Les différents types de défauts géométriques de la voie et leurs contrôles

Quelle que soit la nature de la voie (ligne classique ou à grande vitesse), la circulation des trains entraîne l’apparition de défauts de voie. Ces défauts sont essentiellement de nature géométrique - résultants de problèmes de nivellement. Ils se caractérisent par un inconfort pour les voyageurs et mettent en jeu la sécurité des circulations s’ils sont trop importants. Ces défauts sont identifiés à l’aide d’une rame spéciale appelée Voiture Mauzin (Figure I.12) ; l’analyse comparative des différents enregistrements permet de détecter les défauts de géométrie (Figure I.11) tels que :

Les flèches (1) par file de rail

L’écartement (2) des faces internes des champignons.

Le défaut de dressage qui représente la variation transversale du milieu des rails par rapport à sa position théorique,

La variation du dévers (3), c’est-à-dire la différence entre le dévers (inclinaison du rail) théorique et celui mesuré par la voiture Mauzin. L’écart de dévers donne une idée de l’irrégularité du profil en travers de la voie.

Le gauche (4), le gauche ou torsion de la voie, qui représente le décalage vertical entre les deux files de rails. Le gauche entraîne un risque de déraillement lorsqu’il est excessif.

Le nivellement longitudinal (5) de chaque file de rails, obtenu en déterminant, par un système funiculaire, le déplacement vertical d’une roue centrale de la voiture par rapport à la position moyenne des 8 roues qui parcourent la même file de rail. Le système de référence auquel on rapporte le nivellement n’est donc pas réalisé en absolu, mais en relatif.

Pour assurer un bon contact rail/roue, la qualité de géométrie du rail doit avoir un niveau de service conforme aux exigences du groupe UIC de la ligne. En d'autres termes, la qualité de la géométrie de la voie est un indicateur du niveau de celle-ci, pour un standing donné. Notons que les causes de dégradation de la géométrique de la voie peuvent être liés à des problèmes de superstructure, des couches d’assise et du sol support (Guerin, 1996). Sur le RFN, le terme de nivellement longitudinal NL est utilisé pour évaluer l'état géométrique des voies. Une valeur élevée de NL implique un mauvais état de la voie ferrée. Au-delà d'un certain seuil de NL, l'entretien est nécessaire afin de ramener le NL à un seuil. Cette correction s’obtient en réalisant des opérations de maintenance de type bourrage, soufflage (bien que se raréfiant) ou renouvellement de ballast.

Le NL est calculé, pour une zone de 200 m, à partir de la dénivellation locale mesurée sur chaque file de rail par rapport au profil en long moyen de la voie. Le calcul se base sur la différence d'ordonnée entre les représentations Eulériennes et Lagrangiennes d'une roue (Rhayma 2010), cette différence N (mm) (Figure I.12) se calcule comme suit :

( )

La valeur de NL (mm ) est l'écart type des mesures enregistrées avec une valeur moyenne µ et sur une distance de 200 m :

Figure I.12 : Détermination de NL. (a) le train Mauzin (http://lapassiondutrain.blogspot.f), (b) Paramètres utilisés pour calculer NL

La Figure I.13 présente les variations du NL pour une certaine ligne, sur une voie donnée et à un kilomètre défini au cours des dernières années. On observe que la valeur de NL a fortement diminué après des opérations de maintenance de type bourrage (Année 2001, 2003, 2007 et 2012). Cependant, après l'entretien, la valeur de NL a continué d'augmenter presque au même rythme : une tendance d'augmentation linéaire du NL au fil du temps peut être identifiée. Il est à noter que la pente représente

Figure I.13 : Histoire des variations NL pour un kilomètre donné, avec l'opération de maintenance (Duong, 2013)

b. La prise en compte des valeurs de défauts dans la politique de maintenance de la voie ferrée

La mesure et l’analyse de ces défauts permettent de déterminer l’état de la voie selon les tolérances de sécurité admises et de planifier les opérations d’entretien. En fonction du type de circulation de la ligne, on définit des seuils dont le dépassement peut entraîner des réductions de vitesse ou des opérations de maintenance d’urgence. Ces seuils, fixés en fonction de la vitesse et de la charge du mobile, pourraient en cas de dépassement entraîner un déraillement de train.

Ces seuils (Tableau I.2) définis dans les référentiels de maintenance de la voie IN 1895 (SNCF – 2003), s’étendent de la VO (Valeur d’Objectif) à obtenir lors de la pose d’une voie neuve ou après travaux de maintenance sur celle-ci, à la Valeur de Ralentissement (VR) qui aboutit à des restrictions de vitesse d’exploitation. Deux seuils intermédiaires ont été définis à des fins de maintenance : VA (Valeur d’Alerte) imposant une surveillance de la voie et/ou une intervention à moyen terme ; et la VI (Valeur d’Intervention) qui impose une intervention de maintenance dans un délai relativement court.

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Maintenance operations

N L ( m m )

Year

History of NL Trend line

Tableau I.2 : Niveau de qualité du nivellement longitudinal extrait de l’article 6

Niveau de qualité Vitesse maximale autorisée (km/h) détermination des seuils de déraillement par modélisation « Vampire ». Les travaux menés par Bodin (2001) tendent à comparer le comportement d’un train (ratio force latérale/verticale) aux valeurs communément admises. En effet, devant l’évolution du matériel (train pendulaire, vitesse, poids…), il est nécessaire de pouvoir modéliser les comportements des trains face à des défauts de voie. Notons que le comportement de référence de chaque train est déterminé lors des marches d’homologation.

- de l’aptitude d’un train à franchir des défauts de voie de type « gauche ». Ceux-ci sont inévitables, et résultent :

- de la transition entre les sections de voie en alignement et les courbe posées avec dévers (surélévation du rail extérieur).

- des défauts de nivellement transversal de la voie (c'est-à-dire de la différence d'altitude entre les deux files de rail).

Ces gauches de voie, exprimés soit en mm (valeur absolue) soit en mm/m ou ⁰/00 (valeur relative), agissent sur le véhicule sur deux bases à savoir la base du bogie ou de la caisse. Cette action sollicite le bogie et la caisse à la torsion, ce qui, en fonction de la rigidité en torsion de ces éléments et de l'importance du gauche sur les bases correspondantes, se traduit par des variations des charges verticales de roue : surcharge de certaines roues, délestage de certaines autres. Les véhicules les plus rigides en torsion, comme certains types de wagons à superstructure (citernes, trémies…) ou encore les véhicules à voyageurs à deux niveaux, sont donc les plus sensibles au gauche.

- de supprimer le risque de déraillement par montée de roue : le cas le plus critique vis-à-vis du risque de déraillement par montée de roue est celui d'un véhicule abordant à faible vitesse la sortie d'une courbe serrée, en présence d'un défaut de nivellement transversal. En effet, ce cas accumule les facteurs suivants : rayon encore très faible, générant un effort d'inscription élevé ; dévers encore important, délestant les roues extérieures ; gauche délestant la roue guidante.

- du comportement dynamique en ligne : Ces essais permettent de déterminer les forces d’interaction roue-rail transversales (Y) et verticales (Q) (Figure I.14).

Y

Y

Y

Y

Q

Q

Q

Q

Sens de circulation

Figure I.14 : Représentation des forces Y et Q pour quatre roues d’un bogie

Ainsi ces essais permettent de caractériser le comportement dynamique des véhicules et de définir leurs comportements vis-à-vis de deux risques, à savoir :

- Le risque de « déripage » de la voie sous l’effet d’un effort transversal excédant sa limite de résistance, caractérisé par la relation

= _{_} − _{_}

= _{_} − _{_}

Équation I-6

Cette grandeur d’appréciation représente l’effort transversal total exercé par chaque essieu sur le châssis de voie (« 2 m » signifie que la valeur prise en compte est la moyenne glissante sur 2 m), qui doit être comparé avec la résistance transversale de la voie. Cette valeur définie par la limite de Prud’homme s’exprime par la formule :

La limite de résistance transversale a été prise comme étant celle à partir de laquelle les déplacements s’amplifient, c’est-à-dire, le moment où la voie perd son élasticité et qu’elle ne peut revenir à sa position originelle, hormis de légers déplacements résiduels. Cette résistance est obtenue en partie par la butée transversale des traverses dans la banquette de ballast (terme constant de l’équation), mais surtout par le frottement entre la surface inférieure de la traverse et le ballast (terme proportionnel à la charge). Pour le cas des wagons, les normes de sécurité de construction n’étant pas les mêmes que celles des véhicules de voyageurs, un terme de sécurité de 0,85 est appliqué pour

« durcir » les critères d’homologation.

- Le risque de déraillement du véhicule par montée de la roue guidante (roue extérieure du premier essieu). Ce risque est lié au rapport des forces transversales et verticales exercées par la roue d’attaque :

= _ / _

Équation I-7

Là aussi c’est la moyenne glissante sur deux mètres qui est prise en compte. A ce jour la valeur limite retenue est de 0,8. Cette valeur est la plus basse pour laquelle un risque de déraillement peut être encouru « dans des conditions défavorables ». Il est à noter toutefois que cette valeur est remise en question régulièrement, car très critique. Cependant, les résultats obtenus sur des locomotives dans les différents réseaux montrent qu’il n’y a pas de risque de déraillement et que les valeurs n’excédaient pas cette limite. C’est pourquoi cette limite « très sure » a été retenue à l’époque [(Y/Q)2m]lim = 0,8.

Ces notions de dynamique ferroviaire sont indispensables à prendre en compte lors de l’analyse des défauts de voie et de plateforme et la détermination de leur impact sur le mobile circulant. Ceux-ci peuvent être de deux ordres : le premier est de vérifier l’influence en terme de sécurité des circulations ; et le second qui concerne plus ce mémoire, et d’appréhender comment la dynamique engendrée par un train peut augmenter la dégradation de l’armement et in fine celle de la structure d’assise.