L'ADHÉRENCE






          


GÉNÉRALITÉS
Pour decoller et faire circuler un train ainsi que pour le ralentir ou l'arrêter il est une notion dont on parle moins mais qui en circulation ferroviaire, ainsi que d'autres, est d'une importance capitale.
L'ADHÉRENCE.

L'adhérence permet de faire passer les efforts de traction et de freinage d'un train.

Les conditions d'adhérence vont déterminer les distances de ralentissement et de freinage et donc la puissance de freinage mise en oeuvre par le conducteur.

La valeur de l’adhérence varie beaucoup par le fait qu’elle est tributaire en particulier :
• De la pollution des rails,
• De l'entretien du matériel,
• De l'environnement où sont posées les voies,
• Par l'état hygrométrique de l’air,
• ...

L'adhérence étant par définition aléatoire, un conducteur doit toujours tenir compte de ces différents éléments pour réaliser la mise en vitesse, l'arrêt ou le ralentissement de son train.

Il devra adapter à tout instant l'effort moteur ou l'effort de freinage en fonction de l'adhérence.
L'ADHÉRENCE  en TRACTION
Un train doit pour circuler trouver un appui pour permettre à l'effort moteur généré par la locomotive de faire avancer le train.

Le couple moteur CM se traduit à la jante par une force horizontale FM.

adherence
Couple moteur et force Horizontale

Cet appui situé entre la roue et le rail engendre une réaction égale mais de sens contraire RM.

adherence
Réaction RM de sens contraire

L’existence d’un tel appui sans aucun épaulement, et cependant sans glissement de la roue sur le rail, s’appelle L'ADHÉRENCE.

L'adhérence est d'autant plus grande que le poids P est élevé.

adherence
Poids P

Le coefficient d'adhérence est noté : f

Il y aura adhérence tant que le couple moteur CM (en fait il s'agit de l'effort à la jante) sera inférieur au produit. F ≤ Pf

Le coefficient d'adhérence est de :
• Sur un rail sec 0,2,
• Pour l'automobile 0,6,
• Pour l'engrenage 1.

Dans la pratique, les formules utilisées pour calculer les distances d’arrêt se réfèrent à des efforts de freinage qui correspondent à des coefficients d’adhérence de 10 à 12 % seulement (A comparer aux 18 à 35 % des coefficients d’adhérence en traction). 

Si F > Pf, il y a rupture d'adhérence. C'est le  
patinage

L'adhérence diminue quand la vitesse augmente. Cela est due à plusieurs facteurs défavorables :
• Suspension,
• Défaut de la voie,
Qui augmente avec la vitesse.
Sur les essieux :

• Un échauffement et usure prématurée des tables de roulement provoquant des gerçures,
• Une diminution de la conicité des tables de roulement des roues,
• Des ébranlements lors des raccrochages brusques de l'adhérence, ces à-coups se répercutent dans les réducteurs et les moteurs de traction, 
• Des ruptures de pièces causées par les vibrations,
• Des coûts important de maintenance,
• ...

Sur le plan de transport :
• Des problèmes de régularité, par une diminution des performances des engins moteurs dus aux réductions des efforts de traction.

avarie roue
       
avarie roue
                                                                    
Défaut roue
                                                                                                                                            
Défaut roue
L'ADHÉRENCE en FREINAGE
L'effort de freinage produit par les sabots ou les semelles de frein provoque sur la roue, un couple retardateur qui tend à freiner le convoi.

Il est cependant nécessaire que la roue continue à tourner pour que l'effort de freinage soit réellement appliqué au véhicule.

Il faut donc que le couple réalisé sur l'essieu par l'effort de freinage, compte tenu du coefficient de frottement entre la roue et le sabot de frein, reste toujours inférieur au couple adhérent qui dépend du poids appliquant la roue sur le rail, et du coefficient d'adhérence entre roue et rail.

Lorsque cette condition n'est plus respectée, la roue cesse de tourner et glisse sur le rail.
Ce phénomène de glissement est appelé "ENRAYAGE", l'effort retardateur devient plus faible ce qui entraîne une augmentation importante et non contrôlable de la distance d'arrêt.


Cet effort retardateur sera fonction de l'ADHÉRENCE.

Si l'effort de freinage est supérieur à l'adhérence du rail, c'est "L'ENRAYAGE".

L'enrayage a pour conséquences, uneusure anormale de la table de roulement de la roue et la formation d'un méplat.

FACTEURS AGISSANT sur l'ADHÉRENCE
De nombreux facteurs peuvent influencer l'adhérence.
Rappel :
• En traction une perte d'adhérence ce traduit par un patinage,
• En freinage une perte d'adhérence ce traduit par un enrayage.

Etat du contact roue-rail
L'état des roues dépends du système de freinage :
• Disques seuls, l'utilisation seule de disque conduit à un polissage de la roue par le roulement,
• Semelles fonte, provoque un dépolissage bénéfique de la roue,
• Semelles frittées, provoque un dépolissage bénéfique de la roue,
• Semelles composites, provoque un polissage prononcé et nuisible de la roue.

Pollution du rail
L'adhérence varie suivant les zones :
• PN (Passage à Niveau) le passage des voitures sur les rails entraîne une dégradation de l’état de la surface du rail,
• Zones rurales, passage d'engin agricole,
• Zones industrielles et leur pollution atmosphérique,
• La circulation dans des zones boisés, entraîne en automne la présence de feuilles mortes humides sur les rails, l'adhérence peut tomber à 0,02,
• Trace d'huile, graisseur de rail ou de boudin mal réglés.

Conditions atmosphériques
• L'humidité, détériore l'adhérence,
• Le brouillard, détériore l'adhérence,
• Le crachin, détériore l'adhérence, 
• La pluie, détériore l'adhérence, mais la pluis abondante lave le rail, ce qui remonte l'adhérence,
• ....

Le chargement des trains
La circulation de train transportant des oléagineux, peut provoquer par le déplacement d'air, des dépots sur la surface des rails.

La vitesse
Plus la vitesse est élevée, moins l'adhérence est bonne à la suite du délestage partiel des essieux provoqué par :
• Les inégalités du rail,
• La régularité du plan de roulement,
• Le franchissement des courbes à une vitesse autre que celle pour laquelle le dévers est calculé. Des couples de glissement se forment par suite de l’inégalité de parcours des deux roues sur chaque file de rails.

Le cabrage de la caisse et des bogies
Les cabrages modifient la répartition des charges sur les essieux.

En traction par exemple le cabrage de caisse et de bogie délestent le bogie et les essieux avant et surcharge le bogie et les essieux arrière.
Il peut en résulter un patinage des essieux avant qui du fait du poids diminé diminue l'adhérence.

Sur les véhicules : 
En freinage l'on a une surcharge du bogie et de l'essieu avant et le délestage du bogie et de l'essieu arrière.

Les RUPTURES D'ADHÉRENCE
Le PATINAGE
Si pendant la traction le niveau d'adhérence chute à niveau tel qu'il n'est plus suffisant par rapport à l'effort à la jante, c'est le patinage.

Cette perte d'adhérence a pour conséquence, l'effort moteur étant toujours présent :

Sur l'engin moteur.
Un emballement des moteurs de traction créant une survitesse moteur pouvant aller jusqu'au défrettage. La frette ne peut plus maintenir les bobines du moteur. Par la force centrifuge la frette se casse et les bobines sont expulsées vers l'extérieur.

Le défrettage est destructeur pour le moteur de traction.

moteur defrette
         
cabine de conduite
         
moteur defrette
                                            
Moteur défretté
                                                                               
Etat cabine après défrettage
                                            
Etat moteur défretter encore en place

Sur la voie :
De faire tourner les roues de l'essieu plus vite sur lui-même entraînant un meulage du rail par la roue, ce qui entraîne :
• Une usure prématrée de la table de roulement du rail,
• Un échauffement pouvant être important ce qui peut créer des points faibles générateurs de rupture de rail,
• Coût important de maintenance,
• Impact sur la régularité lors de la remise en état.

rail patinage
         
rail patinage
                                                                             
Meulage du rail
                                                                                    
Meulage du rail

L'ENRAYAGE
Dans ce cas l'essieu s'arrête de tourner alors que la vitesse du train n'est pas nulle.

Les enrayages ont plusieurs conséquences : 

Sur la voie :
• Une usure prématurée de la table de roulement du rail par glissement de la roue sur la surface du rail.

usure du rail
Usure du rail

Sur les essieux :
• La formation de plats aux roues engendrant ensuite des dégradations au rail et aux boîtes d’essieux et une obligation de reprofilage, 
• Une diminution de la conicité des tables de roulement des roues.


Pour éviter ces inconvénients, on utilise des antienrayeurs qui permettent d'adapter en permanence la puissance de freinage à l'adhérence disponible.

plat au roue
                         
plat au roue
                                                                                                 
Plat au roue
                                                                                                                 
Plat au roue
LUTTE CONTRE le PATINAGE et l'ENRAYAGE
La lutte contre le patinage et l'enrayage est très importante car elle conditionne la circulation des trains.
En effet, le patinage empêche, lors des décollages et des démarrages, des mises en vitesse rapide avec pour conséquences :

Une dégradation de la roue.
   • Échauffement et usure prématurée des tables de roulement provoquant des gerçures. 
   • Ruptures de pièces causées par les vibrations lors des raccrochages de l’adhérence.

Une dégradation de la voie.
   • Usure prématurée des tables de roulement. 
   • Meulage et/ou échauffement pouvant être important ce qui peut créer des points faibles générateurs de rupture de rail. 

Une dégradation du matériel.
• Une dégradation des moteurs de traction, du à leurs emballements conduisant à des survitesses moteurs et des risques de défrettage,

Pour le client.
• Des retards pouvant être importants engendrant des réductions de l'effort de traction pouvant aller jusqu'à la demande de secours,

Pour la sécurité.
• Une attention et une sollicitation du conducteur pour la lutte contre le patinage telle, qu'elle peut détourner son attention de la signalisation.
• ...
 
Pour l'enrayage, cela se traduit essentiellement par des plats aux roues ce qui provoquent :

• Une dégradation de la roue,
     • Création de plat sur les roues, 
     • Perte de conicité de la table d eroulement.

• Une dégradation de la voie,
     • Usure prématurée des tables de roulement. 
     • Meulage et/ou échauffement pouvant être important ce qui peut créer des points faibles générateurs de rupture de rail. 

Une dégradation du matériel.
• Une dégradation des moteurs de traction, du à leur emballement conduisant à des survitesse des moteurs de traction et des risques de défrettage,
• Les plats aux roues ont une influence sur la tenue en ligne du matériel.

Pour le client.
• Une gêne pour le confort des passagers, martelement, vibration,
• Des retards pouvant être importants engendrant des réductions de l'effort de traction pouvant aller jusqu'à la demande de secours ou la suppression de train,
• ...
Pour la sécurité.
• Allongement des distances de ralentissement et d'arrêt, pouvant conduire à :
• Des dépassements de quai,
• Des franchissements de signaux d'arrêt,
• Une attention et une sollicitation du conducteur pour la lutte contre le patinage telle, qu'elle peut détourner son attention de la signalisation.
• ...
Lutte contre le patinage
Par le conducteur :
Le conducteur doit adapter sa conduite en fonction de l'état atmosphérique et des lignes parcourues : 
• Ne pas chercher systématiquement à atteindre les limites maximales d'intensité permisses, 
• Ne pas chercher à atteindre la vitesse maximale du train si cela n'est pas nécessaire, 
• Utiliser le sablage.
    • Sauf zones d’aiguilles, 
    • Sabler par anticipation,

• Surveiller attentivement toute amorce de patinage :
    • Sifflement en début de patinage,
    • Instabilité des aiguilles des ampèremètres moteurs,
    • Surveillance de l'Indicateur de Vitesse (IV),
    • Allumage de LS PAT (lampe de signalisation du Patinage).

• Limiter l'effort de traction dans les courbes et dans les zones d'aiguilles, 
 
• Ne pas utiliser la progression rapide,
• Tenir compte du profil,
• Tenir compte de l'environnement (Zone d'ombre, zone boisée, zone polluée), 
 
• Utiliser au mieux le profil, 
• Se préparer sur les zones à adhérence limitée :
    • Sorties de tunnel,
    • Passage à Niveau (PN),
    • Zones industrielles,
    • ... 

• Amorcer le freinage en amont des points habituels
• Limiter la valeur de la dépression

• Pour le respect de la signalisation et des arrêt 
   • Anticiper le point de mise en action des freins,
   • Limiter la valeur de la dépression,
   • Contrôler la chute de vitesse.

Sur l'engin moteur
Les dispositifs anti-cabrage
Deux phénomènes de cabrage se créent lors de la remorque d'un train :
• Le cabrage de caisse,
• Le cabrage de bogie.

Le cabrage de caisse
Lors du décollage d'un train, l'engin moteur est soumi à deux forces horizontales :
• L'effort produit par les moteurs de traction est transmis aux roues et est appliqué aux points de contact entre les roues et les rails, 
• L’effort résistant exercé par le train remorqué qui s’exerce au crochet.

Ces deux forces horizontales et opposées créent et à une hauteur différente, un couple qui tend à délester l’avant de la machine et à surcharger le bogie arrière. C’est le cabrage de caisse.

Il se produit seulement lorsque l'engin moteur exerce un couple moteur.
La réduction du cabrage, ou l’adaptation de l’effort de traction pour maintenir l’adhérence en cas de cabrage, sont donc des fonctions essentielles pour bien utiliser les performances des engins moteurs.

Le cabrage de caisse est moins important lorsque le point d’attache est élevé, il dépendra de la masse du train remorqué et de la conception de l'engin moteur.

le cabrage de caisse
Le cabrage de caisse

Le cabrage de bogie
Le bogie qui entraîne la caisse est également soumis à deux forces horizontales : 
• L'effort produit par les moteurs de traction est transmis aux roues et est appliqué aux points de contact entre les roues et les rails, 
• L’effort résistant exercé par la caisse à une hauteur H correspondant au point d’ancrage des barres de traction. 

Ces deux forces horizontales et opposées appliquées d’une part au niveau des rails et de l’autre à une hauteur H au dessus du plan de roulement crée un couple de cabrage. Ce couple tend 
à décharger l’essieu avant et à surcharger l’essieu arrière. C'est le cabrage de bogie.

le cabrage de bogie
Le cabrage de bogie

Lutte contre le cabrage de bogie.
Ils consistent à appliquer le plus bas possible le point d'entrainement de la caisse par les bogies moteurs lorsque les locomotive sont du type BoBo ou CoCo, c'est à dire possédant un moteur par essieu :
• Ce principe est connu sous le nom de "Traction Basse", et est réalisé par les barres de traction placées judicieusement,
• La disposition des barres de traction permet d’annuler totalement le cabrage du bogie à condition que la ligne d’action de l’effort passant dans la barre coïncide avec le point d’intersection de l’axe vertical du bogie et le niveau du rail.

points d'attachent des barres de traction
Points d'attachent des barres de traction

Il en est de même lorsque sur certains engins moteurs, la charge par essieu atteint la limite permise. On réalise dans ce cas un dispositif anticabrage du bogie par traction basse afin d’éviter une surcharge de l’essieu arrière.

Points d'attachent des barres de traction

Lorsque les essieux sont liés mécaniquement, par un train d'engrenage, cas des engins moteurs type BB ou CC, possédant un moteur de traction par bogie, l'essieu avant est moins sensible au patinage, car même délesté, il ne peut patiner que si l'essieu arrière patinage également.
Dans ce cas, les barres de traction n’ont pas à exercer une fonction anticabrage et peuvent être orientée de façon quelconque.

emplacement quelconque des barres de traction
Emplacement quelconque des barres de traction
La détection automatique des patinages
Un patinage ou une survitesse excessive d'un ou plusieurs moteurs de traction peut, s'il n'est pas immédiatement combattu, provoquer des avaries graves :
• Sur les moteurs (défrettage),
• Usure des tables de roulement des roues de l'engin moteur (Perte de conicité des roues, création de mouvement parasite),
• Usure de la table de roulement des rails,
• ...

La détection d'un patinage est réalisée grâce à un capteur constitué d'une bobine et est logé dans un pôle principal de chaque moteur de traction.

Cette bobine délivre une tension alternative dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de défilement des encoches d'induit, donc à la vitesse de rotation du moteur.

Patinage
Dès la détection d'un patinage, il se produit :
• L'allumage d'une lampe de signalisation d'antipatinage sur le pictogramme situé sur le pupitre de conduite :
    • LSAP sur les BB22200, BB7200,
    • LSDPAT sur les BB25500,
• La réduction de l'effort moteur :
    • Par le régulateur VI en agissant sur le temps de déblocage des thyristors sur les BB22200, BB7200,
    • Par l'arrêt et la régression automatique du graduateur pendant 3 secondes sur les BB25500,
• La mise en action du sablage automatique.

lampe antipatinage
                   
lampe sablage automatique
                                                            
Lampe de signalisation de patinage
                                                               
Lampe de signalisation de sablage automatique

Survitesse
La détection d'une survitesse provoque :
• L'ouverture du disjoncteur par coupure du circuit de maintien,
• Le déclenchement du disjoncteur de signalisation Survitesse Moteur : QSVM ou Q90,
• Eventuellement par l'allumage d'une lampe de signalisation Survitesse Moteur : LSQ(SV)M.

q(sv)m
        
q90
        
q90
                                             
Q(SV)M
                                                                                                     
Q90
                                                                                           
Q90

Le sablage
Précisions sur le sablage :
Son rôle est de renforcer l'adhérence, par écrasement écrassement de sable sur le rail. Le sable détruit les couches parasites empêchant le contact acier–acier. 
Il provoque des rugosités de la matière et facilite ainsi l’engrènement de la roue sur le rail.
 
L’efficacité du sablage dépend : 
• De la précision de l’application, il est donc nécessaire que les buses de sablage soit réglées correctement,
• Du bon approvisionnement en sable des engins moteurs et du bon fonctionnement du dispositif de sablage, manuel ou automatique. 
 
Le sablage :
• Lorsque l'adhérence est minimale, l'utilisation du sablage remonte le coefficient d'adhérence,
• Lorsque l'adhérence est maximale il n'améliore pas le coefficient d'adhérence.

Le sablage 
Le sablage permet de combattre le patinage ou d'éviter un patinage.

Le sablage est effectué devant les roues du premier essieu de chaque bogie pour chaque sens de marche.

Le sable est emmagasiné dans des bacs qui alimentent chacun une sablière par l'intermédiaire d'un éjecteur qui règle le débit de sable.
Deux électrovalves, une par sens de marche, permettent, lorsqu'elles sont excitées, l'envoi d'air aux éjecteurs.

sable
                                   
ejecteur de sable
                                                         
Bac engin moteur remplit de Sable
                                                                                                     
Éjecteur de sable
La mise en action du sablage s'effectue soit :
Volontairement
• Par appui sur le bouton-poussoir (BP-SA),
• Le sablage entre en action pendant toute la durée de l'appui sur BP-SA.

Automatiquement
• Lorsqu'un patinage se produit, un relais de sablage est alimenté et excite l'électrovalve de sablage,
• Le conducteur peut néanmoins annuler le sablage automatique en appuyant sur un bouton-poussoir d'annulation du sablage (BP(A)SA) dans les zones ou le sablage est interdit (aiguille,....).

ejection de sable sur le rail
                               
boutons poussoirs sablage
                                                           
Ejection de sable sur le rail
                                                                                 
Boutons poussoirs de sablage et d'annulation sablage

Les anti-enrayeurs
L'adhérence sollicité en freinage est directement proportionnelle à l'effort de freinage.
Afin de pouvoir augmenter les vitesses de circulation et dans le même temps garantir la sécurité des circulations, les performances de freinage se doivent d'être de plus en plus élevées.
Mais l'augmentation des performances de freinage des trains implique des sollicitations prochent de la limite de l'adhérence disponible.

Afin de garantir les distances de freinage sur les trains rapides, >160km/h, il a été nécessaire de développer un dispositif capable d'adapter la puissance de freinage à l'adhérence réellement disponible :
L'ANTIENRAYEUR.

Les antienrayeurs permettent d'adapter finement l'effort de freinage en fonction de l'adhérence disponible et permet ainsi d'éviter le blocage des essieux.

L'action des antienayeurs peut se faire soit :
• Bogie par bogie,
• Essieu par essieu.

Performances des antienrayeurs
Les antienrayeurs permettent de limiter l'allongement des distances d'arrêt de 10 à 20 % sur rail sec.
L'allongement est généralement d'autant plus faible que le train est long, car le maintien de l'adhérence sur les roues des premiers véhicules permet aux derniers de freiner sur un rail équivalent à un rail sec.

Le Karcher
Lorsque l'état du rail est fortement dégradé ou par mesure préventive, on utilise un train laveur qui au moyen de buse, projettent sur la table de roulement du rail un produit chimique sous pression (1000 bars) permet de faire remonter le coefficient d'adhérence.