Comprendre le chemin de fer
Le système de freinage
Texte: Patrick Sirois

Collaboration: Martin Lévesque (historique, physique)

Diagrammes: Martin Lévesque

Note: Cette page contient des vidéos et peut être longue à télécharger.

La physique
Peu importe le moyen de transport, de la bicyclette à la navette spatiale, des paquebots aux locomotives, les lois de la physique ont toujours fait en sorte que l'arrêt d'un véhicule pose plus de contraintes que son accélération. Les trains n'y font pas exception. Mettre trois locomotives de 4000 forces chacune à l'avant d'un train pour le propulser est une chose. Arrêter ce même véhicule pesant parfois plus de 10 000 tonnes en est une autre!

Un peu d'histoire
Avant 1869, le moyen le plus commun pour arrêter un wagon est simple : une semelle de frein est reliée à une tringle. Cette tringle est attachée à une chaîne, enroulée sur une tige. Cette tige, posée à l'extrémité du wagon, est surmontée d'un volant installé sur le toit du wagon. En tournant le volant, la tige enroule la chaîne autour d'elle-même, ce qui fait coller le sabot de frein sur la roue. Et qui manipule cette roue? Ce sont les serre-freins. Il y en avait un dans la locomotive, et un dans le dernier wagon. Si le train était plus long, on pouvait retrouver un serre-frein ailleurs dans le train. Lorsque l'ingénieur voulait ralentir ou arrêter son train, il donnait des coups de sifflet, suivant un code précis qui variait à chaque compagnie. Les serre-freins se courraient d'un wagon à l'autre, sur les toits, en serrant chaque frein.

Si cette méthode de travail vous semble loufoque, pensez aux nombres d'employés qui ont perdu la vie en tombant du train, souvent entre deux wagons, ou en se faisant happer à l'entrée d'un tunnel ou sur un pont. Déjà, en 1869, plusieurs inventeurs se penchent sur la mise au point d'un système plus efficace, et surtout, plus sécuritaire. En fait, on compte plus de 600 brevets sur le sujet. Mais aucun système ne réussit à prouver, hors de tout doute, son efficacité. Faut-il le rappeler, le train, est, à cette époque, le moyen de transport le plus évolué technologiquement. Et quiconque trouvera une solution à ce problème, fera fortune, c'est assuré.

Monsieur Westinghouse
Si le nom Westinghouse vous fait penser à vos électroménagers, et bien vous n'avez pas tout à fait tort! George Westinghouse, né dans le village de Central Bridge (nord de l'état de New York) a toujours été fasciné par les trains. Doté d'une intelligence hors du commun, et élevé dans une famille bien aisée, le jeune Westinghouse a le loisir de pouvoir mettre au point plusieurs de ses inventions alors qu'il n'a pas encore l'âge de la majorité. Sa première invention ferroviaire, un « derail car replacer », qui consistait en un morceau forgé de métal pouvant remettre un essieu déraillé sur les rails avec l'aide d'un seul homme. Cette pièce est encore utilisée sur presque toutes les locomotives du monde aujourd'hui.
En 1881, Westinghouse a fondé la Union Switch & Signal, à la suite de l'invention d’une pièce vitale : le « reversible railway frog » (coeur de croisement). Westinghouse a acheté les brevets d'un dénommé Dr. William Robinson qui venait de mettre au point le circuit de voie. Le travail de Westinghouse le mènera plus tard à l'invention de la Commande Centralisé de la Circulation. La compagnie US&S existe toujours aujourd'hui et demeure un leader mondial de la signalisation ferroviaire.

Westinghouse Air Brake Company
Âgé de 23 ans, George Westinghouse se présente à Pittsburgh auprès de W.W. Card, surintendant du Steubenville Division du chemin de fer Panhandle. Il demande à présenter sa nouvelle invention, un système de frein automatisé. M. Card accepte de lui prêter une locomotive, une équipe de train et trois wagons. Westinghouse est ravi, non sans promettre de rembourser tout dommage occasionné au matériel! S'il réussit, plus de 600 brevets de systèmes de freinage deviendront obsolètes.

Le premier voyage d'essai deviendra un voyage historique, dont les détails furent racontés par des journaux de partout dans le monde. l'ingénieur de la locomotive, M. Daniel Tate, propulse son train en dehors de la gare Centrale de Pittsburgh. Après quelques minutes, à plus de 30 mi/h, une calèche omet un arrêt à un passage à niveau, et se lance devant le train. L'ingénieur Tate saisit la manette des freins, lui fait faire un quart de tour. Le train s'immobilise net, à peine à deux mètres du cheval et de l'homme sur la calèche, pétrifiés, et certain d'avoir vu sonner sa dernière heure. Ce fut la première vie sauvée par ce système auquel au donna le surnom du « système ayant sauvé plus de vie que Napoléon en a perdu dans toutes ses batailles ». La Westinghouse Air Brake Company, aujourd'hui devenu Wabco (filiale de Wabtec) voyait le jour. Westinghouse est décédé le 12 mars 1914, millionnaire.

Positive et négatif
Il existe deux principes de base en freinage pneumatique : le système positif, et le système négatif. Le système positif est le système où on injecte de l'air dans un piston. La pression de cet air va pousser le cylindre du piston vers l'avant. Ce dernier va pousser directement, ou au moyen d'un jeu de levier, le sabot de frein contre la roue. Le premier système de freinage inventé par George Westinghouse, décrit ci-haut, fonctionnait sur ce principe. Un compresseur alimenté par une turbine à vapeur mettait de l'air comprimé dans un réservoir, sur la locomotive. Un long tuyau parcourant les wagons était muni d'une valve en «T» à chaque wagon. Le bout du tuyau était hermétique. Lorsque l'ingénieur voulait freiner le train, il ouvrait une valve, qui envoyait de l'air sous pression dans le tuyau, puis directement dans les pistons de frein. Pour diminuer la puissance de freinage, il ouvrait une autre valve qui permettait à l'air comprimé du tuyau de s'échapper dans l'atmosphère. Un ressort au bout de chaque cylindre repoussait le piston de frein à sa place, relâchant ainsi les freins. Le problème majeur de ce système, c’est qu'il devenait inefficace au-delà de 5 wagons. La conduite d'air étant trop longue, il fallait beaucoup de temps avant d’obtenir une pression suffisante pour effectuer un freinage efficace. De plus, le système n'était pas sans faille : la moindre fuite le rendait pratiquement inopérant. Bien que ce point négatif eût vite mis un terme à l'utilisation de ce type de système dans le monde ferroviaire, il a quand même prouvé l'efficacité de l'air comprimé dans les systèmes de freinage. Et le système n'est jamais vraiment disparu, puisque le frein indépendant des locomotives, que nous verrons en détail plus bas, fonctionne toujours sur ce principe.

De son côté, le système négatif est un peu plus complexe. Le système au complet est toujours sous pression. C'est la diminution de la pression dans la conduite générale qui provoque une application des freins. Voyons le principe de base de fonctionnement:

Sur chaque wagon, il y a un réservoir. Ce réservoir contient de l'air comprimé, qui aura été préalablement chargé depuis un compresseur sur la locomotive. Puis, un tuyau d'air, qu'on appelle aussi «conduite générale» parcourt le train sur toute sa longueur. Une valve, munie de 4 entrées/sorties relie la conduite générale au réservoir d'air et au cylindre de frein. On appelle cette valve la « triple valve », puisqu'elle remplit trois fonctions : charger le réservoir de chaque wagon (tracé montré par la flèche verte), appliquer et relâcher les freins. La pression de la conduite générale est égale à celle du réservoir d'air sur chaque wagon. Lorsqu'on abaisse la pression d'air dans la conduite générale, la valve de chaque wagon entre en action : son rôle étant de maintenir la pression du réservoir égale à celle de la conduite générale, elle va enlever de l'air dans le réservoir pour égaliser cette pression. L'air suit alors le tracé montré par les flèches rouges. Où ira l'air enlevé du réservoir auxiliaire (en bleu sur le dessin)? Dans le cylindre de frein. C'est pour cette raison qu'on parle de système à pression négative : il faut diminuer la pression du système pour obtenir l'application des freins.

Lorsque la pression de la conduite générale deviendra supérieure à celle du réservoir, la valve fera dévier l'air dans le réservoir pour le remplir de nouveau. Le piston du cylindre de frein reprendra sa place initiale grâce à un ressort, et l'air contenu dans le cylindre de frein sera expulsé vers l'atmosphère (flèche bleue). Le système sera de nouveau chargé pour une application.

Voyez un résumé du système de freinage en vidéo. Le chargement peut prendre quelques minutes, selon la vitesse de votre connexion. Le plug-in Flash Player est requis. Si vous ne voyez pas le vidéo ci-bas, veuillez essayer cette page.

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Un système autofiable.
Le système de freinage mis au point par Westinghouse est un système dit autofiable. En cas de rupture de la conduite générale (à la suite d’un déraillement par exemple), la pression de l'air comprimé dans celle-ci descendra automatiquement à zéro. Chaque valve triple tentera d'égaliser la pression du réservoir avec celle de la conduite générale. Pour mettre la pression du réservoir à zéro, il faut vider celui-ci. Le contenu du réservoir sera donc transmis au complet dans le cylindre de frein, ce qui causera une application maximale des freins.

Voyez l'explication du principe autofiable en vidéo. Le chargement peut prendre quelques minutes, selon la vitesse de votre connexion. Le plug-in Flash Player est requis. Si vous ne voyez pas le vidéo ci-bas, veuillez essayer cette page.

Principes de physique
Avant d'entrer en détail dans la description du fonctionnement du système de frein actuel dont sont équipés nos trains modernes, il faut expliquer quelques principes de physique. Ne vous sauvez pas, il s’agit ici de principes forts simples à comprendre!

La pression de l'air.

Piston phase 1
Le cylindre que nous voyons en coupe sur le dessin ci-haut comporte deux valves. Chaque valve peut injecter de l'air, ou en laisser fuir. Au centre du cylindre, il y a une cloison mobile, en rouge, qui peut se déplacer de gauche à droite, mais qui ne peut laisser passer l'air.

Piston phase 2
Si nous laissons entrer de l'air par les deux valves, en même temps, la quantité d'air de chaque côté de la cloison restera égale. De même que la pression de l'air. C'est l'équilibre. La cloison ne se déplacera pas.
Dans ce cas-ci, nous avons mis une quantité suffisante pour atteindre 50 lb de pression par pouce carré. Ce qui veut dire que sur chaque carré de un pouce par un pouce de superficie de la cloison, l'air exerce une pression de 50 lb.
Si la cloison offre une surface de 10 pouces par 10 pouces, la cloison subit donc une pression de 5000 lb. 10 pouces X 10 pouces = 100 pouces carrés. 100 pouces carrés X 50 pouces carrés de pression pour chaque pouce carré = 5000 livres de pression, sur chaque côté de la cloison.

Piston phase 3
Supposons qu'on ouvre la valve de gauche (G). L'air fuira, et la pression de ce côté de la cloison de ce côté va diminuer, jusqu'à atteindre une pression de 0 lb par pouce carré. La cloison va donc se déplacer vers la gauche.


Mais que va-t-il arriver à la pression? Restera-t-elle à 50 lb par pouce carré? Voyons cet autre exemple :

Piston phase 3
Dans le dessin ci-haut, nous avons deux réservoirs identiques, connectés par un tuyau muni d'une valve. Chaque réservoir contient 50 lb/po carré. Que va-t-il se passer lorsqu'on va ouvrir la valve entre les deux réservoirs? Rien. Puisque chaque réservoir contient la même quantité d'air, et a le même volume, la pression sera donc la même. Chaque réservoir poussera de la même force que l'autre, et l'air ne bougera pas. C'est encore une fois l'équilibre, ou l'égalisation des pressions.
Maintenant, toujours avec les deux réservoirs ci-haut, augmentons la pression du réservoir de gauche à 100 lb/po carré avant d'ouvrir la valve du centre. Que se passera-t-il au moment d'ouvrir la valve? L'air du réservoir de gauche poussant deux fois plus fort que celle du réservoir de droite, une partie de l'air du réservoir de gauche s'en ira dans l'autre réservoir. En partant du réservoir de gauche, la pression de l'air baissera aussi, alors que celle du réservoir de droite augmentera.
La formule mathématique qui nous permet de calculer la pression de l'air où les deux réservoirs seront égaux est la suivante:
(100 + 50)/2= 75 lb/po carré


Piston phase 3
Si on recommence l'expérience, mais avec, cette fois, un réservoir de gauche trois plus volumineux que la première fois, voyons ce qui se passe.
La pression du réservoir de gauche est de 100 lb/po carré, alors que celle du réservoir de droite est de 50 lb/po carré. La pression à laquelle les deux réservoirs seront égaux lorsque nous ouvrirons la valve du centre est de 87,5 lb/po carré. Pourquoi? Il ne faut pas oublier que la pression dépend non seulement de la quantité d'air, mais aussi du volume de celle-ci.
L'énergie emmagasinée dans le « grand » réservoir de gauche (cet exemple) est beaucoup plus importante que celle du « petit » réservoir de gauche (exemple précédent), même à pression égale. Le volume de réservoir de gauche étant plus grand, l'énergie s'y accumule que dans le petit, pour une même pression. L'air du grand réservoir de gauche pourra donc pousser encore plus fort sur le réservoir de droite, ce qui fera augmenter encore plus la pression dans ce dernier. Ce principe explique pourquoi les réservoirs d'air sont largement plus gros que le cylindre de frein.
Une baisse de pression de 5 lb/po carré dans le réservoir auxiliaire peut provoquer une application de plus de 25 lbs/po carré sur le piston de frein.
Pour calculer la pression exercée sur le piston de frein lors d’une réduction de pression, on multiplie généralement la quantité d’air évacuée lors de la réduction de pression de la conduite générale par 2.5. Exemple : une réduction de pression de 20 lb provoquera une pression de 50 lbs/po carré

La friction
La friction comme nous venons de le voir, c'est la pression de l'air qui pousse la semelle de frein (sabot) contre la roue. Entre la semelle et la roue, il se crée une friction. Cette friction dissipe l'énergie cinétique de rotation de la roue en chaleur, et force la roue à ralentir, jusqu'à l'arrêt complet, lorsque la roue n'aura plus aucune énergie de rotation.

Il y a une seconde force de friction en cause. Celle de la roue contre le rail. On appelle cette force de friction l'adhérence, ou adhésion. Cette force varie considérablement sous différents facteurs, dont le poids du wagon.
Pour un wagon pesant 50 000 lb, et transportant 150 000 lb de marchandises, il y aura donc une charge de 25 000 lb sur chaque roue.
(150 000 + 50 000 = 200 000
200 000 divisé par 8 roues = 25 000 lb sur chaque roue).

Des expériences ont conclu que pour immobiliser une roue ayant une charge de 25 000 lb, on doit appliquer une pression de 6 250 lb sur la semelle de frein. À cette pression, la friction de freinage égale la force d'adhérence. La roue cesse de tourner et glisse sur le rail. Comme ce glissement endommage sérieusement la roue en causant des méplats, qui mènent éventuellement à des fissures thermiques, on ne souhaite pas immobiliser une roue. Le système de freins doit donc être conçu pour appliquer une pression légèrement sous celle de la force d'adhérence. Cette force d'adhérence varie selon plusieurs facteurs, comme l'état du rail (mouillé ou sec), la charge appliquée sur la roue (poids du wagon), etc. On peut, dans une certaine limite, augmenter la force d'adhérence en ajoutant du sable sous les roues.

On exprime le rapport entre la force de freinage où la roue s'immobilise et la force d'adhérence par un rapport de pourcentage. Dans l'exemple ci-haut, nous aurons 6 250 lb divisées par 25 000 lb de charge, soit 0,25, ou 25%.
Les meilleures conditions (rails et roues en excellents états, rail sec, recouvert d'une légère couche de sable) vont donner un coefficient de 30%.
Mais selon les tests de l'AAR, le coefficient moyen d'un train marchandise est de 17 %, alors que celui d'un train passager est de 10 %. On peut donc déduire qu'il est plus facile de faire glisser les roues d'un train passager que celles d'un train marchandise. De plus, le poids beaucoup plus léger d'un train passager fera en sorte que ce dernier pourra s'arrêter sur une distance beaucoup plus courte qu'un train marchandise.

Voyez l'explication sur l'importance de la friction dans le design d'un système de freinage, en vidéo. Le chargement peut prendre quelques minutes, selon la vitesse de votre connexion. Le plug-in Flash Player est requis. Si vous ne voyez pas le vidéo ci-bas, veuillez essayer cette page.


Pièce par pièce
Examinons maintenant le rôle de chaque pièce d'un système de freinage ferroviaire.

Diagramme

La valve du mécanicien.
Il existe plusieurs types de valve de mécanicien: 24-RL, 6-BL, 6-SL, 6-DS et 14-EL. La plus utilisée, celle que nous décrirons en détail, est la valve 26-L.
Zone applicationCette valve est appelée valve de frein automatique. La valve 26-L comporte 5 positions, relâche (release), minimum, service, suppression, handle off (pour enlever la poignée) et urgence (emergency).
Sous cette valve, se trouve la valve du frein indépendant. Cette dernière ne sert qu’à appliquer les freins de la, ou des locomotives menantes. Il ne comporte que deux positions : service et relâche (release).

Lorsqu’on actionne le frein indépendant sur la locomotive, on transmet une partie de la pression du réservoir principal, vers les pistons de freins de la locomotive. Généralement, cette pression est limitée à 72 psi.

Robinet locoPour ce qui est du frein automatique, une première application provoquera une dépressurisation de 6 lb/po carré dans la conduite générale. Par la suite, d’autres applications peuvent être pratiquées, jusqu'à concurrence de 25 lb/po carré, c’est ce qu’on appelle un service maximum (full set brakes). Et attention, il n’est pas question d’appliquer les freins, puis de relâcher, et réappliquer successivement pour corriger sa vitesse. Cette procédure, sur un long train, pourrait entraîner un déchargement des réservoirs auxiliaires et d’urgence, situation catastrophique lorsqu’on descend une pente. Voilà pourquoi, le freinage d’un train est un art que doivent maîtriser les ingénieurs de locomotives.

La position surpression, servira à recouvrer une application de pénalité des freins. Ce type d’application résulte généralement d’un déclenchement du système de veille de la locomotive. Ce système émet une alarme sonore régulière lorsqu’aucune action n’est enregistrée depuis un certain temps sur la console de la locomotive. Ainsi, un ingénieur endormi se réveillera avec une application de pénalité des freins de son train. Il y a quelques années, ce système, moins sophistiqué, consistait à tenir une pédale au plancher de la locomotive, appelée « deadman pedal ».

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Quelques pièces du système de freins :
Cylindre de freins : Cylindre dans lequel l’air comprimé agit sur un piston, qui à son tour, transmet cette force aux sabots de frein par l’intermédiaire de la timonerie.

 

Valve de relâche du cylindre de freins :
C’est un dispositif de relâche rapide de l’air comprimé se trouvant dans le cylindre de frein, sans pour autant vider le réservoir auxiliaire.

Valve de relâche duplex :
Cette valve double possède un mécanisme commun de commande permettant de drainer les réservoirs auxiliaires et d’urgence. Si la commande est tirée légèrement, une première valve s’ouvre et vide le réservoir auxiliaire. Si elle est tirée à fond, les 2 valves s’ouvrent et les 2 réservoirs se vident.

Conduite générale :
C’est l’ensemble des tuyaux, coudes, embranchements, robinets d’angle, collecteurs de poussière, connecteurs, utilisés pour brancher le circuit d’air des locomotives et des wagons pour contrôler le freinage.

Triple Valve AB – ABC – ABD, ABDW etc. :
C’est un dispositif utilisé sur les wagons de marchandises pour appliquer ou relâcher les freins et pour charger les réservoirs.
Au cours des années, la triple valve de Westinghouse s’est constamment améliorée, même si le principe de freinage des trains n’a pas changé. La pièce est fixée à l’aide de boulons et pèse au bas mot, plus ou moins 65 livres, donc facile à remplacer.

Tuyauterie

La valve AB (première manufacturée) utilisait une technologie vieille d’il y a 10 ans, avec des valves à tiroir plat en alliage de cuivre et de zinc. Elle devait être lubrifiée au graphite et avait une fâcheuse tendance à fuir.
La valve ABD représentait une légère évolution. Avec ses diaphragmes et ses pièces de caoutchouc, elle devenait plus facile d’entretien et moins portée à laisser fuir l’air.
Au fil des ans, on a jouté aux valves AB et ABD les fonctions de relâche accélérée et d’accélérateur de serrage. Ces fonctions pratiques ont toutefois forcé les chemins de fer à adopter des procédures structurées sur l’utilisation des freins, puisqu’un seul wagon peut mettre un train entier en urgence, ou encore, peu entraîner une relâche intempestive des freins.
Les valves ABDW et ABDWX présentent d’autres améliorations caractéristiques permettant de fournir une application plus rapide des freins.

Voyez l'explication sur l'action de la valve du mécanicien en vidéo. Le chargement peut prendre quelques minutes, selon la vitesse de votre connexion. Le plug-in Flash Player est requis. Si vous ne voyez pas le vidéo ci-bas, veuillez essayer cette page.

Système de relâche accéléré d’urgence :
C’est un dispositif spécial dont son équipée les triple valves des wagons, qui permet à l’air emmagasiné dans le réservoir d’urgence de chaque wagon d’aider à recharger la tuyauterie de freinage après une application d’urgence.

Relâche accélérée :
C’est un dispositif des triple valves des wagons  qui permet d’aider la recharge de la conduite générale. Ce système permet de transmettre plus rapidement le signal de relâche des freins.

Robinet de retenue :
C’est un dispositif par lequel l’air contenu dans le cylindre de frein est évacué. Il est conçu d’une poignée à 4 positions.

  1. Échappement libre vers l’atmosphère.
  2. Échappement vers l’atmosphère tout en maintenant une basse pression.
  3. Échappement vers l’atmosphère avec une pression plus élevée.
  4. Permets une vidange lente de tous les cylindres de freins.

Ratio de freinage :
C’est le pourcentage obtenu en divisant la force totale de freinage pas le poids du wagon ou locomotive.

Sabot de frein :
C’est un élément à friction remplaçable servant à produire une force de retardement sur les roues.
2 types sont utilisés :

  1. Grande friction, qui a un coefficient de friction de 33 % à 60 mph.
  2. Petite friction qui a un coefficient de 15 % à 60 mph.

Régleur de semelle de freins (slack adjuster) :
Dispositif permettant d’ajuster la course des semelles de freins sur les wagons.

Frein à mâchoires (clasp brake) :
C’est un arrangement de freins ayant 2 sabots par roue.

Coefficient de friction :
C’est le rapport entre la force de retardement du wagon vide.

Tare Weight :
C’est le poids du wagon vide.

Tonnage par freins opérationnels :
Le tonnage brut (charge plus le poids du wagon) divisé par le nombre total de wagons ayant un système de freins en état.
Exemple : tonnage brut : 6000 tonnes/100 wagons = 60 tonnes par système

Effort à l'attelage (drawbar pull) :
La force exercée sur l’accouplement situé entre la locomotive et le wagon et qui est égal à l’effort de traction de la locomotive moins sa résistance de roulement.

Accélérateur de serrage (quick service) :
Ces freins permettent de réduire au minimum le temps qui s’écoule entre le moment où le mécanicien actionne la commande du frein et le moment où le frein du dernier wagon du convoi s’applique.

Boîte de réglage (quick service limiting valve):
Partie d’une valve de contrôle qui annule l’action de service rapide quand la pression du service de frein ou du réservoir de commande atteint approximativement 10 lb/po carré.

Réservoir d’égalisation :
C’est un petit réservoir branché à la chambre d’un piston d’égalisation pour ajouter du volume d’air pour une application de service.

Pression du réservoir d’égalisation :
C’est la pression d’air (en lb/po carré) se trouvant dans le réservoir d’égalisation de la locomotive.

Application d’urgence :
C’est une réduction de la pression d’aire dans la conduite générale, à un taux plus rapide que pour une application normale et suffisante pour déplacer la valve de contrôle dans la position urgence. C’est donc la plus rapide et la plus forte des applications de freins possible.

Réservoir d’urgence :
Sur un wagon, c’est le réservoir contenant un volume d’air en réserve combinée avec le réservoir auxiliaire qui permet de procurer une pression d’air supplémentaire lors d’une application d’urgence et dans certaines conditions de recharge.

Surcharge :
C’est lorsque l’équipement de freinage est chargé à une pression plus haute que celle pour laquelle la valve d’admission est réglée.

Surdépression :
C’est une réduction de la pression à une valeur inférieure à la pression d’égalisation du réservoir et du cylindre de freins.

Système de retenue de pression :
Un dispositif de valve automatique sur la valve 26-L permettant de maintenir la pression de la conduite générale à la même valeur que celle du réservoir d’égalisation dans le but de combattre les fuites.

Propagation :
C’est l’effet de proche en proche lors de l’application de frein sur toute la longueur du train, durant une action rapide ou une urgence.

Taux de retardement :
E
n taux de réduction de vitesse sur une période de temps.
Exemple : Si la vitesse est réduite de 60 à 57 mph en une seconde, le taux sera de 3 mph par seconde.

Réduction de la conduite générale :
Diminution de pression d’air de la conduite générale à un taux suffisant pour provoquer l’application des freins.

Gradient :
C’est un terme utilisé pour exprimer la différence de pression entre les 2 extrémités de la conduite générale d’un train.

Le robinet de frein (angle cock) :
Ce robinet, situé à chaque extrémité de wagon, permet de fermer la conduite générale à un endroit précis. Par exemple, si on applique les freins sur un wagon, et qu'on ferme le robinet à chaque bout de ce wagon, la pression d'air de la conduite générale de ce wagon ne changera pas, et les freins seront maintenus, même si le wagon est détellé. On peut répéter le processus avec plusieurs wagons, en fermant le robinet à chaque bout du convoi. Mais tout ça, c'est de la théorie. En pratique, le système n'est jamais vraiment hermétique, et une fuite d'air, si minime soit-elle, mènera tout ou tard à une baisse de pression. Si cette baisse se fait dans la conduite générale, il y aura augmentation de la puissance de freinage, mais si la baisse de pression se fait dans le cylindre de frein, il y aura perte de puissance de freinage. Souvent, l'air fuit aux deux places.

Selon les normes de l'AAR, le robinet de la conduite générale est en position ouvert lorsqu'il est parallèle à la conduite générale du wagon.

Relais pneumatique de réduction:
Au cours des années, des wagons pouvant déplacer de plus lourdes charges ont été conçus, donc des wagons plus longs.

Par conséquent, le volume de la conduite générale augmente en proportion. Si on compare un wagon de 50 pieds et un wagon de 94 pieds, le volume de la conduite générale passe de 4 à 8 pieds cubes.

Un convoi constitué de wagons de 50 pieds freinerait donc plus rapidement qu’un convoi constitué de wagons de 94’ si ce n’était de l’installation d’un relais pneumatique de réduction.


Freinage rhéostatique :
Le freinage rhéostatique (dynamic breaking) est une technologie complètement différente de celle du freinage à air. Elle fait plutôt appel à un phénomène électrique. La force retardatrice électromagnétique, ou Back Electro-Magnetic Force (Back EMF).

Lorsqu'on applique un courant à une bobine de fil, on crée un champ magnétique autour de celle-ci. Si on met un aimant à polarité semblable à celle du champ magnétique de la bobine près de celle-ci, la bobine voudra s'éloigner de cet aimant. En mettant des bobines autour d'un arbre rotatif, on crée un moteur électrique.

Si on fait tourner ce moteur électrique, le phénomène inverse se produira : il va créer du courant électrique. Ce phénomène est connu depuis longtemps. Donc, lorsqu'une locomotive se fait pousser par son train, ses moteurs deviennent des génératrices.

Ce qui est moins connu comme phénomène, c'est que si on impose une résistance à ce courant, un champ magnétique de force inverse va se produire autour de la bobine, la forçant à s'arrêter. C'est le principe du freinage rhéostatique. Lorsque le mécanicien engage le système de freinage rhéostatique, il envoie l'électricité produite par les moteurs dans d'immenses rhéostats (résistances), situés au plafond de la locomotive, sous d'énormes ventilateurs. Plus la résistance offerte sera grande, plus le freinage rhéostatique sera grand.

La beauté de ce système, c'est que le freinage est causé par un champ magnétique. Il n'y a donc aucune friction. L'énergie du train est convertie en électricité, elle-même transformée en chaleur par les rhéostats. Donc, c'est un système de freinage sans usure. Cependant, ce système seul ne peut pas être utilisé pour manipuler le train, car son temps de mise en marche est lent (un système de commutateur à haut voltage doit diriger le courant dans un nouveau circuit), et son efficacité varie en fonction de la vitesse du train, et du poids de ce dernier.


Manipulations des freins :
Chaque chemin de fer a ses propres procédures de maniement des freins. Ces procédures sont basées sur les particularités de la voie ferrée (pentes courbes, etc.), sur le tonnage manutentionné, sur le type de wagons utilisés, le type de locomotives, etc.

Ayant en tête l’économie maximale de carburant, la plupart des chemins de fer ont opté pour l’utilisation à grande échelle des freins rhéostatiques pour contrôler la vitesse des trains.

Ainsi, certaines compagnies qui transportent de forts tonnages comme le chemin de fer QNS&L à Sept-Îles et le chemin de Fer Cartier à Port-Cartier, ont opté pour des locomotives équipées de freins rhéostatiques à portée allongée. Ce type de freins permet de garder une force de retardement jusqu’à des vitesses aussi basses que 5 mph.

À l’époque où l’économie de carburant n’était pas de mise, plusieurs ingénieurs maniaient leurs trains en freinant, en même temps que les locomotives tiraient. Il fallait surveiller le cadrant de charge, afin de s’assurer que l’ampérage ne dépasse pas un seuil critique, ce qui résulte en une rupture d’attelage.

Cette procédure était pratique pour ralentir un train avant un signal d’arrêt par exemple. Rendu à quelques centaines de pieds du signal il suffisait de mettre le manipulateur au neutre pour obtenir un arrêt à l’endroit désiré.

Avec l’utilisation à grande échelle du frein rhéostatique, la plupart des compagnies ont interdit le « power braking ».

Immobiliser un train dans une pente lorsqu’on monte :
Il est pratiquement tout aussi difficile d’immobiliser un long train dans une pente, qu’en la descendant. Il ne faut surtout pas manquer son coup, parce qu’un mouvement de recul n’est vraiment pas souhaitable dans ces conditions, surtout si le train s’immobilise dans une voie d’évitement sur un chemin de fer contrôlé par Commande Centralisée de la Circulation (voir la partie sur la signalisation pour plus de détail sur la CCC).

À l’approche du point d’arrêt, il faut simplement réduire graduellement la traction, et rendue au point d’arrêt désiré, une application de frein suffisante sera nécessaire pour immobiliser le convoi en position étirée, c'est-à-dire avec les attelages complètement déployés.

Une application de frein trop rapide ou trop importante lorsque le train est encore en mouvement pourrait provoquer un effet de compression et d’étirement subit des attelages.

Pour repartir, on relâche les freins, et lorsque les freins des premiers wagons commencent à desserrer, on ouvre le manipulateur lentement, tout en surveillant l’ampérage pour éviter une rupture d’attelage.

Immobiliser un train dans une pente lorsqu’on descend :
Tout ingénieur de locomotive vous dira que lorsqu’on conduit un train, il faut toujours tout prévoir des miles à l’avance. Dans ce cas, cette prémisse est la première règle à respecter.

Une application trop importante ou trop rapide du frein automatique peut immobiliser le train en plein milieu de la pente.

Tarder à ralentir pourrait rendre impossible l’immobilisation du train au point d’arrêt.

Dans ce cas, une application initiale des freins est nécessaire. Cette application, servira à jauger le comportement du train dans la pente. En fonction de la vitesse, il sera alors possible de voir si une deuxième, ou même une troisième application des freins sera nécessaire, soit pour contrôler la vitesse, ou pour immobiliser le train au point d’arrêt. Plusieurs chemins de fer interdisent l’utilisation de la traction des locomotives en pente descendante. Voilà pourquoi la procédure doit être clairement établie et respectée. Le freinage rhéostatique permet de bien contrôler la vitesse du train dans ce cas, et même de la stabiliser.

Descendre sur la « bosse » :
Les vieux ingénieurs vous diront que le meilleur truc à l’époque pour descendre une pente sans se tromper était de la descendre sur la bosse. Cette pratique aujourd’hui interdite, et téméraire lorsqu’on y pense, consistait à utiliser le coulage du système de freins pour contrôler la vitesse dans une pente. Après une application initiale, l’ingénieur neutralisait la valve de maintien de pression du système de freins. La dépressurisation graduelle de la ligne de train faisait appliquer les freins. Lorsque la vitesse souhaitée était atteinte, on remettait le dispositif en marche.

Freins dans un triage :
Beaucoup d’ingénieurs utilisent le frein indépendant pour manœuvrer dans les triages. Parce que la vitesse est inférieure à 15 mph et qu’on ne manipule que quelques wagons à la fois, cette pratique est  commune. Toutefois, avec des rames de wagons plus longues, l’utilisation du frein automatique, bien qu’elle prenne plus de temps, est impérative. Parfois, pour gagner du temps, le serre-frein ou le chef de train, coupera le freinage sur une partie des wagons en fermant le robinet angulaire. Cette pratique est toutefois interdite dans nombre de triages où la pente pourrait entraîner les wagons à la dérive sans espoir de les arrêter.

Train à la dérive (runaway train) :
Qui n’a pas un jour entendu parler ou vu un film dans lequel il était impossible d’arrêter un train, parti à la dérive? La fiction dépasse parfois la réalité, puisque ce genre de situation s’est déjà produit sur de nombreux chemins de fer.

Comme nous l’avons vu précédemment, le système de frein d’un train fonctionne par variation de pression, et il est impératif que chaque réservoir auxiliaire et chaque réservoir d’urgence soient pressurisés à pleine capacité avant qu’une application de frein soit faite.

Un ingénieur qui effectue plusieurs séries de freinage successives et qui ne donne pas suffisamment de temps au système pour se recharger, affaiblit considérablement la capacité de freinage de son train. Ainsi, si les réservoirs ne sont pas pleinement rechargés et qu’une application est nécessaire pour ralentir le train dans une forte pente, il y a de fortes chances que le train gagne de la vitesse sans espoir de l’arrêter.  Il perd même le freinage d’urgence de son train.

Dételer des wagons dans une pente :
Avant de dételer des wagons dans une pente, il faut attendre que l’application de freins qui a permis d’arrêter le train soit complétée, c'est-à-dire que la dépressurisation de la conduite générale soit terminée. Ensuite, le serre-freins ou le chef de train fermera les robinets angulaires entre les wagons à dételer et séparera les boyaux. Il devra par la suite ouvrir lentement le robinet angulaire de la partie du train qui devra rester immobile. Ainsi, seul l’air contenu dans la conduite générale sera évacué, ce qui évitera une mise en bouteille de l’air et permettra de garder un freinage continu sur la rame de wagons.

Mise en bouteille de l’air :
L’air comprimé est en « mouvement», c'est-à-dire qu’elle bouge dans la conduite générale. Ainsi, après une application de freins, si on ferme le robinet angulaire avant que la dépressurisation soit complète, il en résultera une hausse légère de la pression dans la ligne de train. Cette hausse légère est suffisante pour donner le signal de relâche au système de freins d’une rame de wagons. Ce type d’erreur est malheureusement encore trop courant sur les chemins de fer lorsque les équipes veulent gagner du temps.


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