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17/09/2008Madame, MonsieurDossier dlivr pour

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Dimensionnement du matrielroulant ferroviaire

par Pierre CHAPASIngnieur DPESenior Expert (honoraire) ALSTOM Transport

et Jean-Michel PETITIngnieur ENSEMSenior Expert (honoraire) ALSTOM Transport

e toutes les composantes du systme ferroviaire (cf. [D 5 510]), le matrielroulant en est le centre de gravit. Son rle dinterface vital avec les

clients lui impose un cahier des charges rigoureux et dune grande diversit

dun type de matriel lautre pour rpondre aux besoins toujours plus spci-fiques de la demande.

Nous analyserons en premier lieu ces spcificits en termes dexploitation.Cette richesse de solutions adaptes obit cependant une mthodologiecommune : le dimensionnement du matriel ferroviaire, quelle que soit son uti-lisation, rpond aux mmes critres simples : une charge remorquer sur un

parcours-type dans un horaire donn. Les solutions doivent satisfaire descontraintes pour sinscrire dans un existant ferroviaire particulirement lourd grer. Il convient deffectuer linventaire exhaustif de ces contraintes, den

1. Programme de traction et diffrents types dexploitation .......... D 5 520 - 2

1.1 Charge remorque....................................................................................... 21.2 Parcours-type............................................................................................... 21.3 Horaire.......................................................................................................... 31.4 Diffrents types dexploitation ................................................................... 3

2. Critres de dimensionnement et architecture motrice................. 32.1 Contraintes de dimensionnement.............................................................. 32.2 Nombre dessieux moteurs et rpartition ................................................. 42.3 Puissance, caractristique effort-vitesse.................................................... 52.4 Rendement et pertes ................................................................................... 62.5 Autonomie.................................................................................................... 62.6 Auxiliaires..................................................................................................... 6

3. Dimensionnement du fre inage............................................................. 83.1 Efforts mis en jeu et modes de freinage.................................................... 83.2 Freinage lectrique...................................................................................... 83.3 Freinage lectropneumatique..................................................................... 11

4. Matriel roulant adapt au type dexploitation............................... 114.1 Grande ligne : locomotive .......................................................................... 114.2 Rame grande vitesse................................................................................ 114.3 Interurbain : automotrice et automoteur................................................... 124.4 Rseau urbain : mtro, tramway................................................................ 12

5 . Conclusion ................................................................................................. 12

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 520

D


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DIMENSIONNEMENT DU MATRIEL ROULANT FERROVIAIRE____________________________________________________________________________________

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mesurer limportance relative pour rpondre la demande dans les conditionsles plus conomiques.

Un expos thorique se doit dtre illustr par un exercice pratique, cestpourquoi nous dimensionnerons un engin moteur, sachant que la mthodeest applicable tout type de matriel.

Enfin, nous donnerons un aperu succinct, mais reprsentatif des matriels

existants les plus rcents circulant dans le monde.

1. Programme de tractionet diff rents typesdexploitation

Lexploitation ferroviaire rpond la demande de transport desclients, dans les deux domaines doffres : passagers et fret.

Son critre fondamental est le Programme de Traction auquel

doit satisfaire le matriel roulant. Trois paramtres caractrisent ceprogramme : la charge remorque ; le parcours-type ; lhoraire.

1.1 Charge remorque

Elle est la somme de la charge utile et de la masse vide dumatriel (ou tare).

Pour les passagers, cest leur nombre par vhicule qui dterminela charge utile, sachant que lon diffrencie le poids moyen dunepersonne suivant le domaine de transport: avec ou sans bagage,en grande ligne: nombre de places assises, en urbain: nombre depassagers au m2. De mme pour le fret, la charge remorque estla somme de la tare et de la charge nette de chaque wagon.

Les valeurs courantes pour les principales catgories de vhiculessont donnes dans le tableau 1 .

1.2 Parcours-type

Il est caractris par la distance et le profil de ligne.

Le profil de ligne comprend : le profil en long donnant les rampes, les pentes (exprimes

en millimtres par mtre ou pour mille : ) et les paliers(0 ) ; le profil en plan donnant les courbes (exprimes par leur

rayon en mtre) ou alignements,lignes droites (rayon ).

Selon la gographie, le profil des lignes de chemin de fer seclasse en trois catgories.

1. Profil de plaine

Le trac suit le relief peu accentu des grands espaces. Lescourbes sont rares et de grand rayon, suprieur 1 000 m, autori-sant des vitesses leves. Les dclivits prsentent de faibles gra-dients, jusqu 5 .

2. Profil accident

Le trac suit les valles sinueuses et franchit les accidents durelief : seuils, cols, dfils. Les rayons de courbes sont faibles oumoyens : entre 500 et 1 000 m. Les dclivits sont prononces :suprieures 5 pouvant atteindre 10 15 .

Notations et symboles

Symbole Unit Dfinition

E J nergie cintique

FD kN Effort au dmarrage

F R kN Effort d la rampe

kN Effort ncessaire pour lacclration

i mm/m ou Rampe ou pente du profil de ligne

L kg Masse adhrente (sur les essieuxmoteurs)

m kg Masse du train

n sansdimension

Nombre dessieux moteurs

m Rayon de courbe

P kW Puissance

Q kg Masse par essieu

RD kN Rsistance lavancement audcollage du train

RL kN Rsistance lavancement de lalocomotive

Rp kN Rsistance lavancement due auprofil de la ligne

RT kN Rsistance lavancement du traincomplet

RW kN Rsistance lavancement deswagons (ou voitures)

V km/h Vitesse

m/s2 Acclration

sansdimension

Rendement

0 sansdimension

Adhrence au dmarrage

sansdimension

Adhrence vitesse quelconque

F


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(0)

Les exemples de tels profils sont nombreux en Europe. Citons enFrance :

la traverse des Causses entre Limoges et Brive, surParis-Toulouse ;

le franchissement du seuil de Bourgogne entre Les Laumes-Alsia et Dijon, sur Paris-Lyon, avec les rampes nord et sud deBlaisy-Bas en 8 .

3. Profils exceptionnels de montagne

Tous les axes ferroviaires traversant les massifs montagneuxappartiennent cette catgorie. Courbes et dclivits atteignentdes valeurs exceptionnelles :

de 250 300 m de rayon ; rampes de 25, 30, voire 40 .

Les exemples alpins ou pyrnens sont connus : Chambry-Modane, entre Saint-J ean-de-Maurienne et Modane :

16 km en 30 ; Toulouse-Lannemezan-Tarbes par la rampe de Cap Vern en

35 ; Saint-Gervais-Chamonix-Vallorcine est lune des rampes les

plus fortes du monde en rampe de 90 sans crmaillre (en voiemtrique) ;

le Saint-Gothard entre Lucerne et Chiasso : rampes de 27 sur 29 km sur la rampe nord et 39 km sur la rampe sud.

1.3 HoraireCest pour le client, passager ou fret, lun des arguments de

vente essentiels. Il sexprime : en valeur absolue : la dure du parcours (heures et/ou

minutes) ; en terme de rgularitou dcalagepar rapport un horaire

vendu ou contractuel.

Lhoraire indique aussi les arrts prvus en ligne, la vitesse maxi-male du parcours et la marge de rgularit.Celle-ci, en ajoutant untemps forfaitaire lhoraire de base, permet de tenir compte dunpourcentage dalas (travaux, encombrement des sorties ou entresde gares), de sorte que lagent de conduite peut rattraper unepartie du temps perdu. Si la marge de rgularit est nulle, il sagitdune marche tendue .

Horaire et parcours permettent de calculer la vitesse moyenne.

Connaissant la charge remorque, on est en mesure de construireune simulation de parcours grce laquelle se dduiront : la puissance mise en jeu sur les diffrentes portions ; la consommation dnergie, donc les marches conomiques

possibles deffectuer en fonction de la marge de rgularit.

1.4 Diffrents types dexploitation

Compte tenu de la clientle ferroviaire, trois catgories principalesdexploitation se partagent le trafic.

1.4.1 Grande ligne

Cest le cas le plus gnral des liaisons entre centres (villes,ports, centres dactivits). La caractristique dune telle exploitationest la varit des circulations et lhtrognit des vitesses decirculation :

trains rapides sans arrt ; trains intervilles ; trains de fret.

Se pose alors le problme des conflits de circulation sur une

mme voie entranant des dpassements avec arrts, des creuxde trafic , etc.

Lorganisation de lexploitation impose de prvoir un graphiquedes circulations regroupant au mieux les types de trains sousforme de sillons : passagers de jour, fret de nuit, intervilles enheure de pointe, etc.

Le trafic et lexploitation qui en rsulte sur les lignes grandevitesse se rangent dans cette catgorie, mme si la plupart destrains circulent des vitesses homognes (cf. 1.4.4.). En effet, latrs forte densit de circulation et la diversit des provenances etdestinations la rendent particulirement dlicates (plus de 250 cir-culations quotidiennes sur la portion nord de la ligne grandevitesse Paris Sud-Est).

1.4.2 Banlieue

Ce type dexploitation sexerce trs frquemment sur des lignesddies, excluant tout autre trafic. Les voies de la banlieue audpart de la Gare Saint-Lazare Paris, sont organises en six grou-pes en fonction des destinations.

Le problme rsoudre est celui des heures de pointe avec lesalas que peuvent engendrer les flux considrables de passagers :difficults dentres et sorties, accidents.

1.4.3 Urbain

Cest le cas des rseaux de mtropolitains et de tramways. Lescirculations sont parfaitement homognes en termes de vitesse etde points darrt. Seuls les alas dus aux pannes ou aux passagerspeuvent gnrer des situations dgrades. En consquence, lesmarges de rgularit sont intgres dans le temps darrt en station,alors que le temps de parcours est en marche tendue.

2. Critresde dimensionnementet architecture motrice

2.1 Contraintes de dimensionnement

Quel que soit le rsultat du dimensionnement apte satisfaire leprogramme de traction, le matriel roulant devra sinscrire dans unensemble de contraintes propres au transport ferroviaire. Les

Tableau 1 Masses des principales catgories de vhicules ferroviaires

Vhicule Capacit unitaire Masse unitaire en charge(t)

Masse du train(t)

Voiture grande ligne ..................... 88 places 49 10 voitures(490)

Voiture mtro................................. 81 passagers(4 passagers/m2) 32 6 voitures(192)

Wagon trmies .............................. 48 m3 tare : 21 ; charge utile : 50 ; total : 71

30 wagons(2 130)


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contraintes essentielles sont dordre mcanique ou lectrique, etrsultent frquemment de lhistoire ferroviaire.

2.1.1 Contraintes mcaniques

Adhrence (cf. [D 5 501, 1.2])

Le trs faible frottement au contact roue-rail limite leffort maxi-mal de traction rsultant du couple moteur : 45 % de la masseadhrente dans les meilleures conditions de contact (rail propre etsec). En freinage, cette valeur est encore beaucoup plus faible, limi-te entre 10 et 13 % par tous les rseaux, afin de respecter la dis-tance darrt en toutes circonstances dtat du rail (figure 1).

Dans le cas du roulement sur pneumatiques, utilis sur certainsmtros tels que : Paris, Lyon, Montral, Santiago du Chili, les coef-ficients dadhrence peuvent atteindre 70 %.

Gabarit et masse

Les infrastructures ferroviaires : voies, ouvrages dart, terminaux,dterminent lenveloppe gomtrique appele gabarit.Il imposeles dimensions et le volume, ainsi que lentraxe des bogies deroulement. Le gabarit intgre par ailleurs les distances disolementncessaire par rapport aux obstacles contigus la voie : cest legabarit lectrique(figure 2).

Un trs grand nombre de gabarits diffrents existent dans lemonde. Chaque rseau, en fonction de son histoire, a labor lesien.

Ils sont pratiquement tous rpertoris par lUnion internationaledes chemins de fer (UIC).

Masse

Elle se dfinit par la masse par essieu,impose par les caract-ristiques de la voie. Suivant les rseaux dans le monde, elle peutaller de 12 tonnes 32 tonnes par essieu.

En Europe, la valeur la plus rpandue est 22,5 tonnes. Les lignes grande vitesse en France sont limites 17 tonnes.

Aux tats-Unis et pour certains autres rseaux, elle atteint

32 tonnes. Efforts parasites et vibrations

La circulation dun essieu dont les roues constituent un dicne,est telle que la trajectoire de celui-ci nest pas rectiligne maissinusodale : cest le lacet . Des efforts transversaux parasitesprennent naissance, nfastes pour la voie et la tenue du matrielen ligne. La voie est donc source de vibrations, mme avec dexcel-lentes caractristiques de pose.

2.1.2 Contraintes lectriques

Dans le cas de la traction lectrique, elles proviennent de lali-mentation en nergie (cf. [D 5 501] [D 5 502]) et des interactionsavec les installations de signalisation du fait des courants harmo-niques gnrs par le courant de retour la sous-station.

Du fait de lespacement des sous-stations et du nombre de

circulations, la tension est essentiellement variable dans de fortesproportions.

En outre, la prise de courant dalimentation par pantographe etcatnaire (cf. [D 5 510]) est un systme lastique soumis auxinfluences arodynamiques pouvant engendrer des dcolle-ments donc des interruptions dalimentation.

2.2 Nombre dessieux moteurset rpartition

Dimensionner lengin de traction consiste dterminer les deux

paramtres fondamentaux : effort ncessaire pour dmarrer et remorquer la charge sur le

parcours-type ; vitesse pour satisfaire lhoraire.Les conditions dexercice de leffort de traction conduisent

dterminer aisment le nombre dessieux moteurspour respecterlexigence de masse :

au dmarrage, la masse adhrente est :

avec F D effort la jante ncessaire pour vaincre les rsistancespropres celles du convoi et rsultant du profil de ligne,

0 adhrence utilisable et le nombre dessieux moteurs ncessaires est :

avec Q charge par essieu impose.

Les solutions de disposition des essieux moteursvarient selon letype de train et les conditions dexercice de leffort de traction. Lescritres de choix sont les suivants : Si le matriel remorqu ne peut comporter dessieu moteur

(cas des wagons de fret et des voitures classiques de passagers), ilsseront tous concentrs sur un engin moteur ddi la traction : cestgnral de la locomotive ddie la traction. Celle-ci peut

Figure 1 Courbe dadhrence utilisable en traction et en freinage

Figure 2 Gabarits

titre dexemple,le gabarit des chem ins de fer en G rande-Bretagneest diffrent de celui des rseaux du continent europen !

0 50 100 150 200 250 3000

0,10,13

0,2

0,3

0,4

0,5

Vitesse (km/h)

Limiteimitedadhdhrenceence

en freinagen freinage

Rail secail sec

Limitedadhrence

en freinage

Adhrence(u.a.)

Rail sec

Gabaritlectrique

GabaritPar exemple,po ur une valeur nom inale de 25 kV, la variation est

com prise entre 29 kV et 18 kV. En tension continue o les pertes sontleves, les uctuations sont frquem m ent en valeur basse, de lordrede 1 000 V en cas de fort tra c.

LFD0

---------=

n LQ

------=


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dailleurs tre place de manire quelconque : en tte, en queue ouau centre de la rame.

Si, par ailleurs, leffort dune seule locomotive est insuffisant, ilen sera dispos plusieurs en units multiples(cf. [D 5 510, 4.3]) :

concentres en tte : units multiples atteles; rparties dans la rame : units multiples rparties. Si le matriel remorqu est susceptible de comporter des

essieux moteurs, il sagit de la traction rpartie . Cest le casgnral des automotrices, automoteurs, rames de mtro, tramways.

Cette configuration prsente deux atouts majeurs : lun conomique: le maximum despace est rserv aux

passagers ; lautre technique: leffort de traction ntant pas concentr

sur un nombre rduit dessieux, ladhrence est beaucoup moinssollicite.

2.3 Puissance,caractristique ef fort -vitesse

2.3.1 Dtermination de leffort maximalau dmarrage

Leffort vitesse nulle sexerce dans les conditions les plus diffi-ciles en rampe de 10 et courbe de 350 m de rayon. La rsistance lavancement du train R Test :

R T=R W+R L+R p

avec R W rsistance lavancement du matriel remorqu,

R L

rsistance lavancement de la locomotive,

R p rsistance lavancement due au profil de la ligne.

(Ces donnes sont fournies par lexploitant).

La rsistance lavancement des wagons de transport combinR W, V=0 est :

La rsistance lavancement de la locomotive R L , V=0 est :

R L=(65 104 L+0,13 n+104 L V+3 104 V 2) kN

Ne connaissant pas la masse de la locomotive L, on prendracomme hypothse une locomotive BoBo 4 essieux, soit unemasse totale de : 22 4 =88 tonnes :

R L=65 104 88 +0,13 4 =1,09 kN

Linfluence de la courbe minimum, =350 m, sexprime par leprofil corrig avec k=800 :

(0)

La rsistance au dmarrage due la rampe corrige est :

R p=i 9,81 103 (1 200 +88) =12,28 0,00981 1 288 =162,7 kN

La rsistance lavancement totale au dmarrage est :

R T=R W+R L+R p=14,4 +1,09 +162,7 =178,19 178 kN

Leffort ncessaire pour exercer une acclration minimale enrampe tient compte du coefficient majorateur d aux massestournantes que lon prend gal :

9 % pour la locomotive ; 4 % pour la rame.

F =m=[(1 200 1,04) +(88 1,09)] (F en kN, men tonnes, en m/s2)

Lacclration minimale prendre en compte doit tre delordre de 0,02 m/s2, soit :

F =1 344 0,02 =26,88 kN 27 kN

Leffort maximal F Rau dmarrage, exercer en rampe est de :

F R=R T+F =178 +27 =205 kN

Ladhrence sollicite au dmarrage est :

Cette valeur reprsente une faible sollicitation de ladhrence par

rapport ce qui est couramment pratiqu avec des coefficientscompris entre 0,35 et 0,40.

Le calcul ci-dessus ne tient pas compte de lventualit dun dcollage du train, difficile, qui peut se produire dans certainescirconstances de temprature basse ou de stationnement prolongdu matriel remorqu. Dans ce cas, on considre lexpression de larsistance en profil corrig, dans laquelle sajoute un nombre dter-min exprimentalement, suivant le type de matriel et le gradientdu profil (tableau 2).

Dans le cas qui nous intresse, on prendra i


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2.3.2 Trac de la caractrist iqueeffort-vitesse en limitation dadhrence

Lexpression dduite de lexprience par de nombreux rseauxdonne une dcroissance de ladhrence :

avec F 0 =300 kN

Soit :

avec 0 =0,35

2.3.3 Trac de la caractristiqueeffort-vitesse en quipuissance

Lquipuissance se dduit du calcul de la puissance vitessemaximale dans les conditions les plus courantes, cest--dire enpalier :

P=F V=R V=(R L+R W) V

120 km/h les rsistances lavancement sont :

R L=65 10488 +0,13 4 +10488 120 +3 1041202

=6,47 kN 6,5 kN

Et la puissance Pdevient :

Pour mnager une rserve dacclration de 0,001 m/s2environ 120 km/h, il faut une puissance supplmentaire de :

Soit une puissance la jante totale de :

P=2 160 +340 =2 500 kW

Le trac de la caractristique F(V ) est donn figure 3 .

2.4 Rendement et pertes

Le rendement est dtermin par lensemble des rendements dechacun des composants. Prenons lexemple gnral dune chanede traction alimente sous tension monophase. Linventaire descentres de pertescomprend :

lessieu et sa transmission ; les convertisseurs ; le transformateur (figure 4).

Pour une puissance la jante de 1 000 kW soit 4 000 kW pourune locomotive de 4 essieux les pertes sont de : 4 177 kW, soit708 kW.

Dans le cas dune chane de traction autonome transmission

lectrique, sajoutent les pertes du moteur thermique. Le rende-ment est bien entendu nettement infrieur puisquil dpend decelui du gnrateur thermique (30 35 %).

2.5 Autonomie

En traction autonome, le cahier des charges spcifie lautonomiede lengin de traction entre deux ravitaillements en combustible.Elle varie en fonction du parcours-type et peut aller de 1 000 km plusieurs milliers de kilomtres. En fonction de la consommation

pleine puissance du moteur thermique, on en dduit la capacit dela soute combustible prvoir allant de 2 000 12 000 litres pourune locomotive de ligne.

2.6 Auxiliaires

Les fonctions essentielles dun engin ferroviaire : traction,freinage, conduite, confort, sexercent grce des fonctionsannexes dites auxiliaires . leur tour, ces fonctions ncessitentde lnergie qui doit tre produite et distribue.

F F08 0,1V+8 0,2V+

-------------------------=

08 0,1V+8 0,2V+

-------------------------= =

RW1200100

---------------- 1,2 0,01+ V 0,000171+ V2( ) 15 1,2 58,35kN= = =

P 6,5 58,35+( ) 1203,6

----------- 2160kW sans rserve dacclration( )= =

P F V m V 1288 0,0081203,6

----------- 340kW= = = =

Figure 3 Caractristique effort -vitesse

Figure 4 Synoptique des pertes dune chane de traction lect rique

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

Vitesse (km/h)

Rsistanceistance llavancementvancementen paliern palier

Limitation dimitation dadhdhrenceence

Rsistanceistance lavancementvancementen rampe de 10 %n rampe de 10

quipuissanceuipuissance2 500 kW500 kW

Rsistance lavancementen palier

Effo

rtdefreinage(KN)

Limitation dadhrence

Rsistance lavancementen rampe de 10

quipuissance2 500 kW

Pertes =4 x 177 =700 kW

PMCF pont monophas commutation force (pont 4 quadrants)

Moteur0,95

Onduleur0,99PMCF0,98

Transformateurprincipal 0,94

1 177 kW

1 107 kW 1 085 kW 1 074 kW

1 020 kW

1 000 kW

Rducteur0,98


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(0)

2.6.1 Inventaire des fonctions auxiliaires

Lexercice de la fonction traction/freinage lectriqueengendredes pertes vacuer : do la premire fonction auxiliaire : refroidis-sement-ventilation.

La fonction freinage mcanique demande une nergie sousforme dair comprim, de vide ou de liquide sous pression : cestlauxiliaire nergie pour le frein.

Le fonctionnement de lengin comme son exploitation en termesde contrle-commande a besoin dnergie lectrique en bassetension.

Le confort de conduite impose un quipement spcifique sousforme de ventilation, de chauffage ou plus gnralement de

climatisation : cest lnergie de confort. Le train remorqu est consommateur dnergie, soit pour les pas-sagers (clairage, climatisation, fonctions accessoires), soit pour lefret (nergie frigorifique par exemple) : cest lnergie pour le train.

2.6.2 Bilan nergtique

Le diagramme figure 5 synthtise le bilan des auxiliaires partirde deux exemples chiffrs : engin de traction lectrique et enginautonome.

(0)

Lensemble de ces fonctions reprsente une quantit dnergie produire, installer et distribuer. Elles rentrent donc dans le bilande puissance de lengin ds le dimensionnement. Les deux formesde traction se prsentent trs diffremment :

Tableau 3 Calcul de la caractristique effort-vitesse

Vitesse R Loco R Fret R L+R F R Rampe R Total Effort

10 Limite

adhrence quipuissance

(km /h) (kN ) (kN ) (kN ) (kN ) (kN ) (kN ) 2 500 KW (kN )

0 1,1 14,4 15,5 196 212 3405 1,1 15,1 16,2 196 213 321

10 1,2 15,8 17,0 196 213 306

15 1,3 16,7 18,0 196 214 294

20 1,4 17,6 19,0 196 215 283

25 1,5 18,7 20,2 196 217 275

30 1,6 19,8 21,5 196 218 267

35 1,8 21,1 22,9 196 219 261 261

40 1,9 22,5 24,4 196 221 225

45 2,1 24,0 26,1 196 222 200

50 2,3 25,5 27,8 196 224 180

55 2,5 27,2 29,7 196 226 164

60 2,7 29,0 31,7 196 228 150

65 2,9 30,9 33,8 196 138

70 3,2 32,9 36,0 196 129

75 3,4 34,9 38,4 196 120

80 3,7 37,1 40,8 113

85 4,0 39,4 43,4 106

90 4,3 41,8 46,1 100

95 4,6 44,3 49,0 95

100 5,0 46,9 51,9 90

105 5,3 49,6 54,9 86

110 5,7 52,4 58,1 82

115 6,1 55,3 61,4 78

120 6,5 58,3 64,8 75

Figure 5 Bilan nergtique des auxiliaires

nergie de traction

vacuation des pertes

nergie frein

nergie basse tension

nergie confort

nergie confort train

2 000 kW

300 kW

40 kW

10 kW

20 kW

400 kW

4 000 kW

150 kW

40 kW

10 kW

20 kW

400 kW

4 620 kW

Auxiliaires620kW

(15%)

Auxiliaires770kW

(30%)

Moteurthermique2 770 kW


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en traction lectrique, cest une fraction de la puissanceabsorbe quil convient de prvoir ;

en traction autonome, cest une puissance supplmentaire

produire.Disposant de toutes les donnes dentre de chaque organe

principal concern, dans le tableau 3 sont indiqus les organesauxiliaires dimensionner. Lexemple chiffr est identique celuide la figure 5 .

3. D imensionnementdu freinage

3.1 Efforts mis en jeuet m odes de freinage

En traction, l'effort est dvelopp par l'engin moteur, de sorte

que la distance de mise en vitesse peut tre trs importante ;l'horaire en tient compte.

En freinage, la distance darrtconditionne la scurit et lespace-ment des circulations, car pour une vitesse donne, elle doit treinfrieure la distance d'implantation des signaux d'avertissementet d'arrt.

Cette obligation impose un effort retardateur, donc une nergie dissiper, que l'engin moteur ne peut produire seul. Chaque vhi-cule remorqu doit donc participer au freinage en raison directe desa masse. Le freinage, contrairement la traction, est obligatoire-ment rparti sur tous les vhicules composant le train.

L'nergie cintique dtruire :

est proportionnelle au carr de la vitesse et la masse en mouve-ment.

Deux modes de freinage sont mis en uvre en ferroviaire :

Freinage utilisant ladhrence

Leffort de freinage sexerce aux contacts roues-rails. Dans ce cas ilest limit par la faible capacit de frottement qui saccentue lorsquela vitesse crot (cf. [D 5 501]). La plupart des rseaux admettent lalimite de 10 % 13 % dadhrence vitesse maximale (figure 1).

Le couple de freinage sexerce de plusieurs faons :

au moyen du frottement de sabots sur la roue, ou de disques cals sur le moyeu de la roue ou sur laxe de lessieu.Il sagit du freinage mcanique ;

grce lorgane moteur lorsque celui-ci est rversible.Cestle cas du moteur lectrique ou du convertisseur hydraulique. Ilsagit du freinage dynamique.

Les matriels actuels, trs sollicits en termes de performance defreinage, compltent les dispositifs par des quipements dantien-rayage, vrifiant tout instant le glissement de la roue etprovoquant une rduction deffort momentane jusqu la reprisedadhrence.

Freinage indpendant de ladhrence

Il fait appel la raction par rapport au sol par des dispositifsappropris exerant un effort sur les rails. Le plus utilis est le frein courant de Foucault. titre exceptionnel, en urgence, le freinagelectromagntique est parfois mis en uvre.

3.2 Freinage lectrique

Le moteur lectrique est rversible. Sil reoit de lnergie mca-nique, il fournit de lnergie lectrique, devient gnrateur et dve-loppe un couple rsistant. Lnergie lectrique produite peut treutilise de deux manires :

dissipe dans une rsistance : cest le freinage rhostatique; utilise par un autre rcepteur : cest le freinage par rcu-

pration.

Tableau 4 Puissance des auxiliaires

Fonctions Organes principaux Organes auxiliaires nergie Rgime de marchePmax

(kW )

vacuationPertes

Moteurs de tractionConvertisseurs

Radiateurs eau DieselTransformateur

Bloc auxiliaireRhostat de freinage

Moteur +ventilateurMoteur +ventilateurMoteur +ventilateurMoteur +ventilateurMoteur +ventilateurMoteur +ventilateur

lectrique

PermanentP variableP variablePermanentPermanentIntermittent

1412408540

Freinage Compresseur dair Moteur dentranement lectrique Intermittent 25

Bassetension

BatterieAlternateur principal

Chargeur batterieExcitation

lectriquelectrique

IntermittentPermanent

1010

nergieconfort Climatisation Moteur +condenseur lectrique Permanent 14

nergietrain Ligne de train Matriel remorqu lectrique Permanent 400

Exempled'un train de 720 tonnes 160 Km /h.Lnergie cintique dissiper est :

Si ce train s'arrte en 60 s(ce qui correspond une dclration de0,75 m/s2) la puissance de freinage est :

E m V2

2----------------=

E1

2------720 103 44,4( )2 7,1 108 J= =

PfreinageE

t------

7,1 10860

------------------------- 12 000 kW= =

Soit plus de deux fois la puissance de traction d'une locom otive de5 600 kW !

Si chaque vhicule de m asse m oyenne de 80 tonnes dispose de son

nergie de freinage, lnergie dissiper devient :

Si cette nergie est dissipe sur 4 essieux, la puissance unitaire defreinage par essieu est de 328 kW .

Pfreinage

1

2------80 103 44,4( )2

60-------------------------------------------------------- 1 314 kW= =


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3.2.1 Freinage rhostatique

Les moteurs sont dconnects de lalimentation et branchs surune, ou plusieurs rsistances variables. Le rglage du couple rsis-tant se fait par variation de la valeur de la rsistance, le plus souventgrce un semiconducteur contrl (thyristor ou IGBT) (figure 6).

Lnergie dissipe exige une ventilation force importante durhostat de freinage. Le ou les moteurs dentranement du ou desventilateurs sont aliments soit par le rseau auxiliaire soit par un talon du rhostat permettant une vitesse variable automatiquede la ventilation.

La puissance de freinage est limite par les rsistances et la puis-sance de ventilation associe.

3.2.2 Freinage par rcupration

Les moteurs restent connects lalimentation qui devient rcepteur . Le schma est strictement le mme quen traction ;seule la rgulation est adapte aux paramtres de freinage. Le fonc-tionnement est tributaire de la prsence dau moins un rcepteursur la ligne, qui peut tre soit un autre engin de traction, soit unrcepteur quelconque sur le rseau dalimentation, condition,

dans ce cas, que les intermdiaires soient rversibles (sous-station).La puissance de freinage est identique la puissance en traction.

La seule limitation est donne par ladhrence sollicite.

La caractristique effort-vitesse en freinage est donne figure 7 .

3.2 .3 Freinage par courants de Foucault

La production de courants de Foucault directement dans lechampignon du rail est capable de dvelopper un important effortde retenue : de 1 000 1 300 daN par patin, soit une dclration

d'environ 1 m/s2. Il n'entre pas en contact avec le rail : un entrefercontrl de 6 10 mm est prvu.

Il est constitu de ples magntiques successifs, polaritsalternes (figure 8). L'nergie cintique du convoi est transfredans le rail sous forme de chaleur.

Lalimentation lectrique se fait en utilisant les moteurs de trac-tion travaillant en gnratrices.

Ce type de freinage prsente linconvnient dlever la tempra-ture du rail et en cas de passages frquents de convois sur la mmeportion de voie, les nergies thermiques s'accumulent, le rail dissipeassez mal la chaleur accumule dans l'atmosphre et les chauffe-ments progressifs (10 20 oC) peuvent tre prjudiciables labonne stabilit de la voie. Il est souvent rserv aux freinages durgence lorsque la scurit lexige.

Figure 6 Principe du freinage rhostatique

MAS3

Hacheur+

rhostat

Onduleur

M M MM

Ventilation

Figure 7 Caractristiques effort-vitesse en f reinage lectrique

Vitesse (km/h)

Effortdefreinage(KN)

Rcupuprationation

Rhhostatiquestatique

Rcupration

Rhostatique


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Son installation ncessite une technologie particulire du bogiepour contrler avec prcision l'entrefer en phase de freinage.

3.2.4 M ise en uvre du freinage lectrique

Lintrt majeur du freinage lectrique est dviter lusure desorganes mcaniques en freinage par frottement : roues et semelles,disques et garnitures. Par contre, il ne concerne que lengin moteuret de ce fait sa puissance est insuffisante pour assurer larrt duconvoi sur une distance compatible avec la scurit des circulations.Dans tous les cas, le freinage par rcupration et le freinage rho-statique sont utiliss :

en complment du freinage mcanique ; en maintien de vitesse en pente ; en ralentissement pour le passage dune zone de vitesse V 1

une zone de vitesse V 2(V 2


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Le rendement global final est donc :

=0,6850,58 =0,38

titre dillustration, on peut dire approximativement que cinqtrains descendants de masse m,peuvent faire monter deuxtrains de mme masse M.

3.3 Freinage lectropneumatique

La mise en uvre de leffort de freinage par application de semel-les sur les roues, ou de garnitures sur les disques cals sur lesessieux, sest faite, ds lorigine, par un dispositif entirementpneumatique. Une conduite gnrale sous pression, parcouranttous les vhicules du train, dans laquelle on ralise une fuite ou dpression , transmet cette information un distributeuradmettant de lair comprim dans les cylindres dapplication dessemelles ou des garnitures. Linconvnient de cette commande estle temps de propagation de la dpression ou ralimentation pourle desserrage dans la conduite gnrale, dautant plus importantque le convoi est long (280 m s1). La distance darrt, donc la per-formance du freinage, sen trouve allonge. Ds les annes 1970,on a associ la commande lectrique de la dpression et de laralimentation de la conduite gnrale au niveau de chaque vhi-

cule. Le schma de principe du freinage lectropneumatique estdonn figure 9 .

4. M atriel roulant adaptau type dexploitat ion

Sachant dimensionner le matriel roulant en fonction de lexploi-tation demande, il est possible de dresser un tableau exhaustif dumatriel roulant en circulation dans le monde.

4.1 Grande ligne : locomotive

Cest lengin moteur par excellence destin remorquer toustypes de trains : passagers ou fret. Son dimensionnement varie de500 kW 2 800 kW en traction autonome de 6 000 kW en tractionlectrique. La locomotive lectrique, en fonction des par-cours-types, peut tre multitensions (jusqu quatre tensions enEurope). Son architecture dessieux est le plus frquemment :

2 bogies 2 essieux moteurs ou BoBo ; 2 bogies 3 essieux moteurs ou CoCo ; quelques cas de locomotives 3 bogies 2 essieux moteurs

ou BoBoBo sont utiliss pour les lignes profil difficile et faiblearmement de la voie. La figure 10 donne lensemble des configura-tions dessieux possibles.

Notons que la disposition particulire du bogie un seul moteur,ou monomoteur , a t trs dveloppe en France dans lesannes 1960 et 1980.

Les vitesses pratiques par la locomotive classique peuventatteindre 200, voire 240 km/h.

4.2 Rame grande vitesse

Lengin moteur ou les engins moteurs sont intgrs auxvhicules remorqus, constituant ainsi une rame indformable ,cest--dire composition fixe. On rencontre les rames deuxmotrices une chaque extrmit de la rame. La configuration traction rpartie avec remorques comprenant un ou deux bogiesmoteurs se dveloppe, comme le montre figure 11 .

Figure 10 Principales disposition des essieux moteurs

Figure 11 Configurations de rames grande vitesse

2 x 2 bogies B(monomoteur)

4B

3 bogies Bo(1 moteur par essieu)

BoBoBoou 3Bo

2 bogies C(monomoteur)

CC

2 bogies Co(1 moteur par essieu)

CoCo

2 bogies B(monomoteur)

BB

2 bogies Bo(1 moteur par essieu)

BoBo

TGV Duplex France2 motrices +8 remorques =425 t, 545 placesBitension 25 kV 50 Hz 1,5 kV dc8 moteurs synchrones 1 100 kW =8 800 kWVitesse maximale 300 km/hFreinage mcanique disques +rhostatique

ICE 3 Allemagne4 remorques motorises +3 remorques =440 t, 381 placesQuadritensions 15 kV 16,7 Hz - 25 kV 50 Hz 3 kV dc 1,5 kV dc16 moteurs asynchrones 500 kW =8 000 kW

Vitesse maximale 330 km/h sous monophas -220 km/h sous continuFreinage mcanique disques +rcupration+freins courants de Foucault

SINKANSEN 500 J apon16 remorques motorises =705 t, 1 324 placesMonotension 25 kV 60 Hz64 moteurs asynchrones 285 kW =18 240 kWVitesse maximale 300 km/hFreinage mcanique disques +rcupration

EUROSTAR France - Belgique - Grande Bretagne2 motrices +2 remorques motorises +16 remorques =787 t,794 placesQuadritensions 25 kV 50 Hz - 3 kV dc - 1,5 kV dc - 750 V dc12 moteurs asynchrones 1 016 kW =12 200 kWVitesse maximale 300 km/hFreinage mcanique disques +rhostatique


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4.3 Interurbain : automotriceet automoteur

Suivant la composition des rames, les lments moteurs peuventtre concentrs ou rpartis sur un ou plusieurs vhicules. Plusieursrames peuvent tre atteles en units multiples. La figure 12 endonne quelques exemples.

4.4 Rseau urbain : mtro, tramw ay

La totalit de lespace sur plancher est ddie aux passagers,tous les vhicules se doivent de les transporter. Il nexiste donc pasde motrices ddies la traction, mais plusieurs vhicules sontdots dquipements moteurs. Une rame comprend donc plusieursvhicules moteurs. La traction rpartie est applique depuis lori-gine des mtros. Quelques applications sont montres figure 13 .

5. Conclusion

Le cahier des charges de tout matriel roulant, bien querpondant la diversit des types dexploitation, obit des prin-

cipes de dimensionnement constant. Lenveloppe des contraintes satisfaire constitue le cadre dans lequel sinscrivent les caractris-tiques. La mthodologie de calcul des principales grandeurs per-met de dvelopper la modularit des quipements mis en uvre.Ainsi les schmas gnraux des chanes de traction et de freinagefont-ils appel des composants de base identiques.

En ce sens, la traction ferroviaire devient lune des applicationsstandard de llectrotechnique et de llectronique de puissancesindustrielles, concourant ainsi sa rentabilit conomique, en ter-mes dinvestissement et de maintenance.

Figure 12 Configurations dautomotrices

Automotrice TER 2N FranceMotrice +remorque =110 t, 179 placesBitension : 25 kV 50 Hz 1,5 kV dc4 moteurs asynchrones x 375 kW =1 500 kW

Vitesse maximale : 200 km/hFreinage mcanique disques +rcupration+rhostatique (sous 1,5 kV dc)

Automotrice ZTER France2 motrices +1 remorque =178 t, 179 placesBitension : 25 kV 50 Hz 1,5 kV dc4 moteurs asynchrones x 440 kW =1 760 kWVitesse maximale : 200 km/hFreinage mcanique disques +rcupration+rhostatique (sous 1,5 kV dc) +patinslectromagntiques en urgence)

Automotrice AM 96 Belgique6 moteurs x 225 kW =1 350 KW1 Motrice +2 Remorques =178 t, 211 placesBitension : 25 kV 50 Hz 3 kV dc4 moteurs asynchrones x 350 kW =1 400 kWVitesse maximale : 160 km/hFreinage mcanique disques +rcupration

Figure 13 Configuration mtros et tramway

Mtro de New York5 vhicules - 14 moteurs de 110 kW =1 540 kW

Northern Line(Grande Bretagne)6 vhicules - 16 moteurs de 85 kW =1 360 kW

Mtro de Paris MP 896 vhicules - 8 moteurs de 350 kW =2 800 kW (bogies monomoteurs)

Mtro de Singapour(alimentation 1 500 V)6 vhicules - 16 moteurs de 130 kW =2 080 kW

Tramway CITADIS 302Lyon ( plancher bas intgral)

4 caisses +1 nacelle =57,5 t, 272 passagers (max.)Alimentation : 750 V continu4 moteurs asynchrones 175 kW =700 kWVitesse maximale : 70 km/hFreinage hydromcanique disques +rcupration +rhostatique+lectromagntique (en urgence)

dimensionnement du materiel roulant ferroviaire.pdf

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