Brevet FR2917361A1 — publié le 20081219

-1- La présente invention concerne un frein de détresse à usage ferroviaire, permettant de raccourcir la distance de freinage d'un train, en cas d'obstruction ou de destruction de la voie. Il s'agit d'un dispositif de sécurité ayant vocation à ne servir qu'une seule fois (avant remise en état) et permettant en instantané un arrêt rapide et complet du train. Il est connu qu'un véhicule ferroviaire a une distance de freinage minimale environ dix fois supérieure à celle d'un véhicule routier de masse et de vitesse identique. Cette piètre performance au freinage lui vient de son mode de déplacement, des roues en acier sur des rails en acier, le coefficient de frottement de ce métal étant particulièrement faible. En exploitation normale, cette particularité est sans importance, les conducteurs l'ayant incorporé depuis dans leur mode de conduite. Evidemment, il en va tout autrement en cas d'obstruction des voies, voir de leur destruction par un glissement de terrain, un éboulement, ou dans certains pays d'un mouvement tellurique. Dans ce cas, même si le conducteur s'aperçoit de cet obstacle, ne pouvant s'arrêter, il est obligé de gérer le choc final. Pour remédier à cet état de fait, de très nombreuses solutions ont déjà été proposées. Il ne sera ici évoqué que celles ayant une analogie avec le dispositif faisant l'objet de ce brevet, à savoir celles consistant à faire frotter directement sur les rails des patins de freins solidaires de chaque wagon. Avant d'aller plus loin, pour la bonne compréhension des problèmes rencontrés par ces solutions, un rappel succinct des principes généraux régissant le fonctionnement des trains est ici nécessaire. Un wagon, qu'il soit automoteur ou seulement passif, est principalement constitué par un châssis surmonté d'une caisse, le tout reposant à ses extrémités, par l'intermédiaire de deux pivots, sur deux petits chariot à quatre roues, les boggies. Cette disposition lui permet de négocier des virages qu'autrement, compte tenu de sa longueur, il n'aurait jamais pu prendre. Rançon de ce principe, géométriquement, dans un virage, la voie comprise entre les deux boggies forme un arc de cercle, et l'axe du wagon, une corde. Concrètement, cela signifie que le centre du wagon va s'écarter de la voie, et ce d'autant plus que sa courbure sera forte et que le wagon sera long. Conséquences directes de cette constatation, les seuls endroits où un tel frein pourra être fixé sont les boggies et la partie du châssis du wagon adjacente aux boggies. -2- Les roues, en plus de comporter à leur périphérie une portée de roulement qui repose sur les rails, ont aussi sur leur face, coté intérieur de la voie, en périphérie, un bourrelet, appelé boudin, qui leur évite en frottant contre la face latérale interne des rails, de pouvoir quitter la voie. Pour éviter tout risque de coincement, sur un essieu, la distance séparant les deux faces externes des boudins est volontairement réglée pour être inférieure à celle existant entre les deux rails. Cette disposition permet ainsi à l'ensemble axe - roues de se déplacer transversalement à la voie, ce qu'il fera d'ailleurs continuellement. Conséquence directe de ce flottement, on ne pourra jamais prédire avec certitude la position latérale exacte du rail à l'aplomb d'un point quelconque du boggie ou du châssis. Les essieux comportent à leurs deux extrémités des paliers appelés boite d'essieu, qui sont reliés au châssis par l'entremise des ressorts de suspension. En conséquence, la hauteur, par rapport aux rails d'un point quelconque du châssis, ou du boggie, dépendra de l'état de compression de ces ressorts et variera au cours du temps sous l'influence de divers paramètres tels que la charge, centrée ou non, de la force centrifuge, du dévers des voies et des réactions de cette suspension aux contraintes de freinage et aux secousses produites par les petites imperfections de l'état de la voie. Ainsi, n'ayant aucune raison d'être également sollicités des deux cotés, on voit que la compression de ces ressorts sera dissymétrique et qu'ainsi le châssis ne sera généralement pas parallèle au plan passant par le sommet des rails. De ces constatations, on peut en déduire immédiatement, qu'une pièce fixée perpendiculairement au châssis ne sera jamais perpendiculaire au plan passant par le sommet des rails, que ce soit latéralement, ou longitudinalement. Les divers dispositifs déjà proposés, ayant pour point commun de fixer sous les wagons des patins que l'on peut faire descendre sur les rails, rencontrent dans leurs réalisations pratiques des problèmes rarement solutionnés. Premièrement, la mise en oeuvre d'un tel dispositif ressemblant à des crics, aura pour conséquences inévitables de soulever le châssis par rapport aux rails, c'est à dire de détendre les suspensions et ainsi de réduire la force que le poids du wagon exerce sur les roues. La force de frottement, c'est à dire de freinage, étant le produit de la force -3- d'application sur les rails, multipliée par le coefficient de frottement des matériaux en contact, il n'y aura de gain de puissance de freinage que si le coefficient de frottement rails - garniture de patins est très supérieur à celui de l'acier sur acier. Deuxièmement, le dessus d'un rail neuf est légèrement bombé, son profil évoluant ensuite lentement en fonction de l'usure. De, plus, comme vu dans le préambule, il ne serait être question, surtout dans les courbes de prévoir avec précision la position du rail par rapport à un point du wagon, c'est à dire en dessous des patins. Les semelles de ces patins ne pourront donc pas être préformées au profil du sommet des rails, la probabilité que cette empreinte, surtout si la garniture est rigide, s'adapte sans problème sur le dessus des rails, étant pratiquement nulle, et ce surtout si les patins ont une certaine longueur : La ligne de contact du rail avec la garniture des patins est à l'image de ce rail, évolutive, surtout lorsqu'on passe d'une courbe à une ligne droite, ou inversement. Troisièmement, parmi tous les auteurs de ces propositions, seul un petit nombre définissent la manière de mettre ces patins en pression. Tout ceux qui entrent dans les détails décrivent un système dérivé d'un cric à base soit d'un vérin, soit d'un ressort pré comprimé par un vérin. Transversalement à la voie, à la mise en pression, les conclusions du préambule indiquent que le plan du châssis du wagon fera un angle instable avec le plan des rails. Les longueurs des vérins, au moment du contact des patins avec les rails, seront donc différentes, et les semelles des patins, qui leurs sont perpendiculaires, se retrouveront dans deux plans parallèles, distincts, mais sécant avec le plan des rails. Cette disposition empêchera donc de pouvoir les relier entre eux par des traverses pour en faire un traîneau. On voit aussi, le châssis se déplaçant transversalement par rapport aux rails, que les points de contact des patins sur les rails ne pourront pas être alignés avec les axes des vérins, ce qui provoquera un couple tendant à les tordre latéralement. Longitudinalement, compte tenu là aussi des conclusions du préambule, les tiges des vérins ne seront pas perpendiculaires aux rails et en conséquence les patins ne pourront pas être montés rigidement sur le bout de leurs tiges. On notera aussi que les tiges de ces vérins devront aussi supporter l'effort de freinage qui leurs infligera en plus une contrainte de flexion. -4- Quatrièmement, les trains actuels roulant à plus de 30 mètres par seconde, il est évident, pour que ces système soient efficaces, qu'il faudra que leur temps de mise en action soit très bref, faute de quoi, le train aura percuté l'obstacle avant que le frein n'ait commencé à agir. Les patins au repos devront avoir une certaine garde au sol, et ce d'autant plus que la distance séparant la semelle du rail dépendra directement de l'état de compression des ressorts de suspensions. Pour un système utilisant un vérin à action directe, au moment de la mise service de ce frein, il faudra que les vérins actionnant ce système avancent de cette distance avant de commencer à se mettre en pression, et alors il leur faudra aussi parcourir la sur course correspondante à la décompression des ressorts de la suspension. L'addition de ces déplacements sera alors égale à la course de travail des vérins. La force pressante des patins devant être très importante, il faudra que l'alésage des vérins le soit aussi, ce qui implique un volume de fluide moteur à mettre en action lui aussi très important, et ceci sur toute la longueur du train. La source de fluide moteur étant généralement située dans la motrice de tête, il est évident qu `avec ce système la condition d'instantanéité de 20 mise en action du frein ne sera pas remplie. L'autre système, un ressort pré comprimé par un vérin, est à peine meilleur. La course de garde au sol et la sur course de décompression de la suspension décomprimeront le ressort moteur, et la force développée par 25 un ressort étant proportionnelle à sa compression, lui feront perdre une grande partie de sa force pressante de départ. Il faudra alors le sur calibrer et le vérin de remonté devra suivre. Le volume de fluide à libérer, et le temps de décompression augmenteront alors aussi dans la même proportion. 30 Le dispositif suivant l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Les dessins annexés illustrent l'invention. La fig. 1 représente, de face, le dispositif au repos, les suspensions du frein étant schématisées par leurs ressorts. 35 La fig. 2 représente, de face, le même dispositif, en action. La fig. 3 représente, de face, la suspension. Pour la clarté du dessin, les guides ressorts et la jambe n'ont pas été dessinés. La fig. 4 schématise l'action des jambes au moment de l'accostage. La fig. 5 représente, en coupe transversale, la position des skis 40 sur les rails. -5- En référence à ces dessins, le dispositif comporte selon une première caractéristique, un ensemble mécanique fixé sous le châssis (10) du wagon, juste derrière le boggie (3) avant, permettant, à la commande, d'abaisser sur les rails (1) deux freins skis (6), placés de part et d'autre de ce wagon. Le mécanisme d'abaissement est constitué de deux axes (4) horizontaux, placés perpendiculairement à l'axe du wagon, un peu en dessous du châssis (10) et comportant chacun une paire de jambes (9) reliées, à leur extrémité inférieure, chacune par une articulation (7), au frein ski (6) précédemment mentionné. Ces axes (4), sont liés mécaniquement au châssis (10) par une suspension (5) directement calquée sur celles (11) habituellement utilisées par les essieux, au niveau des boggies (3). Au repos (Fig. 1 ), c'est à dire en marche normale, les jambes (9) 15 sont repliées vers l'avant de façon à ce que les skis (6) ne puissent pas toucher les rails (1). A la commande, (Fig. 2), elles s'abaissent et les skis (6) entre alors en contact avec les rails (1). C'est l'accostage. La partie inférieure des skis (6) comportant une garniture de frein, 20 elle va adhérer par friction aux rails (1), et, le wagon continuant d'avancer, forcer les jambes (9) à se redresser. La longueur des jambes (9) ayant été calculée de façon à être plus longue que la distance existant entre les axes (4) et les rails (1), ce redressement des jambes (9) va alors comprimer les ressorts (5) de suspension du frein et va 25 mettre les skis (6) en pression. Une fois les jambes (9) verticales, un arrêtoir solidaire du châssis (10) les bloquera alors en position verticale, et c'est cet arrêtoir qui transmettra au wagon la force de freinage. Cet arrêtoir peut se situer soit au niveau des jambes (9), soit comme dans les (Fig. 1 - 2) être 30 constitué de deux arrêtoirs translateurs (8) portant directement sur les skis (6), ce qui évite que l'ensemble de la mécanique du frein ait à supporter cette force. Les points de contacts des translateurs (8) sur les skis (6) devant bouger en permanence, surtout verticalement, lors de la mise en pression 35 des skis (6) sur les rails (1), ils seront munis chacun d'un patin de caoutchouc qui servira d'amortisseur pour ces mouvement. Dans cette réalisation l'utilisation des translateurs (8) aura aussi l'avantage de rattraper tous les jeux : Les verticaux avec les ressorts (5) de suspension du frein, les horizontaux par les translateurs (8). -6- Par réaction sur le châssis (10), la force des ressorts (5) de suspension du frein va soulever le châssis (10) du wagon, décompressant les ressorts (11) de suspension des roues (2) adjacentes, ce qui va diminuer d'autant la force s'exerçant sur elles. Le poids du wagon restant le même, cet allégement sera alors pris en charge par les ressorts (5) de la suspension du frein, et il va en résulter un nouvel équilibre. On voit ici que les ressorts (5) de suspension du frein ont une triple utilité. Au déploiement des jambes (9), ils évitent, s'ils n'existaient pas, que les jambes (9) soient obligées de soulever le châssis (10) dans un temps très bref, ce qui par inertie, mettrait en jeu des forces énormes, capables de tout détruire. Ils encaissent et compensent les dévers existants entre le châssis 15 (10) et le plan passant par le sommet des rails (1). Ils répartissent la charge entre les roues (2) et les skis (6) de façon qu'il reste sur les roues (2) une force suffisante pour éviter tout risques de déraillement. 20 La course des ressorts (5) de la suspension du frein devra, en compression, être légèrement supérieure à celles des ressorts (11) de la suspension des roues (2) pour ne pas risquer qu'au moment du déploiement des jambes (9) on puisse arriver en butée, et en détente, être suffisamment grande pour pouvoir continuer de presser les skis (6) sur 25 les rails (1) jusqu'à ce que la garniture soit entièrement usée. Nota. Pour que ce système fonctionne correctement, il faut évidemment que lorsque les skis (6) touchent les rails (1), l'adhérence des garnitures 30 soit suffisante pour que, sans dérapage, la force verticale générée par le redressement des jambes (9) puisse comprimer les ressorts (5) de la suspension du frein. Dans le système (Fig.4), schématisant les jambes (9), la mécanique du frottement nous indique qu'il existe un angle limite (a) d'accostage 35 au delà duquel les skis (6) vont déraper sur les rails (1) au lieu de comprimer les ressorts (5) de suspension du frein. La formule donnant la valeur de la course de la suspension en fonction de la longueur (L) des jambes (9) et de l'angle d'accostage (a) est : L(1- cos a) . La course utile des ressorts (5) ayant été définie précédemment, on voit que -7- l'angle d'accostage (a) sera d'autant plus petit, donc plus éloigné de sa valeur critique, que (L) sera grand. Cette conclusion impose donc que les axes (4) des jambes (9) soient le plus prés possible du châssis (10), ce qui conduit à utiliser deux paires de ressorts (5) latéraux pour chaque axe (4) du frein. La Fig.3 représente une réalisation possible de la suspension du frein. L'angle de rotation des jambes étant très faible, sans problème d'usure, ni de tolérance sur les jeux, jeux qui pourront, pour lutter contre la rouille, être remplis de graisse, on pourra ici envisager d'utiliser comme axe (4) un rond commercial et comme palier un simple tube (12) soudé sur la palette (13) porte ressorts (5). L'anti-rotation de ce palier est assuré par les ressorts de suspension (5), le débattement axial de l'axe (4) étant limité soit par les jambes (9), soit par deux bagues soudées sur l'axe (4) et venant porter sur les extrémités, internes au wagon, des tubes paliers (12). Pour limiter les mouvement transversaux à l'axe (4) de ce palier, une cage lanterne (14) solidaire du châssis (10) du wagon encadre le prolongement du tube palier (12) vers l'intérieur du wagon, sur sa partie située au delà de la largeur de la palette (13). Cette cage lanterne (14) limitera presque sans jeu les débattements horizontaux de l'axe (4), mais lui permettra un déplacement vertical d'une amplitude égale à celle de la course utile des ressorts (5) de la suspension du frein. La butée haute (16) limite la compression maximale des ressorts (5), la butée basse (15) leur expansion. A cause du bombé des rails (1), les skis (6) auront une semelle plate, garnie, ce système étant à usage unique, d'une feuille de matériaux élastiques, genre caoutchouc armé, similaire à la bande de roulement d'un pneu de poids lourd. Pour augmenter son adhérence, elle sera striée transversalement de telle façon qu'à la compression, ces stries puissent s'écraser juste assez pour que la garniture puisse se mouler sur le bombé des rails (1). En complément, la partie métallique du ski et sa garniture, coté 35 face supérieure, pourront être cranté de façon à s'inter pénétrer et augmenter ainsi la force de cohésion de l'ensemble. La largeur des skis (6) devra, tout en restant dans le gabarit du wagon, être la plus large possible de façon à ne pas risquer, à la descente, de se poser à coté des rails (1). Des calculs montrent que ce -8- risque sera toujours écarté, si en ligne droite, les skis (6) débordent, de chaque coté du rail (1), de plus d'un dixième de mètre, et que le rayon de courbure de la voie est supérieur à 200 m .En dessous de ce rayon, ce que l'on ne rencontre qu'en milieu urbain, ce système est inutilisable. Mécaniquement, ce système peut être réalisé de trois façons différentes (Fig. 5). 1) Les deux skis (6) sont liés par une ou plusieurs traverses (17) de façon à former un traîneau, ce qui élimine tout les problèmes liés aux dévers des skis (6) et à leur décentrage sur le sommet des rails (1) Différentes contraintes fonctionnelles affectent cette réalisation : La, ou les traverses (17) reliant les deux skis (6) devront obligatoirement former un pont pour ne pas heurter les appareils de voie. Les deux rails (1), suite aux mouvements verticaux dissymétriques du ballast, ne sont pas exactement dans le même plan. Sur la longueur des skis (6) ce défaut de planéité peut atteindre quelques millièmes de mètre. Pour que les deux skis (6) portent sur les rails (1) sur toute leurs longueur, il faudra, en plus de l'élasticité des garnitures de frein que le traîneau ainsi constitué présente aussi une certaine possibilité de déformation élastique. Pour cela, il faudra que le traîneau comporte deux traverses (17) situées au droit des articulations (7) des pieds de jambes (9), et que les skis (6) aient la possibilité de se déformer élastiquement sous la force des jambes (9). Les règles de la construction mécanique prescrivent que normalement, la présence de ce traîneau entraîne l'obligation pour les jambes (9) de pouvoir pivoter librement sur leur axe (4), celui-ci étant bloqué en rotation par sa suspension. 2) Les deux skis (6) sont indépendants, mais les deux jambes (9) sont fixées sur un axe (4) qui pivote à la façon des essieux. (Fig. 3). On notera que les jambes (9) ayant la même longueur, au contact des rails (1) leur axe (4) sera parallèle au plan des rails (1) et en conséquence les deux skis (6) seront posé sur le dessus des rails (1) et se retrouveront dans le même plan. On sera en présence d'un traîneau virtuel. Cette disposition présente l'avantage d'être, en première analyse, plus facile à réaliser au niveau de l'axe (4) et possède une plus grande -9- rigidité transversale de jambes (9). Par contre, elle pose le problème des torsions transversales des jambes (9), ainsi que de leurs articulations (7), celles ci étant décentrées par rapport à leurs points de contact avec le sommet des rails (1). 3) La solution mixte. Les skis (6) sont réunis en traîneau, et les jambes (9) sont solidaires de leur axe (4). Il s'agit évidemment d'une solution qui serait anti-mécanique s'il n'y avait pas de jeux dans les articulations (7) des pieds de jambes (9). Ici, comme il s'agit d'une mécanique bâtarde, ne devant normalement jamais servir, classe ferronnerie, on pourra admettre de laisser suffisamment de jeux dans les articulations (7) pour que ce mécanisme puisse fonctionner correctement. Le système de contrôle. En position normale, les skis (6) seront en position haute, maintenus dans cette position, soit par un verrou à commande électrique, ce qui poserait le problème le leur remonté, soit par un vérin pneumatique piloté par une électrovanne. Quoiqu'on puisse penser pouvoir utiliser une électrovanne deux voies, il sera ici préférable d'utiliser une électrovanne simple voie, raccordée directement sur le vérin, qui en le mettant à l'air libre, provoquera la chute, par leur propre poids, des skis (6) sur les rails (1). Le vérin étant de faible puissance, et restant presque toujours en pression, il pourra, pour éviter touts les problèmes de fuite et de grippage, être en caoutchouc, type accordéon. Dans ce montage, il sera alimenté en permanence, via une valve suivi d'un étranglement, à la canalisation de contrôle des freins de roues (2). Cet étranglement, devra être calibré de telle façon que lorsque l'électrovanne n'est pas commandée, le vérin se mette en pression en quelques dizaines de secondes et que lorsqu'elle est activée, la pression résiduelle du vérin puisse être considérée comme négligeable. Ce dispositif lorsqu'il est activé, créera au niveau de chaque wagon, une petite fuite sur la canalisation de commande des freins de roues (2), ce qui cumulée provoquera une activation progressive de ces freins. En freinage normal, le frein de détresse, malgré la chute de pression qui va se produire dans la canalisation de freinage, ne descendra pas, la valve s'y opposant. Au stockage sur une voie de garage, l'électrovanne étant non alimentée, même si la canalisation de freinage est vidangée, grâce toujours à la valve, il restera sous pression. -10- Les électrovannes n'étant alimentées qu'en cas de besoin, il se pose le problème de pouvoir contrôler qu'elles sont bien connectées sur la ligne de commande. La manière la plus simple de résoudre ce problème consistera à les alimenter en permanence avec un courant de mesure dont les variations permettront de détecter toutes les anomalies de branchement. Nota. 1) Une fois déclenché ce frein ne peut plus être arrêté. Pour le remettre en position haute, il faudra impérativement arrêter le train, puis tout en mettant le vérin de remontée sous pression, effectuer une petite marche arrière. 2) Ce système de part son principe de mise en pression des skis (6) sur les rails (1) ne fonctionne que dans un seul sens, hors les wagon n'ont normalement pas de sens de marche préférentiel. Deux solutions sont possibles : Soit mettre un frein à chaque extrémité du wagon, soit réaliser un système réversible. Une telle réalisation étant beaucoup plus compliquée à construire et entraînant obligatoirement une manoeuvre d'inversion à chaque changement de sens, il sera de beaucoup préférable d'utiliser deux freins, ce qui aura aussi l'avantage que le frein actif se retrouvera toujours à l'avant du wagon. Ces freins devront être connectés soit à deux lignes électriques distinctes de façon à n'activer que les freins de détresse avant, soit par une seule ligne, les électrovannes étant alors raccordée électriquement au travers de diodes ce qui permettra de changer de sens en inversant la polarité du générateur de commande. 3) La fiabilité de fonctionnement de chaque frein n'a pas à être absolue, car si l'un d'entre eux ne fonctionnait pas, sur la longueur d'un train, cela ne devrait pas trop se remarquer. 4) Au cas où les matériaux utilisés pour la confection des garnitures de frein soient suffisamment performants pour ne nécessiter que des skis (6) courts, on pourrait aussi envisager de n'utiliser qu'une seule paire de jambes (9). REVENDICATIONS 1) Frein de détresse ferroviaire utilisant des freins skis (6) venant frotter directement sur les rails (1), caractérisé en ce que le mécanisme d'abattage des skis (6) sur les rails (1) est constitué par deux axes (4) horizontaux, placés perpendiculairement à l'axe du wagon et reliés au châssis (10) par une suspension à ressorts (5) dérivée de celles des essieux (11). Ces axes comportent chacun une paire de jambes (9), reliées chacune à leur extrémité inférieure au ski (6) par une articulation (7). En fonctionnement, ces jambes (9) peuvent, centrées sur leurs axes (4), pivoter et se bloquer dans la position verticale, mettant ainsi les skis (6) en compression sur les rails (1). 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que, lorsque les jambes (9) seront verticales, les skis (6) viendront prendre directement appui sur des arrêtoirs (8) solidaires du châssis (10). 3) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les skis (6) sont réunis entre eux par une ou plusieurs traverses (17) de façon à former un traîneau. 4) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les skis (6) ont des semelles plates, garnies sur leur partie inférieure avec une garniture de frein composée à partir de matériaux élastiques. 5) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ce mécanisme est mis en oeuvre par un vérin alimenté en fluide moteur au travers d'une valve. 6) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ce mécanisme ne comporte qu'un seul axe (4) et une seule paire de jambes (9)-