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RÉSUMÉ
Tout moyen de transport est basé sur un principe physique et une technologie. Parmi les transports terrestres, le guidage forcé «roues-rails» caractérise le système ferroviaire. La trajectoire du véhicule est imposée, non soumise aux aléas du frottement transversal roue sur chaussée. La conséquence essentielle est de pouvoir atteler les véhicules les uns aux autres, constituant ainsi un «train», capable de transporter de très importantes charges. Le contact roue-rail, utilisant un faible coefficient de frottement, donne un excellent bilan énergétique le mettant en tête de tous les moyens de transport.
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Every means of transportation is based on a physical principle and a technology. Among terrestrial transportations, the railway system is characterized by the forced guiding between wheels and rails. The trajectory of the vehicle is imposed, and is not subjected to the road-tire transverse friction. Therefore, vehicles can be linked together, making up a train, capable of carrying very heavy loads. The wheel-rail contact, due to its low friction coefficient, has the best energy efficiency of all transportation systems.
Auteur(s)
-
Pierre CHAPAS : Ingénieur DPE, Senior expert ferroviaire
INTRODUCTION
Tous les moyens de transport reposent sur un phénomène physique : pesanteur et poussée d'Archimède pour la navigation, portance de l'air pour le vol aérien, frottement entre deux corps pour les transports terrestres. Les pas de l'homme et de l'animal sur le sol en sont une application. Transporter sur terre consiste à engendrer un mouvement suivant une trajectoire voulue, grâce à l'effort exercé par les membres inférieurs, équilibré par le frottement des pieds sur le sol.
La capacité de l'être humain et celle des animaux à porter une charge est limitée. L'invention de la roue a permis de constituer un véhicule capable d'accroître considérablement cette charge, grâce au faible frottement des roues sur le sol. C'est le développement des transports terrestres. Ce contact roue-sol ne garantit cependant pas la trajectoire désirée : si l'effort de frottement devient trop faible, les efforts transversaux, dus à la pesanteur ou à la force centrifuge, peuvent faire dévier de la trajectoire : c'est le dérapage. En outre, si la charge verticale sur la roue est trop importante en regard à la réaction du sol, la roue s'enfonce, c'est l'enlisement. Pallier ce risque remonte à l'Antiquité : les rues sont creusées « d'ornières » entre les dalles de pierres, par lesquelles les roues sont guidées. Dès le Moyen Âge et surtout au XVIe siècle, sont développées des « pistes de roulement et de guidage » permettant la répartition sur le sol des charges roulantes et la matérialisation de leur trajectoire. Les premiers rails métalliques sont introduits en Angleterre par Richard Reynolds en 1763. Les roues sont dotées d'un épaulement, appelé « boudin » assurant le guidage. Ainsi est-il possible d'atteler plusieurs véhicules les uns aux autres, constituant un « train » (du verbe traîner) ; chacun d'eux est guidé de façon autonome. Les charges remorquées deviennent alors très importantes : des trains minéraliers de plus de 20 000 tonnes circulent dans le monde.
Cette technologie est la base du « système ferroviaire ». Nous en analysons les caractéristiques physiques : géométrie du roulement et du guidage, nature du contact roue-rail, efforts en présence d' adhérence : condition d'exercice de la traction et du freinage.
Dans certains cas particuliers de transport urbain, la roue est équipée de pneumatique. Leurs caractéristiques de frottement et de guidage sont analysées en seconde partie.
Les roues sont intégrées dans un ensemble constituant le matériel roulant. L'architecture de ces organes de roulement permettant l'exercice des efforts en traction et en freinage est étudiée en troisième partie.
Certaines conditions de circulation, dues au profil de la ligne empruntée, ne permettent plus l'exercice des efforts de frottement résultant du simple contact roue-rail. D'autres solutions sont alors mises en œuvre, telles que la crémaillère ou le funiculaire. C'est l'objet de la quatrième partie.
L'ensemble des composantes du système ferroviaire repose sur le roulement. En termes de performances, de confort ou de sécurité, les organes de roulement font l'objet d'une maintenance très élaborée, étudiée en cinquième partie.
Les incidences environnementales telles que le bruit, le rejet de matériaux et l'énergie absorbée sont analysées en sixième partie.
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6. Roulement ferroviaire et environnement
La circulation des trains eut le monopole des transports terrestres de masse jusqu'au milieu du XXe siècle. À une époque où le concept environnemental n'existait pas, le chemin de fer se caractérisait par une pollution atmosphérique sans pareille, due essentiellement au rejet de vapeur saturée de scories charbonneuses, provenant de la traction par locomotives à vapeur. Mais très tôt, le problème de la pollution se résolut grâce au développement de la traction électrique, notamment pour les transports urbains.
Les réseaux ferroviaires sont caractérisés par trois types d'impacts sur l'environnement :
-
l'incidence du roulement sur le bilan énergétique de la circulation des trains ;
-
le rejet éventuel de matériaux ;
-
le bruit dû au roulement.
6.1 Bilan énergétique
Quel que soit le mode employé, le déplacement d'un véhicule demande une énergie capable de vaincre les causes qui s'y opposent. En déplacement terrestre, il s'agit en premier lieu, du frottement des roues sur le sol. La résistance à l'avancement a pour expression générale [D 5 520] :
![](figures/ul-trp3100niv10006/1/sl11430769-web.gif)
avec :
-
R (kN) résistance à l'avancement ;
-
V (m · s–1) vitesse du véhicule ;
-
A terme constant représente la résistance massique, indépendante de la vitesse qui intègre :
-
la résistance au roulement roue-rail due aux pertes par déformation élastique des métaux en contact,
-
les frottements des paliers d'essieux,
-
les frottements des organes de transmission de l'engin moteur (engrenages, paliers),
-
la résistance...
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Roulement ferroviaire et environnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PATIN (P.) - La traction électrique et diesel-électrique. - Collection des Chemins de Fer, Éditions Léon EYROLLES (1954).
-
(2) - CHÂTEL (M.) - La traction à moteurs thermiques. - Collection des Chemins de Fer, Éditions Léon EYROLLES (1960).
-
(3) - MOREAU (A.) - Le contact roue-rail. - Revue Générale des Chemins de Fer, Gauthier-Villars (1991).
-
(4) - PORTEFAIX (A.) - L'interface roue-rail. - Revue générale des Chemins de Fer, Gauthier-Villars (1976).
-
(5) - BRONCARD (Y.), MACHEFERT-TASSIN (Y.), RAMBAUD (A.) - Autorails de France. - Éditions La Vie du Rail (1992).
-
(6) - Les chemins de fer. - LAROUSSE (1964).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Tramways. Avantages, contraintes et exploitation.
-
Traction ferroviaire : les tramways. Systèmes, exploitation et conception.
NORMES
-
Homologation technique des roues monobloc – Document d'application de la norme EN 13979-1 - UIC 510-5 OR -
-
Matériel remorqué – Écartement des essieux - UIC 511 O -
-
Matériel pour le transport de voyageurs – Bogies – Organes de roulement - UIC 515 OR -
-
Matériel pour le transport de voyageurs – Bogies porteurs – Organes de roulement – Dispositions générales applicables aux organes constitutifs des bogies porteurs - UIC 515-1 OR -
-
Méthode de détermination de la conicité équivalente - UIC 519 OR -
-
Frein – Frein à disques et leur utilisation – Conditions générales pour l'admission de garnitures de frein - UIC 541-3 OR -
-
Frein – Freins avec semelles de frein en matériau composite – Évaluation de conformité – Conditions générales - UIC 541-3 OR -
-
...
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ALSTOM Transport http://www.alstom.fr
Groupe GHH-VALDUNES : production de roues, axes, essieux-montés ferroviaire http://www.ghh-valdunes.com
Régie autonome des Transports parisiens http://www.ratp.fr
Réseau ferré de France – RFF http://www.rff.fr
Société nationale des Chemins de Fer français http://www.sncf.com
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Union internationale des chemins de fer (UIC) http://www.uic.fr
Union des industries ferroviaires européennes http://www.unife.org
Fédération des industries ferroviaires http://www.fif.asso.fr
Association des industries ferroviaires du Nord – Pas-de-Calais ...
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