Le système de cahier des charges pour les systèmes de fixations récolte des récompenses dans le domaine du fret lourd

Allen Goff, Vice-Président du département ventes et marketing de Pandrol Amérique du Nord nous parle des défis auxquels sont confrontés les réseaux ferrés de fret lourd et nous explique pourquoi il est important de bien établir le cahier des charges des fixations dès le départ. Les voies dédiées au transport lourd sont généralement situées dans des régions à fortes concentrations en minerais fréquemment les plus difficiles à atteindre, et les plus inhospitalières. Les voies traversant ces terrains difficiles, où les températures peuvent varier entre +40 et -40 °C et où le tonnage transporté peut dépasser 200 mgt/an, requièrent des systèmes de fixation de rail capable de supporter ces conditions difficiles.

De nombreuses voies de transport lourd voient également les tonnages transportés s’accroitre car les prix et les volumes tendent à vouloir rattraper les faibles niveaux des années passées. Paradoxalement, de nombreux réseaux ferroviaires lourds ont été construits à une époque où la demande en minerais était réduite et le tonnage expédié réduit. Aux États-Unis, par exemple, le réseau de transport de fret lourd utilise des alignements définis au 19^e siècle et l’on trouve encore dans certaines zones des traverses en bois et des fixations à « crampons ».
L’augmentation du tonnage sur certaines voies a entraîné une détérioration prématurée de leur géométrie et des problèmes liés aux fixations, en particulier si les caractéristiques de celles-ci ont été mal définies à l’origine.

Dans ce type de situation, qui, de par leur nature même, se trouvent dans des endroits éloignés et difficiles à atteindre, il est essentiel d’installer un système de fixation nécessitant un minimum d’intervention et dont les performances durent sur le long terme.

Fort tonnage annuel 

Il n’est pas rare qu’une telle voie ferrée transporte aux environs de 200 millions de tonnes par an, contre environ 20 millions de tonnes par an pour les autres de types de voie. Même sur les voies ferrées destinées au fret lourd, le tonnage réellement transporté dépasse de loin les conditions pour lesquelles les voies étaient conçues à l’origine, ce qui augmente encore les contraintes appliquées aux rails, aux fixations et aux traverses. Cette hausse du tonnage devrait logiquement s’accompagner d’une augmentation de la fréquence des interventions d’entretien ou de remplacement des fixations. Lorsque l’on remplace un système de fixation, il est donc important d’adopter une solution de fixation nécessitant peu d’entretien et apte à résister aux conditions difficiles du trafic de fret lourd moderne.

En outre, dans ce domaine, les coûts d’entretien et de remplacement des fixations est faible comparé aux coûts associés aux fermetures de voies et aux rénovations de grande ampleur.  La plupart des compagnies de chemin de fer spécialisées dans le fret lourd ne prévoient de remplacer les petits composants de voie que lorsqu’elles entreprennent d’autres travaux d’entretien, comme le remplacement des rails.  D’énormes économies peuvent donc être réalisées en s’assurant que la durée de vie des composants des fixations dépasse celle des rails.  Cependant, cela devient plus difficile à mesure que la durée de vie des rails et le tonnage transporté augmentent également.  Les grandes compagnies ferroviaires demandent désormais à ce que la durée de vie des rails des voies de fret lourd droites durent l’équivalent de 3 milliards de tonnes de trafic.   Il est donc possible de voir un retour sur investissement rapide dès lors que l’on opte pour des composants de fixation à longue durée de service.

Des forces de traction élevées

Les forces de traction élevées peuvent générer des contraintes longitudinales sur la voie et doivent donc être prise en compte dans les spécifications techniques.  Sur les réseaux de trains légers, 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.  Mais dans le cas des voies de fret lourd impliquant des forces de traction plus grandes, ce facteur peut provoquer des défaillances majeures des voies.  La première manifestation est le mouvement irrégulier 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.  Les essais effectués avec différents types de semelles ont démontré des écarts considérables en matière d’atténuation des forces de traction élevées.

Établir un cahier des charges

Le troisième facteur entrant en jeu dans les spécifications des fixations est lié au fait que la plupart des projets de voies de fret lourd sont lancés par des sociétés minières et non par des compagnies de chemin de fer bien établies.  La voie devient donc un des nombreux aspects du projet minier, car c’est le moyen le plus économique et fiable de transporter des matériaux en vrac de la source au consommateur.  Dans la plupart des cas, la conception, la construction voire l’exploitation de la voie font l’objet d’appels d’offre comme n’importe quel autre investissement en capital.

Cela devrait être au contraire l’affaire de spécialistes du fret lourd prenant en compte les caractéristiques techniques des voies, mais il n’existe aucune norme technique qui prenne en compte les facteurs affectant ce genre de voies ferrées.  En pratique, 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 des voies de fret lourd est connu pour sa tradition de partage des connaissances par le biais d’organisations comme la IHHA, qui a contribuer au développement des meilleures pratiques transposables à de nouveaux projets plus complexes.  Ce genre d’initiative facilite la rédaction d’un cahier des charges des fixations apte à répondre aux défis de ce marché.

Norfolk Southern Railways États-Unis

Une des compagnies ferroviaires oeuvrant dans le domaine du fret lourd et ayant aidé à la rédaction d’un cahier des charges pour les selles de rail fut la Norfolk Southern Railways.  Pandrol a collaboré avec la Norfolk Southern Railways dans le cadre de ce projet afin de développer pour la première fois, une selle de rail asymétrique de 18 pouces (≈46 cm) pour les zones où le dévers inversé des rails était un problème.   La voie utilisait des traverses en bois mais l’encombrement de toutes les selles avec fixations élastiques disponibles sur le marché à l’époque était plus petit.   Il fallait donc relever les défis d’une puissance de locomotive plus élevée, du freinage dynamique, d’un tonnage accru chaque année, de sections de rail plus grandes et des écarts de résistance des traverses, qui, une fois combinés, nécessitaient un nouveau cahier des charges pour la conception de selles de rails adaptées au fret lourd.

Les données techniques les plus importantes étaient : une surface de contact maximum avec la traverse, une augmentation de l’appui, une augmentation de l’asymétrie de la zone d’appui du côté extérieur, une position centrale de l’attache sur la selle, de l’espace pour quatre tirefonds et deux crampons et enfin un coût réduit par rapport à une selle en fonte.

Pandrol a donc proposé la selle de rail VICTOR, offrant la même surface d’encombrement que la selle asymétrique standard AREMA de 18 pouces et incluant un épaulement embouti utilisant une attache e-clip Pandrol standard pour fixer le rail à la selle. La selle VICTOR est conçue pour accepter des charges à l’essieu élevées sur des traverses en bois.

Le site était une courbe de 6 degrés (rayon de 290 m) sur une pente de 0,09 % avec une surélévation de 3,5 % (90 mm), la voie était principalement destinée à la circulation de trains de charbon pour un total d’environ 40 millions de tonnes brut par an.   La selle VICTOR de Pandrol était fixée aux traverses à l’aide de crampons tout comme pour la majorité des fixations de cette voie  La selle VICTOR a été surveillée et on s’est aperçu qu’elle donnait de bons résultats en matière de réduction de la fréquence de rupture des selles et des cas d’élargissement de l’écartement, ce qui réduisait les besoins en entretien sur cette courbe.

Les selles VICTOR offrent une zone d’appui maximale, tandis que l’utilisation des fixations Pandrol permettent aux voies de fret lourd de bénéficier des atouts d’une fixation élastique associée à une force de maintien supérieure empêchant le phénomène de bascule du rail et réduisant les besoins en entretien.

La Norfolk Southern railways a également spécifié l’utilisation des selles VICTOR de Pandrol avec des tirefonds pour les installations sur tablier de pont.  À ce jour, la Norfolk Southern Railways a installé plus de 3 millions de selles VICTOR.  Ces selles ont montré leur efficacité en matière de réduction de la détérioration, du problème d’inversion de l’inclinaison des rails et des conditions d’élargissement de l’écartement, et permettent un maintien anti-bascule du rail.  En traitant ces questions, la compagnie de chemin de fer a pu réduire ses coûts d’entretien et augmenter son efficacité.

Productivité élevée, faible entretien

Il est donc clair qu’il est nécessaire d’améliorer les performances des fixations de rail afin qu’elles puissent supporter des charges à l’essieu et des courbures susceptibles d’entraîner des problèmes tels que l’inversion de l’inclinaison des rails et la nécessité d’un entretien constant.   Les compagnies de fret lourd cherchent de plus en plus à utiliser des fixations qui permettent une mécanisation apportant une productivité élevée pour une installation et un entretien à moindre coût pour les entreprises et permettant de retrouver cette efficacité lors des interventions de mise en contrainte, de remplacement de rails ou d’activités d’entretien tout au long de la durée de service du système de fixation.

L’innovation dans ce secteur a permis de trouver des solutions à même de surmonter nombre de ces problèmes et d’aider les compagnies ferroviaires à réduire les besoins en entretien et à allonger la durée de vie de leurs systèmes de fixation.