Comprendre le chemin de fer
Les rails
Utilité
Si je vous dis que les rails servent à supporter les véhicules ferroviaires, je ne vous appends rien! Si j'ajoute qu'en plus, les rails guident ces derniers, pas de surprises là non plus. Mais ce n'est pas tout: les rails servent aussi à la détection des trains, à la communication entre les différents systèmes de signalisation, et parfois, à l'alimentation du train lui-même.

Combien?
Combien de rails a-t-on besoin? Si vous avez répondu deux à cette question, vous avez échoué! Même si cet article traitera principalement des rails conventionnels, il ne faut pas oublier que plusieurs systèmes de transports dans le monde n'ont qu'un seul rail (monorail), et que certains autres en ont trois (le troisième rail étant un rail d'alimentation). Et encore plus: ici même, chez nous au Québec, le métro de Montréal a besoin de 6 rails pour fonctionner! Deux rails latéraux servent de guidage et d'alimentation, deux rails de béton servent de support aux roues pneumatiques, et deux rails conventionnels servent à l'alimentation et au guidage du train dans les aiguillages.

NomenclatureNomenclature
Le rail d'acier servant au Canada est de type Vignole. La coupe transversale représente un champignon dont la base est élargie. Le rail se divise en trois parties: la base (base), qui est la partie plate du rail. C'est cette partie qui distribue le poids du train sur les semelles des traverses. L'âme (web), c'est la partie mince du centre qui soutient la partie du haut. Finalement, le champignon (head) est cette partie arrondie sur laquelle roule le train. La partie où les roues du train entrent en contact avec le champignon s'appelle la table de roulement.

Parties de railTerminant en disant que, contrairement à la croyance populaire, le mot "rail" ne vient pas l'anglais, mais du vieux français "reille". Certains dictionnaires étymologiques donne aussi l'orthographe "raille".

Elements de rail

Le poids
Les différents rails modernes sont nommés selon leur poids en livre (lbs) à la verge. Par exemple, si on parle d'un poids de 140 lbs, cela veut dire que le rail pèse 140 lbs pour chaque longueur d'une verge. Plus le poids est élevé, plus le rail aura un acier concentré. Il pourra supporter des charges plus lourdes, plus souvent. On utilise des rails pesant entre 115 lbs et 140 lbs sur les voies principales, entre 100 lbs et 125 lbs sur les voies d'évitement et de triage. Il n'y pas de règle absolue ici, car plusieurs facteurs entrent en ligne de compte pour déterminer le bon rail à utiliser: l'endroit, le poids moyen des trains, la fréquence, la philosophie du chemin de fer et sa capacité d'investir dans des rails de qualité. Évidemment, plus le rail est pesant, plus son coût augmente.

Évolution du rail
Le rail n'a pas toujours existé dans sa forme actuelle. La première utilisation jamais recensée dans l'histoire serait autour de 1604, sur les bords de la rivière Tyne, en Angleterre. Elles étaient faites de bois. Les chariots, équipés de roues de bois eux-aussi, étaient tirés par des chevaux. Ce fut ainsi jusque dans les années 1820, où les premières locomotives à vapeur virent le jour. D'ailleurs, les premiers chemins de fer du Canada furent à peu près tous construits sur des rails de bois, sur lesquels on posait une lame de fonte.

C'est en 1776, à Sheffield, en Angleterre, que le tout premier rail de fonte fut moulé (nous verrons plus bas que les rails modernes ne sont pas moulés). Ce rail avait 3 pieds de long, et la forme d'un L.

Premier rail

À cette époque, les roues n'ont pas de boudin (flange) et ce sont les rails seulement qui guident les roues. En 1789, l'anglais William Jessop construisit un rail qui allait jeter les bases du rail moderne. Ce rail ressemblait à ceux que nous côtoyons aujourd'hui, à l'exception que le centre était bombé vers le bas.

Rail de Jessop

À cet endroit, la coupe transversale du rail était symétrique. En croyait ainsi que la partie du rail qui n'était pas supportée serait plus forte (les traverses étaient à tous les trois pieds). On abandonna cette technique plus tard, et on rapprocha plutôt les traverses. Les rails de Jessop avaient un grand désavantage: impossible de les couper! Comme la coupe transversale au milieu du rail était différente de celle aux extrémités, on ne pouvait rabouter une demi-rail avec un rail complet. Tie en rochePar la suite, le développement alla très vite: on commença à clouer les rails à des blocs de pierre, dans lesquels on avait percé des trous pour y mettre des chevilles de bois destinées à recevoir les clous. Puis on changea pour des traverses de bois, tel qu'on le pratique encore aujourd'hui.

Un fait amusant: pendant un certain temps, les rails furent symétriques (deux champignons et pas de base). Une fois la table de roulement trop usée (i.e. en mauvais état), on retournait le rail pour user l'autre côté. Évidemment, cette pratique fut abandonnée elle aussi.

Rail roulé
Ironiquement, le premier rail roulé fut fait avant la première locomotive à vapeur, par la Durham Iron Work, selon un procédé mis au point par son propriétaire, John Birkenshaw. Ce rail avait de13' à15' de long. Ces rails étant beaucoup plus dispendieux que les rails moulés, cette technique a mis du temps à se populariser.
Question d'économiser quelques sous, les Américains ont commencé à rouler leurs propres rails (au lieu d'en importer de Grande-Bretagne). Ceux-ci avaient la forme d'un U inversé. À l'époque, l'un des principaux problèmes était les joints. C'est alors que le New York Central RR inventa le rail jointé. Le rail était fendu en deux sur le sens de la longueur, verticalement. On posait les rails en décalant les morceaux, ce qui fait qu'il n'y avait jamais de joint franc. Mais cette technique était si coûteuse qu'on l'abandonna 5 ans après ses débuts, en 1860.
En 1865, la compagnie North Chicago Mills produit le tout premier rail roulé de type Bessemer, un rail se rapprochant de ceux qu'on connaît aujourd'hui. Mais comme l'acier de bonne qualité se fait rare, il y aura plusieurs tests de fait entre 1870 et 1873, par exemple un rail avec une base et une âme de fonte, mais avec le champignon en acier. Les prix de l'acier chutant rapidement par la suite, on abandonna ces techniques de mélange. En 1900, la presque totalité des chemins de fer nord-américains roulent sur des rails standards. Depuis ce temps, tous les efforts ont été mis à améliorer les processus de production et les coûts.

Le tableau suivant montre l'évolution des formes de rails. Il faut noter qu'à cette époque, le mot "mondialisation" n'est pas encore connu. Il y eut donc différents designs qui ont existé en même temps, dans différentes parties de l'Europe, et plus tard, de l'Amérique.

Design Année Note
1767 Plaque de fer moulé. Longueur de 5 pieds.
1776-1793 Plaque de fer moulé. Longueur de 3 pieds.
1789 Plaque de fer moulé. Longueur de 3 pieds.

Le profil de gauche est celui des extrémités. Le profil de droit représente le profil au centre du rail.

17697 Plaque de fer moulé, vissé sur un support en bois.
1802 Fer moulé. Longueur de 4 pieds et demi. Encastré dans une pièce de bois.
1808 Fer moulé.
1808-1811 Lingot de fer malléable.
1816 Fer moulé.
1820 Rail Birkenshaw, en fer roulé. 26 lbs à la verge.
1830 Rail Clarence, en fer roulé. 33 lbs à la verge
1831 Rail de Robert L. Stevens.
1831 Rail utilisé sur la subdivision Amboy du Pennsylvania Railroad. 41 lbs à la verge.
1835 Rail en "U", aussi appelé "Bridge rail". 40 lbs à la verge.
1837 Rail nommé Lock rail. 58 lbs à la verge.
1844 Rail en "U" Evans. 40 lbs à la verge.
1844 Rail de type "Bullhead".
1845 Premier rail en "T" fabriqué aux États-Unis.
1858 Rail standard de la Pennsylvania Railroad. 85 lbs à la verge.
1864 Rail standard de la Pennsylvania Railroad. 67 lbs à la verge.
1865 Premier rail de type Bessemer roulé aux États-Unis. 50 lbs à la verge.
1876 60 lbs à la verge.
1900 100 lbs à la verge.
1916 130 lbs à la verge.
1930 131 lbs à la verge.
1946 140 lbs à la verge.

Cette photo prise au musée Exporail de Delson montre un très vieux rail symétrique, maintenue en place avec des éclisses en acier, dans lesquelles ont a calé une pièce de bois pour faire l'ajustement.

Vieux rail

Matières premières
De quoi sont faits les rails? Comme tout acier, la composition de chaque rail varie selon différentes recettes. Et ces recettes varient selon le manufacturier (environs 9 en Amérique du Nord, dont Algoma Steel Corporation, de Sault Ste. Marie). Dans la presque totalité des cas, on va retrouver du carbone, du manganèse, du phosphore, du silicone et du sulfure. La proportion de chaque ingrédient fera la durée et la durabilité du rail. Ainsi que son coût. C'est pourquoi, même de nos jours, on produit des rails dans un acier plus faible et moins coûteux (en plus des rails de haute qualité) pour installer dans des endroits comme des voies industrielles où le trafic est plus léger.

Fabrication: étape 1
Les aciéries fournissent au manufacturier leur acier sous la forme de lingot (note: la majorité des manufacturiers sont aussi propriétaire de l'aciérie). Ces lingots font 7 pieds de long, environs 25 pouces par 30 pouces et pèsent 7 tonnes. Comme les lingots arrivent parfois fraîchement faits, ils sont trempés dans un bain d'eau froide. Un lingot d'acier peut être relativement "froid" en surface, mais avoir le centre encore assez chaud pour être mou. Pour le laminage (roulage), le lingot doit être chaud, mais sa température doit être largement sous le point de fusion, et uniforme.

Fabrication: étape 2
Par la suite, on identifie les lingots. Cette identification va suivre le rail tout le long de sa vie. Chaque usine a son code, chaque fournaise a le sien. Un code représente le mois, et un autre, le numéro de la fournée depuis le début de ce mois.

Fabrication: étape 3
Maintenant, le lingot sera réchauffé uniformément (et non pas fondu). Puis, il sera "pétri" sous des rouleaux, qui lui donneront une forme rectangulaire de 9 pouces 3/4 par 8 pouce et quart, avec longueur une de plus de 50 pieds. De 19 à 21 passes sont requises pour modifier la forme du lingot.

Fabrication: étape 4
On coupera ensuite ce lingot étiré en section, chaque section allant devenir un rail. Ces sections sont identifiées par les lettres A, B, C, etc. Un rail peut être roulé à partir de deux sections trop courtes pour former seul un rail. Dans ce cas, s'il s'agit d'un reste du bout A et du bout E, le rail portera les lettres "AE". On peut facilement voir ces lettres le long de l'âme du rail. Puis le procédé de roulage sera répété pour former le contour du rail. Au total, entre 7 et 10 sections de 39 pieds de rail sortiront d'un seul lingot. La quantité de rails varie selon le type de rail à produire (il sort 10 sections de 100 lbs/verge contre 7 sections de 140 lbs/verge). Au total, il faut 10 passes de roulage pour obtenir le contour d'un rail tel qu'on le connaît.

Fabrication: étape 5
Lorsque le premier rail est roulé, on le mesure. Si jamais il ne répond pas aux normes, c'est tout le lingot original qui est jeté. S'il passe le test, on procède au roulage des autres rails.

Fabrication: étape 6
Une fois les rails roulés, ils sont estampés (c'est ce qu'on voit sur leur côté), puis refroidis selon un procédé de refroidissement contrôlé, ce qui prévient les fêlures. Ils sont d'abord laissés à température ambiante jusqu'à ce qu'ils atteignent 1000 degrés F, puis mis dans des containers isolés, capable de contenir 125 tonnes de rails. On y laisse le couvercle pour 10 heures, pour permettre à la chaleur de se répartir également dans les rails chauds. Puis on enlève le couvercle du container. Ils y demeurent jusqu'à ce qu'ils soient à 300 degrés F. Par la suite, on les sort, et ils terminent leur refroidissement à la température ambiante.

Fabrication: étape 7
Finalement, on les envoie au centre de test, où ils seront redressés (ils ne sortent pas toujours droit!) et testés.

No.1 Les rails No 1 sont des rails n'ayant aucune imperfection, même mineure. Les rails No 1 dont la teneur en manganèse et en carbone est légèrement hors-norme ont le bout peint en bleu. Si leur longueur est inférieure à 39 pieds, on appliquera une peinture verte.

No2. Les rails No 2 sont ceux ayant de légères imperfections, mais ne pouvant pas causer de dommages, ou des rails ayant une courbure (kink) trop prononcée à la sortie du roulage, ou n'ayant pas reçu d'estampe (donc leur origine n'est pas retraçable). On leur applique une peinture blanche aux extrémités.

Les rails au bout peinturé sont normalement utilisés partout, sauf les rails aux bouts bleus, qui sont utilisés de préférence dans les courbes.

Xrayls. Le Xrayls est un test d'endurance au choc. On retire les rails "A" du premier lingot, de celui du centre et du dernier de la même fournée. On laisse tomber sur le rail en suspension entre deux piliers une charge de 2000 lbs d'une hauteur de 22 pouces (cette hauteur varie selon la pesanteur du rail). Si les trois exemplaires résistent, la fournée est considérée comme bonne. Si un seul casse, tous les rails portant la lettre "A" de cette fournée seront jetés. On doit alors recommencer avec les rails portant la lettre "B". Si un rail "B" casse, on recommence avec la lettre "C". Si un rail de la lettre "C" se rompt, on jette la fournée au complet.

Défaut de rail
Je ne vais certainement pas vous expliquer en détail chaque défaut que peut subir le rail, puisque ce serait un vrai traité d'ingénierie! Il y a environ une cinquantaine de défauts de rails différents. Il faut aussi faire la différence entre un défaut de rail, et un bris de rail. Un défaut de rail est dû à une imperfection dans la structure du rail. Un bris est causé par une mauvaise utilisation ou un abus. Par exemple, une brûlure de locomotive (engine brun) est causée par une roue de locomotive ayant glissé alors qu'elle était en traction. Mais si cette brûlure se crée à un endroit où le rail a une faiblesse, il peut en résulter un défaut de rail qui se développe rapidement. La plupart des cassures de rail surviennent à cause de la fatigue de l'acier. La plupart des fractures ne se voient pas. Elles sont internes. Parfois, une petite coulée de rouille peut être un signe de cassure interne. Mais si on ne les voit pas, comment fait-on pour les détecter? Des compagnies spécialisées, comme Sperry, ont des camions rail-route d'auscultation très sophistiqués. Il s'agit de sondes à l'ultra-son, enfermées dans des roues de caoutchouc qui roulent sur le rail. Un opérateur peut donc voir une "photo" de l'intérieur du rail. Ces équipements peuvent voir un cassure plus mince qu'un cheveu, même en roulant à plus de 100 km/h!

Les rails qui se cassent peuvent causer de graves accidents ferroviaires. On a eu la preuve, la veille de l'an 2000: un rail s'est cassé au passage du train Ultratrain. Trois wagons ont déraillé, mais sont demeurés debout, et ont continué à rouler à côté de la voie. Un train arrivant en sens inverse sur la voie adjacente est entré en collision. Une gigantesque explosion s'en est suivi, tuant sur le coup les deux cheminots du train ayant frappé l'Ultratrain déraillé.

Les cassures de rail sont plus fréquentes en hiver. Ça s'explique par la dilatation du rail qui est à son minimum. Comme l'acier est très contracté par grand froid, sa dureté facilite l'expansion de fêlures mineures. Une fêlure pratiquement indétectable peut, en l'espace de quelques jours, faire rompre le rail. Heureusement, les voies très fréquentées sont contrôlées par un système de signalisation qui détecte les rails rompus. Le train n'aura pas l'autorisation de circuler sur une voie où il y a un rail cassé (à condition que la cassure fasse se séparer complètement les deux morceaux du rail. Dans le cas contraire, le train ne déraillera pas nécessairement).

Dilatation
L'expansion de l'acier est un phénomène tout à fait naturel. Par temps chaud, l'acier prend de l'expansion, par temps froid, il se contracte. Tout se joue à la pose des rails. La température ambiante prend alors toute son importance. Supposons que l'on veuille installer des rails jointés de 39 pieds (ce qui représente 135 joints au mille). On devra, selon la température, laisser un jeu entre les rails pour permettre l'expansion de l'acier sans que l'écartement soit modifié.

Température de pose (C) Espace à conserver
-14 et moins 5/16"
-14 à -3 1/4"
-3 à 7 3/16"
7 à 18 1/8"
18 à 29 1/16"
29 et plus Aucun

Longs rails soudés
Pour un article détaillé sur les longs rails soudés (LRS), voyez cette page.

Joints
Comment les rails sont-ils tenus ensemble? Pour les sections de 39 pieds, il y a deux trous à chaque extrémité du rail. Une éclisse, percée de quatre trous est posé de chaque côté des deux rails, vis-à-vis le joint.. Des écrous et boulons viennent tenir le tout. Les rails peuvent glisser dans l'éclisse, pour prendre leur expansion. Sur les lignes à haut tonnage et au trafic plus grand, les rails sont soudés. Il n'y pas de joints. Dans une voiture de passagers, on s'en rend facilement compte, car le roulement devient soudainement plus doux au changement de type d'assemblage. Sur les bords de la voie, les rails soudés ne produisent pas le typique "clic-clank" des roues passant sur les joints.

Soudure thermique
Comment les joints des rails sont-ils soudés ensemble? Si vous pensez à votre petit fer à souder à votre bobine d'étain, vous êtes bien loin de la solution! Les rails sont soudés par un procédé aluminothermique. Voici comment ça se passe:
Tout d'abord, on coupe les bouts des rails à souder pour qu'ils soient bien propres. On laisse un espace d'environ un demi-pouce. Puis, on installe un moule qui a la même forme que le profil du rail. Au dessus de ce moule, se trouve une ouverture, qui sera comblée par un contenant ayant l'allure d'une amphore romaine (encerclé de noir sur la photo). Cette "cruche" contient notre potion magique: de l'oxyde de fer et de l'aluminium. Une allumette ressemblant à un feu de bingal embrase le tout (on allume notre allumette avec un simple briquet). Le mélange atteint rapidement les 2500 degrés F, ce qui fait fondre le bouchon au bas de notre cruche. Le métal liquide tombe de lui même dans le moule. Comme notre métal liquide est deux fois plus chaud que la température de fusion du rail, les parties de ce dernier en contact avec le liquide en fusion fondent. Puis, la chaleur de tout ce mélange est absorbée par l'air ambiant et les deux rails. Une fois refroidie, le mélange durcit, et voilà, notre joint est fait! Tout le processus ne prend que 30 minutes. Il est fréquent de faire ce genre de soudure sans que la circulation ferroviaire ne soit interrompue.

Plus de détails sur cette technique utilisé surtout sur les longs rails soudés est disponible ici.

TraversesLes traverses
Les traverses, c'est sur quoi reposent les rails (bien qu'il y ait les semelles entre les rails et les traverses). Sur les lignes principales, au Canada, le travelage (nombre de traverses au mille) est de 3000. Les traverses sont généralement faites de bois dur, comme le chêne. Elles peuvent aussi être en béton (de type monobloc. Le type bi-bloc, ou il n'y a de béton que sous les rails, le reste étant une barre d'acier, existe en Europe, mais n'est pas répandue ici), ou en acier (aucun cas connu au Canada). Les traverses coûtent très cher, mais peuvent durer jusqu'à 50 ans, contrairement aux traverses de bois qui ne dépasse guère 20 ans.

beton

Les selles
SelleLes selles (tie plate) de rail sont des plaques d'acier que l'on insère entre le rail et la traverse. Elles ont pour rôle d'empêcher le rail d'enfocer dans la traverse en répartissant le poids sur une plus grande surface au contact de la traverse. Afin que la selle ne bouge pas sous le rail, deux petites protubérances sont créées de chaque côté du rail. On dit alors que le rail est épaulé sur la selle. Si les protubérances sont de chaque côté de la base du rail, il s'agit d'une selle à double épaulement. Si les protubérances ne sont que d'un seul côté du rail, on parle alors d'une selle à simple épaulement. Les crampons de rail passent dans des trous au travers de la selle afin de maintenir l'assemblage en place.

Selles

Les selles de rail ont aussi comme mandat de maintenir l'écartement des rails. Elles vont aussi faire pencher légèrement le rail vers l'intérieur, de manière à permettre à l'assemblage d'absober une partie du poids par compression.

Les selles de rails à simple épaulement sont plus fréquent dans les courbes. Les aiguillages possèdent des selles de rail particulières qui permettent aux aiguilles de glisser horizontalement lorsque l'aiguillage change de position.

Même si les selles de rail possèdent quatre trous, on met rarement quatre crampons pour les maintenir en place, ce qui affaiblit la traverse. Le nombre de crampons dépend de la configuration de la voie, et des forces que le train appliquera sur celle-ci.

Les anticheminants
Les anticheminants (rail anchor) sont des pièces métalliques recourbées qui s'installent sous la base du rail. La pièce agrippe la base du rail comme une pince. Les anticheminants ont pour rôle d'empêcher le rail de bouger longitudinalement. Lorsque le train accélère ou freine, une partie de cette énergie est transmise des roues vers les rails. En accéléaration, les rails ont tendance à être poussés vers l'arrière du train, alors qu'au freinage, c'est l'effet contraire. Un train en freinage d'urgence dont toutes les roues sont bloquées va pousser très fort les rails vers l'avant, avec lui. Les anticheminants ont le mandat de maintenir les rails en place, en transposant cette énergie à la traverse, elle-même retenue par le ballast. Sur le dessin ci-bas, l'anticheminant apparaît en rouge, alors que la selle est en vert.

Anticheminant

Les courbes
Lorsque la voie est en alignement, les rails sont posés à plat, à la même hauteur. Mais lorsque la voie est courbe, plus particulièrement dans les régions où la vitesse est grande, on surélève le rail extérieur de la courbe. On veut ainsi combattre la force centrifuge.

Et aussi surprenant que celui puisse paraître, dans une courbe bien faite, avec des rails en bon état, avec des roues en bon état et un train allant à la bonne vitesse, les boudins de roues ne toucheront pas aux rails. Les roues sont de formes coniques. Elles sont aussi solidaires de l'essieu. Donc, dans tous les cas, les deux roues à la même vitesse. Or dans une courbe, la roue extérieure devra parcourir une plus grande distance que la roue intérieure. Pour sortir de la courbe en même temps, elle devra donc tourner plus vite. Comme les roues sont coniques vers l'extérieure du wagon, l'essieu se déplacera vers l'extérieur de la courbe. Résultat: la surface de roulement de la roue intérieure sera plus petite, et celle de la roue extérieure plus grande.

Mais pour réunir tous les facteurs mentionnés ci-haut, à tous les coups, sur tous les wagons, ça prendrait un miracle! C'est pour cette raison que vous entendez souvent ce "couink!" si familier au passage du train dans une courbe. C'est le bruit des boudins qui frottent sur le rail. Et qui l'use. Les rails des courbes ont une durée de vie jusqu'à 5 fois moins longue que les autres rails.

Reprofilage
Afin de prolonger au maximum la vie de leurs rails, les chemins de fer font des entretiens périodiques visuels (à tous les deux jours sur les voies achalandées, ou après le passage de train très pesant, comme les trains céréaliers), et de temps en temps, un reprofilage des rails. C'est un train spécial, qui n'appartient généralement pas au chemin de fer (ce sont des entreprises spécialisées), équipé de meules qui redonne au rail son profil d'origine. Bien entendu, une partie du rail est enlevé, ce qui limite le nombre de fois que le rail peut subir de traitement.

Date
La date de fabrication est généralement moulé à même le rail. En fait, comme le rail est fabriqué en plusieurs étapes, il est coutume d'indiquer la date de laminage. Sur la photo ci-bas, on a identifié la date de laminage sur une plaquette soudée au rail. On y indique aussi la température de pose, en degrés Farheneit. Notez que les niveaux de la photo ont été triché pour vous permettre de mieux lire les inscriptions.

Date