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Briser un verrou technologique pour rendre les systèmes de transport ferroviaire plus efficaces
Présentation
Tout le monde attend et souhaite une plus grande efficacité du transport ferroviaire, mais en raison de la concentration urbaine et du manque de financement, il semble très peu probable que l'infrastructure soit étendue. Le seul moyen d'améliorer les performances du transport ferroviaire est donc de faire circuler plus de trains par heure sur les voies existantes. Pour ce faire, nous devons surmonter le défi des limitations des performances de freinage dues à l'adhérence entre les roues et les rails.
Le système de protection contre le glissement des roues (WSP) est essentiel pour optimiser l'utilisation de l'adhérence disponible, améliorant ainsi les performances de freinage garanties.
Dans des situations normales, les performances sont physiquement limitées par l'adhérence entre le rail et la roue, mais des facteurs externes tels que les conditions météorologiques et la pollution peuvent entraîner une réduction de l'adhérence réellement disponible. La première conséquence en est une altération des performances, mais cela peut également entraîner une détérioration coûteuse. La principale fonction d'un WSP est de tirer le meilleur parti de l'adhérence disponible quelles que soient les conditions extérieures, tout en évitant le pire scénario de blocage des essieux. Il est également utilisé pour limiter la détérioration qui pourrait avoir un impact sur le matériel roulant ou les infrastructures.
L'article suivant présente les réalisations les plus récentes de Wabtec dans ce domaine, qui sont le résultat d'un travail continu à la fois en laboratoire à l'aide d'outils de simulation et de test performants, et sur le terrain.
Les défis
Les conditions météorologiques défavorables et la pollution ont un impact négatif sur l'adhérence roue-rail des systèmes de transport ferroviaire, allongeant ainsi les distances de freinage des trains. Pour limiter cela, les opérateurs ont besoin de meilleurs systèmes de protection contre le glissement des roues.
Les systèmes WSP actuels sont conçus en tenant compte des conditions d'adhérence dégradées typiques telles que définies dans les normes, qui s'écartent parfois de manière significative des conditions réelles. Si l'adhérence est inférieure à ce niveau standard, cela peut entraîner une extension des distances de freinage de plus de 50 % par rapport à un rail sec et une détérioration des roues (crevaisons), obligeant les opérateurs à les reprofiler. Ce processus réduit la disponibilité des trains et réduit la durée de vie des roues, ce qui entraîne des coûts de maintenance supplémentaires. Si l'adhérence se dégrade encore davantage, des règles opérationnelles restrictives doivent être prises en compte, telles que la réduction des vitesses autorisées ou la gestion du nettoyage des rails.
Les systèmes WSP actuellement utilisés sont qualifiés et testés sur la base des modèles d'adhérence définis dans la norme EN15595 (ou UIC 541-05). Il s'agit d'un processus long et coûteux réalisé d'abord sur des bancs d'essai, puis lors d'essais sur le terrain ; le processus prend plusieurs semaines pour la mise en œuvre de chaque nouveau véhicule.
Un réglage fixe ne peut pas couvrir le large éventail de conditions créées par les conditions environnementales ou par le système de freinage lui-même :
- L'adhérence réelle sur le rail peut aller de 0,01 (par exemple, avec de vieilles feuilles sur la voie) à 0,17 ; les normes considèrent qu'une plage de réglage typique pour des conditions d'adhérence dégradées se situe entre 0,05 et 0,08.
- L'amélioration de l'adhérence le long du train grâce à la course successive des essieux.
- État de masse (AW0 à AW3) et son évolution dynamique due aux transferts de masse.
- Performance des paires de friction (patin à disque ou bloc à roue), dont le coefficient de frottement varie en fonction de la vitesse, de la température et de l'humidité.
En 2014, dans le cadre du projet européen Shift2Rail, l'industrie ferroviaire - constructeurs et opérateurs - a décidé de travailler sur ce problème, et Wabtec a répondu au défi Shift2Rail (projets PINTA1 et PINTA2).
La première étape a consisté à mieux comprendre la dégradation de l'adhérence roue-rail dans des conditions et des environnements d'utilisation réels, en particulier l'effet « nettoyant » qui peut apparaître le long du train en service en raison du passage successif des roues. Cela a été réalisé grâce à une analyse minutieuse de nombreux résultats de tests et à un travail approfondi sur un banc d'essai dédié.
Ce banc d'essai, connu sous le nom de Roller, a été développé pour simuler avec précision l'action des contaminants qui dégradent l'adhérence entre chaque roue et le rail. Il s'agit d'un outil unique développé par Wabtec. Ce banc d'essai est un dispositif à échelle réduite qui permet aux testeurs d'appliquer le freinage sur plusieurs essieux circulant sur la même piste. Une adhérence dégradée est créée pour la piste et, à chaque essieu, il est possible de moduler l'effort de freinage et d'évaluer l'adhérence qui en résulte.
Sur cette base, un nouveau système WSP adaptatif a été conçu et mis en œuvre. Pour chaque véhicule, un équipement électronique numérique, associé à un ensemble de capteurs et d'actionneurs, intègre un logiciel basé sur un algorithme adaptatif utilisant la méthode des moindres carrés moyens (LMS). Il inclut l'autoréglage dynamique de l'algorithme WSP en tenant compte des conditions d'adhésion réelles.
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En dehors du laboratoire de Wabtec, ce nouveau système a été testé sur le banc d'essai WSPER au Royaume-Uni, sur le banc d'essai accrédité EN15595 du DBST et lors d'essais sur le terrain avec un véhicule EuskoTren à Bilbao, en Espagne.
WSP adaptatif DistanceMaster™
Les résultats
L'examen de l'impact du dispositif WSP adaptatif DistanceMaster™ sur les distances de freinage, un paramètre de sécurité essentiel, montre une amélioration significative par rapport aux systèmes WSP standard conformes aux normes EN 15595:2011 et 2018. Avec Adaptive WSP, nous avons observé une amélioration de l'extension de la distance d'arrêt dans des conditions de mauvaise adhérence standard EN/UIC. Par rapport aux distances d'arrêt par temps sec, l'extension est d'environ 8 %, contre 12 % avec la génération précédente de Wabtec WSP, et un maximum acceptable de 20 % spécifié par les normes.
Une évaluation a été réalisée sur le banc d'essai WSPER ; ce banc d'évaluation WSP a été développé par DB-ESG, qui fait partie de DB System Technik, à Derby, au Royaume-Uni.
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[Comparaison des distances de freinage à 90 km/h entre le WSP adaptatif et le WSP de la génération précédente]
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[Comparaison des performances de freinage de l'Adaptive WSP par rapport à celles de la génération précédente de WSP dans des conditions de faible adhérence soutenues.]
En outre, la consommation d'air comprimé (et donc la consommation d'énergie requise pour maintenir la pression sur la canalisation principale) est considérablement réduite par rapport aux WSP de la génération précédente lors de tous les tests utilisant l'algorithme adaptatif optimisé.
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[Comparaison de la consommation d'air du WSP adaptatif par rapport à celle du WSP de la génération précédente dans des conditions de faible adhérence soutenues.]
Une autre évaluation a été réalisée sur le banc d'essai accrédité EN du DBST situé à Minden, en Allemagne.
Lors de la validation de l'A-WSP sur le banc d'essai du DBST, l'algorithme a été soumis à plus de 1 000 tests, y compris des tests fonctionnels et types utilisant différents profils d'adhérence et régimes de freinage.
La validation a été réalisée sur un wagon-remorque dont la vitesse maximale était de 400 km/h.
Le tableau suivant présente l'extension moyenne de la distance d'arrêt et de la consommation d'air en fonction de la vitesse de freinage et de l'algorithme WSP. La distance de freinage de l'A-WSP est plus courte que celle du WSP de génération précédente dans les deux cas ; la consommation d'air est également inférieure grâce à l'algorithme adaptatif.
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[Extension moyenne de la distance d'arrêt et de la consommation d'air sur le banc d'essai du DBST, le WSP et l'A-WSP des générations précédentes.]
Le tableau suivant présente les tests réalisés dans le laboratoire du DBST avec l'A-WSP et le WSP de génération précédente. L'A-WSP et l'AEF-91 sont conformes à la norme EN 15595:2011. L'A-WSP est également conforme à tous les tests obligatoires et facultatifs de la norme EN 15595:2018.
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[EN15595 : Programme de tests 2011 et 2018 sur le banc d'essai de DBST, WSP et A-WSP de génération précédente.]
Une nouvelle amélioration
La compensation de décélération
La prochaine étape requise pour améliorer encore cela est de prendre en compte la variation de l'adhérence lors du passage des essieux successifs ; à cette fin, un système de compensation de décélération a été conçu et mis en œuvre. Ce système (disponible dans les systèmes de commande de freinage intégrés des types Metroflexx et Regioflexx développés par Wabtec) vise à réduire davantage la distance de freinage dans des conditions d'adhérence dégradée grâce à une meilleure utilisation de l'adhérence disponible le long du train.
Le système vise à redistribuer l'effort de freinage le long du train pour atteindre la décélération cible au niveau du train. Chaque unité de commande de freinage locale vérifie l'adhérence disponible et peut augmenter l'effort de freinage jusqu'à la limite, tout en garantissant un confort maximal aux passagers. Cette fonction de compensation de décélération peut être utilisée même en cas de freinage d'urgence en raison du haut niveau de sécurité (SIL4) présent dans les systèmes de freinage Metroflexx et Regioflexx de Wabtec (systèmes de freinage pour les métros et les trains à unités multiples respectivement).
Cette fonction est gérée localement (par l'équipement de commande des freins de chaque bogie ou véhicule) et ne nécessite aucune communication entre les différentes unités de commande de freinage du train. Lorsque l'opérateur choisit de l'implémenter, cette fonction est entièrement configurable (adhérence maximale requise, pression maximale du cylindre de frein, etc.).
Une avancée décisive pour le WSP adaptatif et la compensation de décélération
L'utilisation conjointe de ces deux fonctions a été testée par DB-ESG sur le banc d'essai WSPER avec les résultats suivants (en tenant compte du cas de référence de l'Euskotren).
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La compensation de décélération, qui fonctionne conjointement avec le système WSP adaptatif décrit ci-dessus, réduit l'extension de la distance de freinage, dans les conditions d'adhérence dégradée de référence, à environ 6 % au-dessus de la distance de freinage sur sol sec. Par rapport à l'intervention d'un système WSP agissant seul, la combinaison des deux systèmes permet une amélioration de 50 % [6 % d'extension au lieu de 12 %] des performances de freinage dans des conditions d'adhérence dégradées. Cela constitue une amélioration majeure de la sécurité, notamment en tenant mieux compte de la variabilité des conditions d'adhérence rail-roue.
Les avantages relatifs de ces deux systèmes innovants sont résumés dans le tableau suivant.
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La réduction de la dégradation des performances de freinage par rapport aux performances du WSP de génération précédente dans les conditions d'adhérence dégradée de référence varie de 34 % (WSP adaptatif uniquement) à 50 % (WSP adaptatif plus compensation de décélération).
Il s'agit d'une amélioration significative du contrôle du taux de freinage d'urgence garanti, l'un des principaux critères de sécurité des systèmes de transport ferroviaire.
- Les résultats des essais montrent une nette amélioration du freinage et de son contrôle dans des conditions d'adhérence dégradées et/ou variables. Cela devrait permettre aux opérateurs de mieux faire face aux conditions climatiques et/ou saisonnières (feuilles mortes, conditions automne/hiver, etc.) tout en protégeant le matériel roulant (en évitant les crevaisons). Quel que soit le système d'espacement des trains en place, la réduction de la distance de freinage d'urgence en cas de dégradation est un point clé pour les opérations sur de telles lignes, car cela augmente la sécurité quant aux performances de freinage attendues. Il offre au conducteur une plus grande confiance et pourrait éviter (ou limiter) la nécessité de restrictions opérationnelles telles que des réductions de vitesse.
- Pour les systèmes de signalisation à blocs mobiles (tels que l'ETCS L3 et le CBTC) principalement utilisés sur les nouvelles lignes, la prise en compte de ces meilleures performances de freinage garanties peut ouvrir la voie à une réduction des avancées et à une amélioration des capacités des lignes.
- Coûts de maintenance réduits : les systèmes WSP standard ont un réglage fixe optimisé pour un type d'adhérence dégradé standard. Adaptive WSP est autoréglable en permanence, ce qui lui permet de tirer le meilleur parti de l'adhérence disponible, même en cas de très faible adhérence. Cela réduit considérablement le risque d'endommagement des roues. Selon les résultats des tests, la fréquence d'apparition de crevaisons peut être réduite d'environ 50 %. Les défauts de crevaison ont des conséquences économiques importantes : le reprofilage des roues réduit la durée de vie des roues et la disponibilité des trains en raison des opérations de maintenance ; de nombreux crevaisons peuvent entraîner des contraintes excessives sur la voie, entraînant des opérations de maintenance supplémentaires et parfois des dommages.
- La mise en service de nouveaux véhicules pourrait être simplifiée : Adaptive WSP ne nécessite pas de longue campagne d'essais pour ajuster ses paramètres. Le système est autoréglable et optimise le freinage en fonction de l'adhérence disponible dès le premier freinage.
Mise en œuvre de ces systèmes
Une unité WSP adaptative a été testée en service pendant un an par Amtrak sur le marché nord-américain et présente des avantages notables en termes d'usure des roues. Adaptive WSP et la compensation de décélération devraient équiper des trains complets pour les essais de quatre saisons pour les opérateurs de NYCT (New York) et d'Euskotren (Bilbao) ; ces initiatives entreront en service au quatrième trimestre 2021 et au premier trimestre 2022.
Adaptive WSP est actuellement en cours de certification EN. Sa combinaison avec le système de compensation de décélération peut être envisagée pour la conception de nouveaux matériels roulants. Ce système complet sera mis à la disposition des opérateurs souhaitant améliorer l'efficacité de leur flotte.
Il convient de noter que la mise en œuvre du WSP adaptatif seul est également possible, sans nécessiter de modifications matérielles importantes, sur des véhicules existants déjà équipés de Wabtec WSP.
Résumé
Bien qu'il reste encore des mesures à prendre pour réduire la progression des trains, telles que le déploiement de systèmes de signalisation par blocs variables et un taux de freinage d'urgence garanti (GEBR) adéquat, qui contribuent tous deux à la conception complète du système ferroviaire, le package d'adhérence innovant de Wabtec décrit ci-dessus fournit des éléments de base très solides et permet de surmonter un défi technologique majeur.