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Les freins à air des trainsLes débuts...Les premiers systèmes de freinage étaient fort simples. Pour arrêter le train, on faisait siffler le sifflet de la locomotive selon un code précis. Puis un agent de train sautait d'un wagon à l'autre en serrant à la main les freins. Ces agents de train avaient, nul besoin de le préciser, de la diffulté à avoir une bonne assurance-vie! Le seconde génération de freins était composée d'un compresseur à air dans la locomotive raccordé à une conduite posée sous les wagons. La conduite était connectée entre les wagons par des connecteurs assexués, qui se séparait si on exercait une tension dessus (ce principe est encore utilisé aujourd'hui). La conduite était ensuite reliée à un cylindre de frein sous chaque wagon. Avec la pression d'air venant de la conduite principale, le cylindre tirait une chaîne qui à son tour appliquait le sabot de frein sur la roue. En d'autres mots, mettez de l'air dans la conduite principale, et les freins s'appliquent. Ce système était NETTEMENT plus efficace que le premier, mais demandait considérablement plus de temps pour appliquer les freins à la longueur du train. En plus, une fuite ou un boyeau déconnecté entre deux wagons et le système au complet devenait inopérant. L'invention de M. WestinghouseUn gars nommé George Westinghouse trouvait lui aussi que ce système n'était pas très fiable. Il inventa alors une pièce nommée "Valve triple" (triple valve). Cette valve ainsi qu'un réservoir situé sous le wagon venait inverser le principe du premier système: La pression de la conduite principale chargeait le réservoir sous le wagon, plutôt que le cylindre de frein. Diminuer la pression dans la conduite principale appliquait les freins. Il avait alors un système beaucoup plus efficace et rapide, mais surtout, sans possibilité de troubles. Ce système fonctionnait tellement bien que c'est encore ce système qui fait la base des systèmes de freinage ferroviaire moderne. La valve triple est directement attachée à la conduite principale, a une connection vers le réservoir et une autre vers le cylindre de frein. Le nom "valve triple" ne lui vient pas des trois connections, mais de ses trois actions:
Au repos, le système de Westinghouse ne contient pas d'air. Le système doit d'abord être chargé pour fonctionner. L'air arrivant de la locomotive par la conduite générale est dirigée par la valve triple dans le réservoir. L'air du réservoir servira a appliquer les freins plus tard. Quand le système est chargé, la pression de la conduite générale et du réservoir est égale. Pour l'exemple, disons 70 livres de pression par pouce carré. La pression est désignée par les chemins de fer, selon leurs besoins.
Quand le mécanicien veut appliquer les freins, il ouvre son robinet de frein, ce qui laisse échapper de l'air de la conduite générale (et donc fait baisser la pression). Lorsque la valve triple du wagon voit la pression de la conduite générale baisser, elle laisse échapper de l'air du réservoir afin que le pression de la conduite générale et du réservoir soit toujours égale. Et où va l'air du réservoir? Dans le cylindre de frein! Ce qui applique les freins. C'est simple; si vous enlevez 5 livres de pression pour emmener la conduite principale à 65 livres de pression, la valve triple enlèvera aussi 5 livres de pression du réservoir. Mais comme les volumes du réservoir et du cylindre de frein ne sont pas identiques, le cylindre de frein recevra environs 12.5 livres de pression. Une réduction de 10 livres de la conduite principale mettra 25 livres de pression d'air dans le cylindre. La conduite principale passera alors de 70 lbs à 60 lbs de pression. Le freinage maximal est donc une réduction de 20 lbs, ce qui mettera 50 lbs de pression dans le cylindre de frein, et laissera 50 lbs de pression dans le réservoir. Comme la pression d'air du cylindre et du réservoir est égale, le freinage ne peux plus s'exercer plus fortement. Si la pression est encore réduite dans la conduite principale, rien ne se passera.
Lorsque les freins sont appliqués, une augmentation de pression dans la conduite principale indiquera à la valve triple de relâcher les freins. Pour ce faire, la valve triple relâchera l'air du cylindre de frein dans l'atmosphère, puis commencera à recharger le réservoir du wagon. Le cylindre de frein reviendra en position de départ grâce à un ressort. (Sur les trains modernes, il y a deux type de relâchement: Direct Release, dans lequel toute augmentation de pression dans la conduite générale relâchera totalement les freins. Les freins des trains de marchandises fonctionnent sur ce principe. Graduated Release, dans lequel une augmentation graduelle provoquera un relâchement graduel. Ce système est utilisé dans les trains de passager. Cependant, les valves triple sont beaucoup plus compliquées.) La valve triple de Westinghouse diminuait le temps de réponse des freins, car on n'avait pas besoin de remplir le système d'un bout à l'autre du train. On avait seulement besoin de changer la pression suffisament pour envoyer un signal aux valves triple des wagons pour leur dire d'appliquer ou de relâcher les freins. Mais le signal prenait quand même un certain temps pour parcourir le train. Ce défaut fut corrigé plus tard... Amélioration: le système d'urgenceUn mode d'urgence fut rapidement ajouté au système de Westinghouse. Un second réservoir et une valve triple plus compliquée fûrent ajoutés, mais aussi la possibilité d'appliquer les freins plus fortement. En plus, l'ajout du mode "Quick Action" permettait d'accélérer le processus de freinage de wagon en wagon. "Urgence" devenait donc un quatrième mode au système de freinage. Une baisse rapide de la pression dans la conduite générale envoyait un signal aux valves triple d'arrêter complètement le train. En plus de vider le réservoir existant (qui fut rebaptisé "réservoir auxiliaire"), le système vidait aussi le réservoir d'urgence. Aujourd'hui la plupart des wagons utilisent des réservoir "duplex". Un réservoir duplex consiste en un réservoir séparé en deux par une plaque d'acier. Cette plaque est formée comme un dôme, ce qui fait que le côté urgence du réservoir est plus volumineux que le côté auxiliaire. Normalement, le côté "urgence" et "auxiliaire" du réservoir sont identifiés sur l'extérieur du réservoir. En opération normal du train, la valve triple focntionne comme la valve triple original de Westinghouse, excepté qu'elle charge aussi le réservoir d'urgence en plus du réservoir auxiliaire. Une partie de cette valve est dessinée pour reconnaître une baisse rapide de la pression dans la conduite générale, ce qui met le système de freinage en mode urgence. La valve triple envoiera alors le contenu des deux réservoirs dans le cylindre de frein, jusqu'à ce que la pression s'égalise partout. Sur un système de frein chargé à 70 lbs, il y aura environs 63 lbs de pression dans le cylindre. C'est le freinage le plus puissant possible. À basse vitesse, ce freinage est suffisant pour arrêter net les roues du wagon, ce qui fera glisser les roues sur le rail et provoquera des méplats de roue (flat wheel). Cette force de freinage peut endommager la marchandise du train et même le faire dérailler! Un freinage d'urgence est maintenant la norme dès qu'une composante du système fait défaut. Une rupture de la conduite principale (sous un wagon, ou entre deux wagons) provoquera immédiatement un freinage d'urgence, de même qu'une valve triple défectueuse (appelée un "kicker" (botteur) ou "dynamiter" (dynamiteur). Une valve triple défectueuse peut mettre un train en urgence à cause de la fonction "Quick Action". Pour tomber en urgence, la valve triple doit reconnaître une baisse rapide la pression. Le mode "Quick Action" s'assure que la baisse de pression sera rapide d'un bout à l'autre du train. La locomotive seule ne peut faire cela. Même en ouvrant la conduite principale depuis la locomotive, le temps que cette pression baisse le long d'un train de 100 wagons sera considérablement long. Donc chaque valve doit répéter et propager la baisse rapide. C'est ce que fait le mode "Quick Action". Quand la valve triple reconnaît une baisse de pression rapide, en plus d'appliquer les freins, le mode "Quick Action" vide aussi la conduite principale, ce qui cause une baisse de pression immédiate et amplifie l'action d'urgence pour être sûr que la valve triple du wagon suivant tombe rapidement en urgence aussi. Ce qui veut dire qu'une valve triple défectueuse produira une "Undesirable Emergency Application" (Application d'urgence non-désirée) (UDE) et le train en entier suivra. Quand les mécaniciens voyageaient dans les fourgons de queue (caboose), ils connaissaient les quatre raisons qui faisaient tomber un train urgence. 1. Un boyeau d'air entre deux wagons s'est détaché. 2. Le train s'est séparé en deux. 3. Un des wagons est un kicker (valve triple défectueuse). 4. La tête du train va frapper quelque chose sur la voie. Normalement, ils ne pensaient pas beaucoup, sauf pour s'accrocher rapidement à quelque chose! L'action des attelages absorbant le choc va en augmentant vers la fin du train. Le choc est si grand que le poêle du fourgon de queue pouvait être arraché du mur auquel il était fixé. Dès que le train était arrêté, ils disaient à la radio :"Tout est arrêté!", ce qui donnait à l'ingénieur une idée du nombre de morceau dans lequel se trouvait son train. La valve de contrôle "AB" pour les trains de marchandisesLa valve "AB" de Westinghouse désigne essentiellement les freins modernes. Cette valve fonctionne comme celles qui ont été décrites précédemment. Même si quelques ajouts technologiques ont été fait (de "ABD" à "ABDW" à "ABDX"), la valve a été normalisée dans l'industrie et vaut la peine qu'on s'y attarde. La Valve "AB" consiste en une section où tous les boyaux viennent s'y connectés, et deux parties distinctes de contrôle (la partie "Service" et la partie "Urgence") qui viennent se visser à l'aide de trois écrous sur la section de connection des boyaux. Chaque pièce pèse environs 65 lbs, ce qui en fait un poids assez léger pour être facilement tranportable par la poste régulière. La beauté de ce système est la facilité d'entretien. Les deux sections (qui sont relativement complexes à l'intérieur) se dévisse simplement. Les chemins de fer n'ont pas à les rebâtir, seulement les expédier à quelqu'un de spécialisé dans ce domaine qui fera la travail pour 120$US. Avec quelques dollars de plus vous obtenez de nouveaux joints de caoutchouc, des filtres et un diagnostique complet. Et l'entretien du système de frein d'un wagon (qui se fait environs aux 16 ans) est terminée. La partie la plus difficile revient à peinturer le wagons des lettres "C.O.T.S. 1/4/94" (Clean, Oil, Test, Stencil, 4 janvier 94). En plus des écrous de fixation, la section de connection aux boyeaux contient cinq connections de boyeau: la conduite principale, le cylindre de frein, le réservoir auxiliaire, le réservoir d'urgence et la valve de retient. Cette dernière nécessite quelques explications. La valve de retient sert à maintenir une application des freins même si le relâchement du système a été commandé par le mécanicien. Quand une valve triple "AB" relâche les freins, elle expulse l'air dans la conduite de retient. Sur la plupart des wagons, la valve de retient (situé au bout de la conduite de retient) est sur le côté du wagon. La valve de retient maintient une pression minimun dans le système, même si la valve triple essaie de relâcher complètement l'air. Les deux modes de fonctionnement sont "Direct", qui ne retient aucune pression (l'air est directement expulsée dans l'atmosphère) et "retain 10 pounds", qui retient 10 livres de pression dans le cylindre. Ce système est utilisé dans les pentes abruptes: les valves de retenus sont tournées manuellement une à une dans le mode "retain 10 pounds". Lorsque le train amorce sa descente, le mécanicien peut relâcher les freins pour recharger le système sachant qu'il y aura toujours une applications de 10 livres des freins. Les systèmes plus avancés ont aussi les fonctions "retain 20 pounds" et "slow release" qui relâche complètement l'air mais de façon très graduelle (ça prends environs 90 secondes). Les wagons qui n'utilisent pas ce système ont souvent un grillage sur l'emplacement de la conduite de retient qui empêche les oiseaux de venir se faire un nid et d'obstruer le système. Encore des améliorations sur la valve ABDLes valve ABD ont ajoutés deux fonctions qui ont rendu la réponse du sytème plus rapide. Mais elles travaillent comme les valve AB et sont compatibles. Cependant, leur fonctionnement intérieur est complètement différent Les vieilles valve AB utilisaient une technologie centenaire à l'intérieur: de petits pistons de laiton bougent de petites valvee de laiton qui alignent ou bloque les ports pour faire fonctionner le système. Elles doivent être lubrifiées avec du graphite et ont toujours eu des problèmes de fuites. Dans les valve ABD, des diaphragmes de caoutchouc (du genre de ceux utilisés dans les pompes à essence d'auto) ont remplacés les pistons et des tiges glissantes munient de joints de caoutchouc ont remplacé les valves de laiton. Les résultats ont grandement été améliorés. Deux nouvelles fonctions ont été ajoutées: "Quick Service" et "Quick Release". Les deux fonctionnent comme la fonction "Quick Action": manipuler la conduite générale pour propager son effet plus rapidement le long du train. "Quick Service": Propage l'effet d'application des freins. Dès que la pression baisse d'une livre et demie ou plus, la valve relâche cinq livres de pression de la conduite principale dans l'atmosphère. Ce qui fait entrer la valve suivante plus rapidement en action, et ainsi de suite. "Quick Release": Même effet, mais pour le relâchement des freins. Lorsque la valve détecte une hausse de pression dans la conduite principale, elle ajoute de l'air en provenance du réservoir d'urgence dans la conduite générale. Ce qui hausse la pression plus rapidement et fait relâcher les freins du wagon suivant plus rapidement. Quand les freins sont relâchés, le système réinjecte l'air dans le réservoir d'urgence. Mais souvenez-vous des problèmes avec les "kickers" qui faisaient entrer un train au complet en urgence avec la fonction "Quick Action". La même chose peut se produire ici, mais maintenant, un wagon défectueux peut faire relâcher les freins de tout le train. Des problèmes majeurs sont survenus jusqu'à ce qu'on apprenne à manipuler les freins défectueux. Imaginons une équipe de train au sommet d'une colline qui veut découpler les locomotives du train. L'ingénieur ayant fait une application assez prononcée des freins, la pression d'air est plus élevée à l'arrière du train qu'à l'avant, à cause du temps de réaction de l'air (souvenez-vous: un train peut avoir près de 2 km de long). Cette pression se déplacera ensuite vers l'avant du train (un peu comme une vague faite dans une corde attachée à un poteau. En frappant le poteau, la vague revient dans la corde). L'agent de train ferme alors le robinet du wagon à être détaché de la locomotive et découple le train des locomotives. Jusqu'ici, tout est normale. Mais voici ce qui se passe dans la conduite principale... La pression d'air revient vers la tête du train et soudainement, le passage est coupé. La pression d'air augmente donc à cette endroit (à cause du momentum de l'air). C'est un peu comme un bouchon de traffic de l'air. Comme la pression augmente, que fera la valve triple du premier wagon? Elle relâchera les freins! Les valve "AB" faisaient en sorte que seule un ou deux wagons en tête de train relâchait leur freins. Mais la fonction "Quick Release" a changé la donne, parce qu'elle propage l'effet de relâchement tout le long du train. Ce qui fait relâcher les freins du second wagon, puis du troisième,... Lorsque l'équipe de train s'en rend compte, le train fou fonce droit sur elle! L'éducation des équipes de train a beaucoup règlé le problème: attendre que l'air ait cessé tout mouvement avant de fermer le robinet du premier wagon, ou encore, laisser le robinet légèrement ouvert pour qu'un peu d'air continue toujours de drainer, empêchant ainsi la pression de remonter dans la conduite principale. Freiner en descendant une pente Les locomotives diesels ont deux systèmes de freins indépendant du système de frein du train: Un système à air (qui fonctionne sur le même principe que celui du train) et un système appelé frein rhéostatique (Dynamic brake). Ce système fonctionne comme suit: lorsque les moteurs électriques ne reçoivent plus de courant, ils continuent de tourner à cause de la force d'inertie qui pousse le train. Ils deviennent alors des générateurs et produisent de l'énergie électrique. Si on fait passer cette énergie dans une résistance, un champ magnétique se produit dans l'armature du moteur et offre une résistance à ce dernier. Lors du freinage dynamique, le mécanicien contrôle la résistance offerte à l'électricité produite par le moteur et par le fait même, la force du freinage. Les résistances utilisées pour dissiper cette énergie électrique en chaleur sont énormes. Ils sont situés sur le dessus de la locomotive, par dessus lesquels se trouvent d'énormes ventilateurs. Idéallement, le freinage lors des descentes se fait avec les freins rhéostatiques. Ils ne surchauffes jamais et ne s'usent pas. Mais de façon plus réaliste, les freins à air du train sont aussi nécessaires, ce qui se fait à petites doses ou en utilisant les valves de retient. On ne discutera pas de l'utilisation des freins à air sur de très longues périodes, mais ils sont suffisamment résistant aux fuites pour que le train puisse descendre la pente sans s'arrêter complètement pour recharger le système. Cependant, si le mécanicien applique et relâche fréquemment les freins, ils videra les réservoirs auxiliaires. Les réservoirs d'urgences resteront intacts. Si un mécanicien fait cette erreur majeure, il devra effectuer un freinage d'urgence pour arrêter le train. Par la suite, il devra appliquer un nombre suffisant de valve de retient pour que le train demeure à l'arrêt puis relâcher et recharger le système. Pendant ce temps, son contremaître a amplement le temps de se rendre sur les lieux pour avoir une petite discussion avec lui... Il y a eu beaucoup d'évolution aussi du côté des freins de la locomotive. La valve de distribution, qui contrôle à la fois les freins de la locomotive et les freins du train en est un exemple. Les premières avaient trois positions: "Running", qui recharge les freins du train jusqu'à une pression pré-déterminée, "Apply", qui décharge l'air de la conduite principale (et fait appliquer les freins) et "Lap", qui ne fait rien. Le mécanicien manipulait la manette de frein à la position "Apply" jusqu'à la pression désirée, puis il mettait la manette à la position "Lap". Malheureusement, les fuites d'air du système faisait en sorte que souvent, les freins s'appliquaient plus que la demande initiale. Les freins se serrant de plus en plus, il venait un temps où les réservoirs auxiliaires était complètement vident, occasionnant le problème mentionné ci-haut. Les systèmes modernes ont une valve appelée le "modèle 26". Cette valve maintient une pression constante dans la conduite générale. Si le mécanicien demande 65 livres de pressions dans la conduite, la valve "modèle 26" va maintenir cette pression, même s'il y a des fuites (en ajoutant de l'air au besoin). Une solution efficace au problème. Avant l'invention de la valve "modèle 26", les mécaniciens avaient développés des trucs improvisés, comme d'ajuster la valve du compresseur qui détermine la pression maximale d'air dans la conduite principale. Cette valve est normalement ajustée selon les pratiques du chemin de fer (par exemple, 70, 80 ou 90 livres de pression) et laissée en position. Pour descendre une pente sans tracas, les mécaniciens ajustaient cette valve à l'applications des freins qu'ils voulaient (disons 60 livres) et laissaient les fuites d'air faire descendre la pression jusque là. La valve du compresseur, pensant que la pression normal était 60 livres, maintenait alors la pression à ce niveau, malgré les fuites. Cette pratique était illégale, mais fonctionnait. Train en fuite C'est bien connue, dans tous les films de train, il y a un train hors-contrôle en fuite. Mais il y a seulement quatre conditions pour qu'un train soit hors-contrôle (avec l'utilisation des freins modernes): 1. L'équipe de train a complètement oublié de charger le système de frein avant le départ. Si vous vous accouplez sur des wagons au repos depuis quelques semaines, ils ne contiennent pas d'air. Si vous les tirez sans y avoir mis de l'air et fait un essai de frein, vous pouvez perdre le contrôle du train simplement parce que la locomotive sera le seul et unique frein disponible, ce qui est ridiculement insuffisant. 2. Le problème du "Quick release". Ce problème est décrit plus haut. Si quelqu'un à bord est en mesure d'appliquer les freins d'urgence, il viendra à bout d'arrêter le train. 3. Descendre une pente tellement vite que l'énergie cinétique du train s'accumulera plus vite que ce que le système de frein est capable de gérer. 4. La conduite d'air principale du train s'est bouchée. Soit que la valve de la conduite principale d'un wagon s'est fermée en vibrant (très rare) ou que la conduite principale s'est détachée d'un wagon, est tombée sur la voie et fut pliée pour former un bouchon (très rare aussi, mais c'est déjà arrivé). Tous les wagons au délà du bouchon ne perçoivent plus aucun changement dans la pression d'air et donc ne répondent plus aux commandes de freinage. Si quelqu'un applique les freins d'urgence du train, celui-ci s'arrêtera éventuellement. Ou encore, si les fuites d'air dans la partie de la conduite principale isolée de la locomotive sont importantes, une valve peut détecter le mode "Quick Action" et les freins vont éventuellement s'appliquer. Ces situations semblent bizarres et n'arrivent que très rarement. Et quand ça se produit, on en parle au nouvelles du soir... Avant de copier cette page, lisez le copyright
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