Livre blanc Pourquoi les feuilles sur les voies posent-elles un tel problème ?

Comment éviter les retards dus à l’adhérence roue-rail ?

Résumé En Europe, la chute des feuilles est l’une des causes naturelles de retard des trains. Le réseau ferroviaire européen subit chaque année une perte de plusieurs milliards d’euros due aux retards des trains à la suite de la chute des feuilles sur les voies. Ce problème peut paraître insignifiant, car il ne se manifeste qu’en automne ou pendant la saison de la chute des feuilles, mais la perturbation constante du transport de voyageurs ou de marchandises devient endémique dans le monde entier.

Illustration 1 : problèmes de faible adhérence au rail ([5] 2020, RSSB)

Alors que diverses méthodes sont mises en œuvre afin d’atténuer le risque de retard des trains, une solution offrant des résultats efficaces et durables n’a pas encore été trouvée.

Depuis cinq ans, Interflon travaille en étroite collaboration avec Network Rail afin de mettre au point une solution qui décompose les résidus de feuilles et les transforme ainsi en une surface de contact qui permet aux roues d’adhérer aux rails selon un coefficient de frottement normal. Les photos ci-dessous illustrent la capacité des produits à éliminer la contamination organique des panneaux de signalisation le long des voies, grâce à une simple application et à l’élimination des résidus à l’aide d’un chiffon.

Illustration 2: panneau de signalisation ferroviaire avant et après nettoyage

En outre, les essais récents de nettoyage de champignons de rail ont montré que les résidus de feuilles restant après cette opération offrent le coefficient de frottement nécessaire pour permettre la circulation des trains en toute sécurité et la détection du circuit de voie.

Grâce aux sites d’essai et sites pilotes à Milton Keynes, en Écosse et dans le Wessex (Royaume-Uni), ainsi qu’en Belgique et aux Pays-Bas, la solution est désormais parvenue à maturité en ce qui concerne la technologie et la préparation à la commercialisation.

Network Rail projette d’utiliser à grande échelle le produit de nettoyage des champignons de rail OTR d’Interflon, dans diverses régions telles que l’Écosse ainsi que le sud-est et l’ouest de l’Angleterre. La Belgique et les Pays-Bas poursuivront leurs essais afin de perfectionner l’application de la solution à grande vitesse.

Exposé du problème

Dans de nombreux pays, des arbres sont utilisés afin d’atténuer naturellement le bruit et de créer une barrière visuelle entre les voies ferrées et les propriétés voisines. Ils forment des plantations denses dans les banlieues, où les trains circulent plus fréquemment. Grâce à leurs racines dans le sol, les arbres permettent également de stabiliser les remblais et les talus. Dans les régions boisées, les voies ferrées ont été tracées à travers les forêts lors de leur construction au XIXe siècle. Lorsque le vent souffle avec violence, les feuilles mortes peuvent s’accumuler rapidement en grande quantité et s’il pleut en outre, adhérer au champignon de rail. L’augmentation de température provoquée par les feuilles écrasées sous les roues des trains déclenche une réaction chimique qui se traduit par la transformation des feuilles en une couche noire. Ce contaminant du champignon de rail réduit l’adhérence entre la roue et le rail, rendant ainsi le freinage et l’accélération plus difficiles. Cette couche compacte déclenche, entre les feuilles et le rail, une réaction chimique qui crée une surface à faible frottement, composée d’oxydes de fer. La pectine contenue dans les feuilles se transforme en une substance gélatineuse visqueuse lorsqu’elle se mélange aux matières oxydées et forme, sur le champignon de rail, une couche difficile à éliminer. Le gel de pectate formé possède un coefficient de frottement très faible, si bien que les trains doivent freiner et accélérer plus doucement, ce qui les ralentit et engendre des retards. La couche fine forme également une barrière de gel isolante qui affecte le court-circuit entre les rails, nécessaire pour le bon fonctionnement du système de signalisation indiquant que le circuit de voie est occupé par un train. Le cas échéant, les trains suivants sont arrêtés aux signaux rouges et un retard s’accumule jusqu’à ce que la localisation du train soit déterminée. Lorsqu’elles s’humidifient, les fines couches de feuilles durcissent et forment une couche mince et glissante, dont le coefficient d’adhérence entre la roue et le rail (µ) n’est que de 0,01. Ce niveau est difficile à atteindre avec un lubrifiant et lorsqu’il est appliqué aux voies ferrées, peut présenter les risques suivants en matière de sécurité et de fiabilité :

• Patinage des roues entraînant le passage de signal en situation de danger ;

• Patinage des trains à la gare, jusqu’au-delà de l’emplacement d’arrêt, de sorte que les portes du train s’ouvrent en dehors des limites du quai [1] ;

• Circuit de voie indiqué comme libre, car la présence du train n’est pas détectée dans la section du circuit de voie ;

• Patinage des trains jusqu’au heurtoir, provoquant dégâts et blessures physiques [2] ;

• Conducteurs de train faisant preuve de prudence en ralentissant et provoquant ainsi des retards ;

• Accélération des trains de marchandises provoquant un patinage des roues et des dommages aux rails dus à l’échauffement des roues ;

• Patinage des roues entraînant la formation de squats dans le rail, difficiles à détecter et pouvant entraîner la rupture du rail ;

• Patinage des roues provoquant l’apparition de zones plates sur les roues et, ainsi, des dommages de l’infrastructure et la nécessité de remplacement prématuré des roues ;

• Atteinte à la réputation des compagnies de transport de voyageurs et de marchandises, en raison des retards ;

• Prévision incorrecte de la chute des feuilles donnant lieu à un taux élevé de contamination. La faible adhérence au rail n’est pas uniquement causée par la couverture de feuilles. La pluie fine et la rosée peuvent former, sur le champignon de rail, une fine pellicule lubrifiante qui réduit considérablement le coefficient d’adhérence. Le mélange d’oxydes et d’eau qui se crée en présence de conditions de rosée ou de vapeur, sous l’action de la température et des précipitations, rend les rails particulièrement glissants [3]. La faible adhérence au rail est un problème qui survient tout au long de l’année et qui se révèle difficile à atténuer à l’aide de mesures autonomes. Un problème qui se pose également en Amérique du Nord et au Canada, où les forêts sont denses et où le trafic des trains n’est pas aussi fréquent.

Quelles sont les mesures actuelles qui permettent d’améliorer l’adhérence roue-rail ?

Les pays amplement concernés par ce problème en Europe sont l’Allemagne, le Royaume-Uni et la Suède. Le Royaume-Uni

subit une perte de plus de 354 millions £ par an. Chaque année, les gestionnaires de l’infrastructure au Royaume-Uni

dépensent plus de 50 millions £ afin de prévenir les dangers précités. Le coût des retards de trains de voyageurs est estimé

à 290 millions £, même si des mesures d’atténuation sont en place. Ces mesures peuvent être appliquées tout au long de

l’année ou uniquement pendant la saison de la chute des feuilles. Les gestionnaires de l’infrastructure et les compagnies

ferroviaires mettent notamment en œuvre les mesures suivantes :

Trains de dégagement des feuilles et trains sandite Panneaux de signalisation indiquant la chute des feuilles afin de permettre aux conducteurs de ralentir

Coupe de la végétation Sablage au freinage afin de prévenir le patinage des roues

Trains de dégagement des feuilles Network Rail dispose de 61 trains de dégagement des feuilles qui éliminent la couverture de feuilles à l’aide d’un système de jet d’eau sous haute pression, puis appliquent une pâte sandite sur le champignon de rail afin d’améliorer l’adhérence. La pâte sandite n’adhère pas toujours au rail et tombe en grande partie du champignon du rail. La sandite est réputée contaminer les surfaces de glissement des aiguillages et est un conducteur connu capable de provoquer des courts-circuits sur les joints d’isolation. En outre, des millions de litres d’eau sont gaspillés lors de son application. Les intempéries qui surviennent après un traitement du champignon de rail anéantissent l’effet de ce traitement (1). Ceci étant, cette solution est actuellement la plus efficace utilisée au Royaume-Uni. Horaire adapté pendant la chute des feuilles Durant l’automne, les régions touchées par la chute abondante de feuilles mettent en place un horaire saisonnier qui permet une circulation des trains à vitesse réduite afin d’atténuer le risque d’incidents dus au patinage des roues. L’efficacité du service et le chiffre d’affaires issu du transport de voyageurs s’en trouvent réduits. Les panneaux de signalisation indiquant la chute des feuilles permettent aux conducteurs de train de diminuer leur vitesse à l’approche des zones concernées, réduisant ainsi la nécessité de freiner et d’accélérer dans ces zones.

Système antipatinage Les trains modernes sont dotés d’un système antipatinage, qui gère le comportement des essieux dans des conditions de faible adhérence aux rails. Ce système est similaire au système antiblocage des roues des voitures. Le fonctionnement du contrôleur du système antipatinage est régi par différentes règles ou différents algorithmes. Les systèmes antipatinage modernes utilisent un logiciel afin de contrôler et de gérer l’utilisation des freins pour prévenir le patinage. Nettoyage au laser du champignon de rail Le nettoyage au laser haute puissance a été déployé dans de nombreux pays et a été testé au Royaume-Uni. Le système de nettoyage au laser du champignon de rail se compose de deux lasers capables de générer une puissance de 2 kW chacun. L’énergie pulsée est transmise via une fibre optique qui produit un faisceau rectiligne de section ronde sur le rail. Le faisceau pulsé frappe le rail 25 000 fois par seconde. La couverture de feuilles absorbe chaque pulsation lumineuse de 5 000 °C, si bien qu’elle chauffe rapidement, se dilate et se détache du rail. Les tests ont montré que le nettoyage au laser fonctionne également sur l’huile, la graisse, la glace et d’autres substances posant problème. Ce système s’est avéré inefficace à une vitesse d’utilisation plus élevée et n’applique pas une substance à faible adhérence après le nettoyage du champignon du rail. Sablières Les sablières installées sur les trains sont utilisées depuis l’époque des locomotives à vapeur et projettent du sable juste devant la roue, sur divers essieux du train. La quantité de sable et ses performances de freinage dépendent de la vitesse de déplacement du train. Ce système dépend également de la maintenance et de l’entretien de la sablière. Les systèmes modernes sont conçus pour délivrer des quantités différentes de sable à des vitesses différentes.

Illustration 3: sablière

Intervention urgente en cas de problème d’adhérence du champignon de rail En cas de perte du circuit de voie signalée ou de patinage des roues rapporté par un conducteur de train, les équipes d’intervention s’occupent du problème à l’aide de sable et d’un produit appelé Orange Cleanse ainsi que de racleurs mécaniques fonctionnant à l’essence, afin d’éliminer la contamination manuellement. Cette méthode exige beaucoup de temps pour éliminer les contaminants ainsi que d’importants efforts physiques pour soulever et manœuvrer l’équipement de raclage. Elle est mise en œuvre en urgence, lorsque les trains de dégagement des feuilles n’ont pas été utilisés depuis un certain temps, aux endroits où un nettoyage en profondeur initial est nécessaire ou lorsque des problèmes persistent pendant une période de chute abondante des feuilles. Nettoyage cryogénique du champignon de rail Cette nouvelle technique de nettoyage du champignon de rail a été mise au point par l’Université de Sheffield, en

partenariat avec Ice Tech Technologies UK, et s’est avérée fonctionner sur diverses causes de faible adhérence, telles que la

« couche noire » formée par les feuilles, la rouille (oxyde de fer) associée à la graisse, le diesel et l’humidité. La technologie

cryogénique consistant à pulvériser de la glace sèche afin de nettoyer l’infrastructure ferroviaire a été validée durant

l’automne 2019 lors de divers projets de recherche d’un montant total de plus de 1 million £, entièrement financés par RSSB,

Arriva Rail North et Network Rail R&D, depuis des tests dans de petits laboratoires jusqu’à des essais à cinq endroits sur le

réseau. Source : [4]

Solutions Après le test initial de Clean Safe en 2015 (un agent de nettoyage d’Interflon), d’autres essais ont été menés en 2019 et 2020 à l’aide d’une nouvelle formule, à savoir Clean OTR d’Interflon. Un site a été sélectionné à Gorga (Écosse), en raison de son taux élevé de pannes de signalisation sur la voie située dans une forêt dense, à proximité d’Édimbourg, sur une partie très fréquentée du réseau. Le test consistait à évaluer si la solution de nettoyage du champignon de rail permettait d’éliminer la contamination par les feuilles et à vérifier si elle éliminait effectivement aussi l’oxydation de la surface du champignon de rail en acier, ce qui pourrait offrir un avantage supplémentaire en termes de traction, en augmentant le coefficient de frottement entre le rail et la roue du train. Clean OTR d’Interflon a été appliqué sur le champignon de rail à l’aide d’un pulvérisateur. Après deux minutes pendant lesquelles il a réagi avec les feuilles, il a été essuyé. La solution a été essayée dans sa forme pure sur des rails fortement contaminés et dans une forme diluée à 50 % dans de l’eau sur des zones où la contamination était légère.

Illustration 4: application de Clean OTR d’Interflon à l’aide d’un pulvérisateur dorsal, à Overton

Les photos ci-dessous ont été prises sur le site d’essai d’Overton (Hampshire, Royaume-Uni), où une solution diluée a été appliquée, puis essuyée après trente secondes. Le résultat obtenu est une surface entièrement propre et hautement adhérente.

Avant l’application d’OTR Après l’application d’OTR Illustration 5 : photos de l’essai réalisé à Overton

D’autres sites d’essai de l’application du produit de nettoyage du champignon de rail ont débuté en partenariat avec Strukton et Railrestore aux Pays-Bas et en Belgique. Railrestore propose actuellement un service de nettoyage du champignon de rail à haute pression (4 000 bars), qui élimine également les imperfections mineures du rail et améliore le profil de celui-ci. Comme au Royaume-Uni, les réseaux ferroviaires néerlandais et belge sont victimes de la chute des feuilles, si bien qu’une solution est nécessaire là aussi. Le but des essais menés en Belgique est d’examiner comment Clean OTR d’Interflon peut être appliqué à partir d’un train pendant que des trains de voyageurs circulent, sans entraîner de retard du trafic. Cette méthode présente l’avantage de permettre de réduire le nombre de trains sandite d’un ou deux par jour à trois ou quatre par semaine, en fonction du degré de contamination. Les perturbations du trafic causées par la circulation de trains sandite ou de dégagement des feuilles pendant la journée seraient en outre ainsi elles aussi réduites. Pour l’instant, les résultats des essais sont positifs et ont démontré que le lavage par jet haute pression du rail, suivi de la pulvérisation de la solution de Clean OTR d’Interflon, nécessite moins d’eau et est plus rentable en termes de produit utilisé et de gain d’efficacité. Des tests plus approfondis permettant de mesurer le coefficient de frottement après application seront réalisés au cours des prochains mois.

Illustration 6: essai mené par Interflon en partenariat avec Railrestore à Utrecht

Des essais ont été menés en octobre 2020 sur la section ferroviaire de Bedford à Bletchley, sur un site où le circuit de voie avait connu des pannes intermittentes durant une période de trois semaines de chute soudaine des feuilles. OTR d’Interflon a été appliqué et a permis instantanément aux circuits de voie de fonctionner à nouveau parfaitement. Les photos ci-dessous montrent la couche de feuilles noire avant application (photo de gauche) et le champignon de rail nettoyé (photo de droite) dont les imperfections sont à présent distinctement visibles. Le produit nettoyant a dissous la contamination par les feuilles et n’a pas nécessité l’utilisation d’un racloir, d’une brosse ou d’un jet d’eau. En outre, l’apparition de marques témoins (semblant être gravées) au centre du rail, là où le produit nettoyant pur est entré en contact avec le champignon de rail avant de se répandre, a été observée lors de l’application initiale.

Illustration 7: photos du rail avant et après application, Milton Keynes, octobre 2020

Le produit de nettoyage du champignon de rail possède divers avantages par rapport aux produits et processus actuels, à savoir :

• Il n’abîme pas l’acier, le caoutchouc, le plastique et les revêtements réfléchissants et est sûr autour des isolateurs de câble et de rail, des semelles de rail et des panneaux de signalisation ferroviaire.

• Comme il est biodégradable, son impact sur la vie sauvage et sur l’environnement est minimal.

• Il réduit le temps nécessaire pour nettoyer le champignon de rail et, par conséquent, provoque moins de perturbations du trafic des voyageurs.

• Il permet aux équipes de réparer rapidement les circuits de voie en panne et réduit ainsi le risque de problèmes de sécurité.

• Les imperfections/dégâts du champignon de rail sont mieux visibles car la surface est plus propre.

• Il ne contamine pas les coussinets de glissement des aiguillages.

• Il adhère mieux aux rails que la sandite.

• Une moins grande quantité d’eau et de produit est utilisée que lors de l’application des méthodes existantes.

• Le traitement manuel et le syndrome des vibrations main-bras lors du raclage manuel des rails disparaissent.

• Moins de trains de dégagement des feuilles sont nécessaires, réduisant ainsi les perturbations du trafic des voyageurs.

Mode d’action Clean OTR d’Interflon est un produit nettoyant acide combiné à des composés tensioactifs F-Active, qui pénètre dans la contamination à la surface des rails. Clean OTR d’Interflon peut dès lors être utilisé à l’endroit où il est le plus utile, à savoir à l’interface entre le métal du champignon de rail et les contaminants, et ainsi éliminer complètement la contamination plutôt que de nettoyer superficiellement le champignon de rail. Une fois appliqué, il nettoie le champignon de rail grâce à divers mécanismes. En raison de sa nature acide, Clean OTR d’Interflon réagit avec les substances chimiques présentes sur la surface métallique. Cette passivation non seulement crée une surface sur laquelle les contaminants ont moins de chances d’adhérer à l’avenir, mais elle détache aussi activement les contaminations du métal. La nature acide de Clean OTR d’Interflon lui permet également de décomposer les composés organiques en formant des particules plus petites qui sont capturées par les composés tensioactifs, éliminant ainsi rapidement les contaminants du rail. En résumé, Clean OTR d’Interflon sépare activement, décompose et capture les contaminants, afin d’obtenir un rail parfaitement propre pour longtemps.

À propos d’Interflon Rail Interflon fabrique des lubrifiants et des revêtements hautes performances dotés de la technologie MicPol®, des nettoyants et du matériel. MicPol®, notre technologie de lubrification unique, offre le frottement le plus faible possible, repousse l’eau, les particules abrasives et la glace et possède d’excellentes propriétés de pénétration. Nous vous proposons des lubrifiants aux performances exceptionnelles pour toutes les applications industrielles sur les rails, qui vous permettent également de réduire les coûts de maintenance. Nos lubrifiants durent jusqu’à dix fois plus longtemps que les lubrifiants classiques et sont réputés pour allonger de manière considérable la durée de vie des composants. Grâce à une expérience dans un large éventail de secteurs, dans plus de cinquante pays, et à quarante années d’expérience comme partenaire en lubrification, Interflon est en mesure de vous proposer des solutions intégrées. Nos conseillers techniques, ingénieurs en applications et conseillers en lubrification utilisent plus de 2 400 des meilleures méthodes de lubrification et vous aident à avancer dans un mode en mutation permanente. Ils vous proposent également des programmes de formation, des conseils, des logiciels et du matériel. Interflon aide les entreprises à réduire leurs coûts de maintenance et d’énergie, mais aussi le temps d’arrêt des machines. Nous employons 400 conseillers techniques qualifiés à travers le monde, afin d’assister nos clients sur site, en optimisant leurs processus et en mettant en œuvre les lubrifiants Interflon adéquats, pour obtenir des solutions qui permettent de réaliser de véritables économies et d’améliorer la maintenance. Nos solutions, combinées à notre technologie MicPol®, permettent à votre entreprise d’atteindre ses objectifs et de respecter les normes les plus strictes en matière de sécurité, d’efficacité et d’émissions. Notre expertise croissante dans le secteur ferroviaire est reconnue mondialement et permet à nos ingénieurs ainsi qu’à nos conseillers techniques de travailler en étroite collaboration avec nos clients, afin de développer des solutions pour diverses applications dans l’infrastructure ferroviaire. Si vous souhaitez savoir comment éviter les feuilles sur vos rails, contactez-nous. Nous serons ravis de vous conseiller sur la manière de réaliser des économies et d’améliorer vos performances. Nous vous mettrons également en contact avec un de nos conseillers techniques. www.interflon.com

À propos de l’auteur

Darren Sharp, ingénieur civil MICE, ingénieur civil FPWI

Darren est ingénieur civil agréé et ingénieur agréé pour la Permanent Way Institution. Il possède trente années d’expérience en ingénierie des superstructures ferroviaires, dans les domaines de la conception, de l’innovation, de la fabrication, de la construction et de la maintenance. Il a travaillé pour British Rail, Scott Wilson, Jarvis, Transport for London et divers bureaux de conseil, dans diverses disciplines liées au secteur ferroviaire. Pendant plus de vingt ans, le travail de Darren s’est principalement concentré sur le métro londonien, avec la gestion de projets d’ingénierie et en tant qu’ingénieur principal pour les aiguillages et passages à niveau. Plus récemment, il a collaboré avec New York City Transit en vue de l’amélioration de la fiabilité des signaux et avec la Network Rail Technical Authority dans le cadre du projet européen In2Track2 portant sur la recherche de la prochaine génération de technologie des voies ferrées.

Références [1] RAIB, 2010, ‘Station Overrun at Stonegate, East Sussex 8th November 2010’, Rail Accident Report 18/2011. [2] RAIB, 2013, ‘Buffer Stop Collision at Chester Station 20th November 2013’, Rail Accident Report 26/2014 [3] White, B.T., Nilsson, R., Olofsson, U., Arnall, A.D., Evans, M.D., Armitage, T., Fisk, J., Fletcher, D.I., Lewis, R., 2017 A Study into the Effect of the Presence of Moisture at the Wheel/Rail Interface during Dew and Damp Conditions’, Journal of Rail and Rapid Transit, Proceedings of the IMechE, Part F., Vol. 232, pp979–989. [4] Dr P.Krier, P.Feriday, R.Lewis, Dr J.Lanagain, 2020, Development and implementation of novel cryogenic railhead cleaning technology, he PWI Journal April 2020 VOLUME 138 PART 2 [5] RSSB, 2020, https://www.rssb.co.uk, 10/2020,