 11995544 :: aalliimmeennttaattiioonn eenn ffrrééqquueennccee iinndduussttrriieellllee -- 11997700 :: uuttiilliissaattiioonn dduu sseemmii--ccoonndduucctteeuurr -- 11998800 :: ggéénnéérraalliissaattiioonn dduu mmootteeuurr aassyynncchhrroonnee ddee ttrraaccttiioonn La traction électrique débute grâce au moteur à courant continu La première application d’un engin électrique sur rail date de 1847 avec la locomotive

électrique de SIEMENS de faible puissance certes – 4 kW- équipée d’un moteur à courant continu. CC’’eesstt llee mmootteeuurr llee mmiieeuuxx aaddaappttéé aauu bbeessooiinn dduu cchheemmiinn ddee ffeerr:: ffoorrtt ccoouuppllee aauu ddéémmaarrrraaggee eett ggrraannddee ppllaaggee ddee vviitteessssee uuttiilliissaabbllee.. TToouutt llee pprroobbllèèmmee ccoonnssiissttaaiitt àà ll’’aalliimmeenntteerr ccaarr ddééjjàà llaa pprroodduuccttiioonn dd’’éénneerrggiiee ss’’eeffffeeccttuuaaiitt ssoouuss tteennssiioonn aalltteerrnnaattiivvee.. PPeennddaanntt pplluuss dd’’uunn ssiièèccllee llee ddéébbaatt eennttrree mmootteeuurr eett aalliimmeennttaattiioonn ssee ttrraadduuiissiitt ppaarr ddeess ssoolluuttiioonnss nnoommbbrreeuusseess,, pplluuss oouu mmooiinnss


192

satisfaisantes, dont les réseaux héritent encore de nos jours. Rappelons-en les jalons essentiels. La traction électrique se développa initialement pour les transports urbains, répondant à la double nécessité des deux « pollutions » : la vapeur et les chevaux tractant les « omnibus ».

L’alimentation des premiers réseaux de tramways était réalisée par des « sous-stations » de puissance modeste, convertissant la tension alternative en tension continue grâce aux « commutatrices ». Le problème se compliquait avec l’accroissement des puissances mises en jeu par les chemins de fer de « grandes lignes ». Certains poursuivirent avec le « continu », tel l’Etat français qui décida en 1922, d’électrifier sous tension continu 1500 V.

D’autres, comme la Suisse et l’Allemagne, choisirent d’alimenter le moteur à courant continu sous tension alternative à faible fréquence. La Suisse dispose d’importantes capacités de production d’énergie hydraulique : il fut aisé d’adapter l’alternateur accouplé à une turbine hydraulique tournant à faible vitesse. La fréquence sélectionnée fut le tiers du 50 Hz, soit 16,7 Hz. D’autres solutions furent adoptées par d’autres pays ; la dispersion s’accentua au grès des progrès de la technologie : 3000 V en Belgique, Italie, Espagne, 750 V en Grande Bretagne. En tout état de cause ces configurations imposaient un réseau spécial d’alimentation des chemins de fer, totalement distinct du réseau général d’alimentation : grave handicap économique en termes d’investissements et d’exploitation. Par ailleurs la mise en œuvre de la tension continu ne permet pas des distances d’isolement électrique importantes, les faibles niveaux de tension mis en œuvre engendraient des courants élevés donc des pertes en ligne très péjorantes (rI²). Un jugement brutal, sans doute injuste envers nos aînés, nous fait dire que les chemins de fer français ont fait le plus mauvais choix en termes de rendement avec la tension de 1500 V ! Déjà l’on pensait à travailler avec un autre type de moteur, l’asynchrone triphasé, certes plus délicat à piloter, mais capable d’utiliser directement la tension du réseau général. Les chemins de fer italiens électrifièrent une partie de leur ligne en triphasé, comme l’a du reste fait AEG en 1903, lorsqu’une automotrice atteint le 213 km/h. Une grande part de la diversité des systèmes d’alimentation de traction électrique est figée avant la première guerre mondiale. L’avènement de la fréquence industrielle

Il faut attendre le lendemain du deuxième conflit pour entrevoir une solution qui devint quasi la norme de toutes les électrifications postérieures. L’Allemagne, utilisant la fréquence spéciale ferroviaire 16,7 Hz, débuta avant 1945 sur la ligne du Höllental, une expérimentation en fréquence dite « industrielle » celle du fournisseur d’énergie, Par faits de guerre, ce premier développement fut repris et expérimenté sur la ligne de Savoie – Annecy – La Roche sur Foron - par Louis ARMAND, alors Directeur Général de la SNCF. En 1954 une première ligne – Valenciennes – Thionville – appelée Artère Nord-Est – fût ainsi équipée. Les locomotives disposaient encore du moteur à courant continu mais alimenté par un « redresseur » convertissant le monophasé 50 Hz « industriel » en continu. Le rendement et les coûts d’investissement en installation fixes furent considérablement réduits grâce à une tension élevée : 25000 V, donc des courants ligne faibles et des pertes divisées par …. 276 !

Les électrifications nouvelles, en Europe et dans le monde se généralisèrent ainsi : Japon, Inde, Chine, Grande Bretagne, Turquie, Russie, Portugal, Danemark, Serbie, Afrique du Sud. Un groupement de constructeurs européens se constitua même afin de promouvoir ce type d’électrification : SIEMENS, ALSTHOM, MTE, ACEC, AEG, BBC .


193

Les redresseurs furent au départ, à vapeur de mercure – ignitrons et excitrons – avant d’être supplantés par les diodes au silicium.

Le réseau français se trouva « coupé en deux » : le Sud-Est et le Sud-Ouest en 1500 V, le Nord, l’Est et l’Ouest en 25 kV 50 Hz. Aussi développa-t-on les engins « poly tensions » capables de franchir les « frontières » électriques françaises puis européennes. Dès 1965 furent mises en service les séries quadri tensions célèbres : CC 40100 en France et CC 1800 en Belgique, Rame « Cisalpin » en Suisse. Dans cette période les réseaux en avance avec la tension alternative élevée en 16,7 Hz se trouvèrent progressivement confrontés à l’inadaptation du moteur à collecteur de grande puissance fonctionnant en moteur « direct » sous cette fréquence : commutation délicate, voire mauvaise, entraînant des coûts de maintenance prohibitifs d’un moteur comprenant 19 lignes de 5 balais chacun ?. . . Moteurs asynchrone, synchrone et semi conducteurs

L’idée d’utiliser le moteur asynchrone, robuste et simple parce que sans collecteur, donc sans entretien, revint à l’ordre du jour avec un atout majeur de plus : le semi – conducteur.

L’avènement de la grande vitesse « commerciale » dans les années 1970 posa aussi le problème en termes de vitesse de rotation du collecteur. Tout concourut pour lui substituer les dispositifs statiques offerts par les convertisseurs à semi – conducteurs (thyristor, GTO, et maintenant IGBT) et leur commande à microprocesseurs.

Le moteur à courant continu fait donc maintenant entièrement place à l’asynchrone au prix d’une conception des équipements de commande relativement complexe mais d’une fiabilité et d’une maintenabilité sans égal.

Là encore l’exception française se manifesta par l’étape intermédiaire du moteur synchrone. Le moteur à collecteur alimenté par redresseur ou hacheur se comportant très bien, nos chemins de fer ne virent pas la nécessité de passer à l’asynchrone. On chercha plutôt à remplacer le « redresseur mécanique » par un commutateur statique : l’onduleur auto piloté. Les applications sont importantes puisque la totalité des Rames TGV françaises sont équipées de moteurs synchrones ainsi qu’une série importante de 234 locomotives à grande puissance : les BB 26000.

Que sera l’avenir ? Il faut être attentif aux développement du moteur synchrone à aimant permanent. L’exception française deviendrait-elle la voie de l’avenir ? . . . Le tableau ci-après synthétise cette évolution.


194

AC : Alternative Current DC : Direct Current MS : Moteur Synchrone MAS : Moteur Asynchrone Red Hg : Redresseur à vapeur de mercure Red Si : Redresseur au Silicium

ALIMENTATION

COMPOSANTS

MOTEUR

ddee

TTRRAACCTTIIOONN

1820 1850 1900 1950 1970 2000

MM SS

OOAARRSSTTEEDD

FARADAY GGRRAAMMMMEE

SSIIEEMMEENNSS

MMOOTTEEUURR sséérriiee DDCC

EElleeccttrroommééccaanniiqquuee

MMOOTTEEUURR sséérriiee mmoonnoopphhaasséé

11550000 àà 33000000 VV DDCC

AACC 1166 HHzz 22//33 ((2255 HHzz))

MM AA SS

GGTTOO

RReedd HHgg

RReedd SSii

TTHHYYRRIISSTTOORR

AACC 5500 HHzz ((6600 HHzz))

Transistor

IIGGBBTT µP Intel

660000 àà 11000000 VV DDCC


195

Et le bogie « monomoteur » ? Encore une exception française ! Le moteur à collecteur, difficile à réaliser et à maintenir en état est particulièrement sensible aux patinages, donc aux « sur vitesses ». Il est lourd, encombrant et représentent une contrainte élevée en termes d’efforts du bogie, qui les contient, sur la voie. La situation peut se résumer ainsi : « moins il y aura de moteurs, mieux on se portera » ! D’où l’idée de concentrer toute la puissance nécessaire dans le minimum de moteurs. L’un des « Maîtres » de la traction électrique en France dans les années 1950-1970, Fernand NOUVION, Ingénieur Général et chef de la Division des Etudes de Traction Electrique (DETE) de la SNCF, associé aux bureaux d’études de la Division Traction d’ALSTHOM, sous la direction de Monsieur LETHION, développèrent le bogie « monomoteur » sur la fameuse BB 16500, en 1958. Les atouts d’une telle technologie sont déterminant : - division par 2 ou 3 du nombre de moteurs pour une BB ou une CC - bogie d’excellente tenue sur voie : sa masse comportant un seul moteur en partie centrale,

voit son rayon de giration (4Mρ²/a²) très faible - empattement du bogie réduit favorisant l’inscription en courbe (voire le chapitre Bogie) - simplification du schéma de puissance : deux moteurs à commander au lieu de 4 ou 6. - excellente capacité d’utilisation de l’adhérence du fait de l’inertie en rotation mise en jeu par

le couplage mécanique des essieux - possibilité d’associer une « bi réduction » ou « changement de vitesse à 2 rapports » pour

adapter la caractéristique effort - vitesse du moteur aux charges remorquées. De la sorte la locomotive devint « universelle ». On explique ainsi que la technologie ferroviaire française bâtit sa célébrité sur les

applications de cette disposition : plus de 2000 locomotives furent et son encore en service : avec bi réduction : - BB 16500, BB 17000, BB 8500, BB 25500, E 40000 - Turquie, BB Portugal - CC 40100, CC 1800 – Belgique, CC 70000, CC 6500, CC 72000, DF 100 et E 900 – Maroc,

CC 2400 – Afrique, 3B et 4B Afrique ; E 3000 - Slovénie - mono réduction : - BB 15000, BB 7200, BB 1600 et 1700 Pays-Bas, E1300 et E1350 Maroc, BB

22200, BB 26000 - BB 67000 (67300 et 67400), BB Irak - Automotrices Z 6300 Et maintenant ? Les évolutions majeures de la chaîne de traction déjà mentionnées firent perdre au « monomoteur » une grande partie de son intérêt, conjuguées aux quelques inconvénients que l’on se doit de rappeler :

- complexité mécanique du bogie – nombre d’engrenages - maintenance lourde - encombrement du moteur en caisse - isolement d’une demie locomotive en cas d’avarie sur un moteur.

En contrepartie la masse et l’encombrement du moteur asynchrone permettent d’obtenir un empattement faible du bogie multi moteurs, un réducteur simple et une indépendance de chaque essieu en cas d’avarie. Le plan effort – vitesse est beaucoup plus vaste de sorte que l’engin est rendu universel. Enfin les procédés de commande et contrôle autorisent un pilotage très précis de l’effort, donc un antipatinage et un antienrayage (AP / AE) extrêmement efficace. L’optimum est sans doute atteint avec la disposition « multi moteurs asynchrone » après l’époque célèbre dans le monde entier du monomoteur « à la française » !


196

LLee MMOOTTEEUURR EELLEECCTTRRIIQQUUEE ddee TTRRAACCTTIIOONN Quelques rappels . . . Loi de Laplace : la force électromagnétique Un conducteur de longueur L parcouru par un courant I, soumis à un champ d’induction B, est le siège d’une force F qui le déplace ; réciproquement, un conducteur que l’on déplace dans un champ magnétique est le siège d’un courant « induit »:

F = B.I.L.sin θ

Principe fondamental des moteurs électriques Un bobinage fixe : le stator, créé un flux magnétique ΦS. Une spire mobile en rotation : le rotor, parcouru par un courant I, créé un flux ΦR. Les forces F s’exerçant sur les conducteurs de la spire tendent à réaligner ΦS et ΦR ont pour expression :

F = k. ΦS . ΦR . sin α

I

B

F

I

B

α

Φs

Φ rF

F


197

Le MOTEUR à COURANT CONTINU Inventé par GRAMME en 1871, il repose sur les principes fondamentaux exposés ci-dessus :

- une spire tournante - le rotor ou induit - est alimentée par deux demi bagues – le collecteur - de sorte qu ‘elle soit parcourue par un courant toujours de même sens. Placée dans le flux d’un aimant, ou électro-aimant – le stator ou inducteur – les conducteurs parallèles de la spire sont le siège d’une force, donc d’un couple créé par la réaction des deux flux magnétiques : le flux inducteur ΦS et le flux Φr engendré par le courant I dans la spire.

Le courant est amené à la spire du rotor – ou induit – par deux balais frottant sur deux

demi bagues appelé collecteur. Celles ci permettent d’inverser le sens de circulation du courant au moment où la tension induite s’annule. Dans le principe représenté ci-dessus la spire rotorique est connecté en série avec les spires des pôles inducteurs : c’est le cas le plus fréquent des moteurs de traction ferroviaires.

I

IF

ΦS

Φr


198

En réalité le rotor induit comporte un grand nombre de spires logées dans des « encoches », connectées chacune à deux lames de collecteur ; l’inducteur est composé de plusieurs paires de pôles : 2, 4 ou 6


199

Caractéristiques du moteur à courant continu Elles dépendent du mode d'excitation; il en existe trois : SERIE, SEPAREE ou COMPOUND (mixte). Le mode SERIE est le plus utilisé en traction. Les inducteurs sont connectées en série avec l'induit, de sorte que le courant d'excitation est le même que le courant induit.

Les grandeurs caractéristiques sont : n : nombre de conducteurs de l’induit 2p : nombre de pôles 2a : nombre de voies en parallèle dans l’induit Φ : flux inducteur par pôle U : tension aux bornes de l’induit I : courant absorbé par l’induit R : résistance totale du circuit induit R’ : résistance du circuit inducteur N : vitesse de rotation (tr/s) pm : pertes mécaniques pf : pertes fer pexc : pertes pour l’excitation

Force électromotrice ΦnNapE =

Courbe de magnétisation Caractéristique couple - courant

Le couple C est linéaire : Inap

21

N2EIC Φ⋅==

ππ

dans la zone de saturation du circuit magnétique. Dans la partie OA, il est parabolique : C = KI². Pour une tension d'alimentation donnée, la vitesse du moteur est :

( )Φn

ap

IR'RUN +−=

Aux faibles valeurs de courant, r étant très faible

la relation est assimilable à : .Φk

UN1

=

M

inducteurs

induit

I

SSaattuurraattiioonndduu cciirrccuuiitt mmaaggnnééttiiqquuee


200

Couple utile sur l’arbre : N2

fpmpCuCπ+

−=

Des courbes N(I) et C(I) ont déduit la caractéristique mécanique C(N), pour une tension d'alimentation donnée Cette courbe permet de fonctionner à puissance constante :

• très fort couple à vitesse nulle • vitesse élevée aux faibles couples

Rendement : excpUI

fpmp-RI²-U+

−=η

Le moteur étant réversible, lorsqu’il fournit une puissance électrique à partir d’une puissance mécanique comme en freinage électrique, le rendement devient :

excpfpmpRI²UIUI

++++=η

Adaptation des caractéristiques du moteur Un moteur de traction est dimensionné pour une la tension nominale. Pour celle-ci la caractéristique F(V) ne permet pas d'assurer le démarrage et la mise en vitesse. Il faut adapter la caractéristique soit par réglage de la tension, soit par réglage du champ. Réglage de tension

Pour assurer le fonctionnement à des vitesses intermédiaires entre 0 et la caractéristique correspondant à Un, on alimente le moteur sous tension progressivement croissante. Le plan effort -vitesse sera couvert jusqu'à Un.

Réglage de l’excitation

Pour couvrir le plan au-delà de Un, on modifie la caractéristique d'aimantation du moteur. En effet, pour un courant induit donné, à champ réduit correspond un effort plus faible mais une vitesse plus élevée.(à charge nulle, un moteur s'emballe). C'est la méthode appelée couramment "shuntage" parce que l'on dérive une partie du courant des inducteurs dans une résistance.

C'est le rôle de l'équipement de traction et sa régulation, d'opérer les réglages ci-dessus.

F

V 0

Un F

V 0

N

C


201

Technologie du moteur à courant continu à collecteur Il comporte 2 parties: • Le ROTOR ou INDUIT, est un cylindre

de tôles magnétiques empilées. Il porte, logés dans des encoches longitudinales, les conducteurs parcourus par le courant, siège de la force motrice. Le courant d'alimentation est amené aux conducteurs par un distributeur appelé COLLECTEUR.

• Le STATOR ou INDUCTEUR est un électro-aimant fixé dans une carcasse, équipé de bobines inductrices : les pôles principaux Nord et Sud, créant l'induction B. Le nombre de pôles est toujours pair : les moteurs actuels sont quadripolaires ou hexapolaires.

* la liaison électrique entre induit et inducteur se fait par les BALAIS, coulissant dans les PORTE BALAIS répartis sur une COURONNE réglable en rotation

carcasse

pôles auxiliaires

pôles principaux

porte balais

couronne

collecteurbobinage


202

Un double handicap du moteur à courant continu à collecteur Des générations de tractionnaires ont travaillé sur la mesure des faux ronds, le

reprofilage, avec un savoir faire admirable, sachant à l’œil nu, distinguer à partir de la couleur de sa patine, l’état du collecteur !

La commutation

Le phénomène, très complexe, est provoqué par le changement de sens brusque du courant dans chaque section d'induit au passage des lames de collecteur. Il en résulte un arc de rupture du fait de l'inductance propre de chaque bobine d'enroulement. Pour y remédier sont disposés des Pôles Auxiliaires (PA) dans l'axe de l'espace inter polaire. Ils sont magnétisés par le courant principal traversant l'induit I et créent, dans l’entrefer en regard de la section en commutation, un induction B' telle que la f.é.m. induite dans la spire en commutation s'oppose à celle qui provoque l'arc de rupture. Le collecteur et ses balais restent néanmoins soumis à une dégradation progressive. Si l’arc devient trop important, il se propage aux lames suivantes jusqu’à faire le tour complet du collecteur : c’est le « flash ».

La tenue mécanique du collecteur

Sa technologie est complexe puisqu’il est constitué d’un grand nombre de lames en cuivre, isolées entre elles et par rapport à la masse de l’induit par des lames de mica, le tout serré par un double cône, lui même isolant. Les soudures de chaque spire aux lames constituent un point délicats. La rotation de l’ensemble le soumet à une force centrifuge telle qu’elle tend à le déformer, d’où une usure prématurée des balais. La vitesse linéaire maximale d’un collecteur, compte tenu de son diamètre, limite la vitesse de rotation (55 m/s au collecteur pour un moteur de TGV Paris Sud Est à 270 km/h !) La maintenance exige une reprise de la concentricité du collecteur par un usinage appelé « reprofilage ». Par ailleurs les balais en carbone demande à être remplacés périodiquement. Pour ces deux raisons, le moteur à collecteur a atteint ses limites eu égard aux puissances et aux vitesses pratiquées d’une part, et des exigences de coût de cycle de vie d’autre part.


203

MOTEUR de TRACTION SYNCHRONE Principe de fonctionnement Il fonctionne selon le principe de l'alternateur. Un aimant N-S – appelé rotor - tourne à l'intérieur d'un circuit magnétique dans les encoches duquel sont logés des conducteurs, l’ensemble constitue le stator. Il comporte 3 enroulements U, V, W, s’il s’agit d’un alternateur triphasé, cas lz plus fréquent Au passage de chaque pôle de l'aimant, le flux croît progressivement de 0 à sa valeur maximale, puis décroît lorsque le pôle s'éloigne. Aux bornes de chaque enroulement prend naissance une force électromotrice alternative. On recueille donc un système de trois tensions déphasées de 120° l'une par rapport à l'autre..

Le rotor est un électroaimant constitué de pôles excités par des bobines inductrices permettant de faire varier le champ inducteur. L’arrivée du courant d’excitation au rotor se fait par deux balais en contact avec deux bagues tournantes. Inversement si les enroulements stator sont alimentés par un système de trois tensions déphasées de 120°, un champ tournant est créé présentant lui aussi un système de pôles fictifs N-S, tournant à vitesse imposée par la fréquence d'alimentation. Supposons que le rotor soit entraîné à cette même vitesse: les 2 aimants "s'accrochent" ; si l'entraînement du rotor est supprimé il continue à tourner. Sous l'effet du couple résistant, les pôles réels du rotor ont tendance à ralentir et à se décaler par rapport aux pôles fictifs du stator. Les attractions et répulsions entre pôles réels et fictifs ont des composantes tangentielles dans le sens de la rotation. Leur ensemble crée un couple moteur donc une puissance mécanique. Le moteur synchrone en traction Les propriétés du moteur synchrone sont utilisables en traction, où le couple est essentiellement variable de la vitesse nulle à la vitesse nominale. Le moteur à l'arrêt, sous l'effet d'un champ et d'un courant stator, est soumis à un couple. Il s'agit alors de commuter le courant stator de l'enroulement actuel sur celui qui est le mieux disposé dans le champ pour que le couple se maintienne en mouvement continu de rotation. Supposons que l'on dispose d'un réseau tel que le système de tensions triphasées à fréquence variable d'alimentation du stator créé un flux tournant à vitesse progressivement croissante, la force contre-électromotrice sera alors suffisante pour entraîner le rotor à très faible vitesse. On fera ensuite croître la fréquence du réseau pour permettre l'accroissement de la vitesse de synchronisme. Ainsi sera-t-il possible de suivre une caractéristique effort -vitesse adaptée à la traction.

N

N

S

S


204

Alimentation du moteur synchrone Les enroulements stator U, V, W, sont couplés en étoile et reliés aux trois phases d'un onduleur de courant à thyristors alimenté par une tension continue fournie par un hacheur ou un redresseur. En provoquant successivement la conduction des thyristors comme indiqué ci-dessous, on créé le champ tournant au stator.

V U

W W

U V

V U

W W

U V

V U

W W

U V

V U

W W

U V

V U

W Z

U V

V U

W Z

U V

W

U V

W

UV

W

UV

W

U V

W

UV

W

UV


205

Onduleur d’alimentation d’un moteur synchrone à double étoile stator Les commandes des thyristors de chaque onduleur, décalées électriquement de 30° l'une par rapport à l'autre, comme le sont les deux étoiles du stator, assurent l'aiguillage du courant continu délivré par le hacheur principal, à travers leurs enroulements, suivant une permutation circulaire qui impose le sens de rotation du moteur.

La figure ci-dessous représente cette distribution pour un sens de rotation. Quelle que soit la vitesse du moteur, le choix des thyristors à mettre en conduction et celui des instants de commutation sont déterminés par la position des enroulements "stator" vis à vis du champ créé par le rotor, de façon à soumettre toujours ce dernier au couple maximal.

0° 30 60 90 120 150 180 210 240 270

1 2 34 5

61 2’

3 4’5’ 6’

I

IR

IT

IS

excitation

1

4 6 2

1’ 3’ 5’

4’ 6’ 2’

3 5

Moteur synchrone« double étoile »

Onduleur de courant


206

Mode « auto piloté »

En régime normal, au-delà d'une certaine vitesse, les forces contre-électromotrices induites sont suffisantes pour fournir l'énergie réactive nécessaire à l'extinction naturelle des thyristors de chaque bras de l'onduleur : la commutation est dite "naturelle". Les thyristors à mettre en conduction et les instants de commutation sont déterminés par la position des pôles fictifs du stator en regard du champ créé par le rotor de sorte qu’il soit toujours soumis au couple maximal. Ce sont les forces électromotrices triphasées présentes aux bornes des enroulements du stator qui garantissent, dès l'amorçage du thyristor devant "prendre la relève", l'extinction de celui qui termine son cycle de conduction. C'est l'auto pilotage.

Mode « commutation assistée »

A faible vitesse, l'amplitude des f.c.é.m. aux bornes des enroulements stator est insuffisante pour garantir la commutation naturelle des thyristors; un circuit spécial d'assistance à la commutation est mis en action. Il permet la commutation d'un bras d'onduleur sur l'autre. Ce mode est appelé "commutation assistée". Le choix des thyristors à mettre en conduction est assuré par des détecteurs de proximité fixes, disposés en regard de la périphérie d'un disque solidaire du rotor.

Ce disque présente autant de secteurs saillants que le moteur a de paires de pôles; il est calé sur l'arbre pour que chaque secteur soit dans l'axe d'un pôle. La commutation assistée est réalisée grâce à un condensateur de commutation. chargé par un dispositif de pré charge. Supposons qu'à l'arrêt, le rotor étant excité, le courant stator soit établi par T1, U, W, T2. La polarité du condensateur est capable d'éteindre T1. Le rotor ayant tourné, on amorce TC, le courant est commuté sur le circuit: TC, C, W, T2. Le courant traversant C restera constant en raison de la valeur élevée de la self en tête de circuit; sa tension décroît linéairement au cours de la décharge, et croît linéairement au cours de la charge. Pour ne pas risquer sa destruction, on limite sa tension à une valeur prédéterminée en amorçant T3. Il y a alors commutation de TC sur T3, et TC s'éteint naturellement. Le courant emprunte alors le circuit T3, VY, ZW ,T2. Après rotation du rotor détectée par le capteur de position, on amorce TC2, permettant l'extinction de T2. C se décharge, puis se recharge à courant constant. A la valeur fixée, on arrête sa charge en amorçant T4 et le courant est commuté de TC2 vers T4; le courant emprunte alors le circuit T3, VY, UX, T4 et ainsi de suite.

W

U V

W

U V

+ -

W

U V

- +

W

U V

- +

W

U V

- +

W

U V

- +

W

U V

- +

C

TC1

TC2


207

Charge de la capacité de commutation

La pré charge du condensateur de commutation est réalisée par un chargeur spécial permettant également de contrôler l'amplitude et la polarité de la tension à ses bornes; ainsi est garantie à tout moment la commutation de courant quelque soit l'onduleur appelé à commuter en premier. Un exemple de chargeur est donné ci-dessous, comprenant un Darlington au primaire d'un transformateur élévateur, et un thyristor au secondaire. La charge s'arrête automatiquement lorsque la tension souhaitée aux bornes du condensateur est obtenue.(tension qui doit être proportionnelle au courant stator) Technologie du moteur synchrone Le rotor

Il comporte les pôles inducteurs. C'est un anneau forgé, emmanché sur l'arbre. Les pôles sont constitués par un empilage de tôles serrées entre des joues en acier et fixées par queue d'aronde sur l'anneau. Des coins entre pôles maintiennent les flancs des bobines pour éviter leur déformation sous l'effet de la force centrifuge. Le courant inducteur d'excitation est amené au rotor par un ensemble de bagues et balais. En bout d'arbre, coté opposé à l'accouplement, est disposé le disque du capteur de position muni de crans - repères. Il tourne à l'intérieur d'un boîtier supportant les détecteurs de position destinés à la commande des onduleurs d'alimentation.

Le stator

C’est un empilage de tôles minces au silicium isolées entre elles phosphatation constituant le circuit magnétique. Les enroulements placés dans des encoches sont généralement du type "imbriqué".

c o m m a n d e

commande Thyristors

mesureU

CAPACITE de COMMUTATION

0

500 V

R


208

MOTEUR de TRACTION ASYNCHRONE Principe de fonctionnement

Il est régit par la Loi de Lenz : La F.E.M induite s’oppose à la cause qui lui donne naissance

Si un pôle d'aimant, créant un champ B, se déplace devant une spire fermée à une vitesse V, celle-ci est le siège d'un courant induit I. Elle réagit sur la cause qui l'engendre par une Force F. Pour que cette réaction ait lieu il faut qu'il y ait vitesse relative de l'aimant par rapport à la spire, c'est-à-dire que le champ doit tourner plus vite que la spire: d'où le nom d' « asynchrone » donné au moteur résultant de ce principe. C'est le "glissement" du rotor par rapport au stator qui est générateur du couple. Il est faible, de l'ordre de 1%, pour l'obtention du couple maximum au point de définition du moteur. Pour appliquer ce principe, il suffit de constituer des spires en court circuit, montées sur un rotor. La rotation du champ sera obtenue par un enroulement polyphasé monté sur le stator. Si l'on fait varier la fréquence de la tension stator on fera varier le glissement et la vitesse de rotation du rotor.


209

Le démarrage A vitesse nulle le rotor est fixe : le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire est en court-circuit. Le couple s'exerçant sur le rotor est élevé, ce qui est un avantage en traction. Mais la caractéristique mécanique "couple - vitesse" présente une zone de stabilité utilisable à partir de BC, où le glissement a atteint une valeur suffisamment faible pour une vitesse donnée du rotor. La zone AB est instable : le moteur « décroche ». Il est donc impossible, en traction, d'utiliser un moteur asynchrone à tension et fréquence d'alimentation constante comme c’est le cas de la plupart des applications industrielles à vitesse constante. L’ alimentation doit être adaptée en tension et en fréquence de sorte que :

cteFU

=

Pour se rapprocher des caractéristiques

du moteur à excitation série, on considère 2 phases : - au démarrage et à faible vitesse,

fonctionnement à effort constant F, pendant laquelle le flux est maintenu constant en faisant varier la tension proportionnellement à la fréquence.

- à vitesse élevée, fonctionnement à puissance constante, durant laquelle la tension est maintenue constante, et la fréquence telle que le flux décroît proportionnellement et le couple proportionnellement au carré de la fréquence.

Deux types de commandes sont utilisées pour obtenir ce résultat : - l’onduleur de courant qui consiste à alimenter séquentiellement les phases du moteur à partir d'une

source de courant continu. - l'onduleur en tension qui élabore un système de 3 tensions réglables en fréquence et en amplitude.

Vitesse

B

Couple

zone instable ou de

« décrochage »

zone ssttaabbllee

A

Couple

Coupleconstant

Puissance constante

Vitesse 0


210

L’onduleur de courant Le moteur est alimenté par 6 bras de thyristors associés à 6 diodes. La commutation est réalisée par un jeu de condensateurs - selfs tels que chaque thyristor joue le rôle de thyristor principal et de thyristor d'extinction. Avant commutation, le trajet est représenté ci-contre : - le courant passe par T1, D1, les phases R et T, D2, T2. - les tensions de condensateurs sont UC1 = UC, UC3 = 0, UC5 = -UC. - à t = 0, T3 est amorcé pour éteindre T1; le courant décroît dans T1 à une vitesse limitée par L1. Le condensateur équivalent de valeur C = 2/3 CA, se décharge dans les 2 selfs L1 et L3. - à t1, T1 se bloque; le condensateur équivalent C se décharge à courant sensiblement constant imposé par la self intermédiaire. - à t2, la tension aux bornes de C1= 0, T1 est bloqué. La tension aux bornes de C continue de décroître linéairement jusqu'à t3 où la diode D3 se met à conduire, puis elle se bloque. * la commutation du courant est terminée; seules sont conductrices les phases S et T. En résumé la commutation se déroule en 3 phases : - commutation des thyristors - charge des condensateurs à courant constant - commutation des diodes.

T1

D1

D2

RST

T2

L1

UC1

T3

T1

D1

D2

RST

T2

T3


211

L’onduleur en tension Il est constitué par un système de 6 hacheurs alimentés à partir d'une source de tension

continue de valeur U, tel un filtre LoCo. Chaque bras est équipé soit de GTO soit d’IGBT. Par un découpage approprié de la tension U, l'onduleur permet de reconstituer un système de trois tensions déphasées de 120 ° aux bornes des phases du stator. Leur valeur moyenne est de forme sinusoïdale. Le type de découpage engendrera : - soit une variation de l'AMPLITUDE - soit une variation de la FRÉQUENCE de l'onde résultante pour obtenir U/F= Cte Ce procédé est appelé "MODULATION de LARGEUR d'IMPULSION" - "MLI". (en anglais: "PULSE WAVE MODULATION" - "PWM")

U3

U2

U12

U23

U31

U1

Iph1

C0

L0 H1 D4

H4 D6

U31U1

U2 U3

IphU12

U23


212

Fonctionnement d’une phase L'enroulement R est alimenté par 2 hacheurs H1 / D4 ; H4 / D6. Par la commande judicieuse de ces Hacheurs, l'enroulement R sera porté soit à la valeur U, soit à la valeur 0 de la tension source. Mais suivant le sens du courant circulant dans la phase R, on trouve les 2 configurations de circuit selon que le sens est "1" ou "2". - Sens "1": H1 conduit; son courant sens "1" se referme par la diode de roue libre D4 - Sens "2": H4 conduit, puis le courant sens "2" se referme par D1

U bras

I phase

U bras

U1U2

U3 I phase


213

Caractéristique F(V) et adhérence Soit F(V), la caractéristique asynchrone sous tension U, à fréquence f; supposons M, le point de fonctionnement. La vitesse du rotor, N, est proche du synchronisme Ns. Si les conditions d'adhérence au contact roue- rail deviennent telles que celui-ci entre en glissement, l'effort transmissible chute, la vitesse de l'essieu passe de N en N'; le point de fonctionnement de M en M'. La pente de la caractéristique en zone de fonctionnement stable du moteur est très forte: une faible variation de vitesse entraîne une importante variation d'effort: le "raccrochage" de l'essieu se fera naturellement. Un tel processus ne s'opérera que si la caractéristique est rigoureusement stable, c'est-à-dire que la fréquence est rigoureusement fixe. En réalité, il existe toujours une légère variation de fréquence (f' < f < f"), telle que le point de fonctionnement passe de M' en M":

• dans le 1°cas, il est proche de la nouvelle vitesse de synchronisme, s'accompagnant d'une forte chute d'effort

• dans le 2°cas, on peut arriver à la zone de décrochage On voit donc que la propriété apparemment séduisante de la pente de F(V), est masquée par l'instabilité possible de la fréquence. Pour pallier cet inconvénient important, le moteur doit être commandé en couple, accompagné d'un dispositif efficace d'antipatinage, le plus préventif possible.

f’ f f’’’

M’’ M

M’

C

V


214

Technologie du moteur asynchrone Le stator : est strictement identique à celui d'un moteur synchrone. Le rotor : c’est un empilage de tôles pré isolées, monté entre deux plateaux de serrage. La « cage d'écureuil » est constituée de barres en cuivre montées dans les encoches et solidarisées par brasure en extrémité avec les anneaux de court-circuit. L’atout essentiel du moteur est la simplicité : aucune pièce de contact électrique ni de frottement lui confère une excellente robustesse ; il est donc exempt de toute opération de maintenance hormis le contrôle et le graissage périodique des roulements de paliers.

statorenroulements statoriques canaux de ventilation stator

canaux de ventilationrotor

barres rotoriquesrotor

arbre

palier

roulement

pignon

graissage

graissage

palier

connexions

capteur de vitesse

anneaux de court circuit


215

Les SEMI CONDUCTEURS de PUISSANCE en TRACTION Dès l’apparition des semi conducteurs en électronique de puissance, la traction ferroviaire a développé les applications lui permettant d’accroître ses performances. Notons d’ailleurs que c’est l’apparition de la « fréquence industrielle » qui, par le biais du redresseur indispensable à l’adaptation de la tension caténaire au moteur continu, a rapidement fait appel au semi conducteur en lieu et place du lourd, encombrant et peu fiable redresseur à vapeur de mercure (ignitron, excitron). C’est donc naturellement la « diode au silicium » qui fut le premier composant semi conducteur généralisé sur les engins de traction. Vinrent ensuite le « thyristor » ou diode contrôlée, puis le thyristor « GTO » et enfin le transistor « IGBT ». Compte tenu de la nature même de la conduction dans le matériau semi conducteur, on ne peut dissocier son étude de celle de son refroidissement. C’est pourquoi ce chapitre décrira les principes d’évacuation des pertes engendrées. Qu’est-ce qu’un SEMI CONDUCTEUR ? Il existe à l’état naturel, deux types de matériaux : les conducteurs et les isolants. Ce qui les distingue est la capacité à conduire la chaleur et l’électricité. Les premiers sont les métaux : fer, cuivre, aluminium, argent, or. Les seconds, beaucoup plus nombreux, sont les corps organiques : bois, verre, textiles par exemple. Leur propriété s’explique par la structure atomique de chacun d’eux.

Les atomes sont composés d’un noyau chargé positivement, autour duquel gravitent sur plusieurs orbites, des électrons chargés négativement. Les électrons de l’orbite la plus éloignée du noyau sont facilement sollicités par influence d’un champ magnétique ou de l’attraction d’un noyau d’atome voisin à un point tel qu’ils peuvent être « extraits » de leur orbite et en rejoindre une autre à proximité : c’est le courant électrique.

Dans le cas des isolants, la stabilité des électrons sur leur orbite périphérique est très grande, à l’inverse des conducteurs. Entre les deux types, existent à l’état naturel, des corps dont la conductivité électrique est intermédiaire, augmentant avec la température : ce sont le silicium et le germanium. La main de l’homme accentue le phénomène en « dopant » le corps semi conducteur, c’est-à-dire en introduisant dans sa structure des impuretés capables de favoriser ou non la conductivité. Le « DOPAGE » On « diffuse » dans un cristal de silicium pratiquement pur, quelques atomes ( 1 pour 106 ) d’un corps, l’antimoine par exemple, dont l’orbite périphérique comporte un électron de plus que celle du silicium. Les électrons supplémentaires n’ont aucun lien avec les orbites voisines, ils ont donc libres : c’est la conduction de type « N » (négatif).


216

Inversement, on diffuse quelques atomes d’indium dont l’orbite périphérique comporte un électron de moins que celle du silicium. Il existe donc un « manque » d’un électron, appelé « trou » constituant une charge positive. Celle-ci ne demande qu’à être comblée par un électron voisin en mouvement : c’est la conduction de type « P » (positif). Résumé : JONCTION et DIODE C’est une région de faible épaisseur – de l’ordre du micron – d’un même cristal de semi conducteur dans laquelle la conduction passe progressivement du type P au type N. La jonction est obtenue par dopage positif d’un côté au dopage négatif de l’autre.

Jonction en l’absence de tension : barrière de potentiel

Les électrons libres prépondérants de la zone N se recombinent avec les trous prépondérants de la zone P et vice versa. Il y a déplacement des charges négatives de N vers les ions négatifs de P et inversement. Ces déplacements créent un champ électrique interne orienté de négatif vers positif de valeur e.

Ce champ s’oppose à la diffusion des trous vers N et des électrons vers P : c’est la barrière de potentiel à l’intérieur de laquelle il n’y a plus de diffusion de charge.

+++

++

+++

+

+ Atome ionisé

Electron libre

Atome ionisé

Trou libre +

Semi conducteur type N Semi conducteur type P

+ +

++

+

+

+

+

++

+

type P e type N

+

+

+


217

Jonction sous tension :

A la fermeture du circuit la tension U créé un champ E orienté + ; - extérieurement au générateur. Il s’oppose au champ interne et favorise donc la diffusion des charges : − électrons de N vers P − trous de P vers N − le courant I s’établit : la jonction conduit Si la polarité du générateur s’inverse, le champ E s’inverse et renforce l’action du champ interne e :

la jonction ne conduit pas En réalité lorsque la jonction est bloquée, il existe un très petit courant « en inverse » dû à l’agitation thermique de sorte que quelques électrons franchissent la barrière.

Un jonction P-N a un comportement dissymétrique : connectée en directe elle passante, avec une très faible résistance interne ; en inverse elle est bloquante avec une très grande résistance interne. C’est une DIODE . Sa caractéristique I(U) est la suivante :

En direct la résistance interne est très faible de sorte que la chute de tension est de l’ordre de 0,8 V. En inverse, si la tension dépasse la valeur UC, le champ interne e n’est plus suffisant, il y a brusque conduction, la jonction est détruite : c’est la tension de « claquage ». Cette propriété est utilisée par la diode dimensionnée spécialement : c’est l’effet « ZENER » utilisé, en faible puissance par exemple pour stabiliser une tension continue.

e

+ -I

E

U

++

+

+

+

+ ++

+

+

+ -

E

U

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

e

UC

I

U

+

+

+

+


218

Application de la diode : le redressement Si une tension alternative U (sinusoïdale ou non) est appliquée aux bornes d’une résistance en série avec une diode, le courant qui la traverse est « redressé » c’est-à-dire « unidirectionnel » : seule l’alternance positive permet le passage du courant. Pendant l’alternance négative, la diode est bloquée.

Un schéma à 4 diodes en « pont de Graëtz » permet le redressement monophasé double alternance ; c’est le plus utilisé en traction : En triphasé le pont de Graëtz est constitué de 6 diodes qui fournissent une tension ondulée : Ce schéma est le plus utilisé en traction autonome à transmission électrique à partir d’un alternateur triphasé alimentant soit des moteurs à courant continu, soit un « bus » continu alimentant des onduleurs.

I

t

I

t

I

t

DU

I

R

U

I

+

- U

I

+

-

U

I


219

Le THYRISTOR C’est un composant à 3 jonctions : PN – NP – PN. Le cristal de base est du silicium type N dopé sur ses deux faces de type P. Sur l’une des faces on réalise la couche de cathode par diffusion localisée d’un matériau type N. Le fonctionnement du thyristor est assimilable au schéma de deux transistors: Pour l’amorçage, un courant est injecté dans la gâchette. Amplifié par le transistor « NPN », il est injecté dans la gâchette du transistor « NPN » qui l’amplifie à son tour et dont le courant collecteur vient renforcer le courant initial de gâchette. La condition d’amorçage étant satisfaite, les deux transistors se saturent; le thyristor ainsi constitué est à l’état « passant », caractérisé par une faible chute de tension directe. La caractéristique directe -inverse pour différents courants de gâchette est la suivante:

Cathode

Anode

Gâchette

N N

PP

N

P

IG1 > IG2

VB

-VB

I

N P

P N N

cathode

anode

gâchette

symbole


220

Pour retrouver l’état « bloqué » il est nécessaire d’annuler le courant gâchette et de réduire le courant d’anode en dessous du seuil d’entretien de la condition d’amorçage; les deux conditions étant nécessaires. Selon l’utilisation du thyristor, en alternatif ou en continu, le schéma sera totalement différent:

- en alternatif, l’extinction sera « naturelle » au passage à zéro de la sinusoïde de courant; c’est le régime « redresseur contrôlé »

- en continu, un « contre-courant est nécessaire pour annuler le courant d’anode; il sera délivré, généralement par un thyristor auxiliaire, dit « d’extinction ». C’est le régime « hacheur ».

Temps de recouvrement en inverse : trr Du fait des charges stockées au voisinage de la jonction bloquante, le thyristor ne peut retrouver son pouvoir de blocage instantanément. Il est donc nécessaire de maintenir un état de courant nul, sans tension directe, ou avec une tension inverse, pour diminuer ces charges pendant un temps suffisant: tq, suivant le diagramme: L’utilisation des thyristors en traction implique une faible valeur de tq en acceptant un compromis sur la chute de tension à l’état passant, afin de réduire le dimensionnement des circuits d’aide à la commutation. L’amorçage

Il s’effectue en envoyant un courant de gâchette sous forme d’impulsions pour favoriser la diffusion au niveau de la jonction: Une première impulsion, dite « impulsion principale » est suivie d’un « train d’impulsions » formé de créneaux de courte durée. La forme et le calibrage de ce courant de gâchette sont capitaux pour amorcer sûrement le thyristor, condition fondamentale pour la bonne tenue des équipements qui lui sont associés.

Ces impulsions sont fournies par un générateur commandé par la chaîne de régulation, capable de déterminer l’instant d’amorçage en alternatif, ou la fréquence et le temps de conduction en régime hacheur.

trrI

t

tq

t

t0

iG


221

Le thyristor en alternatif L’instant d’amorçage est commandé à un angle α de l’alternance de sorte que l’on fait varier la valeur moyenne du courant traversant le moteur. Le Thyristor GTO (Gate Turn Off) C’est un thyristor dont la technologie lui permet l’extinction par la gâchette, d’où son nom.

Sa structure est obtenue en implantant sur un même substrat plusieurs centaines de mini-thyristors, asymétriques en tension, connectés en parallèle. Le but recherché est d’extraire une quantité de charges suffisante pour provoquer rapidement le retour à l’état bloqué, ce qui suppose d’atteindre au mieux toutes les zones de la surface au moyen d’une très grande « inter digitation » du côté de la gâchette. La principale innovation technologique est la réalisation d’une structure de gâchette gravée, très « inter digitée » autour d’une grande quantité de cathodes élémentaires, appelées « îlots » ou « doigts en surplomb » tel que représentés sur les figures ci-dessous:

GTO 4500 V - 4000 A

U

I

M

N P

N+ P P

gâchette

cathode

t

t

α

α

Imoy

Imoy

I

I


222

Caractéristiques de fonctionnement

Le contrôle de la « durée de vie » des charges mobiles dans la couche mobile « N » est fondamentale lors de la commutation au blocage d’un courant d ’anode avec une remontée immédiate de la tension à ses bornes. Lors de la commutation « conduction - blocage », les diagrammes des courants et tensions « anode - cathode » et « commande » sont les suivant: Le GTO est associé aux composants d’aide à la commutation :

Ls : inductance de limitation de di/dt (snubber de ON) Cs, Ds : circuit d’aide au blocage (snubber de OFF) rs : résistance de décharge de Cs Les composants Cs et Ds sont câblés au plus près du GTO afin de limiter l’inductance parasite de montage à une valeur très faible.

CONDUCTION COUPURE

U I

dIdt dU

dt

UG iG

tGA

temps d’allumage

tGO : temps d’extinction

rs

+ Ls

Ds

D

Cs


223

Lors du blocage le courant d’anode est dérivé vers le condensateur Cs. Il ne s’annule pas instantanément, c’est le « courant de queue ». La crête de l’impulsion d’amorçage des GTO de puissance peut atteindre 60 A pour un calibre de 3 000 A; en régime permanent il est de quelques ampères. Après un amorçage, il faut respecter un temps minimum avant d’autoriser l’ordre de blocage; de même entre le blocage et l’ordre d’allumage. Le dispositif d’allumage d’un GTO est relativement complexe et met en jeu des puissances importantes : Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

C’est un composant dont la structure

conjugue les avantages du transistor MOS - ou à grille isolée - en terme de commande, et ceux du transistor bipolaire du point de vue tenue en tension et capacité en courant. La coupe du transistor IGBT est représentée ci-contre :

Symbole G

C

E

signaux BT

c o m m a n d

ALLUMEUR

Schéma équivalent

collecteur émetteur I igbtI mos

P

N

collecteur grille

P+ N+

N-

P

N+

émetteur grillegrille

N+


224

Caractéristiques de fonctionnement

La mise en conduction est inférieure à la μs dès l’application d’une tension positive entre grille et émetteur. La coupure de courant comporte deux phases :

• décroissance rapide due au MOS (80 % du courant à commuter) • queue de courant due à la recombinaison des porteurs minoritaires piégés dans la

zone de drain N-. Les caractéristiques actuelles des transistors IGBT permettent une tenue en tension directe de l’ordre de 6500 V avec un courant collecteur de 2000 A.

Ic VCE

Ordres de commande

10%

td tr td off tf

90%

IGBT

Diode

Base Substrat

Chip

Connection


225

Thyristor MCT (MOS Controlled Thyristor) Ce composant est apparu sur le marché en 1991; il est susceptible de développements. Il combine les avantages du transistor MOS du point de vue commande, à ceux du thyristor pour la tenue en tension et la capacité en courant. Sa structure et son schéma équivalent sont les suivant:

grille

grille

P+

N-

émetteur grille

N +

P P

P

Grille

Anode

Cathode


226

Evacuation des pertes - refroidissement Tout semi-conducteur parcouru par un courant et soumis à des tensions inverses, est le siège de pertes, sources d'échauffement, qu'il importe d’évacuer compte -tenu de sa limite de fonctionnement en température de jonction (de 125 à 150°C). Les principales pertes sont:

• pertes en conduction dues à la résistance de la jonction. Par exemple, un semi-conducteur conduisant un courant de 500 A, dissipe sous forme de chaleur, une puissance d'environ : 1,3 V x 500 A = 650 W

• pertes en commutation : lors de cette phase le courant dans le semi-conducteur ne s'annule pas instantanément ; pendant quelques μs il voit simultanément le courant s'annuler tandis que la tension s'établit. Les circuits RC limitent les surtensions de commutation.

• pertes en blocage : dues au passage du courant en inverse lorsque le semi-conducteur est bloqué.

• pertes de RC : lorsque le semi-conducteur est bloqué, c'est au circuit RC qu’est appliqué la tension inverse, dissipant ainsi plusieurs centaines de watts.

Le refroidissement s’effectue selon deux méthodes :

− système à convection − système à changement de phase

Système à convection

L’agent convecteur est l’air, l’huile ou l’eau. L’air reçoit les calories par l’intermédiaire d’un radiateur sur lequel est fixé le semi conducteur, permettant un importante surface d’échange. La circulation d’air est soit naturelle soit forcée. l’huile ou d’eau circule dans un boîtier en contact avec le semi conducteur. Un radiateur permet l’échange des calories avec l’air extérieur.


227

Système à changement de phase

Un liquide, au contact de la pastille qui s’échauffe, change d’état. Au cours de ce changement il y a absorption de calories, évacuées par ventilation environnante. Les deux principales applications sont :

− refroidissement par cuve étanche − refroidissement par « caloduc »

En cuve étanche, le – ou les – semi conducteurs à refroidir sont placés dans une enceinte remplie d’un fluide diphasique isolant à faible température d’ébullition (≅ 45 °C). L’enceinte est ventilée par circulation d’air – forcée ou naturelle -.

Le « caloduc » utilise le même principe que le réfrigérateur sans compresseur : l’énergie de circulation du fluide – l’eau – est apportée par le composant dissipatif. Un tube étanche contenant de l’eau est en contact avec la pastille semi conductrice. Sous l’effet de l’élévation de température, l’eau s’évapore et la vapeur, en partie haute se condense pour revenir en phase liquide.

connexions semi conducteurs ailettes

de

semi conducteurs

cuivrealuminium

ailettestube échangeur


228

SCHEMAS de PUISSANCE

L’architecture de la chaîne de traction est constituée par : - le schéma de puissance - la commande et la régulation des moteurs

Le schéma est fonction de l’alimentation en énergie et du type de moteur de traction. Notre étude respecte la chronologie et l’évolution de ces deux paramètres :

• moteur à courant continu - engins mono tension : continu et monophasé - engins thermiques à transmission électrique - engins multi tension

• moteur synchrone - engins multi tension ; à ce stade en effet le parc moteur se devait de franchir les

« frontières » électriques. En traction thermo électrique le moteur synchrone n’a jamais été appliqué.

• moteur asynchrone - engins multi tension - engins thermiques à transmission électrique

Notons trois exceptions : - en transport urbain (métros, tramway) la mono tension continue (600 V ou 750 V) est la

règle quasi générale. - l’engin de traction « polymorphe », c’est-à-dire électrique et thermo électrique est une

exception qui s’est développée en France dans les années 30 avec un autorail ALSTHOM « bi-mode ». Il existe un ou deux prototypes dans le monde ; ce pourrait être un axe de développement ?

− quelques applications de traction électrique et

autonome par batterie d’accumulateurs existent, notamment à PARIS avec des tracteurs de travaux du métro de la RATP (750 V et batterie) construit par ALSTHOM, et à HONG-KONG (1500 V et batterie).


229

SCHEMAS de PUISSANCE avec MOTEUR à COURANT CONTINU A l’arrêt, avec un couple résistant sur son arbre, un moteur puissant ne peut être mis sous tension nominale sans risque de court circuit de son induit du fait de sa résistance interne très faible et l’absence de force contre électromotrice. Le réglage consiste à faire varier la tension d’alimentation d’une valeur très faible à la valeur nominale. Jusqu’à l’apparition des semi-conducteurs de puissance seuls les dispositifs électromécaniques étaient, et sont encore en service sur de nombreux engins de traction.

Les schémas de jadis . . .

Rhéostat de démarrage et couplage des moteurs sous tension continue Une résistance réglable, appelée rhéostat, est éliminée par « crans » successifs. A pleine tension l’inducteur est « shunté » de manière à accroître la vitesse. Le sens de rotation, donc de marche, est opéré par inversion du sens de connexion de l’inducteur. Ce schéma est réversible et permet au moteur, fonctionnant en génératrice sous l’effet de l’inertie du train, de débiter dans les résistance réglables en les déconnectant de l’alimentation : c’est le freinage « rhéostatique ». Sous tension élevée la configuration des moteurs entre eux permet de diviser la tension à leurs bornes : ce sont les « couplages » : série, série -parallèle, parallèle. Pour chacun des couplages tout ou partie du rhéostat est éliminé.

Série Série – parallèle Parallèle

MM Réglage de tension Inversion et

shuntage des inducteurs

1 2 3 4 5

1 2 3

Contacteurde freinage


230

Graduateur sous tension alternative monophasée La tension d’alimentation est abaissée par le transformateur principal – TFP – dont le secondaire est muni de prises intermédiaires : c’est le “graduateur”. La tension aux bornes du moteur “direct” est ainsi réglée par “crans” jusqu’à sa valeur nominale. L’inversion du champ et le shuntage des inducteurs est opérée comme précédemment. Le plan effort – vitesse est ainsi couvert par une caractéristique pour chaque cran de marche.

V

F

1 2 3 4

1 2 3

Réglage de tension

Shuntage de

l’inducteur

MM

Transformateur

Inversion et shuntage

des

V~

1 2 3 4

1

2


231

De très nombreuses séries de locomotives et automotrices utilisent encore des équipements électromécaniques à base de contacteurs commandés individuellement ou par cames (le célèbre équipement « JH – Jeumont – Heidmann » ) Citons les deux plus puissantes locomotives de cette génération :

- CC 6500 de la SNCF, construites en 1972 par ALSTHOM et MTE (Jeumont - Schneider, Société des Forges et Ateliers du Creusot) de puissance 5900 kW, vitesse maximale : 200 km/h.

- AE 6/6 (BoBoBo) des CFF, de la même époque, construites par SLM et BBC, de 6200 kW, 160 km/h, qui assurent une grande part du trafic lourd qur la ligne du St Gothard.

Le redresseur sous tension alternative en fréquence industrielle Le moteur s’accommode très mal d’une fréquence supérieure à 16,7 Hz utilisée par les réseaux suisse, germaniques et nordiques. C’est pourquoi la France opta pour le « redressement » de la tension alternative à bord de l’engin lors de l’électrification en fréquence industrielle des années 1954. Les premiers redresseurs utilisés furent à vapeur de mercure : ignitron, puis excitron. Le semi-conducteur au silicium apparut avec les diodes permettant le simple redressement. Un pont redresseur est constitué de 4 diodes fournissant un redressement double alternance ; une self de « lissage » diminue le taux d’ondulation du courant redressé.

MM

graduateur

1 2 3 4

Inversion et shuntage des

inducteurs

1 2 3

redresse

Self delissag


232

Traction thermo - électrique à courant continu Le moteur thermique, Diesel le plus répandu, entraîne un générateur électrique alimentant les moteurs de traction branchés en parallèle. A l’origine ce fut la génératrice à courant continu :

Le réglage de la tension aux bornes des moteurs s’effectue par réglage de l’excitation de

la génératrice principale de type « compound » avec un enroulement série et un enroulement séparé alimenté par une génératrice auxiliaire. Comme en traction électrique le shuntage des inducteurs des moteurs complète le réglage de la vitesse. La génératrice auxiliaire alimente également les circuits auxiliaires de l’engin moteur.

Les puissances mises en jeu devinrent incompatibles avec le dimensionnement de la génératrice et la fragilité de son collecteur.

L’alternateur triphasé, associé aux diodes au silicium, l’a remplacé dans toutes les applications depuis les années 1965 : Le réglage de tension aux bornes des moteurs s’effectue par réglage de l’excitation de l’alternateur principal fourni par l’alternateur auxiliaire.

M1 M2

génératrice auxiliaire

génératriceprincipale

excitation

GP

Inversion et shuntage des inducteurs

123

123

GA auxiliaires

alternateur auxiliaire

alternateur principale

excitation Inversion / shuntage des

inducteurs

auxiliaires

ALTP 3 ~

M1 M2

123

1 2 3

redresseur

ALTA


233

Le semi conducteur contrôlé : schémas à THYRISTORS La première application fut le redressement contrôlé par commande de l’instant d’amorçage au cours d’une alternance. Le schéma le plus simple est le « pont redresseur mixte » comprenant 2 thyristors et deux diodes : Si le pont redresseur est « tout thyristors » ou « pont complet », il permet : - d’une part la réversibilité complète, donc le freinage en récupération - d’autre part un déphasage réduit entre tension et courant secondaire, donc un meilleur facteur

de puissance.

La valeur moyenne du courant absorbé est fonction de l’angle électrique α.d’amorçage des thyristors du pont redresseur. Un tel schéma remplace le graduateur et permet un réglage continu de la tension donc du courant, du couple et ainsi une meilleure utilisation de l’adhérence aux contacts roues – rails par rapport au réglage discontinu par graduateur.

Par contre le courant débité par le pont est déphasé par rapport à la tension d’entrée ; le facteur de puissance est inférieur à l’unité ce qui est un grave inconvénient en termes de rendement. De plus la forme d’onde du courant n’est pas sinusoïdale : sa décomposition harmonique est un second inconvénient majeur eu égard au fréquences de fonctionnement des circuits de voie.

Le moyen de réduire ce déphasage consiste à placer un circuit LC en entrée : c’est l’Amélioration du Facteur de Puissance – AFP – Le bon résultat obtenu l’est au prix d’un alourdissement de l’équipement et d’une baisse du rendement.

L

M U

Is

I

U

t

U

t

t

U

I

Is

L

M U

Is

I

U

t

U

t

t

U

I

Is


234

Un tel schéma équipe la première série de locomotives à grande puissance – 4400 kW 25 kV 50 Hz – de la SNCF, conçue par Jeumont -Schneider et Alsthom en 1971.

La chaîne de traction comprend deux moteurs entraînant chacun un bogie, alimentés par deux ponts à thyristors, l’un mixte l’autre complet.

Le réglage de la tension aux bornes des moteurs s’effectue en deux temps : - de 0 à la mi tension : seuls les thyristors du pont complet sont utilisés par réglage de leur angle d’amorçage de 0° à 90 ° - de la mi tension à la pleine tension; les thyristors du pnot complet sont maintenus à pleine ouverture tandis que ceux du pont mixte sont réglés de 180° à 0°.

25 kV 50 Hz

Pont mixte Auxiliaires

Moteur

M1 M1

Pont complet


235

Thyristor sous tension continue

Le réglage continu de la tension aux bornes des moteurs de traction a investi également le domaine du courant continu. La possibilité de régler la valeur moyenne du courant ouvre la voie à ce que l’on peut appeler un « transformateur de courant continu » : c’est le « hacheur » (ou « chopper »). Son principe est celui d’un interrupteur dont on règle la fréquence et le temps de conduction :

Un moteur est alimenté sous tension Uo par un interrupteur manœuvré périodiquement. La tension moyenne U aux bornes du moteur est fonction du rapport cyclique τ :

00 U.UTtU ⋅== τ

En faisant varier τ, on fait varier la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur. Le fonctionnement réel du moteur sous un tel régime de variation de tension engendrerait un couple pulsatoire nuisible au confort et à la tenue mécanique de la transmission; aussi le schéma est-il complété par un dispositif tel que le courant moteur est maintenu pendant la période d'ouverture du thyristor. Ce dispositif est constitué par une self L et une diode, dite de "roue libre". La self emmagasine l'énergie sous forme électromagnétique quand le thyristor conduit et la restitue à travers l'induit du moteur quand il est ouvert. Le schéma est ainsi représenté :

U0

U

M U

t T

t

U moyen

Thyristor hacheur

Diode de roue libre

M L


236

Le filtre d’entrée

Pour atténuer les effets d’une ponction discontinue sur l’alimentation, un circuit LC est disposé en entrée ; il constitue une réserve d’énergie lors de la non conduction du hacheur. Les premiers hacheurs à thyristors rapides nécessitaient un circuit d’extinction du thyristor principal composé d’un thyristor de même calibre associé à un thyristor d’inversion du courant avec self et capacité. Le thyristor GTO permet de simplifié le schéma grâce à son allumeur capable d’assurer sa propre extinction. Un grand nombre d’engins moteur à courant continu sont équipées de hacheurs : métros, automotrices, locomotives. Dans le cas du métro le gain est particulièrement intéressant en termes d’économie d’énergie de traction et température moyenne en tunnel : la dissipation d’énergie dans les résistances de démarrage est évitée, seule l’énergie nécessaire à la mise en vitesse est prélevée. Exemple de schéma à hacheur : locomotive mono tension à courant continu

Thyristor hacheur

Diode de roue libre

M

LL

M

Self de Vers moteur

Condensateur de filtre

Hacheurs entrelacés

Shuntage des inducteurs


237

Schémas multi tensions Les configurations de schémas multi tensions sont nombreuses en fonction des alimentations en énergie disponibles : - « bi fréquences » lorsque les alimentations sont en tension alternative monophasée, 25 kV

50 Hz et 15 kV 16,7 Hz . C’est le cas des engins « inter opérables » entre France et Allemagne ou Suisse, ou entre Danemark et Suède ou Allemagne.

- « bi tension » lorsque les alimentations sont continu et alternatif monophasé : cas du réseau français, entre continu 1500 V et 25 kV 50 Hz ; cas de l’interopérabilité entre France et Belgique, France et Italie, Belgique et Pays-Bas, Belgique et Allemagne, France et Suisse, etc . .

- « tri tension » si trois alimentations doivent être absorbées par l’engin moteur. Cas de l’axe Pays-Bas – Belgique – France – Italie avec 1500 V, 3000 V DC et 25 kV 50 Hz

- « quadri tensions » pour couvrir l’ensemble des parcours européens : 25 kV 50 Hz, 15 kV 16,7 Hz , 1500 et 3000 V DC. Notons que ce sont les chemins de fer français qui ont satisfait les premiers la nécessité qui

leur est propre de disposer d’engins multi tensions avec la cohabitation du monophasé 25kV et du continu 1500 V. Dès 1964 apparurent les séries de locomotives constituant une véritable « gamme » :

BB 17000 en 25 kV, BB 8500 en 1500 V et BB 25500 (17000 + 8500 = 25500) en bi tensions BB 15000 en 25 kV, BB 7200 en 1500 V et BB 22200 (15000 + 7200 = 22200) en bi tension. Parallèlement la SNCF et les CFF (Suisse) mirent en service les premiers engins « quadri tensions » avec les CC 40100 – puis CC 1800 pour la SNCB (Belgique) – et les Rames « Cisalpin »

Compte tenu des impératifs et de l’évolution actuelle des transports ferroviaires européens, toute nouvelle série d’engins moteur est multi tensions.

La sélection de la tension

Les deux fonctions à réaliser sont : - configurer le schéma de puissance en accord avec la tension de la caténaire dont on dispose - valider ce choix par un dispositif de sécurité apte à détecter toute fausse manœuvre. C’est le

dispositif dit de « palpage ». La configuration consiste à mettre en œuvre le pantographe adapté à la caténaire et le

disjoncteur adapté à la tension. La validation mesure le résultat de la configuration et assure la protection de l’équipement en cas de non concordance (interdiction de fermeture du disjoncteur)

L’appareillage mis en œuvre sera étudié dans le chapitre de la technologie de la partie électrique.


238

SCHEMAS de PUISSANCE avec MOTEUR SYNCHRONE

Le moteur synchrone est piloté par un onduleur alimenté en tension continue. Sous tension caténaire continue un hacheur principal placé en tête découpe la tension du filtre principal à une fréquence donnée (par exemple 300 Hz) pour obtenir une tension d'entrée onduleur de valeur moyenne réglable. Sous tension caténaire monophasée, le transformateur principal délivre une tension secondaire redressée par un pont - mixte ou complet - , puis filtrée. Le schéma donné ci-dessous à titre d’exemple est celui d’un engin bi moteurs à deux chaînes de traction distinctes. Il équipe la série de 234 locomotives BB 26000 « SYBIC » (SYnchrone BICourant) de la SNCF.

Le deuxième exemple donné ci-après est celui de la motrice du train à grande vitesse « THALYS » en service sur les lignes européennes Paris, Bruxelles, Amsterdam, Cologne. La chaîne de traction est capable des quatre tensions : monophasé 25 kV 50 Hz et 15 kV 16,7 Hz et continu 1500 ou 3000 V. Compte tenu du dimensionnement du transformateur principale en 15 kV 16,7 Hz, sa puissance est réduite sous cette tension.

MS3

MS3

Pont mixte

Hacheur Onduleur de courant

Pont mixte


239

MS

MS

OnduleurPont mixte

ExcitationPont mixte

Pont mixteAF

25 kV 50 Hz

MS

MS

15 kV 16,7 Hz


240

Chaque moteur dispose de son onduleur – associé à son dispositif de commutation assistée -. Pour chaque tension ce sont soit les secondaires qui alimentent les deux pont mixtes. En 15 kV un seul secondaire associé à un pont mixte distinct fournit la tension ; en 25 kV deux secondaires alimentent chacun un pont mixte. Sous les deux tensions continues le filtre LC alimente les deux onduleurs en parallèle. A chaque secondaire est associé un circuit d’AFP.

MS

MS

1,5 kV ou 3 kV DC


241

SCHEMAS de PUISSANCE avec MOTEUR ASYNCHRONE

Le développement des semi conducteurs capables d’être commandés en allumage comme en extinction – thyristor GTO et transistor IGBT – associé à celui des calculateurs performants, a considérablement favorisé la généralisation du moteur asynchrone de traction.

Les schémas de puissance sont donc architecturés autour du moteur et de son onduleur. L’entrée est fonction de la tension d’alimentation (caténaire – monophasée ou continue - ou conducteur latéral) :

- sous tension continue l’onduleur est connecté directement au filtre LC

- sous tension monophasée, un pont redresseur alimenté par le secondaire du transformateur délivre une tension « bus » continue et constante sur lequel est connecté le (ou les) onduleurs

- en traction autonome à moteur thermique et transmission électrique, le schéma est identique avec redresseur en sortie d’alternateur, bus et onduleur

MAS3

onduleur filtre

onduleur redresseur bus

MAS3

ALT 3

redresseur bus

MAS3

moteur alternateur

onduleur


242

Convertisseur d’entrée : Pont Monophasé à Commutation Forcée – PMCF - (pont « 4 quadrants »)

Le convertisseur d’entrée, c’est ainsi que l’on nomme le pont redresseur lorsque celui-ci est tête du schéma de puissance connecté au secondaire du transformateur principal, subit une profonde évolution avec le développement des thyristors GTO et des IGBT. Nous avons vu précédemment l’inconvénient majeur que présente le pont mixte, et dans une moindre mesure le pont complet à thyristors, du point de vue déphasage tension – intensité et harmoniques.

La commande forcée des semi conducteurs permet de régler le fondamental de la tension d’entrée Ue en phase et en amplitude de manière à obtenir le courant de sortie Is en phase avec la tension de sortie Us. Le facteur de puissance cos ϕ est donc égal à 1. En outre une telle commande permet de fournir une tension continue stable pour l’onduleur : la tension « bus ». La réversibilité est assurée, le pont devenant onduleur, il permet le freinage par récupération.

Us Ue

Uc

jLωIs

Ue Is

UsUe Is

+Uc

-Uc

Us

L L


243

Schéma mono tension continue L’application la plus simple concerne les engins de traction urbains alimentés en 600 V ou 750 V continu. La prise de courant, par frotteurs sur conducteur latéral ou pantographe sous caténaire, est connecté à un disjoncteur. En aval du filtre d’entrée se trouve l’onduleur alimentant un ou plusieurs moteurs asynchrones en parallèle. Le freinage dynamique est possible soit par récupération : l’onduleur fonctionne alors en redresseur ; soit rhéostatique : une résistance sur le bus est commandé par un hacheur.

Schéma en tension continue 3 kV – Onduleur « 3 points »

MAS 13

disjoncteur filtre onduleurhacheur

rhéostatique

MAS 23

MAS 33

MAS 43

frotteurs

vers bogie 2

bogie 1

hacheur rhéostatique

onduleur 3 points

MAS 13

MAS 23


244

Schéma bi tension monophasé / continue Sous tension continue, le filtre LC alimente le bus continu sur lequel est connecté l’onduleur. En monophasé le convertisseur d’entrée – PMCF – alimente le bus continu. Le freinage dynamique peut être réalisé soit en rhéostatique : une résistance contrôlée par un hacheur est connecté sur le bus ; soit en récupération : le PMCF fonctionne en onduleur et le transformateur est élévateur. L’intérêt d’un tel schéma est tel qu’il se généralise pour tous les types d’engins multi tensions : - pour les différentes tensions continues il suffit d’adapter le filtre - pour les différentes tensions monophasées il suffit d’adapter la tension secondaire par une

prise intermédiaire.(la commutation 25 kV / 15 kV peut également se faire au primaire. Il permet en outre de réaliser des chaînes de traction indépendantes pour chaque essieu,

ce qui donne un net avantage en terme de fiabilité en ligne en cas d’avarie sur l’une des chaînes.

MAS

onduleur

n secondaires

PMC hacheur rhéostatique

filtre


245

Schémas en traction autonome L’alernateur principal alimente, par l’intermédiaire d’un redresseur à diodes, deux lignes continues sur lesquelles sont connectées les onduleurs et le hacheur rhéostatique. Deux dispositions sont possibles : - soit deux onduleurs alimentant chacun deux ou trois moteurs en parallèles : - soit un onduleur par moteur (exemple d’une BoBo) :

onduleur 1

alternateur auxiliaire


excitation

ALTP

ALTA 3 ~

redresseur

onduleur 2

MAS 3 3 ~

hacheur rhéostatique

moteur thermique

MAS 2 3 ~

MAS 1 3 ~

MAS 6 3 ~

MAS 5 3 ~

MAS 4 3 ~


ALTP

redresseur

onduleurs

MAS 1 3 ~

MAS 2 3 ~

MAS 3 3 ~

MAS 4 3 ~


246

LLeess AAUUXXIILLIIAAIIRREESS

Qu’entend-on par « AUXILIAIRES » ?

Les fonctions essentielles d’un engin moteur – traction, freinage, conduite, confort - s’exercent grâce à des fonctions annexes ou « auxiliaires ». A leur tour ces fonctions nécessitent de l’énergie qui doit être produite et distribuée.

Une erreur doit être évité : les fonctions auxiliaires ne sont pas du second ordre mais indispensables à la bonne marche de l’ensemble. Elles doivent être conçues et réalisées avec la même rigueur et le même soin que la traction ou le freinage. Inventaire des fonctions auxiliaires De l’étude de l’architecture de l’engin moteur découle l’arborescence des fonctions auxiliaires : - l’exercice de la fonction TRACTION / FREINAGE engendre des pertes à évacuer : d’où la

première fonction auxiliaire : refroidissement – ventilation - la fonction FREINAGE demande une énergie sous forme d’air comprimé, de vide ou de

liquide sous pression : c’est l’auxiliaire énergie pour le frein - le fonctionnement de l’engin comme son exploitation en termes de contrôle – commande a

besoin d’énergie électrique en basse tension ; c’est la seconde fonction auxiliaire - le confort de conduite impose un équipement spécifique auxiliaire sous forme de ventilation,

de chauffage ou plus généralement de climatisation : c’est l’énergie de confort - le train remorqué est consommateur d’énergie – soit pour les passagers (éclairage,

climatisation, fonctions accessoires) soit pour le fret (énergie frigorifique par exemple) : c’est l’énergie pour le train

Energie train 400 400

Moteur thermique

Evacuation des pertes

Energie frein

Energie Basse Tension

Energie confort

Energie Traction 4000 kW

20

10

40

150 300

40

10

20

2000 kW4620 kW

Auxiliaires 620 kW

15 %

2770 kW

Auxiliaires770 kW

30 %


247

L’ensemble de ces fonctions représente une quantité d’énergie à produire, installer et distribuer. Elles rentrent donc dans le bilan de puissance de l’engin dès le dimensionnement. Les deux formes de traction se présentent très différemment : en traction électrique c’est une fraction de la puissance absorbée qu’il convient de prévoir, tandis qu’en traction autonome, c’est une puissance supplémentaire à produire. A titre d’exemple est donnée ci-dessus un ordre de grandeur de cette puissance. Evacuation des pertes : refroidissement - ventilation Toute transformation d’énergie s’effectue avec un rendement inférieur à l’unité. L’énergie perdue est restituée à l’atmosphère ambiante ; l’air est toujours l’élément final de l’évacuation des pertes.

Si le niveau des pertes est tel qu’un échange « naturel » en fonction du temps est suffisant, aucun intermédiaire auxiliaire n’est nécessaire : c’est la convection naturelle. Elle est le moyen le plus économique en termes de coût ; la seule contrainte est de la préserver des pollutions qui au cours du service viennent la perturber. Elle est utilisée sur les engins de traction de faible puissance sous forme de modules disposant de radiateurs de convection. Le déplacement d’air engendré par le véhicule en mouvement suffit pour évacuer les calories. On trouve de tels application dans les réseaux de métros en tunnels où l’on évite le « brassage » de l’air engendré par des ventilateurs. Le niveau des pertes est fréquemment tel qu’une « évacuation forcée » est indispensable sous forme d’un apport artificiel d’air en quantité importante. Nous donnons ci-dessous l’exemple d’une locomotive de 6000 kW à 4 essieux moteurs : Un tel niveau représente 12 % de la puissance à la jante à évacuer.

ΣΣ PPeerrtteess == 44 xx 117777 == 770000 kkWW

PPMMCCFF

00,,9988 102

1074 kW 1085 kW1107 kW

1177 kW

Transformateur principal

0,94

Réducteur 0,98

1000 kW

MMootteeuurr

00,,9955

OOnndduulleeuurr

00,,9999


248

L’échange d’énergie calorifique peut être :

- directe, si le flux d’air forcé refroidit directement l’organe - indirecte, si un fluide intermédiaire extrait les calories de l’organe à refroidir,

l’air forcé refroidit ensuite le fluide. Celui-ci est soit de l’huile, soit de l’eau, soit un flugène à basse température d’ébullition.

Les différents cas seront étudiés dans le cadre de la technologie des composants. L’apport d’air est réalisé grâce à des ventilateurs disposés entre la source froide et l’organe, ou le sous ensemble, à refroidir. Le dimensionnement du ventilateur tient compte : du différentiel de température des deux sources du pouvoir calorifique de l’air à la température ambiante la plus élevée. On en déduit le débit d’air à réaliser, en m3/s, et la vitesse de passage de l’air à partir de la perte de charge créé par le ventilateur. Ces deux quantités donne la puissance d’entraînement du ventilateur.

Pertes en freinage électrique

Dans le cas du freinage électrique rhéostatique, les résistances en fonctionnement dissipent une puissance importante – 1200 kW pour une locomotive de 4 MW par exemple. La ventilation forcée est générée par un ventilateur entraîné par un moteur dont la vitesse est proportionnelle à l’intensité dans la résistance. Pour ce faire il est connecté sur un fraction du rhéostat de freinage. (via un convertisseur statique suivant le type de moteur). On évite ainsi de surcharger le réseau auxiliaire d’une puissance qui n’est jamais utilisée en permanence.

Energie pour le frein

Le système de freinage dispose d’une énergie sous forme d’un fluide tel que l’air comprimé, le vide, ou un liquide sous pression (cas du frein hydraulique utilisé en tramway). Pour sa mise en œuvre on dispose d’un générateur de fluide : compresseur ou pompe à vide. Sa puissance est calculé en fonction de la réserve d’énergie à produire et du cycle de fonctionnement du système.

Son entraînement est : - soit par moteur électrique – cas de la traction électrique – - soit par le moteur Diesel en traction autonome

Energie électrique basse tension

Les fonctions « de bord » nécessaires aux autres fonctions sont à base de circuits électriques, électroniques ou informatiques. Elles sont principalement constituées par : - les circuits de contrôle – commande - les fonctions liées à la sécurité des circulations : liaisons sol train, signalisation, éclairages

extérieur et intérieur - la batterie d’accumulateurs, indispensable pour « l’éveil » de l’engin à l’issue d’un

stationnement de longue durée ou d’une défaillance d’énergie principale.

GMV 3


249

La batterie doit être en permanence en état de charge et disposer d’un « chargeur » approprié.

La tension de ce réseau de bord varie suivant les utilisateurs (on est loin de l’unification automobile !) : 24 V, 72 V, 110 V. Un convertisseur connecté au réseau auxiliaire délivre cette tension.

Energie de confort

Elle couvre les besoins liés à l’Agent de conduite : climatisation de cabine, ventilation complémentaire, réfrigérateur, chauffe-plat.

Energie pour le train

Tous le matériel remorqué « passagers » demande une énergie pour les fonctions de confort telles que :

- climatisation - éclairage - réseau basse tension (contrôle – commande, prise de courant à la place, etc…) - sonorisation - restauration à bord - toilettes

Certaines voitures étaient équipées de leur propre générateur entraîné par un essieu. De nos jours c’est un convertisseur statique alimenté par l’énergie en provenance de l’engin moteur qui est généralisé. Le matériel « fret » est de ce point de vue totalement « inerte » et ne dispose d’aucune énergie. L’évolution à venir peut être très rapide compte tenu de la diversification des transports tels que le ferroutage ou les transports frigorifiques. Une ligne « d’énergie – train » sera alors indispensable. L’ ordre de grandeur de la puissance installée par véhicule passagers peut atteindre 50 kW ; ainsi la locomotive en tête de 10 voitures doit fournir 500 kW. C’est important : 10 % de la puissance de traction pour 5 MW, et 20 % en traction autonome avec un moteur Diesel de 2500 kW !

Bilan des auxiliaires

Disposant de toutes les données d’entrée de chaque « abonné » auxiliaire, le tableau du bilan est le suivant :

Fonctions Organe « Abonnés » Energie mode kW Moteurs de traction Moto ventilateur

Ventilateur Electrique Mécanique

permanent

14

Convertisseurs Moto ventilateur Electrique P variable 12 Radiateurs Eau Diesel Moto ventilateur

Ventilateur Electrique Mécanique

P variable 40

Transformateur Moteur + ventilateur Electrique permanent 8 Bloc auxiliaire Moteur + ventilateur Electrique permanent 5

Evacuation Pertes

Rhéostat de freinage Moteur + ventilateur Electrique intermittent 40 Energie frein Compresseur Moteur /

Ventilateur Electrique / mécanique

intermittent 25

Energie BT Batterie Alternateur principal

Chargeur Batterie Excitation

Electrique Electrique

intermittent permanent

10 10

Energie confort Climatisation Climatiseur Electrique permanent 14 Energie train Ligne de train Matériel remorqué Electrique permanent 400


250

Architecture des auxiliaires L’inventaire ainsi élaboré permet de construire l’architecture du « réseau auxiliaire » capable d’alimenter l’ensemble des abonnés. Cette architecture dépend du mode de traction, donc du type d’énergie principale.

Traction électrique

L’énergie aisément adaptable conduit à une architecture en réseau électrique sous moyenne tension délivré par un convertisseur connecté à la source haute tension. La conversion HT / MT utilise différents composants selon la nature de l’alimentation : caténaire ou rail latéral, continue, monophasée ou multi tensions. En monophasé C’est le cas le plus simple : un enroulement secondaire « auxiliaire » du transformateur principal sert de générateur pour le réseau MT, sous 400 V ou 500 V. Un secondaire spécifique donne l’énergie pour le train sous tension, généralement 1500 V voire 3000 V.

Energie Traction

Convertisseur auxiliaire

Abonné 2 Abonné n Abonné 1

400V -50Hz

Energie train 1500 V AC

400V fréquence variable

secondaires traction


251

En continu Le réseau auxiliaire est alimenté par un convertisseur continu / triphasé connecté soit sur la haute tension en aval du filtre principal, soit sur l’un des « bus » traction. Pour assuré un fiabilité optimale, deux convertisseurs peuvent être redondés. Dans ce cas, chacun d’eux est dimensionné pour fournir la totalité de la puissance auxiliaire. Une telle configuration s’adapte bien à la fourniture d’énergie « variable » en jouant sur la fréquence d’alimentation des abonnés dont le niveau de fonctionnement est variable. L’un des convertisseurs fournit donc une tension à fréquences multiples. En multi tensions La solution « continu » est privilégiée ; un, ou deux, convertisseurs continu / triphasé est, ou sont branché(s) sur le, ou les, bus traction. Il serait prohibitif de disposer d’un secondaire auxiliaire pour l’alimentation en monophasé et ensuite d’un convertisseur pour le réseau.

onduleur direct

Filtretraction

triphasé 380 V

400V-50Hz MOTEUR 3

MOTEUR 2

M 4

M1

DC AC

400V f variable


252

La structure de chacun des convertisseurs auxiliaires est indiquée ci-après :

Un hacheur abaisse la tension en entrée de l’onduleur qui peut être à fréquence fixe ou à plusieurs étages de fréquences.

En traction autonome

Deux cas sont à étudier suivant le type de transmission de traction : Transmission mécanique ou hydraulique :

Les abonnés pouvant être entraînés mécaniquement disposeront d’un réseau « mécanique » en sortie de vilebrequin du moteur. C’est une ligne d’arbre auxiliaire entraînant soit par poulies et courroies, soit par convertisseur hydraulique, chacun des organes.

Pour les abonnés électriques, un générateur électrique entraîné comme ci-dessus, alimente un réseau électrique. Transmission électrique :

Il est possible de disposer également d’un réseau mécanique pour un abonné tel que le compresseur d’air ou la pompe à vide. Il est cependant plus intéressant de concevoir le générateur électrique entraîné par le moteur thermique, en deux parties :

- générateur principal pour la traction - générateur auxiliaire pour le réseau électrique auxiliaire. Les deux générateurs peuvent deux machines distinctes montées sur le même arbre ou

une seule machine comportant deux enroulements distincts.

Moteur thermique

Abonné 2Abonné 1

Traction

Abonné 3 Abonné n

Réseau mécanique Réseau électrique

U bus con

charge batterie


253

Un exemple de schéma des auxiliaires est donné ci-dessous. L’alternateur auxiliaire délivre une tension triphasée utilisée : - par les abonnés triphasés : moteurs de ventilateur (GMV), climatisation - par un pont redresseur alimentant un réseau continu sur lequel viennent se connecter les

hacheurs à IGBT des circuits d’excitation – alternateurs principal et auxiliaire – le chargeur de batterie et les circuits BT

GMV

alternateurs GMV

moteurs de traction

GMV aéroréfrigérant bloc électrique

GMV rhéostat

de freinage

GMV radiateurs

Diesel

batterie circ

uits

excitation alternateur auxiliaire

excitation alternateur principal

chargeur batterie

redresseur ALT

GMV 3

GMV 3

GMV3

GMV3

GMV3

climatiseurs

Moteur

Traction

Abonné n Abonné 2 Abonné 1Alternate

ur

Alternateur

Moteur

Traction

Abonné 2 Abonné 1

Alternateur Principal

à 2

Abonné n


254

Vues d’un alternateur auxiliaire : Les auxiliaires d’une rame automotrice ou à grande vitesse Les abonnés sont classés en fonction de leur nature et de leur emplacement dans la rame :

- auxiliaires des motrices - auxiliaires des remorques - auxiliaires haute tension Un réseau est prévu pour chacun d’eux et redondé de sorte que si l’un des convertisseurs

d’alimentation de l’une des motrices est en panne, la totalité est prise en charge par le convertisseur restant.

Le schéma donné en exemple ci-dessous est celui des rames THALYS, quadri tension, circulant sur les réseaux français, belge, hollandais et allemand.

rotor auxiliaire rotor principal


255

Alimentation des auxiliaires Auxiliaires Motrices Auxiliaires Remorques

M1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 M2

B B

climatisation

380 220

+ 500 V (M1)

Chauffage

1500 V / 3000

GMV GMV GMV GMV PH1

GMV

PH2

GMVM 3

blocs moteurs moteurs pompe à huile circuits BT excitation moteurs de traction réfrigérants transformateur charge batterie

Bat 1 et 2

M 4M 1 M 2

secondaires traction


256

TTEECCHHNNOOLLOOGGIIEE ddeess CCIIRRCCUUIITTSS ddee PPUUIISSSSAANNCCEE La chaîne de traction et les auxiliaires mettent en œuvre des sous ensembles et composants que nous nous proposons de classer ainsi :

captage de courant : pantographe et frotteur haute tension et protection : ligne de toiture, disjoncteur, parafoudre, palpage, commutation adaptation de la tension : transformateur commutation électro mécanique : contacteur, sectionneur, inverseur installation : bloc, convertisseurs, refroidissement

CAPTAGE du COURANT En fonction du type d’installations fixes d’alimentation en haute tension, l’engin de

traction utilise : soit le pantographe en contact avec la caténaire soit le frotteur en contact avec le conducteur latéral au sol

Le PANTOGRAPHE Il constitue l’un des deux composants du système de captage par ligne aérienne

« caténaire ». Monté en toiture de l’engin de traction, il équipe la plupart des matériels de grande ligne fonctionnant sous les tensions continues (1500, 3000 V) ou monophasées (25 kV 50 Hz ou 60 Hz, 15 kV 16,7 Hz).

Ses fonctions principales sont électrique et mécanique. La fonction de contrainte essentielle est la maintenance.

Fonction électrique

Il s’agit de conduire le courant total absorbé par l’engin de traction avec le minimum de résistance de contact pour limiter l’échauffement, notamment à l’arrêt. Le dimensionnement résulte du bilan de puissance comprenant :

• l’intensité maximale en traction • la puissance des auxiliaires • les pertes

Il permet de choisir le matériau en contact avec la caténaire en tenant compte de ses caractéristiques mécaniques : tension mécanique et soulèvement admissible. Pour remplir cette fonction un « archet », comportant une ou deux « palettes » sur laquelle sont fixées des « barres de frottement », permet le contact avec la caténaire. Des cornes isolantes de part et d’autre de l’archet l’isolent par rapport aux pièces environnantes sous tension. Le matériau des barres dépend de la tension d’alimentation et du courant absorbé : cuivre, acier, assemblage cuivre – acier ou carbone :

- en monophasé, le courant varie de quelques dizaines d’ampères à l’arrêt à 500 A à puissance maximale. Les barres en carbone se généralisent, préservant ainsi l’usure du fil de contact.

- en continu, les engins de grande puissance peuvent absorber jusqu’à 5000 A : huit barres sont réparties sur deux palettes.

Le courant est conduit par le cadre du pantographe et des « shunts » appropriés pour éviter son cheminement à travers les roulements à billes du cadre.


257

Fonctions mécaniques

Elles sont au service des fonctions électriques : tout doit être mis en œuvre pour assurer un captage continu de bonne qualité quelle que soit la vitesse ou les points singuliers rencontrés. Les impératifs à satisfaire sont :

• plan de contact indépendant des mouvements subis par le pantographe • inertie le plus faible possible • effort de contact constant quel que soit le développement • sensibilité aux efforts aérodynamiques telle que la pression de contact croît dans une

limite admissible. Selon les conditions de déplacement du pantographe et l’influence du vent, le contact peut

être perturbé provoquant un « décollement » de l’archet. Il y a rupture brusque du contact et naissance d’un arc entre archet et fil de contact, entraînant sa dégradation rapide.

Technologie et évolution

A l’origine de la traction électrique le pantographe avait la forme d’un losange articulé. Il a été simplifié et se présente comme un simple « V »

Le mécanisme de commande a également évolué ; dès l’origine il conjuguait l’action d’un ressort à celle de l’air comprimé (ci-dessous à gauche) Récemment la seule action d’un coussin pneumatique assure le déploiement et l’effort constant. Il permet en outre l’asservissement de cet effort à des contraintes de vitesse.

cadre

archet

coussin

Alimentationpneumatique

ressorts


258

Fonctionnement du pantographe à ressorts et commande pneumatique Au repos : le ressort du servomoteur de commande équilibre l'effort des ressorts de montée agissant sur le cadre articulé. Le pantographe est baissée. La montée s’opère par admission d'air comprimée dans le servomoteur. La bielle de commande exerce un effort supérieur à celui du ressort de descente Rd ; les ressorts de montée Rm, participent au déploiement du cadre articulé jusqu'au contact de l'archet avec la caténaire. Les ressorts de montée maintiennent une pression constante, quelle que soit la hauteur du fil de contact. La descente: la chambre du servomoteur est mise à l'atmosphère de sorte que l'effort exercé par le ressort de descente Rd est prédominant et la bielle de commande entraîne le repli du cadre. Avant la fin de course, un dispositif amortisseur intégré à l'électrovalve évite tout choc. Sécurité: par manque d'air: elle est satisfaite par l'action du ressort de descente comme dans le cas de la descente.


259

Le FROTTEUR

Utilisé essentiellement par les transports urbains en tunnel, la prise de courant par frotteur et conducteur latéral est bien adaptée aux tensions basses de 600 V ou 750 V. Les fonctions électriques et mécaniques sont identiques au pantographe.

La partie mécanique ne subit aucune contrainte aérodynamique compte tenu des faibles vitesses pratiquées. Le support de la partie frotteur est un cadre articulé en losange, comme un pantographe de petite dimension, actionné par un dispositif pneumatique.

Le franchissement des « lacunes » de conducteur au droit des appareils de voie notamment, est assuré par la présence de 4 frotteurs par véhicule assurant ainsi la continuité d’alimentation.

HAUTE TENSION et PROTECTION En aval du captage, l’engin moteur est alimenté par un ensemble d’appareils haute

tension assurant : la configuration du schéma ; la protection contre les défauts, externes ou internes. La disposition de ces organes se fait généralement en toiture pour les engins travaillant sous caténaire. LIGNE de TOITURE

Elle comprend : le (ou les) pantographes ; le disjoncteur monophasé ; le commutateur monophasé – continu pour les engins multi tensions, le ou les parafoudres ; la mise à la terre de la ligne de toiture ; les barres de connexion, la – ou les – traversées de toiture.

Pantographe continu Pantographe monophasé Disjoncteur monophasé Sectionneur terre

Commutateur monophasé-continu Traversée monophasée


260

Les technologies font appel de plus en plus à des appareils compacts regroupant plusieurs fonctions telles que disjoncteur, commutateur HT et mise à la terre. Un exemple est donné ci-dessous :

A : disjoncteur monophasé B : sectionneur de mise à la terre C : parafoudre D : transformateur de palpage


261

Cas d’engins en Unités Multiples

L’alimentation peut se faire pour chacun séparément ou par l’un alimentant l’autre. La contrainte à respecter est le soulèvement admissible de la caténaire sous la pression de plusieurs pantographes, fonction de la vitesse. C’est la raison pour laquelle les rames à grande vitesse TGV, de 8 ou 10 remorques, captent le courant, en monophasé, avec un seul pantographe alimentant les deux motrices d’extrémité. Une ligne de toiture constituée d’un câble isolé 25 kV, parcourt la totalité de la rame. Elle comprend 3 parties :

• pour chaque motrice : les pantographes et l’appareillage étudié précédemment • une liaison souple haute tension entre motrice et remorque extrême • le câble haute tension fixé au-dessus de chaque remorque, reliant les deux motrices.

Un sectionneur HT, sur l’une des remorques extrêmes, permet d’isoler une motrice du reste du train en cas de panne de l’une d’elle. Sous tension continue la vitesse est limitée à 220 km/h, chaque motrice est autonome PROTECTIONS

Les protections sont assurées par des appareils de coupure rapide, d’isolement ou de mise à la terre : disjoncteur, sectionneur de mise à la terre, parafoudre, mise à la masse.


262

Le DISJONCTEUR C’est un appareil de coupure en charge sur défauts :

• surintensité • court circuit • mise à la terre accidentelle.

Son dimensionnement est caractérisé par : • le pouvoir de coupure égal à n fois In (courant nominal); • le temps de réponse (en ms).

Il comprend : • des contacts principaux assurant l’ouverture du circuit • un mécanisme d’ouverture à action rapide capable d’emmagasiner de l’énergie

restituée pour l’ouverture des contacts principaux • un circuit de commande assurant le fonctionnement du mécanisme : armement,

ouverture, fermeture • un circuit auxiliaire recevant et fournissant les informations d’état du disjoncteur. L’ouverture d’un circuit de puissance sur défaut provoque un arc électrique. En courant

continu l’arc est difficile à interrompre. En courant alternatif il s’annule à la fréquence du réseau; on cherche à l’interrompre au passage à zéro de la sinusoïde.

La fonction essentielle du disjoncteur est de détruire cet arc. Plusieurs méthodes sont utilisées :

• coupure dans le vide : l’ionisation de l’air étant très limitée l’arc est de faible intensité • coupure par soufflage d’air comprimé, provoquant la régénération de l’air environnant

les contacts s’opposant à l’ionisation • coupure dans l’huile : les caractéristiques isolantes de celle-ci ne favorisent pas la

formation de l’arc • coupure par allongement de l’arc combiné au soufflage magnétique.


263

Disjoncteur à courant alternatif

Les intensités nominales mises en jeu sont relativement modestes : 300 A pour une locomotive de 6000 kW en 25 kV. Le courant s’annule deux fois par période (100 fois par seconde en 50 Hz), l’arc prenant naissance entre les deux contacts du disjoncteur s’éteint donc 100 fois par seconde.

La technologie met en œuvre toutes dispositions pour empêcher la renaissance de l’arc : • soit renouvellement de l’air par soufflage : disjoncteur à air comprimé • soit absence d’air autour des contacts : disjoncteur à ampoule de vide.

Disjoncteur à air comprimé Le type le plus répandu en monophasé est le DBTF, conçu par BROWN BOVERI,

repris ensuite par la CEM puis ALSTHOM.

Il comporte deux contacts principaux contenus dans une chambre de coupure en forme d’isolateur, communiquant avec un réservoir d’air comprimé à 5 bars. L’information de défaut est communiquée à un électro aimant provoquant l’ouverture du contact mobile, et met la chambre de coupure en communication avec le réservoir.

L'ouverture s'effectue en 2 temps : sous l'effet de l'air comprimé le contact mobile se sépare du contact fixe en comprimant le ressort de rappel ; l'arc qui jaillit est violemment soufflé par l'air comprimé admit dans la chambre provenant du réservoir par un clapet d'admission. La coupure est généralement terminée au premier passage à zéro de la sinusoïde de courant. Le courant résiduel qui traverse alors la résistance de surtension est coupé par un sectionneur tournant. La fermeture est assurée par le ressort de rappel.

Pour permettre à l'appareil de garder toute son efficacité, un dispositif de blocage à minimum de pression interdit l'enclenchement en dessous d'une certaine valeur de celle-ci.


264

Disjoncteur à ampoule de vide

La chambre de coupure est une ampoule étanche sous vide poussé. L’absence d’ionisation autorise un très court déplacement du contact mobile. Une telle technologie permet un encombrement réduit et facilite son installation.

A : contacts principaux B : corps C : déflecteur anti projections D soufflet en acier

Disjoncteur à courant continu

Il doit satisfaire à deux contraintes majeures : intensité élevée, arc difficile à éteindre. La solution consiste toujours limiter l’ionisation de l’air entourant les contacts : ouverture rapide grâce au déplacement très court du contact mobile ; soufflage d’air comprimé ; extension de l’arc pour réduire sa densité en milieu faiblement ionisé.

La technologie repose sur un mécanisme d’ouverture extrêmement compacte, un soufflage intense et une chambre de coupure de grande dimension permettant l’allongement de l’arc. On complète ces dispositions par un champ magnétique tendant encore à le réduire grâce aux cornes de soufflage. Un tel disjoncteur est volumineux ; il ne peut être placé en toiture mais dans un compartiment protégé.

Disjoncteur HRKS

Cet appareil est à soufflage magnétique et

commande électro-pneumatique. Son originalité est dans la disposition coaxiale de toutes les pièces intervenant au moment du déclenchement, permettant ainsi un temps d'intervention plus réduit que dans le cas d'une disposition classique à système articulé.

Fonctionnement :

L'admission d'air dans le servomoteur amène l'électro-aimant en contact avec son armature. A la vidange du servomoteur, l'électro-aimant entraîne l'arbre - porte contact mobile sous l'action du ressort de rappel ; le disjoncteur est ainsi enclenché.

Le déclenchement peut s'opérer de 3 manières, la séparation des contacts étant provoquée par un ressort :

• par coupure de l'alimentation de la bobine de maintien : intervention < 15 ms • par relais à seuil de courant et action sur la bobine de déclenchement rapide :

intervention < 6 ms


265

• par émission d'un courant dans la bobine de déclenchement rapide, provenant d'un capteur de courant à effet Hall, qui engendre un flux opposé au flux de maintien : intervention < 3 ms

L'appareil répond au décèle sélectif de défaut. L'extinction de l'arc de coupure est obtenue par soufflage magnétique dans une chambre de la cheminée. Sont décrits ci-après les phases de fonctionnement :

Disjoncteur ARC Développé par ALSTOM sont principe est basé sur le déclenchement intrinsèque

indépendant du sens de courant. Fonctionnement :

L’alimentation de l’électro-aimant (1) provoque la rotation du bras de contact mobile (3) autour de l’axe (A) et la fermeture des contacts.

• En ouverture par coupure de maintien, hors défaut, les ressorts (6) et (7) rappellent le bras (3)

• En ouverture par le déclencheur à maximum d’intensité, la palette mobile (10) est attiré par le circuit magnétique fixe (11). L’équilibre au niveau de l’axe (A) est rompu entre le

OUVERT Alimentation du maintien FERMETURE DECLENCHEMENT

1

3 5

11

A

B6

7

2

10 8


266

galet (8) et le levier (9). Le bras (3) est rappelé en position « ouvert » sou l’action du ressort (7), l’axe de rotation est alors (B)

Seule la coupure de l’électro-aimant (1) permet de ramener le bras (3) et le levier (9) dans la position autorisant une nouvelle fermeture : c’est le réarmement.


267

PARAFOUDRE Placé en toiture, ces appareils protègent l’installation haute tension contre les

surtensions atmosphériques. PALPAGE

Les engins multi tensions sont munis d’un dispositif de « palpage » interdisant tout fonctionnement avec l’équipement non adapté à la tension sélectionnée. (un transformateur sous tension continue est détruit instantanément). Dès le contact du pantographe avec la caténaire, une mesure de la tension est effectuée et autorise la fermeture du disjoncteur s’il y a concordance avec la configuration de l’équipement. Dans le cas contraire il y a interdiction de fermeture du disjoncteur. SECTIONNEUR de MISE à la TERRE

Son rôle est de mettre tous les appareils d’alimentation – ligne de toiture - à la masse de l’engin pour permettre l’intervention sur un quelconque organe ou circuit. La position de ses deux couteaux jumelés sont : "service" sur deux mâchoires de repos ; "terre" : ils shuntent l'entrée et la sortie du disjoncteur. ADAPTATION de la TENSION : le TRANSFORMATEUR

En monophasée il abaisse la tension caténaire (25 kV-50 Hz ou 15 kV-16,7 Hz ) en tension adaptée au niveau assimilable par les moteurs de traction : de 1500 à 2000 V. Il permet, dans certains cas, l’alimentation des auxiliaires en moyenne tension et l’alimentation en énergie pour le train.

Le transformateur principal est dimensionné pour fournir l'énergie de traction et l'énergie auxiliaire nécessaire au fonctionnement de la locomotive et du train. Son encombrement doit être tel qu'il peut prendre place dans la caisse de la machine sachant que sa masse est élevée et très concentrée du fait du – ou des circuits magnétiques - et des bobinages en cuivre. Cette contrainte dimensionnelle (encombrement et masse) nécessite un compromis sur le rendement qui ne dépasse pas 94 %. C’est faible pour ce type d’appareil qui, pour les très grandes puissances (centrales électriques) atteint 99 %. Un refroidissement important est, en conséquence, nécessaire. Un transformateur de 7000 kVA demande l’évacuation de 420 kVA. Elle se fait par circulation forcée d’huile avec moto pompes et radiateurs. Les vues ci-dessous montrent un transformateur en cours de bobinage.

COMMUTATION ELECTRO MECANIQUE Comme nous l’avons indiqué précédemment, l’appareillage électromécanique était

généralisé avant le développement de l’électronique de puissance. Les fonctions d’élimination de résistances ou de graduation de tension, de couplage des moteurs, d’inversion de sens de marche et de shuntage des inducteurs étaient réalisés grâce à des contacteurs, commutateurs, etc…Rappelons qu’une CC 6500 de 5900 kW comportait 98 crans de marche, 3 couplages de


268

moteurs, et 10 crans de shuntage, le tout commandé par un graduateur rotatif effectuant plusieurs centaines de milliers de manœuvres par 1000 km !

Les schémas actuels sont entièrement « statiques » grâce aux convertisseurs à semi-conducteurs. Les seules fonctions électromécaniques restantes configurent le schéma. Les appareils utilisés sont le sectionneur et le contacteur. Pour les engins à moteur à courant continu on rappellera l’inverseur et le commutateur traction / freinage. SECTIONNEUR

Sa fonction est d’assurer ou nom le passage du courant dans un circuit ; sa manœuvre s’effectuant à vide. Il ne peut ouvrir ou fermer ce circuit en charge, même nominale. La contrainte à satisfaire est telle qu’il permet, sans dommage, le passage d’un courant de court circuit, donc supporter des efforts électro dynamiques élevés. Sa commande peut être électro magnétique ou électro pneumatique si l’on dispose d’air comprimé à bord. Il est unipolaire ou multipolaire.

CONTACTEUR

Il assure la fermeture et l’ouverture d’un circuit en charge. Son dimensionnement lui permet de couper l'arc dans les meilleures conditions. Ses caractéristiques principales sont : tension nominale courant permanent et courant de coupure tension du circuit de commande Sa commande peut être électro pneumatique ou électromagnétique. Afin de préserver la plus grande longévité, donc une maintenance réduite, les contacts principaux peuvent être en 2 groupes, contacts de conduction contacts de coupure, réalisant une cinématique à double circuit : un circuit de conduction assure le passage du courant permanent un circuit de transition permet d'assurer les phases d'établissement et d'interruption du courant


269

INVERSEUR et COMMUTATEUR TRACTION / FREINAGE Utilisés en traction à moteur à courant continu ils assurent la configuration des circuits de puissance: inversion du sens de marche au niveau des inducteurs de moteur branchement des induits au rhéostat de freinage. Les contacts principaux peuvent être soit dans l'air, soit dans l'huile; cette dernière technologie permet une grande inertie thermique et une capacité de surcharge importante.

INSTALLATION en BLOCS

Les circuits de puissance et les auxiliaires sont groupés en blocs. Leur répartition répond aux contraintes de masse et encombrement, d’évacuation des pertes et de maintenance. L’évolution des blocs électriques est profondément marquée par la conception modulaire des sous-ensembles, notamment des convertisseurs à semi-conducteurs.

L’engin « électro mécanique » était équipé d’un bloc unique contenant l’ensemble des appareils (voir exemple ci-contre).

La modularité permet de disposer plusieurs blocs spécialisées de moindres dimensions : • bloc moteur par unité : bogie ou essieu • bloc auxiliaire • bloc commun comprenant les organes communs (disjoncteur continu, filtre, etc..) • bloc rhéostatique


270

• REFROIDISSEMENT

L’évacuation des pertes provenant de la dissipation dans les semi-conducteurs, les résistances, selfs, etc….se fait par l’air ambiant. Celle-ci peut être directement l’agent récupérateur, c’est le refroidissement direct – naturel ou forcé -; où l’on utilise un agent intermédiaire tel qu’un liquide bouillant, l’huile ou l’eau. Dans ces deux derniers cas un échangeur transmet les calories à l’air.

Pour des raisons de préservation de l’environnement, le refroidissement par liquide bouillant dans une enceinte est abandonné. Le refroidissement à l’eau glycolée se généralise. Exemple de circuit de refroidissement à l’eau.

Transformateur

22 éécchhaannggeeuurrss eeaauu

11 éécchhaannggeeuurr hhuuiillee

BLOC MOTEUR

2 PMCF2 hacheurs rhéo

2 onduleurs


271

RHÉOSTAT de FREINAGE Il est, avec le moteur de traction auquel il est associé, l’organe essentiel du freinage

électrique. Sa caractéristique est la valeur ohmique qui détermine la puissance à dissiper : P = r I²

En fonction du matériau choisi, généralement un ruban en alliage nickel - chrome, on détermine la puissance thermique à ne pas dépasser, et la ventilation à prévoir. Il existe deux principaux types:

• les rhéostats à convection naturelle, du type "hélice", souvent montés en toiture. Leur température de fonctionnement se situe entre 400 et 600°C; 1000°C en surcharge exceptionnelle. Ils sont largement utilisés en transport suburbain.

• les rhéostats à ventilation forcée : la résistance est un ruban monté en caisson. L’ensemble des caissons avec son ventilateur constitue une colonne.


272

CCOOMMMMAANNDDEE -- CCOONNTTRRÔÔLLEE

RREEGGUULLAATTIIOONN -- PPRROOTTEECCTTIIOONN -- SSEECCUURRIITTEE Le système constitué par l’engin de traction fonctionne grâce à un « donneur d’ordre ».

L’exécution doit être contrôlée et éventuellement rectifiée pour être conforme aux objectifs assignés au système. Ce processus est opéré par les quatre termes :

la COMMANDE et le CONTROLE de l’ensemble des fonctions soumises à l’action volontaire du Pilotage la RÉGULATION qui adapte la demande aux possibilités réelles de l’engin les PROTECTIONS qui surveillent le déroulement des fonctions la SECURITE en termes d’interfaces avec le sol

COMMANDE et CONTROLE Toutes les fonctions – train sont liées à la commande et au contrôle :

Nous analyserons, à partir de l’exemple d’une rame à grande vitesse, les séquences suivantes :

mise sous tension batterie mise en service de la cabine montée du pantographe fermeture du (ou des) disjoncteur(s) sélection du sens de marche demande ordre et consigne traction demande ordre et consigne freinage

Mise sous tension batterie Elle permet l’alimentation de l’ensemble des équipements par la batterie :

• appareillage • tiroirs électroniques

La mise sous tension batterie s’effectue manuellement par l’Agent de Conduite ou à distance par l’équipement radio.

Auxiliaires Frein

Confort

Sécurité

Système Pilotage

Opérateurs

Unité Multiple


273

Mise en service de la cabine de conduite Elle s’effectue par une sorte de clé de contact – appelée fréquemment « clé de boîte à

leviers » et rend actif les différentes commandes de la cabine. La boîte à leviers est verrouillée mécaniquement si une autre boîte à leviers est prise sur

la rame ; un voyant « autre cabine en service » est allumé. Dans une cabine de rame la boîte à leviers valide 77 contacts.

Montée du pantographe Une électrovalve permet l’admission de l’air comprimé dans le cylindre du servomoteur

de commande. Le choix du type de pantographe se fait par motrice ou par rame pour laquelle on choisit

la motrice sur laquelle le pantographe doit monter. Deux commutateurs sont à la disposition de l’agent de conduite :

• Sélecteur de tension Exemple d’une rame quadritension « Thalys » : 1500 V SNCF ; 25 kV SNCF; Ligne Grande Vitesse ; 3000 V SNCB ; 1500 V NS ; 15 kV DB

• Sélecteur de pantographe Zéro; Normal; Secours; Local

Palpage Par un système électromécanique appelé « relais de palpage », on détecte le type de

tension caténaire présente : monophasée 25 kV ou 15 kV ; continue. L’autorisation de fermeture du (ou des) disjoncteurs est asservie à la cohérence entre la

tension « palpée » et la sélection de tension effectuée. Fermeture du disjoncteur

Deux actions sont nécessaire pour fermer le disjoncteur : • autorisation de fermeture ou armement • fermeture proprement dite

La fermeture du disjoncteur continu est souvent accompagnée d’une séquence de pré charge du filtre principal. Après la fermeture du disjoncteur la haute tension est présente sur l’ensemble des convertisseurs. Les convertisseurs auxiliaires démarrent, les énergies auxiliaires sont disponibles. Sens de marche

La sélection permet le choix entre « Marche avant » ou « Marche arrière » Sélection du mode de conduite L’agent dispose de quatre modes de conduite :

Zéro; Manuel; Désaccouplement; Vitesse Imposée (VI) Ordre traction / consigne traction - Ordre freinage / consigne freinage

Le manipulateur donne un niveau d’effort et des contacts de position, soit sur la plage traction soit sur la plage freinage. Sélection de puissance

Elle permet de limiter la puissance appelée à la caténaire sur 3 niveaux. D’autres limitations de puissance peuvent intervenir mais leur traitement est local dans chaque électronique de commande des bogies. Maintien de service

Il permet de maintenir les ordres présents en supprimant la boîte à leviers de la cabine en service. Cette fonction est utile dans le cas de changement de cabine par l’agent de conduite; pendant cet intervalle les fonctions nécessaires aux passagers restent actives. Pré conditionnement

Il permet la préparation de la rame à distance par commandes radio.


274

Modes de freinage Quatre modes de freinage sont possibles : • Freinage de ralentissement

La commande et la consigne de freinage s’établissent à partir du manipulateur électrique traction / freinage. Ce freinage est un freinage électrique seul (ou conjugué) seulement sur les motrices

• Freinage de service Commandé à l’ensemble de la rame par le manipulateur de freinage pneumatique effectuant une dépression dans la Conduite Générale (CG)

• Freinage d’urgence Mise à l’air libre de la Conduite Générale (CG)

Evolution de la commande et du contrôle

Les générations d’engins de traction dont les équipements de puissance étaient électromécaniques disposaient d’une commande et d’un contrôle purement électromécanique par circuits à relais.

Le développement de l’électronique de puissance et de l’informatique permet de structurer la commande et le contrôle de façon beaucoup plus homogène

Nous donnons ci-après trois étapes de cette évolution.


275

Génération électromécanique

Génération semi informatisée

Génération informatisée

+clé de boîte à leviers

EMETTEUR CONSIGNE

PUISSANCE BOGIE 1

COMMANDE BOGIE 1

PUISSANCE BOGIE 2

COMMANDE BOGIE 2


COMMANDE INFORMATIQUE

PUISSANCE BOGIE 1

COMMANDE BOGIE 1

PUISSANCE BOGIE 2

COMMANDE BOGIE 2

Réseau informatique

Réseau train


PUISSANCE BOGIE 1

COMMANDE BOGIE 1

PUISSANCE BOGIE 2

COMMANDE BOGIE 2

Réseau véhicule

COMMANDE INFORMATIQUE


276

La REGULATION Les ordres de commande sont transmis à la régulation qui compare la consigne avec les mesures des paramètres mis en œuvre suivant le synoptique :

La grandeur de sortie est mise en forme pour assurer les ordres d’impulsion de commande des semi conducteurs. A titre d’exemple le schéma de positionnement des mesures sur un onduleur de moteur asynchrone auto piloté est le suivant :

mesures U, I mesure vitesse RÉGULATION

Manipulateur de conduite

consigne

M

Capteur Hall

Tensions entre phases Capteur de position

Courants phases

commandes gâchettes


277

PROTECTIONS Elles sont destinées à assurer la sécurité des personnes et des équipements. SÉCURITÉ des Personnes L’intervention des Personnels de conduite et de maintenance doit se faire sans risque liés aux courants et tensions. L’accès aux organes sous tension est rigoureusement impossible. Pour satisfaire cette condition tout engin de traction électrique est muni d’un dispositif de « MISE à la TERRE » tel que l’ensemble des équipements normalement sous tension soit relié au rail.

• chaque bloc électrique est muni d’une serrure de sécurité, ainsi que l’accès à la toiture s’il existe;

* chaque clé de bloc doit se trouver insérée dans un « boîte de verrouillage » permettant de libérer une clé d’isolement permettant à son tour de mettre en service un commutateur d’isolement de l’ensemble de l’équipement.

La locomotive possède en outre une perche de mise au rail que l’on place sur le fil de contact de la caténaire, l’autre extrémité étant boulonnée à la masse de l’engin . SURETÉ des Équipements

Chaque sous-ensemble est protégé par un dispositif capable d’éviter sa dégradation ou sa destruction en cas de défaut. Citons les principaux : - disjoncteur - relais de tension et d’intensité - écrêteur de surtension - relais thermique - détecteur de circulation d’huile de transformateur

Bloc

isolé

en servicecommutateur d’isolement

Boîte à clés de verrouillage

Bloc Bloc

Sectionneur de mise à la terre


278

La SECURITE – INTERFACES SOL L’engin de traction est intégré dans un trafic, exploité en sécurité. Il est donc interfacé

avec l’ensemble des équipements au sol : systèmes de signalisation, sécurité des circulations (postes centraux). Equipements de sécurité internes

Ils sont liés : à la capacité de l’agent de conduite d’assurer sa mission : c’est la veille automatique à l’indication et l’enregistrement des informations de vitesse


279

Veille automatique Depuis la généralisation de la conduite à agent seul il est indispensable de contrôler son

état de veille. En cas de défaillance, le système dit de « veille automatique », provoque l’arrêt du train, et peut en informer le Régulateur de la ligne via une alarme émise par la radio de l’engin.

Divers actionneurs sont à la disposition de l’agent de conduite de sorte que la manœuvre de l’un d’entre eux provoque l’armement du système sans le déclencher. On le complète par un contrôle de maintien d’appui, des sorte que l’action prolongée de l’un d’entre eux provoque le déclenchement. Dans les deux cas, l’alerte est signifiée à l ‘agent par un avertisseur sonore avant le mise en œuvre du freinage d’urgence. C’est le dispositif « Veille Automatique à Contrôle de Maintien d’Appui – VACMA ».

Les actionneurs sont les manipulateurs – traction et frein – l’avertisseur, des pédales ou des touches sensitives.

Enregistrement – informations vitesse L’enregistrement des informations relatives à la vitesse permettent de mémoriser, outre

les paramètres d’identification de l’agent de conduite, les états du train de la signalisation et des équipements de sécurité. Le déplacement du véhicule est mesuré et traité à partir de capteurs redondés placés sur les organes de transmission du bogie ou des essieux.

Voie 1

Voie 2

Voie 2

Vote 2/3

Contrôle relâchement

Contrôle Maintien d’appui

Commande Frein Urgence

Alarme Radio

seuil vitesse pédales actionneurs annulation alarme


280

Equipements de sécurité – sol Comme le chapitre « Exploitation » le développe, la variété des systèmes de signalisation est très grande. Pratiquement chaque réseau, par son histoire, a son propre système. Les engins « inter opérables » doivent être en mesure de circuler sous réserve d’être interfacé avec les systèmes qu’il doit rencontrer. Nous donnons ci-après le synoptique d’un engin multitensions européen.

Radio

Inter phonie

Générateursons

KVB

TBL

BRS

VACMA

Visualisation Données

Données Voyants

Actionneurs, visu

Actionneurs, visu

Clavier données

Indicateur vitesse

Enregistreur

Calculateur

M MAntenne TBL Antenne KVB


281


282

11° Partie

La TRACTION

à MOTEUR THERMIQUE


283


284

TTRRAACCTTIIOONN àà MMOOTTEEUURR TTHHEERRMMIIQQUUEE La traction autonome représente 80 % des moyens de traction dans le monde. Elle

nécessite les seules installations terminales de ravitaillement en combustible à l’exclusion de toute autre installation fixe d’alimentation en énergie. A ce titre elle se prête particulièrement bien aux réseaux ferroviaires des contrées dépourvues d’énergie électrique ou ne pouvant faire face aux investissements considérables de la traction électrique. APERÇU HISTORIQUE En 1892 Rudolf DIESEL dépose le brevet du moteur à combustion interne qui porte son nom. Les premières applications concernent les machines à poste fixe et la motorisation navale. L’encombrement et la masse de ce moteur le tiennent à l’écart des contraintes du même ordre de la traction ferroviaire. Celle-ci commence à l’époque, l’extrapolation du moteur à 4 temps à essence sur des véhicules de chemins de fer de puissance modeste, de 10 à 50 ch. Au début du XX° siècle, ce sont les locomotives de manœuvre et les « autorails » qui marque l’extension de la traction thermique. Rappelons les épopées des « MICHELINES » « BUGATTI » et autres « ABJ » RENAULT. Le moteur Diesel en traction ferroviaire échelonna sa mise au point jusque dans les années 30 pour réussir le double challenge:

• réduction de volume et de masse • résister aux contraintes vibratoires propres au chemin de fer.

Il est important de noter que le concurrent du moteur à combustion interne pour remplacer la traction à vapeur était en Europe, la traction électrique, alors qu’il n’en était que faiblement question en Amérique du Nord; ceci explique les progrès et la généralisation de la traction thermique sur ce continent qui privilégia la transmission électrique alors que les pays germaniques explorèrent plus largement la transmission hydraulique.

En France, le développement est encore plus lent. La première locomotive Diesel-

électrique de ligne date de 1933. La modernisation des Chemins de Fer d’Outre-mer apporta un champ de développement important, mais il faut attendre 1956 pour voir circuler la première série de locomotives de ligne de la SNCF avec la 060 DB (renumérotée CC 65 000)


285

CARACTERISTIQUES et DIMMENSIONNEMENT Elles sont bien entendu, les mêmes quel que soit le type de traction : * EFFORT * VITESSE * PUISSANCE L’adaptation de ces caractéristiques à la traction thermique concernent : • la plage de température ambiante dans laquelle l’engin et son moteur Diesel

devront fonctionner; • la PUISSANCE TOTALE, y compris celle des auxiliaires, qui représente

la PUISSANCE à l’arbre du moteur thermique • l’AUTONOMIE de circulation déterminant la capacité de la soute à combustible

installée entrant, pour une part importante, dans le bilan de masse. (soute entre 4000 et 8000 litres, pouvant, dans certains cas atteindre 12 000 l, soit de 4 à 12 t, c’est-à-dire 5 à 10 % de la masse locomotive)

• le besoin en air est spécifique parce qu’il intéresse deux fonctions primordiales: - le fonctionnement du moteur thermique - son refroidissement

avec toutes les contraintes de pollution associées. La grande diffusion de la traction autonome dans le monde impose de tenir compte d’une large diversité de réseaux du double point de vue : * de l’ECARTEMENT de la voie et du GABARIT * de la CHARGE par ESSIEU admissible Le catalogue des engins possibles s’échelonne ainsi :

Puissance

800 kW à 4000 kW

Vitesse

80 - 140 - 160 km/h (voire 200 km/h)

Charge par essieu

13 t à 22,5 t (voire 32 t, cas américain)

Température ambiante

- 40 à + 50 °C


286

ARCHITECTURE de BASE Choix du moteur thermique

L’évolution des puissances demandées en regard des caractéristiques des moteurs thermiques disponibles montre que le moteur DIESEL est celui qui couvre la plus large gamme d’engins de traction. Le moteur à explosion, réservé aux petites puissances, n’est pratiquement plus utilisé. La turbine à gaz a eu quelques développements aux Etats-Unis et en France. Rappelons la flotte des Rames à Turbines à gaz (ETG et RTG) ayant desservi Paris – Cherbourg ou Lyon – Strasbourg et exportées en Iran. N’oublions pas le prototype TGV 001 construit en 1972 par ALSTHOM, BRISSONNEAU et LOTZ et le MTE, pour expérimenter la grande vitesse, en vue du projet Paris – Sud-Est. Choix de la transmission de puissance Entre l’arbre du moteur thermique et les essieux il est nécessaire d’intégrer une « transmission » capable d’adapter le couple. Trois solutions sont possibles :

- la transmission mécanique - la transmission hydraulique - la transmission électrique


287

-

Transmission mécanique Comme la plupart des véhicules automobiles (voiture particulière ou camion), une boîte de vitesse est intercalée entre arbre du moteur et essieu moteur. Plusieurs rapports de réduction par engrenages permettent d’adapter le couple au besoin de traction. Les puissances sont limitées à 600 kW. Les boîtes furent perfectionnées avec passage automatique d’un rapport à l’autre ; citons les boîtes « Mekhydro » utilisées sur les rames à grand parcours de la SNCF

Moteur thermique Boîte de vitesse


288

Transmission hydraulique L’intermédiaire entre l’arbre du moteur thermique et les essieux moteurs est un convertisseur

hydraulique à huile sous pression ; l’adaptation s’effectue par régulation de la pression d’huile.

Moteur thermique Convertisseur hydraulique


289

Transmission électrique Le moteur thermique entraîne un générateur qui alimente, directement ou par l’intermédiaire d’un convertisseur, des moteurs de traction. L’intérêt d’une telle solution est de bénéficier des atouts majeurs de la traction électrique: souplesse d’utilisation, capacité de surcharge, maintenance aisée.

Les schémas de puissance mis en œuvre à partir du générateur sont décrits en partie électrique (10-6). Initialement le moteur thermique entraînait une génératrice à courant continu alimentant les moteurs à collecteur connectés en parallèle. Depuis les années 1965, l’alternateur associé à un redresseur s’est imposé, diminuant considérablement les coûts de maintenance dus à la génératrice. Le moteur asynchrone, quant à lui, remplace peu à peu le moteur à collecteur. Ainsi les convertisseurs intermédiaires sont-ils identiques à ceux utilisés en traction électrique.

GG

convertisseur Moteur thermique

Générateur

M 1 MMMoteursde traction


290

SPECIFICITES de l’INSTALLATION

Le moteur thermique – Diesel en particulier – exige une installation telle que l’architecture de l’engin en est profondément différenciée par rapport à celle de la traction électrique. Masse et encombrement du moteur sont associés à la présence de la réserve de combustible. Par ailleurs le fonctionnement du moteur impose une installation de refroidissement particulière. L’installation de la motorisation thermique se compose ainsi :

- alimentation en combustible - aspiration d’air et filtration - échappement des gaz brûlés - circuit de refroidissement par eau et radiateurs ventilés

En fonction de la puissance installée et du type d’engin de traction, la partie thermique peut être installée :

- en caisse – cas des locomotives - sous caisse – cas des automoteurs

Locomotives Le moteur thermique et la soute à combustible tiennent la place centrale. En fonction de l’exploitation, il peut être sous capots démontables ; dans ce cas il s’agit le plus souvent d’un engin monocabine, ou en caisse avec deux cabines encadrantes .

circuit d’eau

circuit de combustible

entrée d’air

échappement ventilation radiateurs

soute

soute

bloc refroidissement


291

Automoteur La motorisation peut être répartie sur plusieurs bogies de sorte que le volume de la partie thermique est divisée en plusieurs groupes. L’impératif est bien entendu de laisser l’espace maximal aux passagers. Le moteur peut être installé directement sur le bogie ou à proximité; la transmission hydraulique se prête bien.

soute

bloc refroidisse

ment

Moteur Diesel

transmissionhydraulique

Pont sur essieu


292

12° partie

Le SYSTEME de FREINAGE


293


294

LLee SSYYSSTTEEMMEE ddee FFRREEIINNAAGGEE GENERALITES En traction, l'effort est développé par l'engin moteur, de sorte que la distance de mise en vitesse peut être très importante; l'horaire en tient compte. En freinage, la DISTANCE d’ARRET conditionne la sécurité des circulations, car pour une vitesse donnée, elle doit être inférieure à la distance d'implantation des signaux d'avertissement et d'arrêt. Cette obligation impose un effort retardateur que l'engin moteur ne peut produire seul. Chaque véhicule remorqué doit donc participer au freinage en raison directe de sa masse. C'est le cas depuis l'origine du Chemin de Fer: chaque wagon comportait une guérite abritant un agent appelé "serre-frein": au coup de sifflet de la locomotive chacun manoeuvrait le dispositif de freinage. Depuis fort longtemps fut inventée la commande à distance des freins à partir de la locomotive: c'est le principe fondamental du frein ferroviaire. En 1867, Georges WESTINGHOUSE fait breveter l'emploi de l'air comprimé comme source d’énergie de freinage des trains. Le frein ferroviaire n’a cessé de se développer au rythme des progrès du Chemin de Fer. C’est pour une large part grâce à lui que les vitesses et les charges remorquées s’accroissent. Le frein devient complexe parce qu’il intègre un nombre important de paramètres. Aussi doit-on l’étudier comme un système. En tant que tel il participe à l’ensemble du Système ferroviaire et est à la base de sa sécurité. PRINCIPES FREINER c'est réduire ou détruire l'énergie cinétique du train, en vue de :

- maintenir une vitesse en pente - provoquer un ralentissement - provoquer ou maintenir l’ARRET

La conception du système de freinage d'un train doit répondre à 3 impératifs : - respect de la DISTANCE d’ARRET, imposé par la signalisation et

l’espacement entre deux circulations - respect du CONFORT des Voyageurs ; décélération admissible :1,3 m/s² - respect de l’INTEGRITE du matériel : dans la plupart des systèmes de

freinage l'énergie cinétique est transformée en chaleur par frottement. L'échauffement qui en résulte en très peu de temps peut provoquer la dégradation des matériaux en présence

Il participe à 2 objectifs : - l'augmentation des vitesses - l'accroissement des charges remorquées

PARAMETRES DU FREINAGE Rappel des Lois fondamentales

La loi fondamentale de la cinématique est : t²V = d 21 et : tVV . = 0

d : distance en mètres t : temps en secondes γ : accélération en m/s² Vo : vitesse initiale m/s La loi fondamentale de la Dynamique est : F = M.γ ou:

MF=γ

F : effort de retenue en Newton M : masse en Kg γ : accélération en m/s²

L'expression de l'énergie emmagasinée est : MV² = E 21


295

La puissance développée est : tE =F.V = P

E : énergie en Joules V : vitesse en m/s P : puissance en Watt M : masse en Kg t : en sec Influence de la vitesse limite Comment varie la distance d'arrêt en fonction de la vitesse limite de la ligne ? Des lois précédentes, on déduit : 2v

²V = d 0

Exemple: soit un train circulant à 120 Km/h, dont la décélération est de 0,7 m/s²; la distance d'arrêt est :

(avec 120 Km/h = 33,3 m/s) m 7931,4(33,3)² = d =

Si la vitesse est 140 Km/h, la distance d'arrêt devient : m 10801,4

(33,89)² = d =

Pour un augmentation de 20 Km/h, la distance d'arrêt augmente de 287m. L'accroissement est sensiblement proportionnel au carré des vitesses: 1,36120²

140²²V²V = d

d12

12 ==

Conclusion: Pour augmenter la vitesse limite des trains il est possible d'agir sur deux paramètres : - augmenter les distances d'arrêt, ce qui impose un accroissement de la distance

d'implantation entre signaux. Ce choix entraîne une diminution du débit de la ligne. - augmenter la valeur de la décélération, ce qui exige une amélioration des

performances de freinage. Influence de la MASSE L'énergie cinétique à détruire, d’expression : V² M

21 =E est proportionnelle

au carré de la vitesse et à la masse en mouvement. Exemple d'un train de 720 tonnes à 160 Km/h : Joules10 . 7,1 = (44,4)²x 10x 7202

1 =E 83

Si ce train s'arrête en 60 s (ce qui correspond à une décélération de 0,75 m/s² la puissance de

freinage est : kW 000 1260

10 . 7,1 = tE =P

8≅ soit plus de deux fois la puissance de traction

d'une locomotive de 5600 kW ! Conclusion: lorsque la charge remorquée augmente l'énergie cinétique à dissiper devient telle qu'un seul véhicule ne peut assurer le freinage ; d'où la nécessité de conjuguer le freinage de plusieurs véhicules. PUISSANCE DE FREINAGE Il est indispensable de connaître la puissance de freinage d'un train pour garantir sa distance d'arrêt. Le problème consiste à déterminer, pour un convoi, à partir des caractéristiques des équipements de freinage individuels, la distance d'arrêt obtenue en appliquant la puissance totale de frein à la vitesse limite. Le problème mécanique simple est rendu complexe par les facteurs physiques à prendre en compte :


296

• Variations du coefficient de frottement des matériaux en présence, dans le cas du freinage par frottement (semelles ou disques), résultant des états de surface, du degré d'usure, de l'humidité, de la pollution, etc...

• Temps d'établissement de l'effort de freinage : quel que soit le système, l'application de l'effort n'est pas instantané : - en commande pneumatique, le temps de propagation de la variation de pression

le long du train est important - en freinage électrique, la montée en intensité du courant dans le rhéostat

est à prendre en compte • Limite de transmission de l'effort retardateur au niveau du contact roue- rail;

les conditions d’ADHERENCE, comme en traction, sont fondamentales. La PUISSANCE de FREINAGE est caractérisée par l'EFFORT RETARDATEUR MOYEN appliqué dans des conditions précises de freinage maximum. Cet effort retardateur est appelé « MASSE FREINEE » ou « POIDS-FREIN » - exprimé en tonnes. L'aptitude d'un véhicule - ou d'un train - à s'arrêter sur une distance déterminée est fonction de sa masse - freinée et de sa masse. Le rapport des deux grandeurs la caractérise s'appelle : COEFFICIENT de FREINAGE ou « pourcentage de masse freinée » :

Masse

freinée Massex =

Ce coefficient est un nombre sans dimension, de même nature que l'adhérence. Il s'applique au véhicule seule ou au convoi.

Distance d'arrêt et masse freinée

La distance d'arrêt est : 2v

²V = d 0

L'effort retardateur au semelles de frein s'appliquant sur la roue s'exprime par : S.p = F

La masse freinée est fonction de l'effort à la semelle S : kB S k.S = B =:ou

La décélération est : kp

QB

Qp

kB

QS.p

QF

⋅=⋅===γ

Le coefficient de freinage QBx = se remplace dans γ :

kpxv ⋅=

d'où:

d = V ²2

kx.p

V ²2

k.QB.p

12 V ²

QB k

0 00⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅

La distance d'arrêt est donc inversement proportionnelle à la masse freinée ou au coefficient de freinage.

Influence de la masse du véhicule

Si la masse varie, le coefficient de freinage varie. Plusieurs cas peuvent se présenter : • Véhicule à masse constante :

Ce sont les engins moteur - y compris les locomotives Diesel - dont la masse embarquée de carburant en soute diminue progressivement. ex: 4000 litres (# 4t) sur une masse de 100 t - soit 4%

• Véhicule à masse faiblement variable: cas des voitures de passagers : 50 t à vide 57 t en pleine charge; soit +14%


297

• Véhicule à masse fortement variable : cas des wagons fret : - un citerne de tare = 20 t; à pleine charge 80 t - une voiture de banlieue: 40 t à 65 t en heure de pointe. Pour cette dernière catégorie de véhicule, il importe de tenir compte dans le système de freinage, de cette variation considérable de masse par un dispositif "vide - chargé", de sorte que le p soit à peu près constant.


298

Influence de l'ADHERENCE

Alors qu'en traction elle ne joue que sur l'engin moteur, en freinage, dès lors que tous les véhicules participent à l'effort retardateur, l'ADHERENCE roue - rail influe sur tous les véhicules freinés. Comme en traction, l'effort de freinage appliqué à la roue ne peut dépasser la limite physique de frottement au contact. Si Q est la charge de la roue, S l'effort appliqué à la semelle, p et f les coefficients de frottement entre semelle - roue et rail - roue, pour qu'il y ait roulement, il faut : Sp < Qf. C'est la relation fondamentale du freinage. Le problème pratique à résoudre est de tenir compte des variations importantes de la qualité du contact entre la roue et le rail : - rail humide ou gras, présence de corps étrangers (feuilles mortes, graisses etc...) - adhérence moindre à grande vitesse Il en résultera une prise en compte dans le calcul et dans l'expérimentation, des conditions d'adhérence moyennes disponibles sur un parcours donné, pour la détermination des distances d'arrêt. L'implantation des signaux d'espacement des trains en tiendra également compte pour faire "l'enveloppe" des cas de circulations possibles. COMMENT FREINER ? Il existe deux méthodes pour freiner en utilisant :

- l’énergie de FROTTEMENT - l’énergie DYNAMIQUE

Le freinage par FROTTEMENT C'est le plus ancien, le plus répandu et celui qui s'applique à tous les véhicules: moteur et remorqué. Citons les deux principaux types :

- frein à SEMELLES - frein à DISQUES


299

Le Frein à SEMELLES Une ou deux semelles par roue viennent en contact avec la table de roulement de la roue lors du freinage. L'énergie cinétique est dissipée en chaleur par frottement. Une vue de ce dispositif est donnée ci-contre :


300

Le Frein à DISQUES

Des garnitures enserrent un ou plusieurs disques calés sur l'essieu. L'énergie cinétique se dissipe alors en chaleur par frottement non plus sur les roues mais sur les disques ventilés naturellement. On évite ainsi les usures et déformations de la table de roulement résultant du frottement des semelles. Ce type de frein est généralisé sur le matériel voyageurs et se développe sur les essieux moteurs des locomotives; dans ce cas le disque est flasque au plus près de la roue pour laisser l’espace nécessaire à la transmission.

Le Freinage DYNAMIQUE On appelle ainsi les systèmes sans frottement qui génèrent par eux-mêmes leur propre effort résistant. Ce sont :

• le freinage ELECTRIQUE • le freinage ELECTROMAGNETIQUE • le frein HYDRODYNAMIQUE


301

•

Le freinage ELECTRIQUE Le moteur électrique est réversible : s’il reçoit de l’énergie mécanique, il fournit de l’énergie électrique en développant un couple résistant : il est générateur. L’énergie électrique produite peut être utilisée de deux manières :

• dissipée dans une résistance : freinage rhéostatique • utilisée par un autre récepteur : freinage par récupération

Freinage rhéostatique

Les moteurs sont déconnectés de l’alimentation et branchés sur une, ou plusieurs résistances ventilés.

Le réglage du couple résistant se fait par variation de la valeur de la résistance le plus souvent grâce à un semi conducteur contrôlé (thyristor ou IGBT) :

L’emploi du freinage rhéostatique présente des atouts et doit satisfaire des contraintes synthétisés ci-dessous :

Atouts Contraintes Indépendance du réseau d’alimentation Installation lourde et encombrante Utilisable en traction autonome (transmission électrique)

Coût élevé Bruit de ventilation élevé

AS 3

onduleur hacheur +

rhéostat

ventilation


302

Freinage par récupération

Les moteurs restent connectés à l’alimentation qui devient « récepteur ». Le fonctionnement est tributaire de la présence d’au moins un récepteur sur la ligne, qui peut être un autre engin de traction ou un récepteur quelconque sur le réseau d’alimentation, à condition dans ce cas que les intermédiaires soient réversibles (sous-station).Le schéma est strictement le même qu’en traction ; seule la régulation est adaptée aux paramètres de freinage. L’emploi du freinage par récupération présente des atouts et doit satisfaire des contraintes synthétisés ci-dessous :

Atouts Contraintes Installation et schéma identique à la traction Dépendant du réseau d’alimentation Coût négligeable Réseau d’alimentation réversible

(sous-stations) L’utilisation de chacun des deux systèmes de freinage dépend pour une bonne part de

l’histoire de chaque réseau et du type d’exploitation. Les transports urbains intra muros tel que le métro, utilisent beaucoup le freinage par récupération, sachant que les calories dégagées par le refroidissement des résistances de freinage nuirait à l’équilibre thermique des tunnels. Par contre les réseaux « grandes lignes » alimentés en courant continu se prêtent très peu à la récupération compte tenu de l’époque de construction des sous-stations qui ne sont pas réversibles (en France seule la ligne Chambéry – Modane électrifiée en 1500 V cc est apte)

Le freinage par récupération est très répandue en tension monophasée notamment pour les lignes à profils difficiles tels que les traversées alpines du St Gothard et du Lötschberg. Les trains à grande vitesse français ne fonctionnent pas en récupération, mais en rhéostatique. En effet en cas d’absence de tension ou de récepteur, les performances de freinage en sont affectées en termes d’économie d’usure des organes de roulement.

La conjugaison des freins

Le freinage électrique peut être mis en œuvre en même temps que le freinage mécanique de base : c’est la « conjugaison ». Les essieux porteurs du train freinent avec leur équipement à semelles ou à disques tandis que les essieux moteurs actionnent leur freinage électrique. Une loi de régulation permet de ne pas dépasser les limites d’adhérence.

L’intérêt d’un telle disposition permet de réduire l’usure des roues des essieux moteurs, tandis que le freinage mécanique reste nécessaire aux basses vitesse pour lesquelles le couple de freinage engendré par les moteurs est insuffisant.

Vitesse (km/h)

F(kN)

électrique

mécanique

conjugaison


303

Freinage ELECTROMAGNETIQUE C'est un patin de fonte constitué d'électro-aimants: il se place à très faible distance du rail; l'effort de freinage résulte du courant induit par le patin dans le rail . Il peut aussi être utilisé avec frottement si le patin s’applique sur le rail.


304

Le Freinage HYDRODYNAMIQUE L'application de ce type de frein aux engins moteur équipés d'une transmission hydraulique est particulièrement intéressante car on dispose déjà de la réserve et de la pompe à huile utilisée pour la transmission. Son principe est simple:

- un rotor calé sur l'arbre secondaire en amont de l'inverseur de sens de marche; - un stator fixé sur le carter.

C'est un frein sans usure qui nécessite cependant une régulation pour rester en limite de puissance transmissible. La COMMANDE du FREINAGE Principes et Modes de Freinage

Principes • FREIN CONTINU : la mise en action du frein s'effectue volontairement à

partir de la cabine de conduite ou d'un point quelconque du train. • FREIN AUTOMATIQUE : la mise en action s'effectue sur chaque

véhicule freiné en cas de fractionnement accidentel du train (rupture d'attelage). • FREIN CONTINU AUTOMATIQUE : lorsque les deux conditions ci-

dessus sont réalisées. • FREIN MODERABLE : lorsque l'effort de freinage peut être gradué à

volonté par l’agent de conduite.

Modes • FREINAGE de SERVICE : l'effort de freinage est commandé à volonté

pour obtenir, soit l'arrêt en un point donné, soit un ralentissement à une vitesse donnée. • FREINAGE de MAINTIEN : l'effort de freinage est commandé pour

maintenir une vitesse donnée en pente. • FREINAGE MAXIMUM de SERVICE : l'effort de freinage de service

est commandé au maximum. • FREINAGE d'URGENCE :: l'effort de freinage es commandé par un

robinet d'urgence ou une poignée de signal d'alarme du train en cas de danger. • FREINAGE AUTOMATIQUE IMPOSE : freinage d'urgence provoqué

par une commande de contrôle de vitesse ou de veille automatique. Systèmes de commande La commande de freinage s’effectue par un apport d’énergie fourni :

soit par l’air atmosphérique – comprimée ou déprimée (vide) soit par un fluide sous pression (hydraulique)


305

Freinage PEUMATIQUE à AIR COMPRIME C'est sans doute le plus répandu et le plus ancien, inventé en 1829 par Georges WESTINGHOUSE et largement perfectionné depuis .

Principe

- Source d'énergie : réserve d'air comprimé produite par un compresseur disposé à bord du train

- Organe de transmission : la Conduite Générale « CG » parcourant tout le train, transmet les variations de pression de commande pour le serrage et le desserrage.

- Organe de Commande : robinet de mécanicien provoque les variations de pression dans la CG

- Actionneurs : le DISTRIBUTEUR transforme les variations de pression de la CG en commande de pression aux cylindres de frein.

les CYLINDRES de FREIN actionnent les semelles ou garnitures pour provoquer l'effort de freinage. Le schéma de principe est le suivant : RP : Réservoir Principal RA: Réservoir Auxiliaire La conduite générale est alimentée en air comprimé par l'intermédiaire d'un détendeur 9 bars / 5 bars et du robinet de mécanicien grâce à la conduite principale, elle-même reliée au réservoir principale alimenté par le compresseur principal de l’engin moteur. Les variations de pression de la CG sont commandées par le robinet de mécanicien et transmises au DISTRIBUTEUR qui va les transformer en sorte que : Dépression CG alimentation des cylindres de frein SERRAGE

compresseur RP

Conduite Principale

locomotive véhicule

robinet de mécanicien

détendeur 9/6 bar

cylindre de frein

desserrage

serrage Conduite Générale

D

S

RA

D S

D

distributeur

RAD

S

D

distributeur


306

Ré alimentation CG purge des cylindres de frein DESSERRAGE Remplissage : la CG alimente le robinet de mécanicien à la pression de 5 bars. Le distributeur met en communication la CG et le RA afin de mettre en place la réserve d'air : c'est l'armement du frein. Serrage : le robinet de mécanicien met la CG à l'atmosphère et provoque ainsi une dépression plus ou moins importante suivant le temps de commande. Cette chute de pression a pour effet de "désarmer" le distributeur en interrompant la liaison CG-RA, et de mettre en communication le RA avec le cylindre de frein provoquant le SERRAGE des garnitures sur la roue. ( les flèches marquées S indiquent le sens de transfert de l'air comprimé) Desserrage : il s'obtient par le robinet de mécanicien qui remet en communication la CG avec la source d'air comprimé; simultanément le distributeur remet le RA en communication avec la CG et permet l'échappement partiel ou total de l'air comprimé dans le cylindre de frein. (flèches D) Seul l’engin moteur est équipée d'un robinet de mécanicien, tandis que les véhicules remorqués comportent un distributeur et un RA. Les avantages du système sont :

- simplicité de fonctionnement : organe unique pour les commandes de serrage et desserrage.

- sécurité "intrinsèque" de fonctionnement en cas de rupture d'attelage entre deux véhicules : CG mise à l'atmosphère et serrage maximum.

Inconvénient : non "simultanéité" de la commande sur chaque véhicule du fait du temps de propagation de la variation de pression dans la CG sur toute la longueur du train. Il en résulte l’allongement des distances d’arrêt et des réactions d'attelages pouvant entraîner des ruptures. L'ordre de grandeur de la vitesse de propagation est 280 m/s. Ainsi pour un train de marchandises de 1200 m le cylindre de frein du dernier véhicule commencera à freiner plus de 4 s après la commande de serrage. Dans le cas d'un convoi de très grande longueur - trains minéraliers de 2 km - le dernier wagon commence à freiner 70 sec après l'ordre de freinage ! La solution consiste à commander électriquement tous les véhicules c'est le FREIN ELECTRO-PNEUMATIQUE (FEP)


307

Le Frein ELECTRO-PNEUMATIQUE La simultanéité des actions sur le frein est obtenue en relayant sur chaque véhicule les fonctions pneumatiques de vidange et de ré alimentation de la CG assurées par le robinet de mécanicien. A cet effet il faut disposer sur chaque véhicule :

• d'une alimentation réalisée par la conduite principale venant de la locomotive;

• d'un bloc électro-pneumatique comprenant deux électrovalves : - l'une de SERRAGE mettant la CG à l'atmosphère, - l'autre de DESSERRAGE permettant de la ré alimenter.

Ces électrovalves sont commandées par une double ligne électrique - dite de serrage et de desserrage - elle-même contrôlée par deux contacts électriques du robinet de mécanicien. Ainsi les variations de pression dans la CG se propagent mais sont « devancées » au niveau de chaque véhicule. Les temps de réponse sont donc réduits dans des proportions tels que les réactions d'attelages sont supprimées et les distances d'arrêt réduites. Le schéma de principe est donné ci-dessous :


308

robinet de mécanicien

cylindre de frein

desserrage

serrage D

S

RA

D S

D

distribute

RAD

S

D

distribute

EV serrage

EV desserrage


309

Le frein à vide Quantification du vide

Le vide, dans une enceinte fermée, est quantifié de trois façons : • en référence à la pression absolue :

la pression dans l’enceinte peut varier de 0 à 1,013 bar ou de : 0 à 760 mm de Hg • à partir de la dépression par rapport à la pression atmosphérique :

0 < Pa - P < 1,013 b 0 < Pa - P < 760 mm Hg

• en pourcentage de vide: P (%) = [ (Pa - P) ] × 100

Génération de l’effort dans un cylindre de frein à vide

La différence de pression entre les deux faces d’un piston engendre un effort : F = (P1.S) - (P2.S) = S (P1 - P2)

L’effort est d’autant plus grand que la différence est plus grande; si tel n’est pas le cas il faut augmenter le terme S, c’est-à-dire la surface du piston.

Principe de fonctionnement du frein à vide

On provoque grâce à une pompe, le vide dans la conduite générale qui agit directement sur une des faces du piston de cylindre de frein; l’autre face est en communication avec un réservoir auxiliaire où règne le même vide. Pour effectuer un serrage, une entrée d’air est ménagée dans la CG: le niveau de vide décroît: le piston est déséquilibré sous l’action de l’effort résultant entre ses deux faces. Le desserrage demande l’opération en sens inverse: recréer le vide dans la CG.

s


310

Utilisation du frein à vide

Ce système est encore largement utilisé par certains Réseaux, notamment en Afrique et en Asie. Ses contraintes sont : • d’une part des cylindres de frein beaucoup plus volumineux que pour le

frein à air • d’autre part les différences de pression mises en jeu, donc les faibles

vitesses de propagation de celles-ci. Son emploi est limité aux trains courts. Le remplacement progressif du frein à vide par

le frein à air engendre la conception de matériels moteur mixte air - vide. LA PRODUCTION D’ENERGIE PNEUMATIQUE Air comprimé Le fonctionnement du système de freinage nécessite une énergie à disposition permanente présentant des caractéristiques bien définies. Les trois fonctions essentielles dévolues à la production de cette énergie sont :

la production d’air comprimé proprement dite son traitement son stockage

Production d’air Comme pour toutes les installations industrielles c’est le compresseur qui est utilisé. Il est entraîné soit par un moteur électrique, soit par courroies dans certains cas de locomotives Diesel. Il en existe deux types :

• compresseur à pistons (mono ou bi-étages) • compresseur à vis

Le second a un encombrement nettement inférieur au premier avec un niveau de bruit et de vibrations beaucoup plus faible.

Traitement de l’air La compression de l’air entraîne obligatoirement la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air aspiré. Il importe pour assurer un fonctionnement correcte des appareils situés en amont d’éliminer cette vapeur d’eau par un dispositif sécheur. Il existe deux procédés :

• séchage chimique • séchage par le froid

Le séchage par le froid consiste à abaisser la température de l’air, la teneur en vapeur d’eau étant proportionnelle à sa température, de capturer et d ’évacuer l’eau condensée. Une poche est installée immédiatement après le réfrigérant d’air en sortie de compresseur. Le procédé chimique s’appuie sur la propriété qu’on certains produits d’absorber une grande quantité d’eau (produit dessicant tels que l’alumine activée ou le gel de silice). Le dispositif est complété par une régénération du produit par passage en sens inverse d’air sec absorbant l’humidité contenue et l’évacuant avant un nouveau cycle de séchage.


311

Stockage Une quantité suffisante d’air à pression voulue (9 bar) doit être disponible en

permanence pour le fonctionnement du système de freinage et des auxiliaires pneumatiques. C’est le rôle du - ou des- réservoir principal.

Le schéma général de la production d’air comprimé est le suivant :

moteur

sécheur

réservoir principal

aspiration

utilisation

compresseur radiateur

régulation


312


313

13° Partie

LL’’EEXXPPLLOOIITTAATTIIOONN ddeess TTRRAAIINNSS

LLaa SSIIGGNNAALLIISSAATTIIOONN


314


315

LL’’EEXXPPLLOOIITTAATTIIOONN ddeess TTRRAAIINNSS Qu’est ce que l’EXPLOITATION ?

C’est la gestion du trafic en sécurité, au service des Clients. Elle représente avec la composante « SECURITE » l’essentiel du système ferroviaire. La fonction principale de l’exploitation est de répondre à la demande de transport en termes :

de qualité, grâce à des horaires garantis de coût, de sorte que la rentabilité soit la meilleure possible

Les contraintes de l’exploitation Dans la mesure où la demande est importante, l’exploitation se doit d’intégrer deux

contraintes : - utilisation du réseau existant - gestion des situations dégradées pouvant survenir des interfaces avec l’environnement

« Réseau existant »

Le chemin de fer a été créé au XIX°siècle ; la plupart des entreprises ferroviaires utilisent des lignes conçues avec les moyens et pour satisfaire les objectifs de l’époque : performances basées sur celles de la traction à « vapeur » avec des tracés dits « de vallées », demande de transport sans commune mesure avec celle que nous connaissons, etc…Les cadences de circulation actuelles sont en limite de débit des lignes, les infrastructures terminales sont fréquemment inadaptées. L’histoire est l’un des paramètres essentiels pour comprendre les problèmes actuels.

Situations dégradées

Les trains circulent dans un environnement géographique et humain tel que de nombreuses incidences se produisent et perturbent les conditions d’exploitation idéales. Elles sont de deux ordres : internes ou externes. En interne : tout dysfonctionnement des moyens matériel ou humain influe sur l’exploitation : fiabilité du matériel roulant : retard en ligne, voire même demande de secours et remplacement de l’engin de traction ; installations fixes défectueuses : panne d’alimentation, non fonctionnement d’un appareil de voie, etc.. Les exploitants exigent, en la matière au niveau des cahiers des charges, des engagements de plus en plus sévères. En externe : il s’agit des conditions climatiques entraînant des dégradations aux abords des voies ; des interférences avec les autres voies de circulation – passages à niveau – et les passagers – chutes sur la voie, vandalisme, etc… Les ACTEURS de l’EXPLOITATION Quatre acteurs réalisent une exploitation :

le réseau le parc de matériel roulant le système de sécurité associé les entités de régulation


316

Le réseau

C’est l’ensemble des lignes reliant les points de destination à desservir. Chaque liaison est réalisée par un – ou plusieurs - « ITINERAIRE ».

L’architecture du réseau est basée sur différentes configurations :

VOIE UNIQUE Une voie pour les deux sens de circulation DOUBLE VOIE Une voie par sens de circulation DOUBLE VOIE BANALISEE 2 sens de circulation pour chacune des voies COMMUNICATION Liaison entre 2 voies BIFURCATION Départ d’une autre voie EVITEMENT Possibilité de croisement sur une voie unique TIROIR Possibilité de garage TRIANGLE de RETOURNEMENT Permet le changement de sens de circulation en conservant l’orientation des véhicules


317

Le parc de matériel roulant C’est l’ensemble des matériels remorqués et moteurs aptes à

satisfaire la demande de transport. Il est réparti en centres, responsables de leur gestion et de leur maintenance et les mets à disposition de l’exploitant. Un parc est dimensionné en fonction du trafic en pointe. Au parc du matériel est adjoint l’effectif des agents de conduite et

agents commerciaux d’accompagnement. Un établissement a en charge le programme d’emploi des matériels et personnels sous forme de « ROULEMENTS ». Un exemple de roulement de locomotives est donné ci-dessous : Jour 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

0 11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

1

2

Une locomotive part de Dijon en tête du train 4321 pour Narbonne, arrivée 17h00 ; elle en repart à 12h00 pour remorquer le 56789, arrivée à Modane à 18h00 ; départ à 21h01 avec 56777 pour Metz où elle arrive le jour 2 à 6h59. Elle assure la réserve à Metz jusqu’à 19h00 et en repart à 20h28 en tête du 4342. Et ainsi de suite, la journée 1 étant assurée par une autre locomotive de l’établissement. Les systèmes de sécurité associés

Ils comprennent : la signalisation - étudiée ci-après - et la réglementation. Cette dernière explicite les dispositions prises par chacun des acteurs : aiguilleurs, agents de sécurité des terminaux et gares, régulateurs, agents de conduite, etc… Les entités de régulation

L’ensemble des moyens au sol mis en œuvre pour assurer les fonctions de l’exploitation sont organisés pour réaliser un programme. A leur tête une instance de commandement – le PC – coordonne et dispose : - des aiguilleurs chargés de l’établissement des itinéraires - du régulateur « circulations » chargé de leur suivi en temps réel - du régulateur « sous-station » - ou « énergie » - chargé de l’alimentation pour les lignes

électrifiées Il est en liaison avec les établissements gérants de matériels et de personnels.

Les aiguilleurs

Si au début du chemin de fer, chaque branchement – ou aiguillage – était manœuvré à « pied - d’œuvre », , très tôt ils ont été groupés en « poste ». Les agents préposés commandent les itinéraires, c’est-à-dire plusieurs aiguillages associés à leur signalisation de protection.

DIJ 30

NAR 29 30

MOD00 01

MTZ 59 00

28

4321 56789 56777

56777 4342


318

Le régulateur

Son rôle consiste à gérer une ligne – ou portion de ligne – Il dispose du graphique théorique des circulations et est informé en temps réel par les agents de sécurité des gares, du passage de chaque circulation. Il trace le graphique réel à partir duquel il est en mesure de résoudre les conflits et incidents, par des garages, doublement sur voie banalisée, etc…

Le régulateur « sous-stations »

Il assure la surveillance des sous-stations de la ligne ou du secteur qu’il a en charge : isolement, commutation, liaison avec le fournisseur d’énergie haute tension, en cas d’incident ou maintenance,. Le régulateur peut être en charge d’un « central sous-stations » ou intégré à un poste central des circulations.

Gare A PK 10 Gare B PK 20 Bifur PK 35 Gare C PK 40 Gare D PK 60 Gare E PK 70 Gare F PK 85 Gare G PK 106 Gare H PK 121

0h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

454

11

4547

1234

4546

10 1312

1234

16

4551

15

2

25

455

4558

10921

Fac

10232


319

PLUSIEURS TYPES d’EXPLOITATION

Chaque type de trafic ferroviaire a son modèle d’exploitation associé à ses objectifs et à ses contraintes particulières. Exploitation grande ligne

C’est la plus répandue. Elle est caractérisée par un trafic « mixte » : - trains rapides sans arrêt - trains de vitesse modeste sans arrêt – fret par exemple - trains à arrêts fréquents

La régulation de base est difficile eu égard au débit élevé que l’on recherche. Pour l’optimiser, les circulations sont regroupées en « sillons » homogènes, rassemblant des trains de même catégorie dans des créneaux adaptés au besoin de la clientèle :

- début et fin de journée : trains inter villes de desserte - mi journée : trains à grande distance - nuit : trains de fret

Gare A

Bifur B

Gare B

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Sillon FRET sillon inter villes sillon FRET sillons inter villes FRET Exploitation « métro » et ligne à grande vitesse

Il semble paradoxal de rassembler ces deux trafics, opposés par leur caractéristiques : vitesse, espace entre deux stations, nombre d’arrêts. Ils ont en commun l’homogénéité de leurs circulations. De telles exploitations ne posent pas de problème particulier. En revanche toute situation dégradée a des conséquences étendues. En métro, tout incident de personne sur la voie en heure de pointe se répercute sur l’ensemble de la ligne ; de même tout incident climatique ou de matériel se répercute sur une ligne à grande vitesse, compte tenu des cadences élevées. Gare A

Gare B

Gare C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24


320

Exploitation « banlieue » Similaire à celle d’un métro, sa complexité peut être plus grande si elle se juxtapose à un trafic grande ligne. Fréquemment les grandes agglomérations séparent leur trafic banlieue des autres. Exploitation spéciale Dans cette catégorie rentrent les trafics spécialisés : transports de minerais ou pondéreux. La ligne est conçue pour écouler une production entre un gisement et un port par exemple. Le nombre de circulations est faible, en revanche le tonnage de chacune est très élevé. Citons les lignes de chemins de fer minéraliers de Mauritanie entre Zouerate et Nouadhibou, d’Afrique du Sud, des Etats-Unis ou de Chine.


321

LLaa SSIIGGNNAALLIISSAATTIIOONN Qu’est ce que la SIGNALISATION ?

La circulation ferroviaire met en jeu un grand nombre de convois de fort tonnage à vitesse élevée. L’ARRÊT d’un train exige une DISTANCE pour garantir la SECURITE, qu’il soit programmé ou nécessité par la présence d’un obstacle. La SIGNALISATION est l’ensemble des installations permettant le déplacement des trains

en toute SECURITE et de manière efficace. Les pionniers du chemin de fer l’ont compris dès sa création; très tôt aussi l’aspect « GESTION de TRAFIC » ou « EXPLOITATION » a bénéficié de ces installations pour être optimisée: c’est le deuxième rôle de la signalisation. Sécurité est l’arguments de la signalisation. Elle contribue largement à l’efficacité du trafic, c’est-à-dire à l’acheminement rationnel des trains. La signalisation participe à l’optimisation des coûts de transport et l’amélioration du service rendu aux Clients des Réseaux. Les technologies mises en œuvre ont, comme pour la voie ou le matériel roulant, évoluées considérablement. A l’origine l’Homme était le principal intervenant de la signalisation. Aujourd’hui, s’il reste maître du trafic, il est secondé dans une très large mesure par les automatismes. L’étape des circuits à relais fait place aux systèmes informatisés capables de véhiculer un nombre élevé d’informations. Nous décrivons ci-après les grands principes de la signalisation et les principales technologies utilisées. Néanmoins l’étendue des développements est tel que la variété d’applications est considérable : pour les seuls pays européens on compte plus de 20 systèmes ! SIGNALISATION et SECURITE Les risques engendrés par la circulation des trains sont de cinq ordres : 1° risque : le « NEZ à NEZ »

Deux trains sur une même voie, circulant en sens opposés. Ce risque n’existe pas en double voie si chacune est spécialisée à un sens de circulation.

2° risque : le « RATTRAPAGE » Deux trains sur une même voie (unique ou double), circulant dans le même sens,

à vitesses différentes; l’un des trains pouvant être à l’arrêt.


322

3° risque : le « CONFLIT d’ITINERAIRES» Deux trains sur deux itinéraires sécants :

4° risque : le « DERAILLEMENT» Le non-respect de la vitesse par l’agent de conduite, peut entraîner des efforts anormaux sur la voie, voire le déraillement. Le respect des limitations de vitesse résulte :

• de la topologie de la voie • de perturbations temporaires dues à des travaux • des changements d’itinéraires avec franchissement d’appareils de voie

Ces limitations constituent le « polygone de vitesse ». 5° risque : l’OBSTACLE Un objet extérieur peut entraîner une collision. (véhicule routier à un passage à niveau, chute d’un passage supérieur). La prévention de ces risques consiste : 1) à organiser les circulations pour qu’ils ne se produisent pas 2) à informer l’agent de conduite pour qu’il réagisse avant d’engager le risque 3) à provoquer toute mesure pour empêcher les conséquences du risque et suppléer éventuellement à l’action de l’agent de conduite.

• L’organisation des circulations est le rôle de l’exploitation • l’information du Mécanicien est le rôle de la signalisation • les mesures permettant d’éviter les conséquences d’un risque constituent le contrôle

de vitesse

160 km/h

50 km/h

100 km/h


323

Les FONCTIONS ASSUREES par la SIGNALISATION La fonction de base est « l’information de l’agent de conduit ». Les fonctions conséquentes sont :

l’espacement des trains la protection des itinéraires l’information de vitesse

L’espacement des trains C’est la condition nécessaire pour éviter tous risques de collision. Son principe est simple : un train ne peut s’engager sur une section de ligne, appelée « canton », avant que le

train précédant ne l’ai libéré Deux méthodes possibles :

• espacement par le temps • espacement par la distance

Espacement par le temps

Sachant le temps mis par le train 1 pour parcourir le canton, le train 2 est autorisé à s’y engager à compter de l’instant t2 : On observe que si pour une raison quelconque, le train 1 met un temps > (t2 - t1), il y a rattrapage. La méthode n’est donc pas sûre.

Espacement par la distance

Considérons deux points de la ligne que l’on peut contrôler par un signal autorisant la pénétration du canton, il est alors possible de combiner la protection contre le rattrapage ou le nez à nez. Aucune circulation ne peut s’engager dans le canton protégé s’il n’est pas libéré par la circulation précédente, quels que soient son sens de circulation et le temps mis pour le parcourir. La protection des itinéraires Un itinéraire est protégé lorsque tous les itinéraires sécants sont interdits avant le passage d’un train.

1CANTON 2

t2 t1

itinéraire protégé

itinéraires interdits


324

L’information de vitesse L’agent de conduite doit obéissance passive et immédiate aux ordres de toutes natures qui lui sont donnés, notamment en ce qui concerne les vitesses en ligne. Il est destinataire :

• soit de l’information - vitesse à respecter sur la portion de ligne où il se trouve • soit d’une surveillance de bonne exécution de la vitesse

Dans tous les cas cette information - vitesse est la résultante d’une « enveloppe » tenant compte :

- de la masse du train - du profil de la ligne

de l’intervalle de sécurité à conserver entre deux trains Les MOYENS de la SIGNALISATION Pour assurer les fonctions ci-dessus d’importants moyens sont mis en œuvre, que l’on peut classer en trois catégories :

les installations au sol comprenant la signalisation et la commande des itinéraires et enclenchements les équipements embarqués

Les installations au sol Elles comprennent :

• la signalisation visuelle présentée aux agents de conduite • les circuits et automatismes concourant au fonctionnement de l’ensemble

Dans l’histoire de la signalisation, ces installation était réduite à un simple « bâton-pilote ». Un objet en bois portant la marque du canton séparant deux gares. Seul l’agent de conduite à qui on l’a remit peut s’engager sur ce canton. Ce système élémentaire est encore très répandu dans le monde. Il ne protège pas contre le rattrapage mais seulement contre le nez à nez. Une deuxième étape fût réalisée par le cantonnement téléphonique encore très utilisé. L’installation au sol repose encore sur l’Homme: à chaque extrémité du canton (qui peut être une gare, ou un « cantonnier » disposant d’un téléphone) : * l’envoi du train de A à B se fait après entente entre les Agents des deux gares de sorte qu’aucun train ne puisse être autorisé à quitter A tant que le premier n’a pas atteint B.

A B

V max Vitesse

Espace


325

La sécurité repose sur la bonne compréhension entre Agents et le respect de l’interdiction mutuelle d’envoi du deuxième train. Ce mode de cantonnement ne nécessite pas de signaux en ligne. Par contre il peut être impossible de communiquer avec l’agent de conduite du train en ligne, sauf s’il dispose d’une liaison radio sol - train. La troisième étape consiste à matérialiser les autorisations de circulation par des « signaux » protégeant chaque canton : c’est le système du « block ». Il peut être soit manuel, soit automatique.

Le BLOCK MANUEL

Pour autoriser le train à quitter A, l’Agent appui sur le « bouton ANNONCE » qui a pour effet, si aucun train n’arrive de B, de bloquer le signal de B pour empêcher toute engagement du canton. Ce blocage étant obtenu, le signal de A autorise le départ du train, et se referme derrière lui. Le retour à l’état initial se fait lorsque le train a atteint B; l’Agent B appuie alors sur le « bouton REDDITION » confirmant la libération du canton.

Bouton « ANNONCE »

Voyant Bouton

« REDDITION »

A B


326

Le BLOCK AUTOMATIQUE

C’est le train lui-même, par détection de sa présence dans un canton, qui se protège selon le principe ci-dessous : Le train occupant le canton 4 provoque l’allumage du signal d’entrée au ROUGE, celui du canton 3 au JAUNE - avertissement , tandis qu’il libère le canton 2 avec son signal d’entrée VERT - voie libre. La longueur de chaque canton est dimensionné pour permettre le freinage normal. En pratique à 160 km/h, la longueur varie de 1500 à 2700 m, en fonction du profil de la ligne, des caractéristiques de freinage moyenne des circulations. Le principe d’un tel block, appelé « BLOCK AUTOMATIQUE LUMINEUX » -BAL - est basé sur un « circuit de voie » dont le schéma de principe est donné ci-dessous : Un générateur est connecté aux 2 files de rails à une extrémité du canton. A l'autre extrémité un relais est normalement excité et permet l'allumage d'une lampe verte pour le canton suivant. Le passage d'un essieu shunte les 2 files de rails de sorte que le relais R se désexcite et l'un de ses contacts allume une lampe rouge. (pour faciliter la compréhension, ne sont représentés que les signaux rouge et vert)

AVERTISSEMENTVOIE LIBRE ARRET

ABSOLU

canton 1 canton 2 canton 3 canton 4

-

+

-

+

-

+


327

Une variante pour ligne à plus faible trafic à cantonnement plus long s’appelle « BLOCK AUTOMATIQUE à PERMISSIVITE RESTREINTE » - BAPR . D’autres systèmes de détection de présence ou de passage sont utilisés tels que :

• la pédale de passage • le compteur d’essieux

La pédale de passage est électromécanique à levier actionné par les boudins de l’essieu ou à circuit magnétique modifié par la roue :

Le compteur d’essieux s’intéresse aux circulations présentes dans le canton : une détection de passage est implantée à l’entrée et à la sortie de sorte qu’une logique effectue en permanence la comparaison entre ce qui « rentre » et ce qui « sort » ; l’identité signifie que le canton est revenu à son état initial : ITINERAIRES et ENCLENCHEMENT Un ITINERAIRE est un chemin parcouru dans un sens donné. Il est établi par les branchements et traversées commandés et protégés grâce aux ENCLENCHEMENTS. Un enclenchement est un dispositif matériel qui traduit une contrainte ou une dépendance entre deux actions. Les premiers enclenchements furent réalisés par des systèmes mécaniques complexes de leviers, tringles, cames, taquets, etc…L’étendue des enclenchements ne cesse de croître: ils sont réalisés par des technologies électromécaniques ou électronique. Les principaux types d’itinéraires sont :

VOIE UNIQUE

Toute circulation est protégée contre une circulation en sens inverse :

DOUBLE VOIE

Chacune est spécialisée à un sens de circulation : seul l’espacement des trains est à prendre en compte.

DOUBLE VOIE BANALISEE

Les deux sens de circulation sont possibles sur chacune des voies, sans restriction de vitesse. L’espacement et l’autorisation de circulation sont à prendre à compte.

VOIE LIBRE ARRET

ABSOLU

Compteur d’entrée 1 Compteur de sortie 2

Compteur de sortie 3


328

ITINERAIRE PERMANENT de CONTRE-SENS (IPCS

Une voie peut être exceptionnellement empruntée à contre sens; les installations de protection sont cependant permanentes.

BRANCHEMENT (ou AIGUILLAGE)

Une double protection doit être assurée: l’accès sécant par un autre train et l’itinéraire en « voie déviée » (aiguille prise en pointe) généralement parcourue à vitesse réduite.

ralentissement rappel de ralentissement

Aiguille prise en pointe

Aiguille prise en talon


329

TRAVERSEE

Elle est protégée des voies de croisement: Les installations de contrôle de vitesse La «signalisation de vitesse » est mise en œuvre selon deux principes :

• soit par signalisation ponctuelle, avec ou sans contrôle de vitesse • soit par signalisation et contrôle continus

La signalisation ponctuelle sans contrôle de vitesse

L’agent de conduite est en possession d’un livret de marche indiquant les vitesses à respecter sur toutes les sections de ligne à parcourir, y compris les limitations temporaires dues à des travaux par exemple. Ces indications de vitesse sont matérialisées sur le terrain par des « Tableaux Indicateurs de Vitesse » TIV, fixes, temporaires ou effaçables.

La signalisation ponctuelle avec contrôle de vitesse

Dans les systèmes classiques de signalisation le contrôle de vitesse se réduit à un simple contrôle de l’observation des signaux: la « vigilance ». L’agent de conduite, lors du franchissement d’un panneau « restrictif » - avertissement, TIV - doit appuyer sur un bouton-poussoir validant son observation. S’il ne le fait pas, l’équipement embarqué de l’engin déclenche le freinage d’urgence. Par contre si après avoir vigilé il n’observe pas réellement la restriction de vitesse, il y a risque majeur d’accident. C’est pourquoi les systèmes classiques sont complétés par un contrôle de vitesse de sorte que l’équipement embarqué de l’engin « surveille » la décroissance de la vitesse suivant une courbe enveloppe, fonction de la charge et de la vitesse de la ligne. L’équipement embarqué est « informé » au moyen de « balises » disposées au droit du signal:

S1 S2

Vitesse

Enveloppe de décroissance de

vitesse

0

TIV d’annonce

Reprise à Vmaxde la ligne

80 ZRDébut

de zone à 80 km/h

S1

S2


330

La signalisation et le contrôle continus de la vitesse

L’agent de conduite est informé en permanence de la vitesse à respecter. Les rails sont utilisés comme porteurs d’un courant de fréquence codée. L’engin moteur le capte par au moyen d’enroulements placés à l’aplomb des rails grâce au phénomène de l’inductance mutuelle : En fonction de l’occupation des cantons précédents, la fréquence du courant de signalisation indique en clair la vitesse à respecter. En cas de dépassement, l’équipement embarqué déclenche le freinage d’urgence. C’est le système appelé « Transmission Voie - Machine ». Sur le terrain, le cantonnement est matérialisé par un panneau de couleur; c’est lors de son franchissement qu’il y a possibilité de changement de consigne de vitesse. Le diagramme de signalisation de vitesse est donné ci-dessous, à titre d’exemple:

2 7 0

affichage en cabine

3 0 0 0 0 0 2 2 0 1 6 0

Générateur de fréquences codées

capteurs

285 235

170

35

section tampon

freinage automatique

315


331

Les EQUIPEMENTS EMBARQUES A l’origine de la signalisation aucun équipement n’était embarqué à bord de la locomotive: l’agent de conduite était l’unique « interface » avec le sol. L’évolution et la complexité des informations transmises ont demandé leur traitement et leur enregistrement à bord. On distingue deux catégories d’équipements embarqués suivant leur nature :

• équipements passifs, capables d’enregistrer les événements propres à la signalisation • équipements actifs intervenant directement sur le fonctionnement de l’engin

Equipements passifs Il s’agit de répéter à bord ce que l’agent observe et d’enregistrer les informations reçues. La répétition à bord s’effectue par signal sonore ou lumineux. La transmission d’information entre voie et machine s’effectue par simple contact de passage entre une brosse flexible placé sous le bogie de l’engin et une pièce métallique, communément appelé « crocodile », placé entre les rails : Le crocodile est polarisé + ou - par rapport au rail suivant l’indication « voie libre » ou « signal fermé ». Un équipement en secours, est constitué par un « pétard » placé sur le rail : au passage de la roue il explose, provoquant une forte détonation audible par l’agent de conduite. Le pétard peut être placé manuellement par un Agent sur la voie désirant « doubler » une protection, mobile pour travaux par exemple; soit automatiquement au droit d’un signal fermé. L’enregistrement des informations de signalisation se fait généralement sur la bande tachygraphique, simultanément avec celui de la vitesse :

base de temps

enregistrement de vitesse

enregistrement des signaux

S1

S2

crocodile

brosse crocodile


332

Equipements actifs Les informations de signalisation sont, après traitement, directement opérantes sur le fonctionnement de l’engin de traction. Différentes applications ont été développées en fonction de la signalisation au sol et de l’évolution de la conduite.

Déclenchement du freinage d’urgence par l’intermédiaire de la veille automatique

C’est le dispositif généralisé sur les engins classiques parcourant les lignes équipées de signalisation par block :

Contrôle de vitesse par balises

L’engin est muni d’un capteur actif et d’un calculateur comparant l’enveloppe théorique de décroissance de la vitesse et la courbe réelle. Si cette dernière est comprise à l’intérieur de la première l’initiative est laissée à l’agent de conduite; dans le cas contraire le freinage d’urgence est mis en action. Avant le départ, l’agent saisit les paramètres du convoi : vitesse limite, charge remorquée, nombre d’essieux.

Transmission Voie-Machine - Signalisation de cabine

Les rails sont transmetteurs continus d’informations traitées de manière à être visualisées pour l’agent de conduite en consigne de vitesse. Un contrôle de vitesse permanent agit sur le freinage d’urgence en cas de non respect. Des informations ponctuelles peuvent être intégrées au dispositif, telles que: sectionnement de caténaire, changement de type de signalisation, etc…

équipement sol(crocodile)

captage (brosse de contact)

traitement

répétition enregistrement

veille automatique

FREINAGE d’URGENCE

capteur

écran d’entrée paramètres et d’informations agent

calculateur commande frein

balise


333

Les SYSTEMES de SIGNALISATION EUROPEENS L’histoire nous apprend que chaque réseau a développé son propre système de signalisation. Entre chaque pays ils constituaient d’ailleurs de véritables frontières ! En France, avant la création de la SNCF, chaque compagnie disposait du sien : Bloc PD, Bloc Lartigue, Alsace – Lorraine, PLM, etc… Les exigences de sécurité conjuguées au développement de la grande vitesse ont engendré de nouveaux systèmes tels que le KVB ou la TVM en France. Que dire en Europe lorsque l’heure est à l’interpénétration des trains ? Le défi est de taille lorsque l’on regarde la carte ci-dessous :

RPS KVB TVM

ASFA LZB

EBICAB 700

EWS

TBL ATB

BACC RSDD

EBICAB 700

EBICAB 900

ZUB 123

INDUSI LZBKHP

EVM

ZUB 121


334

Les exploitants et industriels mettent au point un systèmes capable d’intégrer chacun : c’est l’ERTMS - European Railway Trafic Managing System – Le sysnoptique mis en œuvre est décrit ci-dessous :

Côté VOIE

Logiq

ue de Bloc Radio

• Systèmes de gestion • Systèmes d’information • Disponibilité des agents de conduite • Disponibilité des véhicules • Systèmes de billetterie • Autres

Systèmes de signalisation existants

Signal d’enclenchement, etc…

Logique Logique de commande d’itinéraire

interface interface interface

Logique de

commande

Logique d’itinéraire

interface

interface

Transmission continue

de données

Transmission discontinue de données

Transmission continue

de données

Récepteur

InterfaceFrein

InterfaceAgent

Radio

Carte Itinéraires

Enregistreur

Odomètre Autres fonctions

Intégrité Train

Processeur ETCS

TVM LZB ETC ATB ..

Bus ETCS

boucle

balise


335

Les POSTES de COMMANDES La commande des itinéraires et leurs enclenchements est centralisée dans des postes d’aiguillages dont les principaux types sont :

PRS : Poste tout Relais à Transit Souple

L’Aiguilleur prépare un itinéraire par une seule manœuvre commandant tous les aiguillages et leur signaux de protection ou d’indication associés. Au fur et à mesure de l’avancement du train les aiguilles franchies sont libérées: c’est le transit souple. Un tel poste est réalisé par un montage et un câblage de tous les relais entre eux.

PRG : Poste tout Relais à câblage Géographique

Même principe; les relais sont montés sur des platines pré câblées représentatives d’une entité tel qu’un aiguillage. Le câblage du poste se réduit au raccordement des platines entre elles par un câblage standard.

PRCI : Poste tout Relais à Commande Informatique

Les commandes à la disposition de l’Aiguilleur sont informatisées tandis que la partie sécuritaire reste à base de relais.

PAI : Poste d’Aiguillage Informatisé

Enclenchements entièrement informatisés. Exemple de synoptique d’un PRCI

contrôle de position d’aiguille

moteur d’aiguille circuit de

voie

Tableau de Contrôle Optique TCO

écran de dialogue

imprimante d’archivage

entrées / sorties

commande informatique

RELAIS de SECURITE


336

La SIGNALISATION SPECIFIQUE de TRACTION ELECTRIQUE Les différentes configurations d’alimentation en énergie de traction doivent être

indiquées à l’agent de conduite. Il s’agit des signalisations : de sectionnement entre deux sous-stations alimentées sous phases différentes

de séparation entre deux types d’alimentation – monophasé et continu par exemple

En fin de zone électrifiée une signalisation de « baisser pantographe » se présente ainsi :

annonce Fin de zone

SECT à 500m

début de zone

annonce début 1500 V fin 25000 V

25 000 1500


337

Annexe 1

LIGNES DE CHEMIN DE FER DANS LE MONDE


338


339

Pays V. large V. Normale V. Etroite Total électrifié % électrifiéAlbanie 674 674 0Allemagne 43555 146 43701 18164 42Autriche 5336 336 5672 3418 60Belgique 3368 3368 2371 70Bosnie Herzegovine 1021 1021 795 78Bulgarie 4049 245 4294 2650 62Croatie 2296 2296 796 35Danemark 2874 2874 434 15Espagne 12570 515 1867 14952 7539 50Finlande 5880 5880 2054 35France 32612 164 32776 13799 42Grèce 1565 938 2503Hongrie 37 7614 176 7827 2416 31Irlande 1947 1947 37 2Italie 18480 1022 19502 10725 55Luxembourg 275 275 262 95Macédoine 699 699 233 33Montenegro 4656 4656 1341 29Norvège 4023 4023 2422 60Pays-Bas 2739 2739 1991 73Pologne 659 23014 1855 25528 11531 45Portugal 2761 307 3068 464 15Rép. Tchèque 9336 94 9430 2743 29Roumanie 45 10893 427 11365 3723 33Royaume-Uni 16534 16534 5090 31Slovaquie 106 3510 52 3668 1472 40Slovénie 1201 1201 499 42Suède 10032 61 10093 7663 76Suisse 3540 1041 4581 4547 99Turquie 10413 10413 1033 10Yougoslavie 4031 4031 1341 33

EUROPE 24005 228855 8731 261591 111553 43Arménie 590 590 590 100Azerbaïdjan 1850 1850 1278 69Biélorussie 5410 20 0 5430 875 16Estonie 1204 1204 139 12Georgie 1415 1415 37 3Kazahkstan 14120 14120 3050 22Kirkizia 376 376Lettonie 2380 33 2413 271 11Lituanie 2002 2002 122 6Moldavie 1328 1328Ouzbekistan 3380 3380 300 9Russie 86197 0 1191 87388 38994 45Tadjikistan 481 481Turkménistan 2187 2187Ukraine 23346 49 556 23951 8600 36

C E I 146266 69 1780 148115 54256 37


340

Pays V. large V. Normale V. Etroite Total électrifié % électrifiéAfrique du Sud 22355 22355 8214 37Algerie 2864 1081 3945 301 8Angola 3398 3398Arabie Saoudite 1392 1392Benin 578 578Botswana 888 888Burkina Faso 1892 1892Camerooun 1006 1006Congo 609 609Congo (ex- Zaïre) 5138 5138Côte d'Ivoire 660 660Egypte 4548 4548 42 1Ethiiopie 1087 1087Gabon 668 668Gahana 953 953Guinee 662 662Irak 2422 2422Iran 94 5243 5337 149 3Israël 530 530Jordanie 677 677Kenya 2652 2652Liban 222 222Madagascar 883 883Malawi 789 789Mali 641 641Maroc 1907 1907 1003 53Mauritanie 704 704Mozambique 2988 140 3128Namibie 2382 2382Nigeria 52 3505 3557Ouganda 1241 1241Sénégal 906 906Soudan 4764 4764Swaziland 301 301Syrie 1766 232 1998Tanzanie 4460 4460Togo 525 525Tunisie 502 1758 2260 68 3Zambie 1273 1273Zimbabwe 2759 2759 313 11

AFRIQUE 1709 25586 68802 96097 10090 10MOYEN-ORIENT


341

Pays V. large V. Normale V. Etroite Total électrifié % électrifiéArgentine 34641 169 0,5Bolivie 3643 3643Bresil 4011 25732 29743 1886 6,3Canada 71180 71180 185 0,3Chili 3042 441 3483 1351 38,8Costa-Rica 950 950 128 13,5Cuba 4807 4807 147 3,1Equateur 965 965Etats-Unis 254188 254188 2718 1,1Guatemala 600 600Honduras 595 595Jamaïque 272 272Mexique 20425 90 20515 246 1,2Nicaragua 240 240Panama 76 278 354Paraguay 441 441Pérou 3113 471 3584Répub. Dominicaine 375 375Salvadore 601 601Uruguay 2991 2991Venezuela 611 611

AMERIQUES 7129 358403 34606 434779 6830 2Pays V. large V. Normale V. Etroite Total électrifié % électrifié

Australie 1293 15297 15521 32111 3141 9,8Bangladesh 923 1822 2745Cambodge 603 603Chine 53565 666 54231 8434 16Corée 3052 46 3098 557 18Corée du Nord 8000 8000 3940 49Inde 72939 51932 124871 22971 18Indonésie 6458 6458 125 2Japon 3081 20525 23606 15269 65Malaisie 1675 1675Manmyar (Birmanie) 4621 4621Mongoli 1928 1928Nouvelle Zélande 3973 3973 509 13Pakistan 7718 445 8163 293 4Philippines 805 805Sri Lanka 1459 1459Taïwan 1108 1108 498 45Thaïlande 3865 3865Vietnam 400 2205 2605

ASIE OCEANIE 86260 83395 116270 285925 69397 24Total 265369 696308 230189 1226507 245296 20


342

BBIIBBLLIIOOGGRRAAPPHHIIEE La VOIE FERREE Jean Alias Eyrolles 1984 MODERN RAIWAY TRACK Coenraad Esweld MRT-Productions 1989 FRENCH RAILWAY TECHNIQUES Sycafer 1981 Théorie simplifiée des longs rails soudés Jean-Pierre Fortin RGCF 1999 Recherche sur la voie ballastée Nathalie Guérin Jean-Pierre Huille RGCF 1999 Les essieux orientables : un problème posée dès 1846 Clive Lamming RGCF 3/2001 Expérience de la RATP dans le domaine des essieux orientés à roues indépendantes Yvon Noël RGCF 3/2001 Stabilité transversale des véhicules en alignement Roland Joly Christos Pyrgidis Rail International 1996 Conception des bogies modernes Jean-Michel Petit Revue ALSTHOM 1988 Le tunnel sous la Manche B. Lemoine Le Moniteur 1994 TRAINS de RÊVE et RÊVE de TRAINS Collection du Musée Français du Chemin de Fer GUIDE de la TECHNIQUE Presses Polytechniques et Universitaires Romandes Détermination des installations fixes de traction J. Laureanceau RGE 1979 Histoire de la caténaire 25 kV J. Luppi ; JP. Lamon RGCF 1992 LA GRANDE AVENTURE du TGV Clive Lamming Larousse Réflexion sur la tenue sur voie Fernand Nouvion SNCF 1970 Cours de traction électrique André Cossié Alsthom Histoire de la traction électrique Fernand Nouvion ; B. Woimant ; Y. Machefer –Tassin

La Vie du Rail La TRACTION ELECTRQUE Pierre Patin Eyrolles 1954


343

La TRACTION à MOTEURS THERMIQUES Marcel Châtel Eyrolles 1960 Les CHEMINS DE FER Larousse TRACTION ELCTRIQUE Roger Kaller, Jean-Marc Allenbach Presses Polytechniques et Universitaires Romandes Le MATERIEL MOTEUR SNCF Jacques Defrance Editions NM ALCATEL ALSTHOM Larousse Equipement de la locomotive électrique CC 20002 J. Demoulin ; Francis Jonard Revue JS n° 14 Railway Transport Conference Henri Rollet New Dheli 1989 L’adhérence en traction ferroviaire Pierre Chapas

Thèse d’Ingénieur DPE - CNAM 1977 La dynamique du mouvement des trains Marcel Bernard SNCF 1975 Traction électrique – Convertisseurs de puissance V. Sabaté Alstom Procédés modernes d’entraînement à vitesse variable Robert Chauprade

RGE n° 10 1978 A new traction system via self controlled synchronous motor André Cossié

Conference Power Conversion Munich 1981 Locomotives à moteurs synchrones Jean Hamel ; H. May Revue JS n° 34 La BB 10003 à moteurs synchrones Jean Bonifas Chemin de Fer n° 378 Un nouveau système de propulsion pour le métro de Paris Jean Bonifas Revue ALSTOM 1992 Traction électronique avancée Marc Debruyne Revue ALSTOM 1990 Les transmissions électriques de puissance Bernard Lerouge ALSTOM Cours de freinage ferroviaire LM. Godefroy ALSTOM Manuel de freinage ALSTOM Initiation aux systèmes de signalisation Antonio Mesaglio ALSTOM


344

Revues, périodiques : La Vie du Rail 1957 à 2001 Rail Passion 1995 à 2001 Revue Générale des Chemins de Fer 1954 à 2001 Revue Chemin de Fer depuis création International Railway Journal Rail International – Schienen der Welt Le Rail Le Train Voies Ferrées Elektrische Bahnen Eisenbahntechnische Rundschau European Railway Review Railway Gazette International Zeleznici Magazin Rail et Recherche Magazine de la recherche SNCF Fret magazine Toute l’actualité du fret SNCF

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