La PUISSANCE de FREINAGE







Mon texte simple
INTRODUCTION
Il est indispensable de connaître la puissance de freinage des trains de façon à garantir la sécurité.

Le problème consiste à déterminer la distance d'arrêt d'un train :
• A partir des ses caractéristiques individuelles de freinage,
• Lorsque la puissance totale du frein est mise en action à la vitesse limite.

Différents facteurs sont à prendre en compte :
• Temps d'établisement du freinage,
• Variations du coefficient de frottement dépendant des matériaux utilisés,
• Conditions atmosphériques.

Cette effort retardateur moyen est appelé "MASSE FREINÉE".

NOTION de MASSE FREINÉE
Cet effort retardateur moyen est appelé "MASSE FREINÉE", anciennement "POIDS-FREIN" et s'exprime en tonnes.
Il est déterminé par l'expérience, c'est l'aptitude d'un véhicule à s'arrêter sur une distance définie.
Par convention internationale cette aptitude est caractérisée par un coefficient de freinage ou taux de freinage : LAMBDA. (λ).

λ = Masse freinée
masse sur rail
Cette notion est applicable au véhicule seul et au train.


Par convention la puissance de freinage de chaque véhicule est caractérisée par l'effort retardateur moyen obtenu lors d'un arrêt réalisé dans des conditions précises, freinage maximum en alignement.

λ d'un véhicule = Masse freinée du véhicule / Masse du véhicule
λ d'un train = Somme des masses freinées / Masse totale

Il faut donc déterminer la masse freinée de chaque véhicule.
Le coefficient de freinage "VOYAGEUR" et "MARCHANDISES" ont une définition différente.
MASSE FREINÉE au RÉGIME MARCHANDISES
HISTORIQUE
A l'origine le frein utilisé pour freiner et ralentir les trains de marchandises était le seul frein à main, actionné par des "garde-frein".
Le freinage pneumatique n'existait pas.


Il fut établi des tableaux de freinage en admettant que l'effort réel aux sabots était d'environ 70% de la masse du wagon.

Lorsque le freinage pneumatique fut inventé, il a été décidé de prendre comme "POIDS-FREIN" les 10/7 de l'effort aux sabots.


Les essais effectués ont démontré que cette règle ne pouvait pas être utilisée tel quel.

L'efficacité du frein pneumatique est différente de celle du frein à main car elle dépends de plusieurs facteurs :
• Temps d'établissement du freinage,
• Temps de mise en action du freinage commandé,
• Variation du coefficient de frottement des matériaux utilisés,
• Conditions atmosphériques,
• ...

Il a été nécessaire d'associer aux 10/7 de l'effort aux sabots, un coefficient variable en fonction des caractéristiques du frein.
Ce coefficient appelé γ (Gamma) est déterminé par essai.

La masse freinée marchandises devient :
B = Q * 10/7 γ
γ = est fonction de 3 variables :
Q : Effort réel sur un sabot en marche,
a : Valeur relative de l'effort aux sabots à la fin du 1er temps par rapport à l'effort final,
t : temps de serrage.

Définition de la masse freinée au régime "MARCHANDISES"
Fiche UIC :
La masse freinée au régime "MARCHANDISES" est égale au produit de l'effort total aux sabots par les 10/7 d'un coefficient caractéristique de l'équipement de frein du véhicule considéré γ.

La masse freinée devient :
B = (9/8)*n*(10/7)*γ
• 9/8 : Représente l'effort sur un sabot mesuré en marche par rapport à son efficacité à l'arrêt. Les timoneries de frein sont sensibles aux vibrations qui se produisent en marche et qui augmente l'efficacité des sabots,
• n : Représente le nombre de semelles de frein d'un wagon,
γ : Temps d'établissement du freinage et du temps de mise en action du freinage commandé.


Pour fixer les idées, la masse freinée des trains de marchandises doit au moins est égale à :
• 47% de la masse du train pour un train de marchandises MA80, (λ = 0.47),
• 50% de la masse du train pour un train de marchandises MA90, (λ = 0.50),
• 57% de la masse du train pour un train de marchandises MA100, (λ = 0.57).

MASSE FREINÉE au RÉGIME VOYAGEURS
HISTORIQUE
Des essais furent menés à l'aide d'une voiture étalon possédant une masse freinée de 50 tonnes pour déterminer la relation qui existe entre le :
λ
• La vitesse initiale,
• La distance d'arrêt sur différentes pentes en serrage d'urgence.

Les résultats obtenus furent assez discordants.

Il a donc été décidé d'abandonner la notion de "voiture étalon" et de déterminer la masse feinée voyageurs à partir de résultats d'essais pratiques.

Définition de la masse freinée au régime "VOYAGEURS"
Fiche UIC :
La masse freinéed'un véhicule freiné au régime "VOYAGEURS" est déterminé au moyen d'essais et dépend du parcours d'arrêt réalisé lors d'un serrage rapide effectué à la vitesse V km/h en palier et en alignement.

Après la réalisation de différents essais expérimentaux et par convention, un train de :
• 60 essieux,
• 15 véhicules identiques de 50 tonnes, lancé à 120 km/h,
• Par temps calme en palier et en alignement,
• Qui s'arrête sur 1000 m,
Possède un λ de 0,8.

La masse freinée "voyageurs" est définie sans prendre en compte les mêmes critères que ceux utilisés pour la masse freinée "marchandises".



FACTEURS INFLUENT sur la DISTANCE d'ARRÊT
Influence de la longueur
• Pour un λ de 100%, un véhicule lancé à 120 km/h s'arrête sur 720 mètres.
• 15 véhicules lancés à la même vitesse dans les mêmes conditions s'arrêtent sur 820 mètres.

Cette différence est la conséquence :
• Du retard de mise en action du frein sur les véhicules de queue inhérent à la commande pneumatique (vitesse de propagation de l'air environ 280 m/s),
• Du temps nécessaire à l'échappement de l'air de la CG par le robinet de frein, PBL2, H7A,....

Si la commande de frein est électropneumatique, toutes les voitures serrent en même temps. La distance d'arrêt est identique quel que soit le nombre de véhicules.
Exemple :
Si la vitesse est de 180 km/h et la distance d'arrêt de 1300 mètres, il faut :
• Un lambda de 170% en commande pneumatique,
• Un lambda de 150% en commande électropneumatique.

Influence de la vitesse
Nous avons vus sur la page "le freinage des trains", que l'énergie enmagasiner par un train est proportionnelle à sa vitesse au carré.

De ce fait plus la vitesse d'un train est élevée plus le coefficient de freinage devra l'être également pour respecter les distances d'arrêt et de ralentissement.

Le coefficient de freinage augmente proportionnellement avec la vitesse origine de la mise en action du frein.

Exemple
Pour un train de voyageurs il faut pour :
• Un V160, 125% de masse freinée,
• Un V140, 97% de masse freinée,
• Un V160, 91% de masse freinée,
Pour des trains sans Frein ElectroPneumatique.

Influence de la masse du véhicule
Nous avons vus sur la page "le freinage des trains", que l'énergie enmagasiner par un train est proportionnelle à sa masse.

Il faut corriger la puissance de freinage du véhicule proportionnellement à sa masse tel que :

masse freinée/masse = constante.

Les voitures voyageurs ont une masse qui varie peu. Une voiture « Corail », qui a une masse à vide de 45 tonnes, pèse en charge 50 tonnes. Ceci correspond à une variation de 11% de la masse, ce qui n’est pas très important. La masse freinée ne varie pas.

Par contre, les wagons ont une masse qui peut fortement varier.Il faut alors augmenter proportionnellement la puissance de freinage de chaque véhicule. Ainsi, ces véhicules sont équipés d’un dispositif « Vide - Chargé », à manœuvrer manuellement, ou d’un relais qui rend l’effort de freinage proportionnel à la charge. Il s’agit alors d’un dispositif autovariable.

Par contre pour les vehicules marchandises la différence en tre un véhicule à vide ou en charge peut varier dans des proportions beaucoup plus importantes .
Ex :
Un wagon citerne :
• Masse à vide : 20 tonnes,
• Masse en charge : 80 tonnes,
Soit une différence de 300%.

Cette très grande différence doit être prise en compte.

Il faut alors augmenter proportionnellement la puissance de freinage de chaque véhicule.
Pour cela les wagons sont équipés de dispositifs :
• Vide-chargé à manœuvrer manuellement qui agissent sur la timonerie,
• Autovariable qui rend l’effort de freinage proportionnel à la charge et qui agissent sur la pression aux CF.

Ces deux dispositifs agissent sur la masse freinée du wagon en fonction de sa masse (tare + chargement).

MASSE FREINÉE des ENGINS MOTEURS


L'énergie cinétique enmagasiner par la locomotive est accentuée par la présence de masses en rotation qui accumulent une énergie cinétique non négligeable.

Ainsi l'énergie accumulée par les masses tournantes peut être assimilées à une masse supplémentaire.
 
En effet dans une locomotive, il y a des masses en rotation : 
• Essieux, 
• Moteurs électriques, 
• Engrenages. 
 
De ce fait l'énergie due à la masse de l'engin moteur additionnée avec l'énergie accumulée par les masses tournantes augmentent la masse fictive des engins moteur.
Quelques exemples : 
• 1,16 pour BB 16000, BB 8600, 16600, 17000 sur GV, 22200, 7200. 
• 1,09 pour CC 6500 
• 1,04 pour TGV. 
 
Ainsi la masse fictive à prendre en considération pour une BB 7200 est : 
• Masse de l'engin 85t
• Coefficient multiplicateur du aux masses tournante : 1,16

La masse fictive de l'engin moteur devient : 85*1,16 = 98,6t

C'est cette masse fictive qui doit être pris en compte dans les calculs de freinage.


Les locomotives possèdent un λ relativement faible en regard de leurs masses fictives.

Cela est du au fait que la puissance de freinage nécessaire pour ralentir ou arrêter l'engin moteur aurait pour conséquences une usure rapide des sabots ou semelles de frein ainsi qu'un échauffement des tables de roulement.
Cela aurait pour conséquences une immobilisation régulière des engins moteurs pour entretien. 

Ceci est également le motif des compositions minimales existant pour certaines catégories de trains. Les voitures ou wagons venant compenser le freinage limité des engins moteurs.(Voyageurs, MV160)























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