INFRABEL Direction Infrastructure Service I-I 5 Voies – Ouvrages d’Art-Bâtiments APPAREILS DE VOIE Formation professionnelle – Ingénieurs- 2007 PARTIE 5 : APPAREILS DE VOIE TABLES DES MATIERES 1. 2. 3. Généralités. 7 1.1. Rôle des appareils de voie. 7 1.2. Types d’appareils de voie - Représentation schématique. 7 1.3. Eléments ou sous-ensembles d’appareils de voie. 9 1.4. Plan directeur. Etude statique du contact rail-roue. 10 11 2.1. Cotes principales des essieux 11 2.2. Fuseaux des roues. 12 2.3. Condition de stabilité du contact rail-roue. 13 2.4. Influence de l’angle d’attaque sur la stabilité du contact rail-roue. 15 2.4.1. Méthode des fuseaux. 15 2.4.2. Profil de BOUTELOUP. 16 2.4.3. Etude du contact tangentiel. 17 2.4.4. Etude du contact frontal (sécant). 18 2.4.5. Conclusion sur l’influence de l’angle d’attaque. 19 2.4.6. Calcul de l’angle d’attaque. 20 Aiguillages des branchements et traversées- jonctions 21 3.1. Généralités. 21 3.2. Géométrie d’un aiguillage 22 3.2.1. Rayon de courbure. 22 3.2.2. Angle de déviation. 22 3.2.3. Choix de l’écartement. 23 3.2.4. Cote de protection du dos de l’aiguille 26 3.2.6. Exemples d’aiguillages de la S.N.C.B. 29 3.3. 29 3.3.1. Usinages latéraux. 29 3.3.2. Profil en long de l’aiguille. 30 3.3.3. Choix du profil du rail aiguille. 30 3.3.4. Choix de l’inclinaison de la pose. 33 3.3.5. Plancher et joints. 34 3.3.6. Verrouillage (calage des aiguilles). 35 3.3.7. Nuance d’acier. 37 3.4. 4. Considérations sur la construction et la pose des aiguillages. Contrôle de l’usure des aiguillages. 37 3.4.1. Usure de la roue. 37 3.4.2. Usure de la manoeuvre. 38 3.4.3. Usure du c.a. - Contrôle à la P .R. 38 3.4.5. Choix de l’angle limite des ébréchures. 41 3.4.6. Importance du graissage de la face latérale des aiguilles. 42 3.4.7. Renouvellement par demi-aiguillages. 42 Croisement fixe. 42 4.1. Généralités. 42 4.2. Géométrie des croisements. 44 4.2.1. Tracé. 44 4.2.2. Écartement. 44 4.2.3. Cote de protection. 45 4.2.4. Cote d’inscription (C.I.) 45 4.2.5. Ornières. 46 4.2.6. Surélévation des pattes-de-lièvre 46 4.2.7. Longueur des contre-rails. 47 4.3. Construction des coeurs de croisement. 48 4.3.1. Coeurs assemblés. 48 4.3.2. Coeurs monoblocs. 50 4.4. Construction des contre-rails. 51 4.5. Pose directe ou indirecte. 52 4.6. Plancher 52 4.7. Exemples de croisements de la S.N.C.B. 52 5. Croisement à pointe mobile. 53 6. Traversée. 53 6.1. Généralités. 53 6.2. Comparaison de la géométrie des croisements et des traversées. 54 6.2.1. Tracé 54 6.2.2. Écartement 54 6.2.3. Cotes de protection 54 6.2.4. Cote d’inscription C.I. 57 6.2.5. Ornières. 57 6.2.6. Non-surélévation du rail coudé. 57 6.2.7. Longueur et forme du contre-rail. 58 6.3. Etude de l’abordage de la pointe prise en croisement. 58 6.4. Conclusions sur la géométrie des traversées. 59 6.5. Construction des coeurs de traversées. 59 6.6. Pose. 59 6.7. Exemples de traversées de la S.N.C.B.. 59 7. 8. 9. Aiguillage de traversée à aiguilles. 60 7.1. Généralités 60 7.2. Caractéristiques des aiguillages des T.A.. 60 7.3. Remarques sur l’utilisation des aiguillages des T.A. 61 7.4. Caractéristiques des aiguillages des T.A. à la S.N.C.B. 61 Branchement. 61 8.1. Généralités. 61 8.2. Longueur des branchements. 62 8.3. Pose en courbe des branchements. 63 8.3.1. Rayon de la voie déviée. 63 8.3.2. Remarques particulières. 65 Traversée ordinaire. 66 9.1. Généralités. 66 9.2. Utilisation. 66 10. Traversée-jonction. 66 10.1. Généralités. 66 10.2. Comparaison T.J.D. et 2 branchements. 67 10.3. Utilisation des T.J. 68 10.4. Exemples de traversée-jonction de la S.N.C.B. 68 11. Traversée à aiguilles 68 11.1. Généralités. 68 11.2. Utilisation. 69 12. Communication. 70 12.1. Spécificité de la communication. 70 12.2. Exemples de réalisation. 72 12.3. Communication croisée (Bretelle). 72 PARTIE 5 : APPAREILS DE VOIE 1. Généralités. 1.1. Rôle des appareils de voie. Les appareils de voie sont des dispositifs typiquement ferroviaires qui assurent toute la souplesse de l’exploitation. Selon les types et les combinaisons utilisées, ils permettent a) à un itinéraire de se scinder en 2 (rarement 3) itinéraires différents; b) à un itinéraire de traverser un autre itinéraire; c) à un itinéraire de traverser un autre itinéraire ou de s’y raccorder. Tout nouveau système de transport guidé ne pourra être réellement opérationnel qu’après mise au point de dispositifs offrant des possibilités d’exploitation équivalentes à celles des appareils de voie. 1.2. Types d’appareils de voie - Représentation schématique. Les figures 1 à 6 montrent les appareils de voie ou combinaisons d’appareils de voie les plus courants. Chaque rail y est figuré par une ligne. La représentation schématique de ces appareils, formée par les tangentes aux axes des voies à l’entrée et à la sortie des appareils, est également dessinée. Ces schémas sont utilisés pour l’étude de l’implantation sur plan et sur terrain. Fig.1 Branchement Fig.2 Traversée ordinaire Fig.3 Traversée-jonction Fig.4. Liaison de croisement - Communication Fig.5 Bifurcation Fig.6 Bretelle - Communication croisée 1.3. Eléments ou sous-ensembles d’appareils de voie. Tous les appareils de voie sont obtenus à partir de combinaisons d’éléments ou sousensembles, reliés entre eux par des rails appelés "intercalaires". On distingue les éléments suivants (voir fig.1 à 3) : a) les aiguillages des branchements ou des traversées-jonctions; b) les croisements (fixes ou mobiles); c) les traversées proprement dites (fixes ou à aiguilles). 1.4. Plan directeur. Tous les éléments d’appareils de voie comprennent des faces latérales obliques. Aussi est-il nécessaire de choisir un plan horizontal de référence pour en définir la géométrie. Ce plan, situé internationalement à 14 mm sous le plan de roulement, est appelé plan directeur. Une face oblique usinée est représentée par sa ligne d’intersection avec le plan directeur ou par l’intersection de son plan d’usinage avec le plan directeur si elle reste plus basse que ce dernier. Les figures 7a et 7b donnent l’exemple du tracé géométrique en plan d’un demiaiguillage ou d’une pointe de croisement dans le plan directeur. La ligne, côté flanc de la roue, située dans le plan directeur est appelée ligne directrice. Fig.7a Tracé d’une aiguille Fig.7b Tracé d’une pointe 2. Etude statique du contact rail-roue. 2.1. Cotes principales des essieux Ces cotes sont définies par l’Unité Technique et par la fiche UIC 510-2. La figure 8 définit les plans ou sections dans lesquels ces cotes sont mesurées. Fig.8 Cotes des essieux La valeur conventionnelle du diamètre D de la roue est le diamètre du cercle de roulement. Cotes (en mm) Ecartement des roues (cote de calage) Valeur minimale Valeur nominale 1360 1360 Valeur maximale D ≥ 840 mm 30 ≤ D < 840 mm Écartement extérieur des boudins des roues 1357 1359 D ≥ 840 mm 30 ≤ D < 840 mm Épaisseur du boudin 1410 1415 1426 1426 D ≥ 840 mm 30 ≤ D < 840 mm Hauteur du boudin 22 27,5 33 33 D ≥ 840 mm 30 ≤ D < 840 mm Pente du boudin 28 32 q R > 6,5 28 32 1363 1363 36 36 Les appareils doivent être étudiés pour assurer la circulation tant des essieux neufs que des essieux usés. 2.2. Fuseaux des roues. On appelle fuseau, l’intersection d’une roue par un plan parallèle au plan de roulement. Fig.9 Fuseau de profondeur Z Soit Z la profondeur d’un plan. Tout point A du profil du boudin décrit un cercle dans sa rotation autour de l’essieu. Si rA est le rayon correspondant au point A situé à une distance Y du sommet du boudin, le cercle de rayon rA percera le plan de profondeur Z en deux points A’ dès que: rA ≥ Z La distance horizontale xA’ mesurée à partir du plan vertical médian de l’essieu vaut xA' = ± rA 2 − Z 2 On peut ainsi facilement dessiner la géométrie d’un fuseau en faisant varier le rayon rA. La forme et la grandeur d’un fuseau varient avec la profondeur Z du fuseau et le diamètre de la roue. Le tableau suivant permet de comparer la longueur L de quelques fuseaux de même profondeur pour des roues de diamètres différents avec un même profil de boudin neuf. Profondeur du fuseau (en mm) + 55 Longueur du fuseau pour 1 diamètre de 760 mm 704 1 diamètre de 840 mm 741 1 diamètre de 1000 mm 809 + 20 541 569 621 0 416 437 476 - 10 334 351 383 - 17,5 256 269 293 Ce tableau fait ressortir immédiatement : - l’intérêt de situer au- dessus du plan de roulement tous les dispositifs qui ont pour rôle de guider les roues (comme des contre-rails par exemple); - l’influence du diamètre de la roue sur la longueur du fuseau. 2.3. Condition de stabilité du contact rail-roue. Dès qu’une roue se soulève, son contact avec le rail se réduit à une seule zone. On peut alors aisément démontrer par projection sur le plan tangentiel de contact que le déraillement n’aura pas lieu si, au point de contact, X < tg (γ - µ ) (Formule de NADAL) Q Fig. 10 Equilibre rail-roue - µ est l’angle de frottement f = tg µ - Y et Q sont les composantes horizontales et verticales de l’effort exercé par la roue sur le rail - γ l’angle du plan tangentiel de contact avec l’horizontale. L’influence des principaux facteurs agissant sur le déraillement peut se déduire de cette équation : - plus le frottement est élevé, plus faible est la réserve vis-à-vis des efforts horizontaux; ceci montre l’influence favorable du graissage non seulement sur l’usure mais aussi sur la sécurité au déraillement; - l’angle tangentiel de contact lui-même; en cas d’usure latérale importante, la sécurité diminue; - le gauche lorsqu’il a pour effet de décharger la roue guidante (Q diminue); - l’effort horizontal Y lui-même qui est la résultante d’une série d’efforts tels que force centrifuge non compensée (ou lacet), effort d’inscription en courbe, effort de déviation des appareils de voie, effort aléatoire dû aux défauts de voie ou aux réactions d’attelage. Les valeurs maximales de Y/Q en fonction du coefficient de frottement f et de l’angle de contact γ sont données dans le tableau suivant. f r Y/Q 0,2 40° 45° 50° 55° 60° 65° 0,55 0,67 0,80 0,96 1,14 1,36 0,3 40° 45° 50° 55° 60° 65° 0,43 0,54 0,66 0,79 0,94 1,12 0,4 40° 45° 50° 55° 60° 65° 0,33 0,43 0,54 0,65 0,79 0,94 2.4. Influence de l’angle d’attaque sur la stabilité du contact rail-roue. 2.4.1. Méthode des fuseaux. Si la direction de la roue est oblique à celle du rail (ou d’un obstacle), le contact entre la roue et le rail ne se produira plus dans le plan vertical médian de la roue mais en avant de ce plan. La figure11 illustre le cas du contact avec un aiguillage. Fig.11 Méthode des fuseaux Soit l’angle de braquage α entre la roue et la pointe. La roue est représentée par ses différents fuseaux. Dans chaque fuseau, un contact tangentiel à la direction α n’est possible qu’en un seul point A’, le plus proche de la direction de la pointe ou, autrement dit, le plus extérieur du fuseau. La partie du fuseau située à gauche du point A’ ne pourra jamais être heurtée; la partie située à droite du point A’ pourra être heurtée si le contact n’est pas tangentiel, par exemple si la pointe est entrebaillée ou le c.a. trop usé. On parle dans ce cas d’un contact frontal (avec mouchage). En particulier, on peut donc dessiner sur la roue la ligne des seuls points de contacts tangentiels possibles à la direction α en travaillant fuseau par fuseau. Comme le contact a lieu à une distance xA’ du plan médian, on peut retrouver sur la vue de face de la roue la projection A’ du point de contact et le rayon rA du cercle de révolution passant par ce point. A ce cercle de rayon rA correspond sur le boudin un angle de pente γ A A’ On voit donc que du fait du braquage, on rencontre un point du boudin de pente γ A A non pas à la profondeur rA observée sans braquage, mais à la profondeur Z, donc plus haut de rA - Z . En langage imagé, on peut dire que le braquage agit comme un relèvement apparent des parties basses de la roue. Plus le braquage est important, plus l’avance et le relèvement du contact sont importants. Pour étudier le contact entre la roue et un obstacle, on peut considérer la roue comme un empilage de ses fuseaux et l’obstacle comme un empilage de coupes par des plans parallèles au plan de roulement. Il suffit alors, pour différentes positions de la roue, d’examiner, à chaque profondeur, si le fuseau et la coupe correspondante se touchent, pour déterminer s’il y a contact et où se produit ce contact. 2.4.2. Profil de BOUTELOUP. La méthode de BOUTELOUP permet de déterminer, pour un angle de braquage donné, la projection de la ligne des contacts tangentiels possibles sur un plan perpendiculaire à la direction du rail ou de l’obstacle. Fig.12 Méthode de Bouteloup Chaque cercle de révolution rA se projette selon une ellipse sur le plan J Les demi-diamètres de l’ellipse valent (rA sin α ; rA ) Le profil de BOUTELOUP est par définition l’enveloppe géométrique de la famille d’ellipses obtenues pour tous les rayons rA. Pour déterminer le point de l’enveloppe à une profondeur Z, on détermine l’équation du point de percée de toutes les ellipses dans le plan de profondeur Z et on prend le point A’ le plus extérieur trouvé. Les équations liant les coordonnées du point A aux coordonnées de son correspondant A’ sur l’enveloppe sont (voir rapport ORE C 70 - RP 1) : 1 ZA' = rA - rA sin ²α tg ²γ A 2 XA' = rA sin α tgγ A tg ²γ A' = tg ²γ A α étant l’angle d’attaque et γ bandage au point A. A l’angle d’inclinaison sur l’ horizontale du profil de Le relèvement du contact tangentiel d’angle γ A vaut donc rA - ZA' et l’avance de ce contact vaut x A ’. 2.4.3. Etude du contact tangentiel. Après avoir dessiné le profil de Bouteloup correspondant au boudin et au braquage choisi, on présente ce profil devant chaque section du demi-aiguillage (ou de la pointe ou du rail...), et on détermine le point de contact tangentiel possible. Dans la section représentée à la fig. 13, l’angle de contact vaut γ A' = γ A et la profondeur au contact est de Z alors que cet angle est situé à une profondeur de rA > Z sur le boudin non braqué. Le relèvement vaut donc rA − Z Fig.13 Contact tangentiel 2.4.4. Etude du contact frontal (sécant). S’il existe une incompatibilité géométrique entre le profil de Bouteloup d’un boudin braqué et la première section d’un obstacle (pointe, aiguille, etc.), le contact tangentiel n’est plus possible, et un contact sécant (avec mouchage) se produira comme expliqué au point 2.1. Fig.14 Contact frontal Pour comprendre la nature de ce contact frontal, on dessine à différents instants (l et 2 sur la fig. 14) l’intersection de la roue qui se rapproche de la pointe par un plan vertical BB passant par la première section de la pointe. Dans la partie proche de la pointe, l’intersection se confond pratiquement avec le profil du boudin. Il suffit dès lors de faire glisser parallèlement à lui-même le profil du boudin sur l’ellipse projection, dans le plan BB, du cercle de révolution d’un point quelconque du boudin pour déterminer le point du premier contact entre la roue et le rail. Si en ce point O, l’angle γ O est suffisant pour que l’équation de l’équilibre Y ≤ tg (γ O − µ ) soit vérifiée, la roue sera ripée transversalement par la pointe (à Q condition que sa résistance soit suffisante) jusqu’à suppression de l’incompatibilité géométrique roue-pointe. La valeur géométrique de ce ripage transversal brusque est appelée "mouchage". Si au point O, l’angle γ O n’est pas suffisant pour respecter l’équation d’équilibre, la roue déraille. 2.4.5. Conclusion sur l’influence de l’angle d’attaque. L’angle d’attaque exerce donc une influence très néfaste sur la sécurité au déraillement car des points à faible angle de la roue peuvent entrer en contact avec des points de même inclinaison situés plus haut qu’eux. La figure 15 illustre cette influence dans le cas d’une aiguille ébréchée. Fig.15 Influence du braquage sur l’angle de contact Le braquage entraîne un contact tangentiel d’angle γ = 55° au lieu de γ = 60° obtenu sans braquage. Or, la limite admissible des efforts Y dépend directement de cet angle, via une fonction non pas linéaire mais tangentielle. C’est dire l’importance de l’angle d’attaque sur la stabilité au déraillement. 2.4.6. Calcul de l’angle d’attaque. L’angle d’attaque de la roue par rapport au rail provient : a) du jeu de l’essieu dans la voie α1 = σ a b) de la courbure de la voie située avant le contact α2 = a 2R c) de la discordance angulaire géométrique existant éventuellement au point de contact. L’exemple type de ce cas est l’angle de déviation des aiguilles (voir 3.2.2.). On comprend donc immédiatement l’intérêt : - de diminuer les surécartements non nécessaires; - d’éviter les courbes surtout de faible rayon, devant des aiguillages par exemple; - de limiter les angles de déviation des aiguillages. Fig.16 3. Aiguillages des branchements et traversées- jonctions 3.1. Généralités. Fig.17 Aiguillage asymétrique Un aiguillage est composé de 2 demi-aiguillages, eux-mêmes composés d’une aiguille mobile et d’un rail contre- aiguille (c.a.) qui bute latéralement l’aiguille dans sa partie mobile. Le c.a. est fixe. L’aiguille est parfois solidarisée à son c.a. par l’intermédiaire d’un châssis de talon. Aiguille et c.a. sont tirés par usinage de rails laminés. Des dessins de ceux- ci sont donnés dans les paragraphes suivants. Les rails utilisés pour les aiguilles sont souvent des profils spéciaux réservés à cet usage; il en est parfois de même pour les c.a. Les aiguillages peuvent être à déviation à gauche, à droite ou symétriques. Pour juger du sens de déviation, on se place entre les rails à la pointe de l’aiguille, et on regarde vers le talon. La figure 17 représente une déviation à droite. Dans un aiguillage asymétrique, la voie la plus importante, qui comprend l’aiguille droite ou rectiligne dans le cas de pose en alignement, est appelée voie directe. Elle est normalement parcourable sans ralentissement. L’autre voie qui comprend l’aiguille courbe est appelée voie déviée. La vitesse autorisée sur celle- ci varie avec le type d’aiguillage. La distance minimale entre l’aiguille en position ouverte et son c.a. est appelée ornière, celle entre l’aiguille en position fermée et son c.a. entrebâillement. 3.2. Géométrie d’un aiguillage La géométrie en plan d’un aiguillage est principalement déterminée par le rayon de courbure, l’angle de déviation, l’écartement et la cote de protection de l’aiguille ouverte. Nous allons examiner ci-après l’influence de chacun de ces paramètres. 3.2.1. Rayon de courbure. Le rayon est déterminé par le choix de la vitesse en voie déviée et de l’insuffisance de dévers admise. Celle-ci ne dépasse généralement pas 100 mm dans l’aiguillage même. Pour une même ouverture au talon de l’aiguille, la longueur de l’aiguille est fixée par le choix du rayon. Fig.18 Longueur de l’aiguille on a d = R − R 2 − L2 En première approximation, on peut écrire L ≈ 2 R.d 3.2.2. Angle de déviation. Une aiguille construite selon un cercle parfait comme dessiné sur la figure 18 comprendrait une partie très fine et d’inertie faible très longue, ce qui la rendrait fragile et aurait une influence très défavorable sur l’ornière. Par exemple, pour un rayon de 500 m, l’épaisseur de 10 mm ne serait atteinte que 2 mètres au-delà de la pointe. Aussi raccourcit-on la partie fragile, soit en remplaçant la première partie du cercle par une tangente, soit en prenant un tracé circulaire sécant. Fig.19 Tracés de l’aiguille courbe La pointe réelle (P.R.) correspond à l’extrémité de l’aiguille. La pointe mathématique (P.M.) est par définition l’intersection des lignes directrices de l’aiguille et du c.a. (donc dans le plan directeur). L’angle α mesuré à la P.M. est appelé conventionnellement l’angle de déviation de l’aiguille. La valeur de l’effort nécessaire pour dévier l’essieu est proportionnelle e.a. à l’angle de déviation réel de la roue au point de contact réel. L’angle réel est obtenu en ajoutant à l’angle conventionnel l’angle du braquage de l’essieu par rapport au c.a., et la variation d’angle de l’aiguille entre la P.R. et le point de contact. Même en cas de tracé tangent, la roue subirait une déviation angulaire. En pratique, l’angle de déviation conventionnel ne dépasse pas 1° pour la vitesse de 40 km/h, et diminue pour des vitesses plus élevées. Pour les vitesses importantes (120 km/h ou plus), il ne dépasse pas quelques minutes. 3.2.3. Choix de l’écartement. a) Vérification de l’écartement. L’écartement de la voie courante est normalement conservé dans la voie directe. En voie déviée, l’angle de déviation et le rayon de courbure nécessitent parfois la création d’un surécartement de construction pour permettre l’inscription des véhicules les plus exigeants. Lorsqu’un aiguillage est posé en courbe ou directement précédé d’une courbe de même sens de courbure que la voie déviée et de rayon peu élevé, un surécartement complémentaire de position est même parfois nécessaire. Une méthode graphique pratique pour vérifier la possibilité d’inscription d’un véhicule est exposée dans le RP 2/F du Comité ORE D 72. Une telle étude à échelle classique n’est pas possible car les jeux dans la voie sont très petits comparativement à la longueur des véhicules. On travaille dès lors par anamorphose dans le plan directeur en prenant par exemple: - une échelle 1/10 dans le sens longitudinal; - une échelle 1/1 dans le sens transversal. Le tracé de l’aiguillage est dessiné point par point à partir des coordonnées géométriques calculées (X, Y). Fig.20 Vérification de l’inscription De plus, on réduit tant l’écartement e de la voie que la largeur de l’essieu de la valeur de l’écartement des roues (les dos des roues se touchent donc sur le dessin, le point C de la figure 8 coïncidant avec le point D). Le dessin du fuseau de la roue s’explique par le fait que la largeur du boudin est dessinée à sa valeur réelle alors que la longueur du fuseau est réduite à 1/10 de sa valeur. On fait alors glisser le véhicule dans le tracé pour vérifier si la circulation est possible en tenant compte du jeu possible des essieux dans les boîtes. Pour une circulation aisée, la roue avant doit pouvoir toucher le rail extérieur alors que la roue arrière touche le rail intérieur, tous les jeux étant éventuellement pris. b) Installation du surécartement de construction. Le surécartement n’est jamais nécessaire que pour l’inscription en voie déviée. Or, en voie directe, sa présence est nuisible (en relation avec l’angle d’attaque voir 2.4.6.). Aussi, la solution de la figure 21 n’est pas conseillée. Fig. 21 La S.N.C.B. utilise le tracé sécant comme montré à la figure 22. Fig.22 Ainsi, le surécartement n’existe que par la voie déviée. 3.2.4. Cote de protection du dos de l’aiguille a) Définition et valeur N’importe quel essieu doit pouvoir circuler sur l’aiguille fermée sans que le dos de la seconde roue ne touche le dos de l’aiguille ouverte, et ne la fasse vibrer avec risque d’injecter, via le tringlage, des efforts sur le verrouillage ou moteur, surtout si l’aiguillage est du type "talonnable". Dans un aiguillage talonnable, un essieu roulant du talon vers la pointe et empruntant l’itinéraire ne correspondant pas à la position des aiguilles, exerce sur l’aiguille ouverte un effort latéral. Lorsque cet effort dépasse un certain seuil, il provoque le déverrouillage de l’aiguillage et le basculement de la position de celui-ci. La talonnabilité a pour but d’éviter des dégâts importants à l’aiguillage en cas d’erreur d’itinéraire (par violation des signaux par exemple), mais impose des réglages et contrôles précis pour éviter toute manoeuvre intempestive. La cote de protection du dos de l’aiguille ouverte (C.P.A.O.) est, par définition, la distance maximale mesurée dans le plan directeur, entre la face de guidage de l’aiguille fermée, supposée poussée par la roue contre le c.a. ou les butée, et le dos de l’aiguille ouverte correspondante. Fig.23 Cote de protection du dos de l’aiguille Pour obtenir la valeur de la C.P.A.O., on ajoute à la mesure AB le jeu éventuel j, s’il correspond à un mouvement possible de l’aiguille sous la poussée de la roue. Pour éviter tout contact, la C.P.A.O. en service ne peut atteindre la somme des 2 cotes: 1357 + 22 1379 mm Écartement intérieur minimum des roues Épaisseur minimale du boudin Une réserve de 2 mm par rapport à cette valeur doit être prévue pour tenir compte de l’influence des vibrations sur l’aiguille ouverte. A remarquer que la valeur d’une ornière ne signifie rien si on ne mesure pas en même temps l’écartement. b) Influence de la C.P.A.O. sur la longueur de l’aiguille. La longueur de l’aiguille doit être suffisante pour qu’en position ouverte, la C.P.A.O. soit partout inférieure à la limite fixée, autrement dit que l’ornière de libre passage soit dégagée, sans qu’un effort de manoeuvre exagèré ne soit nécessaire. Outre la valeur de la course en pointe et le nombre de points d’attaque, la longueur nécessaire varie avec le type d’assemblage utilisé au talon de l’aiguille. On distingue de ce point de vue 2 familles d’aiguilles - les aiguilles articulées qui tournent autour de leur talon grâce à une fixation avec jeu ou grâce à un pivot; Fig.24 Talon d’aiguille articulée - les aiguilles élastiques dont le talon peut être considéré comme un encastrement ; l’ornière est obtenue par déformation élastique des aiguilles tirées d’un profil de rail à âme renforcée pour obtenir une inertie horizontale plus importante ; près du talon, un affaiblissement local de leur raideur par usinage du patin est souvent nécessaire pour limiter l’effort de manoeuvre. Fig.25 Talon d’aiguille élastique c) Comparaison des aiguilles élastiques et articulées. Pour une même ornière, l’aiguille articulée est plus courte que l’aiguille élastique de même géométrie. Cependant, l’articulation s’use plus vite et rend l’aiguille peu stable. Aussi, ce type d’aiguille ne convient que pour des voies peu importantes parcourues à faible vitesse. Leur seul avantage est la facilité de leur manoeuvre. 3.2.5. Distance entre la P.R. et le joint de pointe du c.a. La présence des tringles de manoeuvre rend difficile le nivellement des pièces de bois qui les encadrent. Aussi, est-il conseillé d’éloigner de plusieurs cases le joint de pointe du c.a. pour éviter la succession de 2 difficultés de nivellement. 3.2.6. Exemples d’aiguillages de la S.N.C.B. Le tableau ci-après permet de se fixer un ordre de grandeur de la longueur des aiguilles et c.a. en fonction de la vitesse de la voie déviée. Vitesse (en km/h) rayon de la voie angle de déviation longueur de longueur du c.a. déviée (en m) (en degré) l’aiguille (en m) (en m) 40 (articulé) 40 (élastique) 50 60 90 120 215 215 318 561 1133 2000 1° 03’ 1° 03’ 0° 53’ 0° 41’ 0° 31’ 0° 08’ 5,170 7,108 10,800 11,800 16,000 29,972 9,395 9,395 13 14,640 18,840 31,765 3.3. Considérations sur la construction et la pose des aiguillages. 3.3.1. Usinages latéraux. - La pente d’usinage de la face de guidage de l’aiguille doit être suffisante pour que le contact avec la roue soit situé dans la partie haute de celle-ci. En Belgique, cette pente latérale vaut 1/4. Fig.26 Usinage latéral - La pente du plan de contact aiguille c.a. est fixée à 2/5 en Belgique. - Dans sa partie la plus basse, la P.R. est retirée sous le c.a. pour éviter tout abordage sécant. (Voir fig.26). La valeur conventionnelle de ce retrait est indiquée sur cette figure. On donne parfois un usinage supplémentaire au dos de l’aiguille dans la zone où l’ornière est la plus faible pour augmenter cette dernière. Fig.27 Usinage complémentaire du dos 3.3.2. Profil en long de l’aiguille. L’étude du profil en long est menée de façon à : - ne pas reporter des charges verticales sur l’aiguille tant que son inertie verticale est faible. - assurer une transition harmonieuse du report de la charge du c.a. vers l’aiguille sans créer d’accélération verticale importante. - ne pas créer d’aiguille trop basse pouvant entrer en contact avec la partie inférieure de la roue (problème d’angle de contact). 3.3.3. Choix du profil du rail aiguille. Le profil de rail utilisé pour les aiguilles est généralement à âme épaisse (voir 3.2.4.). Les différents réseaux utilisent deux grandes familles de profil : - des rails à âme renforcée de même hauteur que le rail c.a. (fig. 28); Rail aiguille profil 74kg/m(pour aiguillage UIC60). Rail aiguille profil 63kg/m(pour aiguillage 50kg/m) Fig.28 - des rails à âme renforcée de hauteur moindre que celle du rail c.a (rail "trapu") (fig.29). Fig.29 Rail aiguille profil 73kg/m a) l’utilisation du premier type de profil : - nécessite un usinage important du patin de l’aiguille et du c.a sur une longueur importante. Fig.30 Aiguillage 50 kg/m - assure une plus grande simplicité des accessoires tels que coussinets de glissement (qui servent d’appui au demi-aiguillage dans la partie mobile de l’aiguille), butées (qui assurent la transmission au c.a. des efforts latéraux subis par l’aiguille au-delà du plan de contact des rabotages). La figure 30 montre un dessin de ces accessoires. b) L’utilisation de rail "trapu" : - offre de grands avantages du point de vue résistance et serpentage car le patin du c.a. reste entier. Fig.31 Aiguillage UIC 60 - diminue les usinages, car sa forme est prévue pour obtenir facilement la géométrie de l’aiguille. - assure un réservoir pour la neige dans les pays à climat rude; - complique certains accessoires utilisés (coussinets de glissement à deux niveaux, des butées de plusieurs types); - nécessite un forgeage du talon de l’aiguille pour assurer le raccord entre le profil du rail aiguille et celui de la voie courante; ce forgeage est délicat. Fig.32 Forgeage du talon de l’aiguille UIC 60 c) La longueur totale de rail pour aiguille utilisée par un réseau est faible comparée à celle de la voie courante. Or, la création d’un profil spécial demande l’investissement de cylindres de laminage ; de plus, un montage de cylindres ne se fait que pour un tonnage minimum. Aussi, quel que soit le profil choisi, un réseau de taille moyenne ne doit utiliser qu’un seul rail propre à lui-même, ou alors doit utiliser des rails utilisés sur d’autres réseaux. De plus, un réseau ne peut pas perdre de vue que bien souvent un seul lamineur ou un seul réseau possède les cylindres d’un rail aiguille, même parfois pour des profils UIC. Il court alors le risque d’être complètement dépendant de ce lamineur ou du constructeur lié au lamineur. Par ailleurs, les accessoires tels que butées, coussinets, châssis de talon, éclisses sont généralement spécialisés à un seul type de rail aiguille. Le passage d’un rail à un autre présente donc beaucoup de difficultés. 3.3.4. Choix de l’inclinaison de la pose. Selon les réseaux, les aiguillages sont posés verticalement ou au 1/20. Garder dans les aiguillages l’inclinaison de pose de la voie courante est certainement la meilleure solution technique, tant pour le roulement que pour éviter les transitions nécessaires entre inclinaisons différentes. La pose au 1/20 complique les coussinets de glissement uniquement des aiguilles non trapues, sauf si on utilise un rail spécialisé supplémentaire pour le c.a. dont l’âme est inclinée au 1/20 (S.N.C.F.). La pose verticale présente d’autres inconvénients : - dans les premiers temps de service, le c.a. flue jusqu’à l’obtention de la surface de roulement proche de la forme du rail incliné au 1/20. Si ces bavures ne sont pas meulées à temps, les aiguilles risquent de s’ébrécher car elles butent alors latéralement contre la bavure et non plus contre le plan de contact. Fig.33 Ebréchure provoquée par une bavure - une transition entre l’inclinaison de la voie courante et celle de l’aiguillage doit être aménagée, par exemple par l’utilisation de selles spéciales de transition qui font varier graduellement l’inclinaison. La S.N.C.B. utilise 4 selles d’inclinaison différente (1/100, 1/50, 1/33, 1/25) pour la transition entre la pose verticale et la pose au 1/20. Dans tous les cas, l’inclinaison une fois choisie ne peut plus raisonnablement être modifiée. 3.3.5. Plancher et joints. Les aiguillages, comme d’ailleurs les appareils de voie dans leur ensemble, sont posés sur des pièces de bois de section supérieure à celle des traverses de la voie courante, afin d’augmenter la surface d’appui disponible et la résistance transversale. Les joints peuvent être éclissés ou soudés, ou plus rarement collés. a) Lorsque l’aiguillage est incorporé par soudure dans les l.r.s., les opérations de pose et de maintenance doivent être conduites de la même façon que dans les l.r.s., pour des raisons évidentes de stabilité. De plus, une partie de l’effort thermique du rail intercalaire est transmise au c.a par l’intermédiaire du châssis de talon ou du plancher, et augmente l’effort thermique agissant dans le c.a. (de 33 % à près de 90 % selon qu’il s’agit d’un aiguillage isole ou de 2 aiguillages très proches qui se font face). La soudure diminue les opérations d’entretien et élimine les avaries aux éclissages ou aux joints. Pour renforcer la résistance 1aterale de l’aiguillage, on pose devant et dans l’aiguillage des bêches qui augmentent la surface de butée contre le ballast. Fig.34 b) Lorsque l’aiguillage est simplement éclissé, le nombre de joints est relativement dense, aussi les cotes de forage des éléments et des rails contigus sont-elles étudiées pour limiter l’ouverture de ces joints et ainsi limiter le choc et l’usure des abouts des éléments. 3.3.6. Verrouillage (calage des aiguilles). L’aiguille fermée est toujours immobilisée contre son c.a. par un dispositif de calage. L’aiguille ouverte est calée ou non, selon le dispositif de manoeuvre utilisé. La S.N.C.B. utilise trois dispositifs différents : a) le système à crochets BUSSING qui équipe les aiguillages du type 50 kg/m. (fig.35). Ce système est talonnable et le mouvement des deux aiguilles n’est pas simultané; b) le système à agrafes qui équipe les aiguillages du type 60 kg/m. (fig.36) Ce système est également talonnable mais l’aiguille en position fermée est désolidarisée du verrouillage du moteur. c) le système de verrou- carter coussinet utilisé dans les traversées à aiguilles. Fig.35 Crochet Bussing Fig. 36 Verrouillage a agrafes Fig.37 Verrou Carter. Ce système n’est pas talonnable et l’aiguille est immobilisée tant en position ouverte que fermée. Les 2 aiguilles sont solidarisées par des tringles et leur mouvement est simultané. 3.3.7. Nuance d’acier. Les aiguillages sont des constructions coûteuses et s’usent relativement vite. Aussi at-on intérêt à utiliser une nuance d’acier relativement dure. Malheureusement, ces aciers sont souvent plus fragiles et les rechargements éventuels par soudure doivent être soigneusement étudiés. 3.4. Contrôle de l’usure des aiguillages. En service, la roue, l’aiguille et le c.a. s’usent tant verticalement que latéralement. Ces usures qui modifient la géométrie transversale du demi-aiguillage et de la roue ne peuvent dépasser certaines limites sans mettre en danger la sécurité. Des calibres de contrôle de l’usure permettent de décider si une intervention d’entretien, un reprofilage ou un remplacement sont nécessaires. Ces calibres sont construits sur base d’une répartition équilibrée de l’usure admissible par le système total en une part d’usure de la roue, une part d’usure du demiaiguillage et une part d’usure du dispositif de manoeuvre et de calage. 3.4.1. Usure de la roue. Le profil du boudin de la roue neuve ou fraîchement reprofilée est défini par la fiche UIC 510-2. La valeur de qR (voir 2.1) est de l’ordre de 11 mm. En service, la pente du flanc de la roue se raidit et la limite admise pour qR est de 6,5 mm. Fig.38 Les coordonnées du profil du boudin usé sont définies dans le R.P.I. du comité O.R.E. C 70. 3.4.2. Usure de la manoeuvre. En service, l’entrebaillement maximum admis est fixé entre 3 et 5 mm selon les réseaux. Cet entrebaillement peut provenir de l’usure du dispositif de calage, de la modification de longueur des tringles, ou de l’entrebaillement dynamique sous l’action des circulations. 3.4.3. Usure du c.a. - Contrôle à la P .R. A l’état neuf, La P.R. de l’aiguille est dérobé sous son c.a. (voir 3.3.1.). En service, l’usure du c.a. diminue peu à peu la valeur du retrait de pointe et à la longue, un contact sécant dangereux pourrait se produire avec le boudin usé (de par sa forte inclinaison, il se rapproche le plus de la P.R. pour une même position contre le c.a), surtout si l’on tient compte de l’entrebaillement admissible. Abordage d’une pointe par un boudin usé Abordage d’une pointe par un boudin neuf Fig.39 A gauche du point Aq du profil usé, l’angle de chaque point du flanc est toujours supérieur à l’angle limite de contact (voir 2.3), et il ne peut y avoir de bavures ou d’arêtes. Par contre, la partie située à droite de Aq peut présenter des bavures ou des irrégularités de surface, donc un coefficient de frottement élevé. Tout contact entre la P.R. et cette partie dangereuse de la roue doit être exclu. Le contour du calibre 1 de contrôle entre les points Aq et A 10 (fig.40) représente le dessin de l’ellipse du point Aq pour la roue de plus grand diamètre braquée d’un angle généralement fixé à 10 (voir 2.4.6.) Le point A10 qui positionne le calibre contre le c.a. est le point du profil de Bouteloup de cette roue. L’entrebaillement maximum admissible est simulé par une pige. Celle-ci doit pouvoir être insérée entre le calibre et l’aiguille a la P.R., normalement plus haute que 25 mm. (fig.40) Si la pige ne peut pas être insérée, on peut affiner l’aiguille par meulage tant que la pointe ne devient pas trop basse (ce qui correspond à un c.a. trop usé). (fig.41) Fig.40 Contrôle d’une aiguille bonne pour le service Fig.41 Meulage d’une pointe Fig.42 Aiguille bonne pour le service Fig.43 Aiguille mauvaise pour le service 3.4.4. Usure de l’aiguille. a) l’usure latérale de l’aiguille et du c.a. doit être contrôlée comme en voie courante. b) La partie supérieure des zones de rabotage présente une forme d’usure caractéristique: les ébréchures (voir fig. 42 et 43). Vis-à-vis de celles-ci (tant que leur longueur n’engendre pas un contact sécant), le boudin neuf est le plus agressif car la pente de son flanc est plus faible et des contacts tangentiels d’angle plus petit peuvent donc se produire sur le sommet des ébréchures. On présentera donc en face des ébréchures, un calibre 2 représentatif du bandage neuf. Le contour de ce calibre entre les points M et N est le dessin du profil de Bouteloup de la roue neuve de plus grand diamètre braquée de l’angle d’attaque du calibre 1 augmenté du plus grand angle de déviation des aiguilles (voir 2.4.6) et délestée de 1 à 2 mm pour tenir compte de la circulation en courbe. Un trait repère au niveau de l’angle limite de contact admis figure sur ce calibre. Si l’ébréchure est plus haute que le trait repère, l’aiguille est bonne. Sinon, le demiaiguillage est déclassé. Lors de ce contrôle, on doit tenir compte du jeu éventuel entre l’aiguille et ses coussinets. 3.4.5. Choix de l’angle limite des ébréchures. Les experts de l’UIC ont estimé que le rapport limite Y/Q à prendre en compte dans les aiguillages est de 0,8 (fiche UIC 716). Ceci sous-entend évidemment que la pose et l’entretien de ces aiguillages soient corrects, pour que cette valeur ne soit pas dépassée. Entre autres, cela suppose: - pas de rayon trop faible devant la pointe des aiguilles; - gauches nominaux limités à 6 mm/ID m; - angle de déviation inférieur à 1 °; - entretien régulier tant en plan qu’en nivellement et matériaux en bon état. 3.4.6. Importance du graissage de la face latérale des aiguilles. Selon le coefficient de frottement réel, la valeur de l’angle limite (voir 2.3) est: - 50° avec f = 0,2 - 55° avec f = 0,3 - 60° avec f = 0,4 La plupart des réseaux comme la S.N.C.B. imposent le graissage des aiguilles ou des boudins, et prennent une valeur limite de 55° à 60° pour l’angle de contact. On voit donc que le graissage non seulement diminue l’usure par abrasion, mais encore permet de remplacer moins vite les aiguillages pour cause d’ébréchures puisque la marque repère du calibre 2 peut être plus basse. L’influence du graissage sur la durée de vie des aiguillages est donc capitale. Par ailleurs, les mêmes experts de l’U.I.C. ont également attiré l’attention sur l’importance du graissage en présence d’aiguilles neuves et de roues fraîchement reprofilées. La présence de traces d’usinage peut engendrer, en cas de graissage insuffisant, des coefficients de frottement plus élevés et ainsi favoriser les risques de déraillement. 3.4.7. Renouvellement par demi-aiguillages. Si, par suite d’avaries ou d’usure, un demi-aiguillage n’est plus parcourable, on ne renouvelle pas l’aiguillage complet mais uniquement le demi-aiguillage hors d’usage. Les demi-aiguillages qui s’usent le plus rapidement sont ceux avec aiguille courbe, surtout si le rayon est petit. Le renouvellement complet ne s’effectue que lorsque le plancher doit aussi être renouvelé. 4. Croisement fixe. 4.1. Généralités. Le croisement est un élément d’appareil de voie constitué d’un cœur de croisement, de deux rails extérieurs et de deux contre-rails. Le croisement est utilisé dans les branchements, les traversées ordinaires, jonctions et à aiguilles. Dans un croisement, l’angle formé par les lignes directrices est un angle aigu. Ces lignes directrices AB et CD sont interrompues pour dégager une ornière suffisante pour le passage de la roue sur l’autre itinéraire. Il en résulte des lacunes théoriques MN et ML dans le guidage. Fig.44 Croisement d sin α Plus l’angle est petit, plus la lacune devient importante. MN = NL = Le point M, point de rencontre des lignes directrices, est par définition la pointe mathématique (P.M.). La pointe réelle 0 ne coïncide pas avec la P.M. car l’épaisseur doit être suffisante pour résister au choc des roues. Fig.45 Pointe réelle d’un croisement Quel que soit l’itinéraire parcouru, la pointe du croisement est toujours rencontrée par le flanc des roues. Les rails AN et CL ne sont pas interrompus aux points N et L mais prolongés en les écartant de la pointe pour dégager une ornière suffisante. Les rails NX et LY sont appelés rails "patte de lièvre". On ajoute des contre-rails (C.R.) en face des lacunes et de la zone où la pointe est fine. Ceux-ci vont guider l’essieu en agissant sur le dos de la roue qui ne roule pas sur la pointe. 4.2. Géométrie des croisements. 4.2.1. Tracé. La valeur géométrique qui caractérise principalement le croisement est la valeur de son angle de sortie (souvent défini par la valeur de la tangente de l’angle). Pour une même valeur d’angle, on distingue: a) des croisements symétriques dont les 2 branches sont généralement en alignement. On les utilise indifféremment pour une déviation à gauche ou à droite. Fig.46 Cœur symétrique b) des croisements asymétriques dont la branche correspondant à la voie déviée est en courbe. Il existe alors 2 coeurs différents, l’un pour une déviation à gauche, l’autre pour une déviation à droite. Fig.47 Cœur asymétrique 4.2.2. Écartement. L’écartement dans le croisement est le même que celui de la voie courante. 4.2.3. Cote de protection. Fig.48 La C.P. est, par définition, la distance mesurée dans le plan directeur entre le contrerail et la pointe qu’il protège. Pour éviter tout contact sécant entre un essieu et une pointe, la C.P. minimale doit valoir 1363 +33 1396 mm (maximum de l’écartement des roues) (maximum de l’épaisseur des boudins) L’ornière pour le passage de la roue 1 vaut alors 1435 -1396 39 mm (écartement nominal) (C.P.) Une réserve est nécessaire pour couvrir les tolérances de pose et l’usure en service admise avant entretien. La C.P. nominale devrait être majorée de cette réserve. Il en résulterait une ornière trop petite (minimum: 37 mm) et une valeur trop importante du rappel de l’essieu par le contre-rail. Un contact frontal avec mouchage limite est donc possible. La C.P. est normalement comprise entre 1393 et 1398 mm. 4.2.4. Cote d’inscription (C.I.) La C.I. est par définition la distance, mesurée dans le plan directeur, entre la patte de lièvre et le contre-rail. Elle doit rester inférieure au plus petit écartement des roues et ne peut donc dépasser en service 1356 mm. 4.2.5. Ornières. - L’ornière entre le contre-rail et le rail extérieur est le résultat de la différence entre l’écartement et la protection. La valeur de construction est de 40 mm. En service, elle ne peut descendre sous 37 mm. - L’ornière entre le rail patte-de-lièvre et la pointe est variable le long de celle-ci. Dans sa partie constante, elle vaut nominalement 45 mm, ce qui correspond à une C.I. de 1350 mm pour une ornière de 40 mm du contre-rail. Aux points N et L (voir fig.44), on élargit l’ornière pour éviter un rappel trop brutal des essieux venant contre les rails patte-de-lièvre. Si l’ornière était maintenue constante, la valeur brusque du rappel d’un essieu usé serait de (1435 + s − 45) − (1357 + 22) = (11 + s ) mm, s étant le surécartement en service. Fig.49 Rappel de la patte de lièvre A la construction LN est de l’ordre de 60 mm. 4.2.6. Surélévation des pattes-de-lièvre La première partie de la pointe est très fine et n’est pas capable de porter la charge verticale de la roue; aussi, le profil en long de cette partie est-il abaissé de façon à ce que la charge verticale soit portée uniquement par le rail patte-de-lièvre. La pointe elle-même ne sert qu’au guidage latéral. Plus loin, le profil en long de la pointe se relève et la roue va être portée en même temps par la pointe et le rail patte-de-lièvre. Ensuite, la roue s’écarte du rail patte-de-lièvre et est portée par la pointe seule. Fig.50 Surélévation de la patte-de-lièvre Sur le parcours de N à Y, de par la conicité du bandage, la roue va rouler sur des diamètres de plus en plus petits. Pour éviter l’abaissement de l’essieu qui en résulterait, on donne dans cette zone une surélévation à la patte-de-lièvre. (fig.44 et 50). 4.2.7. Longueur des contre-rails. La valeur du rappel par le contre-rail d’un essieu usé peut devenir : (1435 + s − 40) − (1357 + 22) = (16 + s ) mm s étant le surécartement en service. Fig.51 Rappel par le contre-rail Si l’ornière était réduite à 37 mm, le rappel deviendrait même (19 + s ) mm. L’effort de rappel de l’essieu dépend de la valeur du rappel et de la pente de ce rappel. Cette pente de rappel (exprimée généralement en mm par mètre) est choisie en fonction de la vitesse. Elle varie entre 10 et 25 mm/m pour les vitesses courantes. Le tracé du contre-rail présente donc la forme suivante : Fig.52 Tracé du contre-rail La longueur du contre-rail dépend donc principalement de la longueur du canal constant (qui varie avec l’angle du croisement) et de la pente de rappel. Lorsque l’ornière atteint une valeur de (56 + s ) mm, le contre-rail ne peut plus être heurté par une roue non braquée. Cependant, pour des raisons de sécurité, on prolonge le contre-rail par une pente beaucoup plus raide, de façon à former une entrée d’ornière qui peut rattraper éventuellement un essieu faussé. 4.3. Construction des coeurs de croisement. On distingue deux grandes familles de coeurs: les coeurs assemblés et les coeurs monoblocs. 4.3.1. Coeurs assemblés. Les pointes et pattes-de-lièvre sont usinées dans des profils de rail et sont ensuite assemblées par boulonnage avec interposition d’entretoises pour réaliser les ornières. Fig. 53 Coupe dans un coeur assemblé Cependant, sous l’effet des chocs, l’assemblage tend rapidement à se disjoindre. Aussi, ces coeurs, bien que peu coûteux, ne sont-ils utilisés que dans des voies soumises à peu de trafic. Fig.54 Profil pour coeur 50 Fig.55 Profil pour coeur UIC 60 4.3.2. Coeurs monoblocs. a) Coulés en acier au manganèse (Mn). La fiche UIC 866 fixe les principales clauses de fabrication et de réception d’achat de ces cœurs : composition chimique, résistance, tolérance et calibres géométriques, essais, garantie. L’acier au Mn (12 à 14 %) présente une propriété mécanique remarquable, la martelabilité. Sous les chocs des roues, la couche superficielle atteint une dureté importante (de l’ordre de 400 Hb) et le coeur s’usera moins vite sans pour cela devenir fragile, car, sous la couche superficielle, l’acier de base est resté résilient. Une fissure superficielle ne se prolonge donc pas dans le coeur. Malheureusement, la structure austénitique est obtenue par trempe, et tout apport ultérieur de calories (pour un rechargement par exemple) doit être limité et contrôlé sous peine d’obtenir une structure locale fragile. En conclusion, ont peut résumer les principales caractéristiques des coeurs au Mn comme suit : Avantages: - excellente résistance à l’usure - grande liberté de formes liée au choix de procédé de coulée. Inconvénients : - sujet aux avaries liées au processus de coulée. - soudabilité non encore généralisée. - plus coûteux et de longueur limitée par la longueur du four utilisé pour le traitement thermique. A l’heure actuelle, des essais de nouveaux procédés de soudage sont en cours sur plusieurs réseaux dont la S.N.C.B. b) Coeurs reconstitués par soudure. Certains réseaux n’utilisent pas de coeurs en acier au Mn à cause de leur non soudabilité. A leur place, ils utilisent des coeurs dont une courte partie centrale monobloc est assemblée par soudage ou boulonnage aux rails patte-de-lièvre et aux rails faisant suite. L’ensemble est alors soumis à un traitement thermique après soudure. c) Coeur monobloc usiné. Depuis peu, la S.N.C.B. a mis au point un nouveau procédé permettant de tirer les coeurs par usinage d’un profil laminé capable du coeur. (fig.54 et 55). Les masses de ces profils, laminés par M.M.R.A., sont de 332 et 379 kg/m selon qu’ils sont destinés à des voies de 50 ou 60 kg/m. Tout acier laminable (moins coûteux que l’acier au Mn) peut être utilisé. Le coeur est complètement soudable. On usine dans ces profils les ornières et les chambres d’éclissage. Les entrées des pattes-de-lièvre que les roues ne touchent normalement pas sont boulonnées aux coeurs. 4.4. Construction des contre-rails. A l’origine, les contre-rails étaient de simples rails assemblés par entretoises et boulons au rail extérieur. Fig.56 Contre-rail formé par un rail Par la suite, pour augmenter la sécurité au déraillement (voir 2.2.), les réseaux ont utilisé des contre-rails surélevés. Certains sont fixés au rail extérieur par entretoises et boulons. Fig.57 Contre-rail surélevé soudé Les contre-rails modernes sont surélevés mais réglables ; leur usure est compensée par interposition de fourrures entre le dos du contre-rail et le support. Fig.58 Coussinet de contre-rail Le profil U.I.C. 33 utilisé par les réseaux Européens permet une correction facile de la C.P. et assure ainsi une protection efficace d’une pièce fort coûteuse, le coeur, en empêchant quasi tout mouchage de pointe. 4.5. Pose directe ou indirecte. Les coeurs peuvent être posés directement sur bois ou indirectement sur selles. Les coeurs au Mn les plus longs demandent des inerties plus grandes pour la manutention et sont des lors conçus pour une fixation directe, leur hauteur étant ainsi supérieure de l’épaisseur d’une selle à la hauteur du rail extérieur. Les logements pour les tirefonds sont obtenus à la coulée. 4.6. Plancher Les coeurs sont généralement posés sur des pièces de bois. Aux sorties des croisements, la distance entre les 2 branches est trop faible pour poser des pièces de bois individuelles pour chaque voie. On doit dès lors prévoir un certain nombre de pièces de bois longues communes aux 2 voies. La longueur de ces p.d.b. peut atteindre 4,80 m. Certains réseaux ont posé quelques coeurs sur des "pièces de bois" en béton. 4.7. Exemples de croisements de la S.N.C.B. Outre le tracé, la longueur du coeur dépend également de l’ouverture voulue aux extrémités du coeur. Cette ouverture doit suffire pour placer les dispositifs d’éclissage ou les moules de soudage. Plus l’angle est petit, plus le coeur sera long. Coeurs de croisement S.N.C.B. Tangente de l’angle de sortie Tracé Longueur (en m) H0 0,055009 al.dr. 8,750 H0A 0,027484 R 1133 m 8,750 H1 0,071388 al. dr. 6,000 H1A 0,078572 R 561 m 6,000 H2 0,087899 al.dr. 5,200 H3 0,108611 " 4,850 H4 0,125000 " 4,450 H4A 0,125000 R 209 m 4,300 H7 0,219813 al.dr. 3,500 H8 0,253968 " 3,200 5. Croisement à pointe mobile. L’expérience a prouvé que les croisements fixes sont parcourables sans inconvénients jusqu’à 200 km/h et même vraisemblablement plus. Cependant, lorsque les vitesses augmentent (T.G. V.), la présence d’une lacune peut poser des problèmes techniques (notamment de freinage). La suppression de la lacune devient alors intéressante mais nécessite l’utilisation d’une pointe mobile. La pointe mobile joue le rôle d’aiguille et les pattes-de-lièvre réunies en un seul berceau le rôle de c.a. La pointe est déplacée contre l’un ou l’autre des rails patte-de-lièvre selon le sens de circulation choisi. La manoeuvre s’obtient par déformation élastique autour d’un encastrement du talon. De tels coeurs sont posés sur les lignes T.G.V. Comme ils sont nettement plus coûteux et exigent un dispositif de manoeuvre et de contrôle, leur utilisation doit être réservée aux très grandes vitesses. 6. Traversée. 6.1. Généralités. La traversée proprement dite est un élément d’appareil de voie constitué de deux coeurs de traversée posés l’un en face de l’autre. Dans un coeur de traversée, l’angle réel formé par les lignes directrices des pointes est un angle obtus. Fig.59 Cœur de traversée Comme dans un croisement, les lignes directrices AB et CD sont interrompues pour dégager une ornière suffisante pour l’autre itinéraire. La traversée est généralement désignée par l’angle supplémentaire de celui des lignes d directrices. Plus cet angle est petit, plus la lacune devient importante. sin α Un coeur de traversée comporte 2 pointes. Celles-ci sont touchées par le flanc des roues du côté intérieur de la voie (on parle de pointe prise en croisement), et par le dos des roues du côté extérieur de la voie (on parle de pointe prise en traversée). Les points M et L sont appelés par définition pointes mathématiques. Les pointes réelles sont également dessinées sur la figure. Pour des raisons évidentes de résistance, elles ne peuvent coïncider avec les P.M. Le rail BC est appelé rail coudé et le point N correspond au pli de ce rail. Chacun des coeurs assure la protection des pointes de son vis-à-vis et comprend un contre-rail également coudé car il doit protéger 2 pointes dont les directions sont obliques. L’ornière de ces contre-rails, dont le rôle est identique aux contre-rails des croisements est de 40 mm à la S.N.C.B. 6.2. Comparaison de la géométrie des croisements et des traversées. 6.2.1. Tracé Les traversées sont normalement symétriques. Le tracé de leurs deux branches est droit. 6.2.2. Écartement L’écartement est le même que celui de la voie courante. Cependant, les tolérances en service sont réduites pour limiter l’angle de braquage des roues. 6.2.3. Cotes de protection On distinguera 2 cotes différentes selon que la pointe est prise en croisement ou en traversée. a) Protection de la pointe prise en croisement. Les principes exposés pour les pointes de croisement restent valables dans ce cas. La différence essentielle résulte de la matérialisation de cette protection. En effet, dans une traversée, le contre-rail doit être interrompu avant la pointe pour assurer la libre circulation de l’autre itinéraire. La figure 60 compare les contre-rails d’un croisement et d’une traversée d’un même angle. Le contre-rail CS2 qui protège la pointe P1 de la traversée doit être interrompu en S2, soit à une distance Y avant la pointe réelle. Traversée Croisement Fig.60 Plus généralement, on montre facilement que les pointes des traversées courantes ne sont pas couvertes par un contre-rail (voir fig. 60). En effet, O1X = e − d d O1P1 = sin α XS 2 = O1X tg α 2 = (e − d ) tg α 2 On peut vérifier que XS 2 < O1P1 tant que l’angle α < 14°50' , ce que n’atteignent jamais les traversées standards. Donc P1S '2 > 0 et la pointe P1 n’est plus couverte par le contre-rail. L’étude de l’attaque de la pointe par la roue est développée au point 6.3. b) Protection de la pointe prise en traversée. Dans une traversée standard, la pointe prise en croisement P1 est généralement touchée avant la pointe prise en traversée (fig. 60). Si les ornières sont les mêmes, l’avance de la pointe P1 sur la pointe P2 vaut XS 2 = (e − d ) tg α 2 L’essieu, après avoir rencontré la pointe P1, touche la pointe P2 via le dos de la deuxième roue. Dans le cas le plus défavorable (essieu usé), le mouchage de cette pointe vaut: (1435 - 40) - 1357 + 22 16 mm (distance CD) (essieu usé pour un diamètre supérieur à 840 mm). Cette valeur doit être majorée du surécartement éventuel. Pour une roue de diamètre inférieur à 840 mm, ce mouchage se réduit à 7,5 mm (1359 au lieu de 1357 mm et 27,5 au lieu de 22 mm). Le mouchage de la pointe prise en traversée n’est pas dangereux du point de vue déraillement (l’essieu est déjà guidé par l’autre roue) mais sa valeur ne peut devenir trop grande car l’effort de rappel risque de plier les pointes les plus fines, donc celles des traversées d’angle petit. 6.2.4. Cote d’inscription C.I. Les principes exposés pour les croisements restent valables. Cependant, l’existence de 2 ornières de 40 mm à la construction rend la valeur nominale très proche de la valeur limite 1435 - (2 x 40) = 1355 mm. 6.2.5. Ornières. L’ornière du contre-rail est fixée à 40 mm; comme la pointe n’est déjà pas couverte par son contre-rail, on ne peut réaliser au sommet S2 (fig.61) le même élargissement qu’au point M du croisement (fig.44). Croisement Traversée Fig.61 L’ornière entre le rail coudé et le dos de la pointe est également fixée à 40 mm, dans le but de limiter le plus possible la lacune. La valeur de rappel de l’essieu usé peut atteindre (1435 + s - 40) - 1379 = (16 + s)mm. Ce qui signifie un choc important car la pente de rappel vaut la tangente de l’angle de la traversée. 6.2.6. Non-surélévation du rail coudé. Le rail coudé du coeur de traversée remplit le même rôle que le rail patte-de-lièvre du coeur de croisement. Cependant, les 2 itinéraires du coeur de traversée, empruntent le rail coudé. Toute surélévation favorable à une direction serait ressentie comme un obstacle pour l’autre direction. Au passage d’une traversée, la trajectoire de l’essieu subit une dénivellation vers le bas. 6.2.7. Longueur et forme du contre-rail. Les principes de la pente de rappel des contre-rails de croisement sont applicables à la traversée. La partie centrale du contre-rail est portée à la hauteur maximale autorisée par le gabarit pour allonger le fuseau intercepté sur le dos de la roue (voir point 2.2.). Le respect du gabarit de l’itinéraire dévié dans les T.J. impose rapidement de limiter cette surhauteur. Ceci explique la forme courante en demi-lune des contre-rails de traversée. 6.3. Etude de l’abordage de la pointe prise en croisement. Au point 6.2., la non couverture de la pointe par son contre-rail a été démontrée. Mais en déduire que la roue n’est plus guidée dès que l’axe de l’essieu dépasse S2 serait trop hâtif. Fig.62 Distance sans guidage En effet, la roue n’est pas ponctuelle, et tant le contre-rail que la pointe touchent des fuseaux de roue d’une longueur non négligeable. Tant que la somme des longueurs des 2 fuseaux x1 + x 2 correspondant aux 2 positions extrêmes de contact des roues est supérieure à la distance S2 P1, on considère que l’essieu est complètement guidé. Si cette somme est inférieure à la distance S2 P1’, on parlera d’une distance sans guidage (x dans le cas du dessin de la fig. 62). Les essais réalisés par le comité ORE C9 ont montré que, dans la distance sans guidage, le glissement transversal ne dépassait pas 20/1000 pour une traversée d’angle 1/9 abordée par un essieu braqué de 1° et subissant un effort horizontal H ne dépassant pas le quart de la charge P de l’essieu (H/P < 0,25). Avec un tel effort, l’angle admissible de contact est très faible (40°). 6.4. Conclusions sur la géométrie des traversées. a) L’angle de la traversée et le diamètre de la roue jouent un rôle prépondérant dans l’abordage roue-pointe. En effet, - la distance S2P2 (lacune réelle) varie avec l’inverse du sinus de l’angle de la traversée. - la longueur des fuseaux est directement liée au diamètre de la roue (voir point 2.2.). Ceci justifie que des conditions plus sévères sont imposées par la fiche UIC 510-2 lorsque le diamètre de la roue diminue. b) Les traversées d’angle faible (par exemple 1/9) ne peuvent être posées en courbe (sauf grands rayons) pour garantir la limitation de l’angle d’attaque à 1°. Pour cette même raison, le surécartement doit rester limité. c) La fiche UIC n’explique pas comment le matériel peut garantir que la limite H/P ne soit pas dépassée. d) Dans tous les cas, il est exclu de construire des traversées d’angle inférieur à 1/9. 6.5. Construction des coeurs de traversées. Les différentes constructions possibles de coeurs de traversées sont les mêmes que celles des coeurs de croisement et toutes les considérations données en 4.3. restent valables. 6.6. Pose. Les traversées sont généralement posées sur selles. 6.7. Exemples de traversées de la S.N.C.B.. L’ouverture aux extrémités des coeurs de traversée obéit aux mêmes règles que celle des coeurs de croisement. Coeurs de traversée de la S.N.C.B. Tangente de l’angle de sortie Longueur (en m) Lacune réelle (en mm) V3 0,108611 3,944 571,5 V4 0,125000 3,444 410,2 V7 0,219813 3,194 219,7 V8 0,253968 2,994 217,1 7. Aiguillage de traversée à aiguilles. 7.1. Généralités L’aiguillage des traversées à aiguilles (T.A.) est un élément d’appareil de voie composé de 2 demi-aiguillages de traversée à aiguilles. Chaque demi-aiguillage est composé d’un rail c.a. coudé et de deux aiguilles. Fig. 63 Aiguillage d’une traversée à aiguilles L’aiguillage des T.A. assure les mêmes fonctions qu’une traversée proprement dite mais l’itinéraire sélectionné est parcourable sans lacune, deux des aiguilles étant fermées et les deux autres ouvertes. Le rail c.a. et les aiguilles sont obtenus à partir de rails usinés et pliés. 7.2. Caractéristiques des aiguillages des T.A.. Les aiguillages des T.A. sont très semblables aux demi-aiguillages élastiques des branchements comprennent l’aiguille droite, le rail coude jouant le rôle de 2 contreaiguilles. Les quatre aiguilles sont donc des aiguilles sans angle de déviation. Cependant, l’aiguille d’une T.A. s’écarte très vite de son c.a. (selon la tangente de l’angle de la traversée); aussi la partie usinée de l’aiguille est-elle très courte. La longueur de l’aiguille elle-même est aussi déterminée par la condition de l’ornière suffisante pour une valeur acceptable de l’effort de manoeuvre. Comme pour une même longueur d’aiguille, la distance aiguille-c.a. est beaucoup plus grande que dans un demi-aiguillage, et les butées deviennent vite très longues et flexibles. Aussi, utilise-t-on un rail porte-butées dès que la distance aiguille-c.a. le permet. Fig.64 7.3. Remarques sur l’utilisation des aiguillages des T.A. - Ces aiguillages peuvent être posés en courbe ou encadrés de courbes comme des branchements. Les lacunes sont supprimées pour l’itinéraire emprunté ; aussi, des aiguillages de traversées à aiguilles d’angle inférieur à 1/9 peuvent être construits sans aucun problème. - Comparés aux traversées proprement dites de même angle, les aiguillages des T.A. sont de construction simple, robuste, plus sûre et plus durable. Mais elles nécessitent un dispositif de manoeuvre. 7.4. Caractéristiques des aiguillages des T.A. à la S.N.C.B. La S.N.C.B. construit 2 types d’aiguillages de T.A. dont les caractéristiques sont résumées dans le tableau suivant : Angle de la T.A. (tg) Longueur de l’aiguille (en m) Longueur usinée de Longueur du l’aiguille (en m) c.a. (en m) T1/17 0,058824 10,956 1,224 14,664 T3 0,108611 11,257 1,125 7,554 8. Branchement. 8.1. Généralités. Le branchement est un appareil de voie composé d’un aiguillage, d’un croisement et de rails intercalaires qui les relient. Le branchement est de la même déviation (à gauche, à droite ou symétrique) que son aiguillage. Fig.65 La gamme des branchements est généralement étendue car les vitesses demandées en voie déviée sont très variables selon le cas d’utilisation. La vitesse nominale admise dépendra de l’aiguillage et du rayon dans les rails intercalaires. Il est possible d’associer un même aiguillage avec différents croisements, le rayon de la voie intercalaire étant alors différent. Le branchement peut être posé en courbe. Il est alors cintré au rayon de courbure de la voie directe et est en quelque sorte spécialisé pour cette dernière. 8.2. Longueur des branchements. a) Branchement de rayon homogène. Généralement, chaque aiguillage a été initialement conçu pour être posé dans un branchement de rayon homogène, le croisement étant lui-même droit ou bâti sur le même rayon (Fig.65 et 66). Fig.66 Branchement homogène avec coeur droit Dans le cas du branchement homogène complet (voir fig. 65) on a : L2 (e + x ) ≈ d’où L = (e + x) 2 R 2R Si la voie déviée du croisement est maintenue en alignement, il en résulte un branchement plus long. Autrement dit, à égalité de longueur, un branchement avec coeur asymétrique (à voie déviée courbe) offrira un rayon plus grand. Le tableau suivant permet de se fixer un ordre de grandeur des longueurs des branchements en fonction de la vitesse. Exemples de branchements S.N.C.B. Vitesse en km/h) Rayon (en m) Croisement Longueur totale (en m) 40 215 Alignement 26,570 50 318 Alignement 33,585 60 561 561 m 43,167 90 1132 1132 m 62,004 120 2 000 2000 m 82,535 b) Branchement de rayon non homogène. L’utilisation d’un aiguillage avec un croisement d’angle plus élevé que le croisement du branchement homogène entraîne un raccourcissement de la longueur du branchement et une diminution du rayon de la voie intercalaire, pouvant entraîner une diminution de vitesse (fig.67). Une telle combinaison est utilisée : - lorsqu’elle permet d’utiliser le même aiguillage dans des branchements courants avec des angles de croisements différents; - lorsque le tracé local de la voie faisant suite justifie l’utilisation d’un croisement d’angle de sortie différent. 8.3. Pose en courbe des branchements. 8.3.1. Rayon de la voie déviée. La voie directe du branchement est posée dans le tracé de la courbe. Pour ce faire, les aiguillages et les croisements sont cintrés à la presse. Les angles à la sortie de l’aiguillage et du croisement sont conservés, et donc le triangle de la représentation schématique. Par contre, la longueur des rails intercalaires du branchement cintré diffère quelque peu de celle de la pose en alignement. Selon le sens de courbure de la voie déviée par rapport à la courbure de la voie directe, un branchement est dit convergent ou divergent. Fig.67 Branchement non homogène Fig.68a Branchement convergent Fig.68b Branchement divergent Si R1 est le rayon de la courbe dans laquelle est posé le branchement, R∞ le rayon de la voie déviée du branchement en alignement, et R2 le rayon de la voie déviée du branchement cintré, on peut montrer que : - pour un branchement convergent: 1 1 1 ≈ + ;donc R2 < R∞ R 2 R∞ R1 - pour un branchement divergent: 1 1 1 ≈ − ;donc R2 > R∞ R 2 R∞ R1 8.3.2. Remarques particulières. a) Comme le rayon de la voie déviée du branchement convergent diminue, il peut en résulter en l’absence de dévers une limitation de la vitesse admise sur la voie déviée. Cette vitesse est déterminée de façon à ne pas dépasser l’insuffisance de dévers maximale admise dans les appareils. b) Le rayon de la voie déviée du branchement divergent augmente. Mais s’il est posé en dévers, il en résulte un contre-dévers dans la voie déviée, à ne pas oublier dans le calcul de l’insuffisance de dévers de celle-ci. De plus, la présence d’un contre-dévers entraîne généralement une diminution de l’insuffisance de dévers admise. c) Lorsque la voie déviée du croisement est en alignement, le cintrage lui donne la courbure de la voie directe. Ceci entraîne des variations de courbure dans le tracé de la voie déviée. Il est donc plutôt conseillé de cintrer des branchements homogènes avec croisement asymétrique (fig.65). d) Outre une augmentation de l’usure latérale, la pose en courbe entraîne une augmentation de l’angle d’attaque de la roue. Le rayon de la voie directe ne peut donc devenir trop petit. De plus, la vérification de la possibilité d’inscription s’impose; éventuellement, un surécartement complémentaire de position doit être prévu (voir 3.2.3.). e) Par l’opération de cintrage, le branchement devient spécialisé et n’est donc plus standard donc plus de stock lors d’un remplacement d’urgence, un délai supplémentaire peut parfois être nécessaire. Si dans certains cas, cette sujétion est jugée inacceptable pour l’Exploitation, on doit refuser la pose en courbe ou prévoir la disponibilité permanente de quelques aiguillages cintrés dans des rayons bien choisis. 9. Traversée ordinaire. 9.1. Généralités. La traversée ordinaire (T.O.) est un appareil de voie composé d’une traversée proprement dite, de deux croisements et des rails intercalaires qui les relient. Fig.69 Traversée ordinaire Les croisements sont identiques à ceux utilisés dans les branchements. Normalement, l’angle des croisements est le même que celui de la traversée proprement dite. On obtient ainsi une traversée ordinaire homogène. 9.2. Utilisation. Les limitations conseillées à l’utilisation des traversées ordinaires sont directement celles de la traversée proprement dite. On peut rappeler en particulier que n’est pas recommandable: a) leur pose en courbe (sauf grands rayons) ou l’utilisation de T.O. non homogènes; b) leur pose dans des voies à vitesse élevée. 10. Traversée-jonction. 10.1. Généralités. La traversée-jonction (T.J.) est obtenue en remplaçant des rails intercalaires d’une T.O. homogène par des demi-aiguillages dont les éléments courbes se rejoignent. Ceci n’est possible que si la distance existant entre les croisements est suffisante pour obtenir un rayon minimum, donc dans des T.O. d’angle petit. 1=aiguille ou c.a. allongé Fig.70 Traversée-jonction Selon que les rails intercalaires d’un seul ou des 2 itinéraires sont remplacés par des aiguillages, on parlera de T.J.S. (simple) ou T.J.D. (double). Les aiguillages de la T.J. sont normalement les mêmes que ceux du branchement à même vitesse de déviation (40 km/h à la S.N.C.B.). Seuls les c.a. ou les aiguilles numérotés 1 sur la figure ont une longueur de rail plein supplémentaire pour rejoindre les c.a. ou les aiguilles qui leur font suite. 10.2. Comparaison T.J.D. et 2 branchements. Une T.J.D. offre les mêmes possibilités d’itinéraire que 2 branchements posés pointe à pointe. Fig.71 Comparaison des possibilités d’itinéraires de 2 branchements et d’une T.J.D. Les itinéraires (1,3) (1,4) (2,3) et (2,4) sont possibles dans les 2 cas.