Le FREINAGE des TRAINS









PRÉAMBULE
La sécurité des circulations repose sur l'observation directe et le respect strict de la signalisation.
C'est pourquoi un train doit toujours circuler avec ses freins en état de fonctionnement.

Le transport ferroviaire permet de transporter des charges très lourdes (2400t avec un EM pour un train de marchandises voire plus), ou de circuler à des vitesses importantes pour les trains de voyageurs, mais en contrepartie les distances d'arrêt sont importantes.  
 
Le transport routier ne permet pas de transporter des charges comparables avec le transport ferroviaire, mais est capable de s'arrêter sur des distances beaucoup plus courtes.  
 
Pourquoi :  
• En circulation ferroviaire le frottement, roue-rail, se fait acier sur acier, entraînant un faible coefficient de frottement, de plus la masse d'un train est beaucoup plus importante qu'une voiture,  
• En circulation routière le frottement, roue-route, se fait caoutchouc sur bitume, entraînant un fort coefficient de frottement.  
 
Comme l'effort de freinage doit toujours rester inférieur à la force d'adhérence, et que celle-ci est beaucoup plus faible en circulation ferroviaire que routière, il en résulte une distance d'arrêt ou de ralentissement en défaveur du rail.

Exemple de distance d'arrêt :  
• Voiture à 130 km/h: distance d'arrêt 170m,  
• Train à 130 km/h : distance d'arrêt 630m.

CLASSEMENT des TRAINS
Les trains circulant sur le réseau ferré sont de nature très diverses. A ce titre ils sont classés en plusieurs catégories : 
• Trains de voyageurs :
    • Du parc ordinaire,
    • Du parc spécialisé,
• Trains de messageries, 
• Trains de marchandises, 
• Machines haut-le-pied ou trains de machines. 

Train de voyageurs
Les trains de voyageurs se répartissent en deux catégories : 

Matériel du parc ordinaire

Ils sont composés d'une ou plusieurs locomotives remorquant des voitures voyageurs classiques (Ex : Corail...) avec ou sans réversibilité,


train voyageurs
Train de voyageurs

train voyageurs avec cabine de reversibilite
Train de voyageurs avec cabine de réversibilité

Les trains de voyageurs du parc ordinaire sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un indice de composition :
     • V200, R200, V160, R160, V140, V120.
Matériel du parc spécialisé
Il s'agit : 
    • d'Eléments automoteurs électriques ou thermiques,
    • d'Autorails,
    • De rames réversibles de voitures spécialisées (Ex : VB2N…)

Images
element automoteur electrique
Elément automoteur électrique

element automoteur thermique
Elément automoteur thermique

autorail
Autorail

rame reversible de voitures specialisees
Rame réversible de voitures spécialisées

Les trains de voyageurs du parc spécialisé sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un code de composition :
     • AUTOR, AUTOM, AGC, AR120, AR140, TGV...

Les trains de messageries
Les trains de messageries sont des trains de fret rapide, qui peuvent être composés de wagons à bogies ou de voitures.

train de messageries
Train de messageries

Les trains de messageries sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un indice de composition :
     • MV GV, MV160, ME140, ME120, ME100.

Les trains de marchandises
Les trains de marchandises sont des trains de fret, composés de wagons de différentes natures.

train de marchandises
Train de marchandises

Les trains de marchandises sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un indice de composition :
     • MA100, MA90, MA80.
Haut le pied
Un Haut le Pied, est un train composé d'une ou deux machines (Définition simplifiée).

haut le pied
                                
haut le pied
                                                                            
Haut-Le-Pied
                                                                                              
Haut-Le-Pied

Les Haut le Pied sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un code de composition :
     • HLP.

Train de machines
Un train de machines est composé d'un groupe de plus de deux machines. Ce nombre peut aller jusqu'à treize machines (définition simplifiée).

train de machines
Train de machines

Les Trains de Machines sont caractérisés du point de vue de leur composition, de leur freinage et de leur vitesse limite par : 
• Un code de composition :
     • TM.

PARAMÈTRES AGISSANT sur le FREINAGE
La puissance de freinage d'un train doit garantir la sécurité des circulations.

Le type de freinage ainsi que sa puissance doivent correspondre aux caractéristiques des trains pour garantir le respect des distances de ralentissement et d'arrêt.

L'effort de freinage nécessaire pour arrêter ou ralentir un train doit tenir compte :
• De la vitesse de circulation selon la catégorie de train, 
• Des déclivités, pente ou rampe, des lignes sur lesquelles circulent les trains, 
• Des masses de ces trains,
• De la longueur du train.

La composition des trains étant très différentes les unes des autres, la capacité de freinage mais également la mise en oeuvre de ces freinages doit être adaptées aux différentes catégories de train.
L'ÉNERGIE CINÉTIQUE
Le freinage, consiste à détruire l'énergie cinétique emmagasinée par un train en la transformant en énergie calorifique qui sera dissipée dans :
• Les sabots des roues,
• Les roues,
• Des résistances,
• ...

Cette énergie cinétique est donnée par la formule.

E = ½MV²
E est l'énergie en joules,
M la masse du train en Kg,
V la vitesse du train en m/s.

L’énergie cinétique d’un train circulant à grande vitesse est très élevée.
Lors d’un arrêt, les effets calorifiques qui en résultent peuvent provoquer des avaries à la surface de roulement des roues (fissures thermiques, déformations, cassures).
Il y a donc des limites à ne pas dépasser dans l’énergie à détruire par roue, au cours du freinage (distances de freinage et de ralentissement). 
Par ailleurs, la puissance de freinage applicable à une roue est limitée par l’adhérence. 
 
La vitesse
On voit bien d'après cette formule que la vitesse tient une place importante puisqu'elle est proportionnelle au carré de la vitesse.

Un train roulant à 120 Km/h a besoin de 785 mètres pour s’arrêter en freinage d’urgence.
Le même train, roulant cette fois à 140 Km/h (+16%), a besoin de 1074 mètres (+36%) pour s’arrêter en freinage d’urgence.
Soit une augmentation de 289 mètres de la distance d’arrêt.

Les distances d’arrêt sont sensiblement proportionnelles au carré de la vitesse. 

Pour augmenter la Vitesse Limite des trains, il est possible d’agir dans deux domaines : 
1) Soit augmenter les distances d’arrêt, ce qui impose un accroissement de la longueur des cantons. Cette condition a des conséquences sur le débit des lignes. 
2) Soit augmenter la valeur de la décélération, ce qui exige une amélioration des performances de freinage. 

Ainsi à titre d'exemple, pour bien comprendre l'importance de ce paramètre, la puissance de freinage d'un train de :
• Marchandises MA80 (vitesse 80 km/h) doit avoir une puissance de freinage de 47% de la masse du train,
• Voyageurs V160 (vitesse 160 km/h) doit avoir une puissance de freinage de 125% de la masse du train.

La masse des trains
L'augmentation de la masse d'un train entraîne un accroissement de l'énergie cinétique du train, il faut donc augmenter la puissance de freinage pour conserver les même distances d'arrêt et de ralentissement pour une même vitesse.

Cette notion est très importantes pour les trains de marchandises, un peu moins pouir les trains de voyageurs, car la masse d'un wagon à vide ou en charge peut varier dans des proportions très importantes.
Exemple :
Un wagon citerne :
• Masse à vide : 20 tonnes,
• Masse en charge : 80 tonnes,
Soit une différence de 300%.


L'énergie à détruire devient telle, lorsque l'on augmente la vitesse et la masse, qu'un seul équipement de frein ne suffit plus.
En effet, cette énergie est transformée presque complètement en chaleur.
De ce fait l'énergie à dissiper est trop importante et les divers composants constituant le frein ne peuvent le supporter.

Ainsi à partir d'une certaine vitesse, il est nécessaire de conjuguer plusieurs systèmes de freinage :
• Sabots,
• Disque,
• Freinage électrique,
• ...
La LONGUEUR des TRAINS
Le frein pneumatique de part sa conception ne permet pas d’obtenir une simultanéité dans la commande des freins de la tête à la queue des trains longs.

Le principe du
, consiste à abaisser la pression de la conduite générale (CG) pour obtenir un serrage. 

L'évacuation de l'air de la CG s'effectue par un seul point : Le robinet de frein, situé sur l'engin moteur.

vidange cg par le seul robinet de frein
Vidange CG par le seul robinet de frein

Ainsi, les transferts d’air comprimé entre la tête et la queue du train demandent un certain temps, qui est proportionnel à la longueur du train. 

Cet inconvénient, doit être pris en compte dans la puissance de freinage des trains de voyageurs, lorsque la combinaison : vitesse élevée et longueur du train, devient trop important.

L'ADHÉRENCE
Pour pouvoir utiliser la puissance de freinage du train, il faut pour cela que le train trouve un appui sur le rail : C'est l'adhérence.

En cas de perte d’adhérence cela se traduirai par une augmentation de la distance d’arrêt ou de ralentissement.

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). 

Les DÉCLIVITÉS
Les lignes sur lesquelles circulent les trains sont soumis à des déclivités, pentes ou rampes, qui viennent impacter la puissance de freinage d'un train.

Train en rampe
En rampe
• La gravité tire le train vers le bas, cela est donc favorable, et réduite la distance de ralentissement et d'arrêt des trains,
• Les déclivités sont calculées en mm/m (milimètres par mètre).

train en rampe
Train en rampe

En pente
• La gravité tire le train vers le bas, cela est défavorable, et augmente la distance de ralentissement et d'arrêt des trains. Il faut donc en tenir compte dans le calcul de la puissance de freinage d'un train,
• Les déclivités sont calculées en mm/m (milimètres par mètre).

train en pente
Train en pente
Les DIFFÉRENTS TYPES de FREINAGE
Pour réaliser le freinage et détruire cette énergie cinétique, plusieurs moyens éxistent :

Le freinage mécanique
Le freinage mécanique consiste à appliquer l'un contre l'autre deux matériaux (dont un fixe), qui lors du frottement vont transformer l'énergie cinétique du train en une énergie calorifique entraînant ainsi un effort retardateur.
Cela s'effectue généralement par :
• L'Application de sabots ou semelles sur la table de roulement des roues,

Mais l'énergie à détruire est proportionnelle au carré de la vitesse du train et à la masse.

Ainsi à partir d'un certain niveau, cette énergie devient telle, que le freinage ne peut plus passer que par l'application de sabots sur les roues.
• D'une part cela nécessiterait des forces d'application du sabot sur la roue qui produiraient une usure prématurée des sabots ou des semelles,
• D'autre part la dissipation de chaleur serait telle qu'elle pourrait détériorer les sâbots ou semelles, ainsi qu'un échauffement important de la table de roulement de la roue entraînant des déformations de celle-ci.

Pour éviter cela il est donc nécessaire de conjuguer plusieurs systèmes de freinage.

D'un point de vue mécanique le système sabôt-semelle et roue est complété par un système de freinage à disque.
D'autres système complémentaire sont également utilisés comme :
• Le freinage électrique,
• Le freinage électropneumatique,
• Le freinage électromagnétique,
• ....

Dans tous les cas lors de l'utilisation d'un tel freinage, il est impératif de veiller à éviter le blocage de la roue de l'essieu, ce phénomène est appelé : ENRAYAGE.
Cette enrayage est dû à un effort de freinage supérieur à l'adhérence.
Un enrayage provoque l'allongement des distances de ralentissement ou d'arrêt pouvant engager la sécurité des circulations ainsi qu'uné dégradation du matériel :
• Roue (méplat),
• Rail (usure de la table de roulement du rail).

meplat sur une roue
                 
meplat sur une roue
                                                                                             
Méplat sur une roue
                                                                                            
Méplat sur une roue

usure table de roulement du rail
       
usure table de roulement du rail
                                                    
Usure table de roulement du rail
                                                                                                          
Usure table de roulement du rail

Le freinage électrique
Le freinage électrique permet en étant utilisé seul ou en freinage combiné de limiter l'usure des matériaux utilisés dans le freinage mécaniques en limitant ou empêchant l'usure de ces matériaux et leurs échauffements.
 
Le freinage rhéostatique
Le frein est dit rhéostatique lorsque l'énergie produite par les moteurs de traction, utilisés en génératrice, débitent dans des résistances.
Dans ce mode de freinage, seul l'engin moteur freine.

freinage rheostatique
Freinage rhéostatique

Le freinage par récupération
Le frein est dit à récupération lorsque l'énergie produite par les moteurs de traction, utilisés en génératrice, est renvoyée dans la caténaire.

freinage par récupération
Freinage par récupération

Le freinage électropneumatique
Le freinage électropneumatique, n'est pas un freinage électrique. Seul la commande du frein est électrique, pour le reste cela demeure un freinage pneumatique.
QFCG

frein electropneumatique
Frein électropneumatique

Le freinage électromagnétique
Constitution :
Le système comprend deux patins magnétiques, montés entre les roues d'un bogie, un sur chaque file de rail, maintenus en position haute par des ressorts. 


Principe :
Il consiste à appliquer sur la surface du rail les patins, constitués d'électroaimants grâce à un champ magnétique.


Fonctionnement :
Les patins sont commandés par l'intermédiaire de vérins et créent un effort vertical, d'environ 2700 daN par véhicule. En même temps l'enroulement électrique est alimenté et crée un champ magnétique intense qui augmente l'effort d'application du patin sur le rail (4200daN par patin avec I= 15A). Le champ magnétique intense, combiné avec le coefficient de frottement du patin sur le rail, engendrent un effort de retenue.

Ce type de frein ne fait pas appel à l'adhérence de la roue sur le rail. Il est réservé pour réaliser des freinages d'urgence car il n'est pas modérable.

 
Inconvénient. 
Ce freinage dénature l'acier des rails par des trempes locales pouvant devenir l'amorce de fissures. 
 
Avantage. 
Il permet la réduction de la distance d'arrêt de 25%. 

patin electromagnetique
Patin électromagnétique