Auteur: Steve Cox

Des développements innovants pour les fixations de rail sur dalles

Steve Cox directeur technique de Pandrol examine la manière dont la mise en oeuvre et l’entretien des systèmes de fixation peuvent être adaptées à une utilisation sur des voies sur dalles préfabriquées pour le projet de voie grande vitesse High Speed 2 au Royaume-Uni.

« Dans le monde, les lignes à grande vitesse sont construites sur des voies avec ou sans ballast. Les deux méthodes ont fait leurs preuves et sont performantes, mais les caractéristiques du HS2 au Royaume Uni ont conduit à choisir un concept sans ballast pour la réalisation des voies sans appareillage de la phase 1. Le HS2 permettra la circulation de 18 rames par heure, à une vitesse de 330 km/h, avec un trafic > 60 millions de tonnes brutes par an. (MGTPA).

Il a été décidé de construire la voie avec des panneaux de dalles en béton préfabriqués, mesurant en général entre 5 et 6,5 m de long sur lesquels de 16 à 20 systèmes de fixation sont préinstallés. Les panneaux peuvent être fabriqués en usine dans un environnement contrôlé, réduisant ainsi les besoins de main d’oeuvre sur le chantier et les risques associés. Les panneaux endommagés peuvent être remplacés ce qui permet des réparations ou renouvellements de voie à la fois rapides et efficaces. Les conditions de sol sur le tracé du HS2 sont telles que des tassements et des soulèvements peuvent être anticipés. L’ajustement de chaque dalle est possible mais la manière la plus de simple de régler l’alignement est de régler les systèmes de fixations. L’exigence pour la HS2 est que les selles doivent permettre un ajustement vertical de 70 mm.

Sur les voies sans ballast, l’élasticité fournie normalement par le ballast doit être assurée par un autre biais. La rigidité de la voie du projet HS2 doit être de 64 kN/mm perçue au champignon du rail. Sur une dalle béton sans éléments élastiques, l’élasticité de la voie doit être fournie par les systèmes de fixation. Avec un travelage standard et pour un poids de section de rail de 60 kg, chaque fixation doit offrir une rigidité de 20 à 25 kN/mm.

Tous les éléments ci-dessus sont des exigences de base du projet HS2. Avoir recours à un fournisseur fiable disposant d’une bonne expérience de la grande vitesse est également une nécessité pour un projet majeur de cette nature. Mais dans ce contexte, comment une technologie éprouvée peut-elle être configurée pour fournir la meilleure fixation de voie possible pour répondre aux besoins particuliers de projet HS2 ? Et y a-t-il une marge d’innovation ? Ce sont des questions que Pandrol s’est posé. La selle Fastclip de Pandrol est parfaitement adaptée à la tâche.

La flexibilité grâce à des capacités d’ajustement maximum

La possibilité de réglage est une exigence essentielle, et ce selon plusieurs paramètres. L’amplitude des ajustements pouvant être effectués dans les sens vertical et latéral, leur précision, la facilité et la rapidité de réglage, ainsi que le nombre et la complexité de toute pièce supplémentaire ou pièces à remplacer sont tous des facteurs importants.

La capacité d’ajustement est essentiel pour plusieurs raisons. D’abord dans les courbes construites avec des panneaux courts et droits, les positions des fixations devront être modifiées pour permettre un alignement précis. Plus la courbe est serrée, plus le positionnement de la selle dans le sens latéral doit être réglé avec exactitude. Les fixations doivent être positionnées précisément afin de satisfaire aux exigences d’écartement des rails pour les lignes à grande vitesse.

Notre selle Fastclip peut être ajustée à l’infini dans le sens latéral. Elle peut être serrée et bloquée exactement à la position requise. Les selles peuvent également être légèrement pivotées par rapport a l’axe de la dalle, chaque selle étant alignée par rapport au centre de la courbe. Cela signifie que chaque dalle est identique aux autres et que chaque fixation est réglée exactement comme les autres lors de la construction initiale de la voie. Seules les positions exactes des selles installées sur une dalle différencient cette dernière des autres dalles de la voie. Ainsi, les dalles de rechange nécessaires en cas de réparations sont universelles et ne demandent pas à être construites spécifiquement avec les difficultés et les délais associés. Aucune configuration de fixation sur mesure n’est nécessaire pour obtenir un alignement exact de la voie.

Tandis que les lignes à grande vitesse construites dans les pays comme le Japon et Taïwan incluant des risques sismiques demandaient des amplitudes de réglage relativement élevés, généralement +50 mm, les exigences du projet HS2 demandent plus, 70 mm. La différence peut sembler minime, mais le moment de bascule qui agit sur la fixation est plus important, tous les supports en béton prévus pour absorber le charges latérales se retrouvent plus éloignés du niveau maximal de précontrainte ou de l’armature de la dalle. Pandrol a testé la nouvelle exigence de réglage de hauteur maximale de manière très approfondie. Nous avons effectué des essais prenant en compte les exigences du CEN européen, nous avons soumis la fixation à 3 millions de cycles de charge avec un bloc configuré de manière à pouvoir tester des ensembles adjacents à des hauteurs d’installation comprises entre +0 mm et +70 mm. Les fixations ont passé ces tests avec succès.

Sur les dalles avec semelle de rail, lors du réglage vertical, la position latérale de la section du rail se modifie également. Afin de conserver un contrôle étroit de l’écartement de la voie, les ajustements verticaux peuvent nécessiter le remplacement de composants déterminant l’alignement latéral, à moins que, comme la selle Pandrol, la position de la selle elle-même puisse être simplement ajustée. Un réglage en hauteur de +70 mm sur une inclinaison de rail de 1:20 comme dans le cas du HS2 entraîne une modification de l’écartement de 7 mm, très supérieure aux 2,5 mm résultant d’un réglage en hauteur maximum de +50 mm sur une voie 1:40, par exemple, en Chine.

Créer des efficacités de fabrication et d'installation

La combinaison de dalles universelles et de fixations universelles est extrêmement attirante, mais n’est pas nouvelle. Cependant, élément nouveau et innovant, Pandrol propose d’adapter ses selles aux dalles. Transposant l’expertise que la société a acquise via une utilisation dans ses lignes de production d’attaches, des robots seront utilisés pour saisir les selles et les placer exactement dans les positions et orientations requises. Les combinaisons de positions de selles sur une dalle donnée peuvent être sélectionnées en appuyant simplement sur un bouton. Le scan aide et confirme le positionnement de la selle, et la configuration de chaque dalle (et de son sens de pose) est codée dans une étiquette RFID apposée sur la dalle avant de quitter l’usine, ainsi la courbe ou la transition à laquelle est destinée cette dalle en particulier peut être identifiée à tout moment. L’installation robotisée augmente la fiabilité et la qualité de l’installation dont dépend la qualité de l’alignement final. Elle augmente également les rythmes de production et réduit les risques de retards ou d’interruptions.

L’installation robotisée des selles est grandement facilitée par le fait que la selle Pandrol peut être en grande partie pré-assemblée avant d’être installée sur la dalle en usine. C’est également un avantage pour le second aspect pour lequel l’ajustement est essentiel. L’entretien de la voie pendant toute sa durée de service. Une selle endommagée peut être remplacée en totalité. Il n’est pas nécessaire de démonter la fixation sur la voie, ni de savoir ensuite comment la remonter correctement. La possibilité d’effectuer des ajustements latéraux est un réel atout. La selle doit simplement être desserrée, replacée dans la position correcte et resserrée. Aucune pièce de rechange supplémentaire n’est requise et aucun démontage important n’est nécessaire. Les ajustements verticaux sont également très simples. La selle est desserrée, les cales supplémentaires nécessaires sont mises en place et la selle est resserrée. La conception plane des cales de réglage de hauteur elles-mêmes les rend simples et faciles à fabriquer, quelles que soient les épaisseurs précises requises. La mise en place de cales d’épaisseurs différentes dans le mauvais ordre ne présente aucun danger.

L'installation robotisée des selles est grandement facilitée par le fait que la selle Pandrol peut être en grande partie pré-assemblée avant d'être installée sur la dalle en usine.

La rapidité de la construction et des interventions d’entretien et de maintenance est importante, le système de selle Fastclip de Pandrol permet d’utiliser des moyens mécanisés pour insérer et retirer les attaches afin de permettre le remplacement et la mise en contrainte des rails. Les vitesses auxquelles les attaches peuvent être insérées et retirées sont exceptionnellement élevées et déjà réputées au Royaume-Uni. Les systèmes d’inspection optique des voies montés sur des rames techniques et permettant de vérifier la position et la sécurité du système Fastclip sans vissage, sont facilement disponibles et peuvent fonctionner à des vitesses relativement élevées, pouvant aller généralement jusqu’à 160 km/h. En plus de la rapidité, ces systèmes de maintenance et d’inspection contribuent également à réduire l’intervention humaine et à accroître la sécurité.

Atténuer le bruit et les vibrations

Comme il a été noté, la rigidité globale de la voie a été spécifiée par le projet HS2, et cela conditionne plusieurs aspects du comportement du système de voie-véhicule. Mais la plupart des fixations de rail utilisées sur les lignes à grande vitesse intègrent au moins une selle ou une plaque en acier, ainsi il est en principe possible d’introduire au moins deux couches élastiques, une en dessous et une au dessus de la selle. Même pour une rigidité globale prédéterminée et spécifiée de l’ensemble de la fixation, le choix de la rigidité de ces deux éléments individuels peut affecter les performances dynamiques globales. Cela peut à son tour influer sur le niveau de bruit aérien en bordure de la voie, ainsi que sur le comportement mécanique du système en réponse aux charges appliquées, bascule de rail, élargissement dynamique de l’écartement, etc. C’est un sujet complexe dont Pandrol a une bonne compréhension. Mais, afin de confirmer que ses conceptions offrent la meilleure atténuation possible des bruits aériens dans les limites données, Pandrol collabore étroitement avec l’Institution of Sound and Vibration Research (ISVR) de Southampton pour tester différentes options de conception fine.