Rail - Définition et Explications

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Rails
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Les rails sont de longues barres d’acier profilées, qui mises bout à bout servent à former un chemin de fer. Les rails servent à la fois de guide et de support de roulement pour les véhicules. Étant conducteurs, ils sont souvent utilisés pour la transmission de signaux (circuits de voie) et pour le retour des courants de traction et des auxiliaires du train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter...) (ligne train pour le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) et la climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de...) sur les rames tractées). Généralement, une voie ferrée (Une voie ferrée est un chemin de roulement pour les convois ferroviaires, constitué d'une ou plusieurs files de rails dont l'écartement est maintenu par...) est constituée de deux files de rails posées en parallèle sur des traverses. Un système de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) fondé sur l’utilisation d’un seul rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files parallèles de rails mis bout à bout forment une voie ferrée. Ils reposent alors...) est un monorail (Un monorail est un système de transport guidé comportant un seul rail. Les véhicules peuvent se déplacer à cheval sur le rail ou suspendus dessous, en utilisant différentes techniques de propulsion et de sustentation (roues, coussin d'air,...). Un rail peut servir aussi à l’alimentation électrique (alimentation par troisième rail).

Types de rails

Le rail moderne est généralement du type " Vignole " ; dans une section transversale, on distingue le patin qui s’appuie sur la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...), le champignon qui constitue le chemin de roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste en contact avec une surface d'appui...), et l’âme, filet vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) qui relie le champignon au patin. Sur les lignes importantes, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) linéïque standard du rail est de 60 kg/m.

Le rail à double champignon, dont la section est symétrique, avait été conçu pour permettre de retouner le rail usé et donc doubler sa durée de vie (La vie est le nom donné :). Ce principe a été abandonné.

Des rails à gorge (type " Broca ") sont utilisés pour les voies encastrées dans des chaussées routières, notamment pour les installations industrielles et les lignes de tramway (Le tramway (ou tram) est une forme de transport en commun urbain ou interurbain circulant sur des voies ferrées équipées de rails plats (alors que ceux des trains sont légèrement...).

Pose des rails

La pose des rails se fait normalement avec des joints de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et augmentation...), les rails, de 18 ou 36 m de long, coulissant librement dans les éclisses (pièces qui assurent la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") de deux rails successifs). Dans ce cas la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des...) électrique doit être assurée. De plus en plus se développe la technique dite des " barres longues " ou LRS (longs rails soudés), dans laquelle les coupons de rail de 80 m sont soudés en atelier en longueurs de 320 à 400 mètres. Ces barres sont posées sur de très grandes longueurs, sans limite réelle, les soudures nécessaires étant réalisées sur place. La dilatation est contrainte par le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) des traverses sur le ballast ( Le ballast est le lit de gravier qui supporte une voie de chemin de fer. Les ballasts sont des réservoirs sur les bateaux permettant de changer l'immersion ou l'équilibre. Le ballastage est...). Cela suppose réunies certaines conditions de stabilité de la plate-forme et de rayon de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) minimum. À l’extrémité des LRS sont installés des appareils de dilatation, notamment au droit de certains ouvrages d’art.

Le ballast est constitué de roches dures concassées (généralement, il s’agit de roches éruptives : granite, rhyolite, quartzite...) qui doivent résister à l’attrition, qui émousse les angles. L’épaisseur du ballast est fonction de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) et de l’intensité du trafic, 30 cm sur ligne classique, 40 cm sur LGV.

Une voie ferrée traditionnelle est fixée sur des traverses en bois reposant sur un ballast fait de cailloux concassés à arêtes vives. La fixation se fait grâce à des tire-fonds et des attaches élastiques, parfois munies de semelles en caoutchouc pour limiter le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...).

Les traverses assurent la transmission de la charge au ballast, et le maintien de l’écartement et de l’inclinaison des rails. Le travelage, c’est-à-dire le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de traverses au kilomètre est variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. ...), généralement de 1666 traverses/km à la SNCF (La Société nationale des chemins de fer français (SNCF) est l'une des principales entreprises publiques françaises. Elle exerce une double activité :). Les traverses peuvent être :

  • en bois (généralement du chêne (Le chêne est le nom vernaculaire de nombreuses espèces d'arbres et d'arbustes appartenant au genre Quercus, et à certains genres apparentés, notamment...), mais on utilise aussi des bois exotiques durs, tels l'azobé), de durée de vie réduite (20 à 30 ans) mais faciles à mettre en œuvre,
  • en acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) (plus bruyantes, ne sont plus utilisées en France métropolitaine (La France métropolitaine, parfois raccourcie en Métropole, est dans le langage courant la partie européenne de la France, c'est-à-dire le territoire continental et les îles proches (de l'océan...) mais le sont en Corse),
  • en béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant.), de durée de vie importante (50 ans), il en existe de deux types : bibloc, reliées par une barre métallique, monobloc en béton précontraint. Les traverses en béton sont appellées des blochets.

Durant leur phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de préparation, les traverses en bois sont imbibées de créosote lors d'un passage en etuve. La créosote est un assemblage d'hydrocarbures utilisé dans la protection du bois.

La voie ferrée peut aussi être posée sans ballast, directement sur un lit de béton. C’est le cas du tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction...) de Marseille sur la LGV Méditerranée (La LGV Méditerranée, ou ligne nouvelle 5 (LN5), est une ligne ferroviaire à grande vitesse française d'environ 250 km, construite en 1996 et mise en service en...), ainsi qu’en Allemagne de la ligne ICE entre Francfort et Cologne. Ce procédé réduit l’entretien mais coûte plus cher et ne permet pas de corriger facilement les défauts de géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...).

Les croisements et changements de voies se font en général par des appareils de voie qui comprennent des aiguillages, des traversées (croisement de deux voies sans aiguilles mobiles) et des traversées jonctions simples ou doubles, autorisant le croisement de deux voies et l’aiguillage vers une ou deux directions. Il y eut des ponts tournants, valables surtout pour des véhicules de faible empattement, à l’époque de la vapeur ().

Outre ses fonctions de roulement et de guidage, le rail a souvent une fonction de sécurité : il sert de circuit aux courants de signalisation, ce qui permet de mettre au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) automatiquement un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) lorsqu’un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) court-circuite les deux rails. De plus, le rail constitue le circuit de retour du courant electrique de traction vers la sous-station d'alimentation.

Caractéristiques du rail

Les rails manufacturés ont des profils symétriques. À la pose, ils sont légèrement inclinés vers l’intérieur de la voie d’environ:

  • 1/20e en France, Belgique, Italie, Espagne...
  • 1/30e au Danemark, en Suède
  • 1/40e en Allemagne, en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une des...) centrale

On parle ainsi de "pose au 20e, au 40e".

Un très grand nombre de profils de rails a existé. Les plus répandus aujourd'hui (50E6 - anciennement U50, et 60E1 - anciennement UIC 60...) comportent une table (dessus du champignon) avec un rayon de 200 à 300 mm, des congés latéraux de rayon 12 à 13 mm, et souvent un rayon de raccordement intermédiaire, par exemple de 60 à 80 mm. Les rails s'usent, surtout en courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des...), et s'éloignent de ces valeurs théoriques.

La table de roulement des roues est de forme conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières différentes,...) avec un raccord concave vers le boudin. C'est la forme de la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) qui permet à l'essieu (Dans un véhicule à roues, un essieu est un arbre placé transversalement sous la caisse et supportant par l'intermédiaire des fusées les roues situées à...) ferroviaire monobloc, par différence des rayons de roulement droite-gauche, de s'auto-centrer dans la voie lorsqu'il se déporte latéralement, sans action d'organes extérieurs. Cet asservissement (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est d'élaborer la commande d'un procédé afin de lui faire atteindre une grandeur...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet...) lui permet de prendre les courbes larges sans user son boudin.

Le profil de roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) normalisé par l’Union internationale des chemins de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer...), dit " profil UIC ", comporte une partie au 1/40e et un raccordement progressif vers le boudin. Ce profil est appelé également S1002, d’après la désignation de celui qui avait été choisi parmi les différents profils testés.

La conicité, c’est-à-dire l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) (en radian) au contact roue-rail est propre à chaque couple -profil de roue / profil de rail-, et varie avec l’usure. C'est un fonction de la position latérale de l'essieu dans la voie, donc de la roue relativement au rail, qui peut varier de typiquement +/- 8 mm entre butées aux boudins. Elle est sensible à la pose du rail, à l'usure, à l'écartement.

La conicité équivalente est la valeur de cette fonction pour un jeu dans la voie donné. Par exemple, à l’état neuf, pour un jeu de +/-3 à +/-5 mm elle est de :

  • 0,16 à 0,24 pour le couple S1002/rail au 1/40e ;
  • 0,01 pour le couple S1002/rail au 1/20e.

S'agissant d'une valeur locale de la fonction, elle est très sensible à la pose du rail. Une forte conicité caractérise un contact capable de bien auto-orienter l'essieu, mais il risque de rendre le bogie (Un bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire, sur lequel sont fixés les essieux (et donc les roues). Il est mobile par rapport au chassis du...) et donc le véhicule instable. On y remédie avec des suspensions raides. Il s'agit d'un compromis différent pour un TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses supérieures à 320 km/h en exploitation, mise au point par la SNCF et construite par la...) et un métro (Un métro, apocope du terme métropolitain lui-même abréviation de chemin de fer métropolitain, est un chemin de fer urbain souterrain le plus souvent, sur viaduc quelquefois, au sol rarement.).

Les surfaces de contact entre roue et rail sont de l'ordre du cm2 ; on les calcule à partir des courbures des profils, à l'aide de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).) sur le contact élastique (1887). les pressions peuvent être très élevées, de l'ordre de 1000 MégaPascal. Les efforts tangents se calculent par la théorie de Kalker (1967).

Les rails de tramway sont souvent posés à plat, et leurs roues sont parfois cylindriques. Les virages sont si serrés sur les réseaux de tramways que l'on ne cherche même pas toujours à utiliser l'effet bicône. On limite l'usure par le graissage des boudins et en ne chargeant pas trop les essieux.

En France comme dans une majeure partie des pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...), l'écartement des rails (L’écartement des rails est la distance séparant le flanc interne des deux files de rails d’une voie ferrée. L’écartement de 1435 mm (4 pieds 8 pouces et demi) est le plus utilisé dans le...) est généralement de 1,435 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) (sauf voies industrielles spécifiques ou de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée supérieure à 24 heures. Ce qui implique la...) où l'écartement peut varier beaucoup). Pour augmenter l'effet bicône on surécarte les voies de chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de matériel roulant et de procédures d'exploitation faisant...) dans les courbes, sauf pour les tramways qui utilisent des rails à gorge ne permettant pas ce surécartement sous peine d'une usure anormale du flanc interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) des roues.

Entretien du rail

Le rail ferroviaire est en acier, avec un taux de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) moyen, de l'ordre de 0.6% à 0,8%, mais un taux de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) et de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) importants, de 0,7% à 1,2% et de 0.1% à 0.6% respectivement, qui le rendent dur et lui permettent de supporter des contraintes élevées. Les rails sont laminés à chaud (température de l'ordre de 1200 degrés)et subissent un corroyage (réduction de section depuis le bloom jusqu'au rail fini) d'au moins 7. Pour ces aciers au carbone on n'utilise pas la terminologie habituelle de la sidérurgie (Le terme sidérurgie (du grec sideros, fer) désigne à la fois les techniques d'obtention de la fonte, du fer et de l'acier à partir de minerai, mais aussi l'industrie qui les met en œuvre. La création...); on parlait de nuances 700, 800 ou 900A (MPa) jusqu'en 2002, de nuances comme par exemple R260 (dureté HBW sur la table de roulement) selon la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à suivre. Ce...) européenne EN13674 de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...).

L'entretien de la voie ferroviaire est concentré sur le ballast et la rectitude d'alignement des rails. Cette dernière se vérifie sous charge, par exemple en France avec les voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...) "Mauzin". On peut rectifier les déviations par bourrage du ballast, par changement des traverses ou des attaches si elles sont endommagées, ou par "Renouvellement Voie Ballast" (RVB) si la voie est jugée trop ancienne.

La maintenance des rails porte sur leurs défauts internes ou externes. Sous l'action du passage des roues, les contacts peuvent fatiguer le rail. Des défauts internes ou des soudures mal faites peuvent générer des fissures non débouchantes que l'on détecte par ultra-sons. Des fissures externes peuvent apparaître, surtout dans les courbes, là où il y a glissement relatif roue-rail. On détecte ces défauts de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) par capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) à courant de Foucault, qui détectent aussi l'usure ondulatoire.

Le moyen principal de maintenance préventive en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de voies est le meulage, qui permet d'éliminer les défauts de surface susceptibles de générer des fissures, comme par exemple la fatigue de contact (RCF ou rolling contact fatigue en anglais) ou l'usure ondulatoire. Chaque meulage enlève jusqu'à 1 mm d'épaisseur d'acier et redonne une forme appropriée au champignon.

La surveillance d'un réseau ferroviaire (Un réseau ferroviaire est un ensemble de lignes de chemin de fer, de gares et d'installations techniques diverses (atelier, dépôts,...) par ces méthodes est critique pour la sécurité mais aussi pour la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) des coûts de maintenance.

Il existe des rails dits sans entretien, colaminés à chaud avec une plaque inoxydable qui permet à la table de ne pas s'oxyder. Le contact sur ces rails permet de garantir le shuntage (Le shuntage est la mise en place d'un shunt sur un circuit électrique.), lorsque les rails sont utilisés dans les circuits de voie.

Sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie...) figuré

Par extension, le rail désigne l’ensemble des activités liées aux chemins de fer.

Par analogie, on désigne par un rail un petit tas de drogue (Une drogue est un composé chimique, biochimique ou naturel, capable d'altérer une ou plusieurs activités neuronales et/ou de perturber les communications neuronales. La consommation de drogues par l'homme afin de...) (généralement de la cocaïne) disposé en ligne sur un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...) (ou une autre surface plane), à l’aide d’une lame de rasoir. Cette disposition permet au consommateur d’inspirer la drogue directement dans le nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de la lèvre supérieure et qui, en le surplombant, recouvre l'orifice des fosses nasales, qui constituent le segment supérieur des...) à l’aide d’un petit tube.

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