Parties d'un train et d'une voie ferrée : noms, fonctions et pièces de moulage

Comment s’appellent les parties d’un train ? La réponse rapide

Un train est composé de deux grandes catégories de pièces : composants du matériel roulant (le véhicule lui-même) et pièces d'infrastructure ferroviaire (le système de rails fixes sur lequel il fonctionne). Le matériel roulant comprend la locomotive, les bogies, les essieux montés, les attelages, les systèmes de freinage et les structures de carrosserie. L'infrastructure ferroviaire comprend les rails, les traverses (attaches), les fixations, les aiguillages et le ballast. La plupart des pièces les plus structurellement critiques dans les deux catégories, notamment les châssis de bogie, les centres de roues, les semelles de frein et les ancrages de rail, sont fabriquées par procédés de coulée de métal en utilisant des alliages de fer, d'acier ou d'aluminium.

Le marché mondial du matériel ferroviaire était évalué à plus de 180 milliards de dollars en 2023 , reflétant le volume et la complexité des composants nécessaires à la construction et à l'entretien des réseaux ferroviaires dans le monde entier. Comprendre le nom de chaque pièce et ce qu'elle fait est essentiel pour l'approvisionnement, l'ingénierie de maintenance et la planification de la fabrication.

Principales parties d'un train : locomotive et matériel roulant

La locomotive est l'unité motorisée qui tire ou pousse le train. Qu'elles soient diesel, électriques ou hybrides, toutes les locomotives partagent un ensemble de composants structurels et mécaniques de base.

Carrosserie (Carrosserie)

La carrosserie du wagon est l'enveloppe structurelle extérieure de la locomotive ou du wagon de voyageurs/de marchandises. Il est généralement fabriqué à partir de acier à haute résistance ou alliage d'aluminium et doit résister à des forces de compression longitudinales allant jusqu'à 3 500 kN (787 000 livres-pieds) dans les applications de fret lourd. La carrosserie abrite tous les systèmes intérieurs – équipement de traction, logement des passagers ou espace de chargement – ​​et est montée directement sur les châssis de bogie.

Bogie (Camion)

Le bogie – appelé « camion » en Amérique du Nord – est l'ensemble de châssis à roues qui se trouve sous chaque extrémité d'un wagon. Il porte la carrosserie, guide le véhicule le long de la piste et absorbe les chocs grâce à son système de suspension. Un bogie standard contient :

• Châssis de bogie — le moulage ou la fabrication structurelle principale, généralement en forme de H en vue en plan
• Suspension primaire — ressorts hélicoïdaux ou patins en caoutchouc entre les boîtes d'essieux des essieux et le châssis du bogie
• Suspension secondaire — ressorts pneumatiques ou ressorts hélicoïdaux entre le châssis du bogie et la carrosserie de la voiture
• Boîtes d'essieux (boîtes de revues) — des boîtiers moulés qui maintiennent les roulements de roue et transfèrent la charge de l'essieu au châssis
• Équipement de freinage — cylindres de frein, supports de frein et patins ou disques de frein

La plupart des trains de voyageurs utilisent deux bogies par voiture ; les wagons de marchandises lourds peuvent en utiliser trois ou plus sous des wagons extra-longs. Les châssis de bogies destinés aux applications de fret sont fréquemment fabriqués par moulage d'acier pour supporter des charges statiques supérieures à 25 tonnes par essieu.

Paire de roues

Un essieu se compose de deux roues pressées sur un essieu commun. Les roues sont conceptions monoblocs (solides) ou à pneu centré , avec un profil de bande de roulement effilé qui offre une autodirection passive lorsque le train négocie les virages. L'écartement ferroviaire standard dans la plupart des pays du monde est 1 435 mm (4 pi 8½ po) , et les dimensions des essieux doivent se conformer précisément à ce gabarit pour éviter le déraillement. Les roues des wagons de marchandises sont généralement moulées en acier de classe C ou de classe D selon les spécifications de l'AAR et doivent résister à des cycles thermiques répétés dus au freinage - les températures de surface peuvent dépasser 500°C (930°F) lors d'un freinage brusque.

Coupleur (Couplage)

Les attelages relient les wagons individuels dans une composition de train. Les deux conceptions de coupleurs dominantes dans le monde sont :

• Coupleur articulé AAR — utilisé partout en Amérique du Nord; moulé en acier fortement allié; conçu pour supporter des forces de compression (compression) allant jusqu'à 4 448 kN (1 000 000 lb)
• Coupleur à vis UIC avec tampons — utilisé en Europe ; se compose d'une chaîne centrale/maillon à vis et de deux tampons latéraux ; moins efficace pour les trains très lourds mais permet un couplage de flottes mixtes

Les corps de coupleurs, les articulations et les étriers sont presque universellement produits par moulage d'acier en raison de la géométrie tridimensionnelle complexe et des charges de choc et de traction extrêmes auxquelles ils doivent résister.

Composants du système de freinage

Les systèmes de freinage ferroviaire utilisent plusieurs pièces clés nommées :

• Cylindre de frein — actionneur pneumatique qui convertit la pression de l'air en force mécanique
• Bloc de frein (patin de frein) — élément de friction plaqué contre la table de roulement de la roue ; les blocs en fonte sont encore largement utilisés dans le transport de marchandises en raison de leurs propriétés autonettoyantes
• Disque et étrier de frein — utilisé sur les trains de voyageurs à grande vitesse ; les disques sont montés sur l'essieu ou la roue et serrés par des étriers en fonte ou en aluminium
• Vanne triple / vanne distributrice — dispositif de commande pneumatique qui gère le serrage et le relâchement des freins en réponse aux changements de pression sur la ligne du train

Pièces de voie ferrée : composants d'infrastructure et leurs noms

Le système de voie est l'infrastructure fixe qui guide et soutient le train. Chaque composant a un nom et une fonction spécifiques au sein du système de voies permanentes (P-way).

Rail

Le rail est la barre d'acier sur laquelle roulent les roues. Il comporte trois sections : la tête (la surface de course), le la toile (le connecteur vertical) et le pied (bride de base) qui repose sur le dormeur. Les rails lourds modernes pèsent 60-77 kg par mètre (profil UIC 60 ou 136 RE) et sont laminés à partir d'acier au manganèse à haute teneur en carbone. La longueur des rails s'est considérablement allongée : les rails soudés en continu (CWR) éliminent les joints traditionnels, réduisant ainsi l'entretien de la voie jusqu'à 40% par rapport à une piste articulée.

Traverse (traverse de chemin de fer / traverse)

Les traverses sont les éléments transversaux qui maintiennent les deux rails au bon écartement. Ils répartissent la charge du rail vers le lit de ballast situé en dessous. Les matériaux des traverses comprennent :

• Béton (précontraint) — dominant dans la piste moderne ; durée de vie de 40 à 50 ans ; plus lourd (250 à 350 kg chacun) mais très stable
• Bois de feuillus — matériel traditionnel; toujours utilisé dans les aiguillages et dans les courbes ; durée de vie 20 à 30 ans
• Acier — utilisé dans certains chemins de fer industriels lourds ; résistant au feu et aux termites
• Composite/plastique — les formulations de plastique recyclé sont de plus en plus adoptées ; propriétés similaires au bois avec une durée de vie plus longue

Système de fixation des rails

Les attaches fixent le rail à la traverse et résistent aux forces verticales, latérales et longitudinales. Les composants clés comprennent :

• Clip de rail (clip élastique) — des clips en acier à ressort (par exemple, Pandrol e-clip, Vossloh Skl) qui agrippent le pied du rail ; fournir environ 10 à 14 kN de charge au pied
• Patin de rail — coussin en caoutchouc ou en polymère entre le pied du rail et la traverse qui atténue les vibrations et protège la surface de la traverse
• Plaque de base — plaque de fonte ou d'acier qui répartit la charge du rail sur la surface de la traverse
• Pointe ou pointe à vis — utilisé sur les traverses en bois pour fixer les plaques de base

Ballast

Le ballast est la couche de pierre concassée située sous et autour des traverses. Il répartit les charges sur le sol de fondation, assure le drainage et permet d'ajuster la géométrie de la voie. Granulats de granit et de calcaire 25 à 50 mm sont les plus courants. La profondeur standard du ballast varie de 150 mm (train léger sur rail) à 350 mm (lignes de fret lourd) .

Aiguillage et croisement (aiguillage)

Un aiguillage (aiguillage) permet aux trains de passer d'une voie à une autre. Ses parties nommées comprennent :

• Rails d'aiguillage (rails de pointage) — des rails mobiles coniques qui pivotent pour diriger le train vers la gauche ou la droite
• Contre-rails — les rails fixes contre lesquels se ferment les rails d'aiguillage
• Traversée (grenouille) — le composant coulé en acier au manganèse à l'intersection de deux rails ; soumis à des charges d'impact intenses et généralement coulé comme une seule unité à partir de Acier au manganèse de Hadfield (12-14% Mn) pour une résistance extrême à l'usure
• Vérifier les rails (garde-corps) — des rails supplémentaires positionnés à l'intérieur du rail de roulement pour guider les boudins de roue à travers l'espace de grenouille
• Machine de commutation (moteur de point) — un actionneur électrique ou hydraulique qui déplace les rails d'aiguillage ; les boîtiers moulés protègent le mécanisme des intempéries et des chocs

Pièces moulées pour chemins de fer et trains : ce qui est coulé et pourquoi

Le moulage est la méthode de fabrication dominante pour les composants ferroviaires qui nécessitent des formes complexes, une masse élevée et une résistance exceptionnelle. L'industrie ferroviaire utilise trois procédés de coulée principaux : moulage au sable, moulage à modèle perdu et moulage à mousse perdue — en fonction de la géométrie du composant, des exigences de tolérance dimensionnelle et du volume de production.

Le tableau suivant résume les pièces moulées ferroviaires les plus importantes, leurs matériaux et leurs méthodes de coulée :

Pourquoi le casting est préféré pour Pièces ferroviaires

Le moulage est la méthode de fabrication de choix pour l'industrie ferroviaire pour plusieurs raisons techniques et économiques :

• Géométrie complexe en une seule pièce — les châssis de bogie, les corps d'accouplement et les châssis latéraux ont des formes tridimensionnelles avec des vides internes et une épaisseur de paroi variable qui nécessiteraient des dizaines de joints de soudure s'ils étaient fabriqués à partir de tôles d'acier. Le moulage les produit comme une seule pièce intégrale, éliminant ainsi les points de rupture par fatigue des soudures.
• Masse élevée aux propriétés contrôlées — les composants ferroviaires doivent être suffisamment lourds pour maintenir la rigidité structurelle sous des charges dynamiques extrêmes. Le moulage permet un contrôle précis de la composition de l’alliage et de la vitesse de refroidissement pour obtenir simultanément la dureté, la ténacité et la résistance à la fatigue requises.
• Rentable pour la production en grand volume — les moules de coulée en sable pour les composants standards des wagons de marchandises (châssis latéraux, traverses) peuvent être réutilisés des milliers de fois, ce qui rend les coûts unitaires compétitifs par rapport aux volumes requis par les chemins de fer de classe I, qui peuvent commander 10 000 à 50 000 pièces moulées pour wagons de marchandises par an .
• Écrouissage de l'acier au manganèse — les grenouilles de croisement en acier au manganèse de Hadfield deviennent en réalité plus dures sous l'impact. Cette propriété n'est réalisable qu'à l'état coulé ; l'alliage ne peut pas être soudé ou usiné sans perdre sa capacité d'écrouissage.

Pièces ferroviaires clés par système : un tableau de référence complet

Normes de qualité et de certification pour les pièces moulées ferroviaires

Les pièces moulées ferroviaires comptent parmi les composants industriels les plus rigoureusement testés dans tous les secteurs. Un seul châssis de bogie ou un seul accouplement défaillant peut provoquer un déraillement avec des conséquences financières et sécuritaires considérables. Les normes suivantes régissent leur production et leur qualification :

• AAR M-201 — Spécification de l'Association of American Railroads pour les cadres latéraux et les traverses des wagons de marchandises (Amérique du Nord). Nécessite une composition chimique, des propriétés mécaniques et des tests non destructifs (CND) spécifiques à chaque coulée.
• EN 13262 — Norme européenne pour les roues ferroviaires, couvrant les qualités de matériaux, les tolérances dimensionnelles et les exigences en matière de tests par ultrasons.
• EN 13749 — Norme européenne spécifiant les exigences structurelles des châssis de bogies, y compris les essais de fatigue sous charges de service simulées pour un minimum de 10 millions de cycles de charge .
• CUI 860 — Spécification technique de l'Union internationale des chemins de fer pour les pièces moulées en acier utilisées dans la construction de véhicules ferroviaires.
• Normes GB/T (Chine) — La propre série de normes de moulage et de matériaux de China Railway, appliquée à l'un des plus grands secteurs de fabrication ferroviaire au monde, qui a produit plus de 4 000 locomotives et 50 000 wagons de marchandises rien qu’en 2022.

Tous les moulages critiques pour la sécurité sont soumis à des CND obligatoires, y compris inspection par magnétoscopie (MPI), tests par ultrasons (UT) et tests radiographiques (RT) pour détecter la porosité interne, les fissures ou les inclusions avant la mise en service de la pièce. De nombreuses spécifications exigent également test de coupon destructif de chaque chaleur d'acier pour vérifier la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et les valeurs de choc Charpy aux températures de fonctionnement.

Cycles de maintenance des pièces clés des trains et des chemins de fer

Comprendre les intervalles de maintenance aide les équipes d'approvisionnement à planifier l'inventaire des pièces de rechange et les commandes de moulage. Vous trouverez ci-dessous les intervalles typiques d’inspection et de remplacement pour les composants les plus critiques :