Fixations de rails pour les applications de Transport lourd

« À première vue, les fixations ferroviaires utilisées dans les applications de Transport lourd ne doivent pas remplir de fonction supplémentaire par rapport à celles utilisées sur n’importe quelle autre ligne ferroviaire. Des profilés de Rail plus lourds et un espacement plus réduit entre les traverses permettent de compenser la Masse / Charge par essieu plus élevée, et la charge exercée sur les fixations n’a pas besoin d’être plus importante que d’habitude. Cependant, dans la pratique, les exigences des opérateurs spécialisés dans le Transport lourd sont telles qu’il est généralement nécessaire d’adopter des approches très différentes en matière de conception des composants de la voie.

La conception détaillée des systèmes de fixation des rails influe sur des paramètres tels que l’écartement des voies, la Rigidité de la voie et l’Inclinaison du Rail, qui, à leur tour, affectent tous la mécanique de l’interface roue-Rail. Il va de soi que tout cela fait des spécifications de fixation un facteur essentiel au bon fonctionnement des chemins de fer ; toutefois, dans le cas des lignes de Transport lourd, trois facteurs supplémentaires sont mis en avant, qui, combinés, rendent ces exigences encore plus complexes.

Tonnage annuel élevé

Tout d’abord, par rapport aux chemins de fer conventionnels, le tonnage annuel transporté par les réseaux de Transport lourd peut être très élevé. Dans les applications conventionnelles, 20 millions de tonnes par an correspondent déjà à une ligne très fréquentée. Dans le cadre de l’exploitation de lignes de transport lourd, un volume de 200 millions de tonnes par an n’a rien d’exceptionnel. L’effet évident est que si des composants nécessitent encore un entretien ou un remplacement après avoir atteint le même tonnage cumulé, ce besoin d’entretien est atteint dans un délai beaucoup plus court. Ce qui est moins évident, c’est l’impact que cela a sur l’analyse du coût du cycle de vie. Les activités d’entretien qui, sur un réseau ferroviaire conventionnel, seraient actualisées à une valeur actuelle nette négligeable – car elles se produiraient dans un avenir très lointain –, revêtent une importance bien plus grande sur un réseau de Transport lourd.

Au niveau détaillé des fixations Rail, le coût de l’entretien et du remplacement ne réside pas dans le coût des composants eux-mêmes, mais dans celui de la main-d’œuvre et des fermetures de voie. Le remplacement des petits composants de voie uniquement lors de la réalisation d’autres travaux d’entretien, tels que le Renouvellement du Rail, présente des avantages économiques considérables. Cela suggère que des économies substantielles peuvent être réalisées en veillant à ce que la durée de vie des composants de fixation dépasse celle du Rail – ce qui devient un défi de plus en plus difficile à relever à mesure que la durée de vie des rails s’allonge, les grandes compagnies ferroviaires américaines spécialisées dans le Transport lourd prévoyant désormais que les rails résistent à un trafic de 3 milliards de tonnes sur des voies en tangente. Dans le cas d’une ligne de transport lourd présentant un tonnage annuel élevé, la valeur actuelle nette de ces économies est suffisamment élevée pour justifier l’investissement dans des composants plus durables.

Forces de traction élevées

D'autre part, les effets des forces de traction sur les contraintes longitudinales de la voie peuvent être très importants. Pour la plupart des chemins de fer, une fois que la voie a été conçue pour supporter les forces dues à la dilatation et à la contraction thermiques de la voie ainsi que les forces de freinage maximales prévues, elle est alors, par défaut, suffisamment solide pour résister aux forces de traction appliquées. Ce n’est toutefois pas le cas dans les applications de transport lourd. Sur les pentes ascendantes, l’Application soutenue de forces de traction élevées, train après train, peut entraîner des défaillances de la voie qui ne se produisent pas ailleurs. Généralement, le premier signe de défaillance est un déplacement irrégulier des Traverses, qui se déforment et se décalent par rapport aux rails et au Ballast.

La solution à ce problème réside dans la conception, la construction et l’entretien d’un lit de voie de haute qualité, ainsi que dans le choix minutieux de fixations de rails présentant une Élasticité au cisaillement longitudinal appropriée. Des essais menés sur plusieurs réseaux ferroviaires pendant plusieurs années ont montré que différents types de semelles sous Rail, qui présentent des performances similaires lors des essais d’homologation classiques, offrent néanmoins des performances très différentes en termes d’atténuation des effets des forces de traction élevées.

Climats extrêmes

Enfin, les chemins de fer pour le transport lourd se distinguent par le fait qu’ils doivent répondre à toutes ces exigences dans certains des environnements les plus hostiles de notre planète. À mesure que les gisements minéraux – en particulier le minerai de fer – sont exploités dans des lieux de plus en plus inaccessibles, il devient nécessaire de construire des voies ferrées pouvant être mises en place, exploitées et entretenues dans des conditions climatiques extrêmes. Pour les composants en acier et en béton, cela ne pose pas trop de difficultés, mais deux éléments en particulier se comportent de manière très différente dans des conditions extrêmes de Température et d’Humidité.

Les principaux problèmes techniques sont ceux liés aux plastiques. Dans les systèmes de fixation des rails, les plastiques sont utilisés pour assurer l’isolation électrique, la résilience et, parfois, pour servir d’éléments d’usure sacrificiels. Des matériaux tels que le nylon fonctionnent bien dans la plupart des climats, mais se ramollissent dans des conditions chaudes et humides et deviennent cassants dans des conditions sèches. D'importants travaux sont menés pour trouver des additifs capables d'atténuer ces effets ou pour évaluer l'utilisation de polymères techniques totalement différents, qui n'offrent peut-être pas les meilleures performances dans des conditions « moyennes », mais qui fonctionnent de manière acceptable dans un large éventail d'environnements extrêmes.

L’autre élément qui ne fonctionne pas très bien dans des climats extrêmes, c’est le corps humain ! Cela peut ne pas sembler être un problème technique, mais le fait est que nous comptons toujours beaucoup sur le travail manuel pour la construction et l’entretien des voies. Lorsque des lignes de Transport lourd sont construites dans des endroits inaccessibles et inhospitaliers, les pressions en faveur d’une automatisation accrue et d’un allongement des intervalles d’entretien s’intensifient en raison des facteurs humains supplémentaires dont il faut tenir compte.

Spécifications et normes

La plupart des lignes ferroviaires destinées au Transport lourd, actuellement en projet ou en construction, ne sont pas proposées par des compagnies ferroviaires établies, mais par des sociétés minières. La ligne ferroviaire fait partie intégrante du projet minier, car elle constitue le moyen le plus économique et le plus fiable d’acheminer des marchandises en vrac de leur lieu d’origine jusqu’au consommateur ; ainsi, dans la plupart des cas, l’ensemble des travaux de conception, de construction et même d’exploitation de la ligne fait l’objet d’un appel d’offres, à l’instar de tout autre investissement en capital. Ce processus nécessite un cahier des charges technique pouvant être intégré à un contrat commercial. Le problème est qu’aucune norme technique établie ne tient compte du type de facteurs évoqués ci-dessus. Pour compliquer encore davantage les choses, les normes techniques en vigueur au sein des différents réseaux ferroviaires sont étroitement interdépendantes.

Par exemple, le calcul des charges appliquées pour tester une traverse ou un système de fixation des rails repose sur des hypothèses concernant la Rigidité et l’uniformité du lit de voie. Celles-ci reposent elles-mêmes sur une autre hypothèse, à savoir que les limites d’entretien de la voie spécifiées ailleurs dans le système seront respectées – et ces limites sont fondées sur une évaluation empirique des conditions particulières de la voie et du trafic. Se contenter d’adopter les spécifications techniques d’un réseau ferroviaire et de les appliquer à un autre situé dans une autre partie du monde est rarement suffisant. Le secteur ferroviaire du Transport lourd possède une expérience enviable en matière de 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 » vers de nouveaux projets plus exigeants.