Auteur: Dr. David Rhodes, ancien directeur technique chez Pandrol

Fixations de rail pour les applications de fret lourd

Le Dr David Rhodes, expert en fixations de rail, explique comment répondre aux exigences particulières des réseaux ferrés de fret lourd grâce au cahier des charges.

« En apparence, les fixations de rail ne sont pas obligées d’en faire plus dans les applications de fret lourd que dans n’importe quel autre réseau. Des sections de rail plus lourdes et un espacement plus étroit entre les traverses peuvent compenser des charges à l’essieu plus élevées et la charge sur les fixations n’a pas besoin d’être plus élevée que d’habitude. Cependant, dans la pratique, les exigences des opérateurs spécialisés dans le transport lourd sont telles que des approches très différentes de la conception des composants de la voie sont généralement nécessaires.

La conception détaillée des systèmes de fixation de rail a une incidence sur les paramètres tels que l’écartement et la rigidité de la voie et l’inclinaison des rails, qui ont tous une incidence sur les interactions mécaniques de l’interface roue-rail. Bien sûr, tout cela fait de la rédaction d’un cahier des charges des fixations un facteur essentiel pour la bonne exploitation d’un réseau, mais dans le cas du fret lourd, trois facteurs supplémentaires apparaissent et se combinent pour rendre ces exigences encore plus difficiles à satisfaire.

Tonnage annuel élevé

Tout d’abord, par rapport aux voies classiques, le tonnage annuel de fret lourd peut être très élevé. Dans les applications classiques, un trafic de 20 millions de tonnes par an permet de considérer une ligne comme étant assez fréquentée. Mais 200 millions de tonnes par an pour un réseau de fret lourd n’est pas une valeur inhabituelle. L’effet évident est que si les composants nécessitent toujours un entretien ou un remplacement après le même tonnage de passage cumulé, ces besoins en entretien ou en maintenance sont atteints dans un délai beaucoup plus court. Ce qui est moins évident, c’est l’effet que ces paramètres ont sur l’analyse du coût du cycle de vie. Les activités de maintenance qui pourraient être ramenées à une valeur actualisée nette négligeable sur une voie de chemin de fer classique, parce qu’elles se produisent loin dans le futur, sont un facteur beaucoup plus importants pour les voies de fret lourd.

Pour ne parler que des fixations de rail, le coût de l’entretien et du remplacement ne réside pas dans le coût des composants eux-mêmes, mais dans le coût de la main-d’œuvre et des fermetures de voie. Le remplacement de petites pièces de voie uniquement lorsque d’autres travaux de maintenance, tels que le remplacement de rails, sont en cours, présente des avantages économiques considérables. Cela suggère que des économies considérables peuvent être réalisées en veillant à ce que la durée de vie des composants des fixations dépasse celle du rail, et cela devient encore plus difficile à mesure que la durée de vie des rails augmente, les grands compagnie ferroviaires américaines de fret lourd tablent aujourd’hui sur une durée de vie des rails équivalent à 3 milliards de tonnes de trafic sur voie droite. Dans le cas d’une ligne de fret lourd avec un tonnage annuel élevé, la valeur actualisée nette de ces économies est suffisamment élevée pour justifier un investissement dans des composants plus durables.

Des forces de traction élevées

En second lieu, les effets des forces de traction sur les contraintes longitudinales sur les voies peuvent être très importants. Pour la plupart des réseaux classiques, une fois que les problèmes de dilatation et de contraction thermiques ont été pris en compte, les forces de freinage maximum seront par défaut capable de résister aux forces de traction appliquées. Dans les applications de transport lourd, ce n’est pas le cas. Dans les montées, l’application soutenue de forces de traction élevées, train après train, peut induire des types de défaillance de voie que l’on ne rencontre pas ailleurs. Le premier signe de défaillance est généralement le déplacement non homogène des traverses qui dévient par rapport aux rails et au ballast.

La solution à cette problématique réside dans la conception, la construction et l’entretien d’une plateforme de voie de haute qualité, et à une attention particulière portée au choix de fixations offrant une élasticité de cisaillement longitudinale appropriée. Des essais effectués sur plusieurs lignes pendant plusieurs années ont montré que différents types de semelles de rail présentant des performances similaires à celles constatées lors des essais d’homologation de type classiques délivrent néanmoins des performances très différentes en termes de réduction des effets des forces de traction élevées.

Climats extrêmes

Enfin, les voies de fret lourd ont la particularité d’exiger toutes ces choses dans les environnements les plus hostiles de notre planète. Les gisements miniers, en particulier ceux de minerai de fer, étant exploités dans des endroits de plus en plus inaccessibles, il devient nécessaire de concevoir des voies pouvant être construites, exploitées et entretenues dans des conditions climatiques extrêmes. Pour les composants en acier et en béton, cela n’est pas trop difficile, mais deux facteurs en particulier se comportent très différemment à des températures et humidités extrêmes.

Les problèmes techniques les plus importants sont ceux associés aux plastiques. Dans un système de fixation de rail, les plastiques servent à l’isolement électrique, à l’élasticité et parfois à des éléments d’usure sacrificiels. Des matériaux tels que le nylon fonctionnent bien dans la plupart des climats mais ils se ramollissent par temps chaud et humide et deviennent fragiles par temps sec. Des travaux de recherches importants sont en cours pour trouver des additifs susceptibles d’atténuer ces effets ou pour évaluer l’utilisation de polymères chimiques complètement différents, qui n’offrent peut-être pas les meilleures performances en conditions « normales », mais qui fonctionnent de manière acceptable dans de nombreux environnements extrêmes.

Autre chose qui ne fonctionne pas aussi bien dans les climats extrêmes : le corps humain ! Cela peut ne pas sembler être un problème technique, mais le fait est que le nombre d’ouvriers prévu pour la construction ou pour des interventions d’entretien ou de maintenance est toujours important. Lorsque les lignes de transport lourd sont construites dans des endroits inaccessibles et inhospitaliers, la pression pour introduire davantage d’automatisation et allonger les intervalles d’entretien est accrue en raison du facteur humain qui doit être pris en compte.

Cahier des charges et normes

La plupart des voies de fret lourd en projet ou construites aujourd’hui ne sont pas proposés par des compagnies établies, mais par des sociétés minières. La voie devient un des nombreux aspects du projet minier, il s’agit en effet du moyen le plus économique et le plus fiable de transporter des matériaux en vrac de la source au consommateur. Ainsi, dans la plupart des cas, la conception, la construction et même l’exploitation de la voie font l’objet d’un appel d’offres de la même manière que pour tout autre investissement en capital. Ce processus nécessite un cahier des charges des performances techniques qui peut être inclus dans un contrat commercial. Le problème est qu’aucune norme technique établie ne tient compte du type de facteurs évoqués ci-dessus. Pour compliquer encore les choses, les normes techniques existant au sein de chaque réseau ferroviaire sont étroitement interdépendantes.

Par exemple, le calcul des charges appliquées pour tester une traverse ou système de fixation de rail repose sur des hypothèses concernant la rigidité et la régularité de la plateforme de la voie. Ces éléments reposant à leur tour sur une autre hypothèse, à savoir que les limites d’entretien des voies spécifiées ailleurs dans le système seront respectées, et que ces limites sont basées sur une évaluation empirique des conditions de circulation et de voies en particulier. Se contenter d’adopter le cahier des charges d’une voie pour l’appliquer à une autre ailleurs dans le monde est rarement suffisant. Le secteur du fret lourd est connu pour sa propension au partage des connaissances techniques par le biais d’organisations telles que l’IHHA. C’est grâce à ce processus que les meilleures pratiques peuvent être « exportées » et appliquées à de nouveaux projets plus complexes.

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