CONDITIONS GÉNÉRALES D'ÉTABLISSEMENT DE LA VOIE

166. — ]lescplpti«n aommatre de la vote. — Toute voie ferrée est formée de deux files de rails entretoisées de manière à ce que leur écartement soit invariable, et reposant sur le sol par l'intermédiaire de supports qui répartissent la pression sur le ballast.

Dans les voies primitives, les supports étaient des dés en pierres ; les dés avaient l'inconvénient de coûter cher et de n'établir aucune solidarité entre les deux files de rails. Ils ont depuis longtemps disparu ; cependant il en existe encore quelques-uns dans des voies de garage en Bavière.

Les supports longitudinaux ou longrines ont été

essayés à diverses reprises, et notamment il y a une quinzaine d'années en Allemagne, où ils ont été employés sur une très vaste échelle. Ils n'ont pas donné de bons résultats pour des causes que nous expliquerons plus loin ; et quoiqu'il existe encore dans ce pays un très grand développement de voies sur longrines, celles-ci sont à peu près abandonnées pour la pose des voies nouvelles. Il en a été de même des essais de rails rigides, à grand moment d'inertie, reposant directement sur le ballast, notamment des rails Barlow et Hartwich qui peuvent être considérés comme une variété des voies sur longrines. Le système de voie à peu près exclusivement employé aujourd'hui est la voie sur traverses. C'est le seul que nous décrirons en détail, et nous nous bornerons à donner sur les autres systèmes quelques renseignements sommaires.

Le rail peut être fixé à la traverse soit directement, soit par l'intermédiaire d'un coussinet. Le premier type est le rail Vignole, à base plate ; le second est le rail à coussinets. Avant de décrire ces deux types et les éléments qui s'y rattachent, nous examinerons les conditions de stabilité de la voie, dont la connaissance est nécessaire pour leur étude.

1 67 . — Effort* «apporl;é9 par la vote. — Les efforts qui agissent sur la voie sont de trois natures : ils peuvent être verticaux, transversaux ou longitudinaux.

Efforts verticaux. — Les efforts verticaux supportés par le rail sont ceux qui résultent du passage des roues des véhicules. Examinons d'abord les efforts produits par les roues des machines.

La charge des essieux des machines va en croissant à raison de l'augmentation du trafic et de la vitesse ;

elle a été pendant longtemps limitée à douze tonnes sur les lignes à voie normale, puis à quatorze. Ce dernier chiifre est encore admis comme limite par l'Association des chemins de fer allemands ; mais depuis quatre ou cinq ans on fait, en Angleterre et en France, des machines dans lesquelles la charge par essieu atteint seize et même dix-sept tonnes, soit huit tonnes à huit tonnes et demie par roue. Cette charge est la charge statique, mesurée au repos ; en marche elle peut être augmentée :

1** par la variation que subit la répartition du poids de la locomotive entre les essieux qui la portent. Au droit des dénivellations de la voie, Tessieu qui passe au point le plus bas est en partie déchargé malgré l'action des ressorts. Cet effet est plus sensible pour les machines à trois essieux que pour les machines à quatre essieux, parce que les premières peuvent basculer autour de l'essieu du milieu *.

2^ par la composante verticale des efforts obliques de la bielle sur les essieux moteurs. /^"''/^A,.,,^^^ ^

3^ par des efforts dus à l'i- ( [ )'jï:^^:^^:::niâ

nertie des pièces de mouve- Vj'O^

ment liées à la roue. ^*»- ^^•

4^ dans les courbes, par l'inégalité de répartition du poids d'un même essieu entre les deux roues qu'il relie. Dans les alignements droits, la résultante des charges des roues passe par l'axe de la voie. Mais dans les courbes vient s'ajouter la force centrifuge. Comme le devers est toujours ou trop fort ou trop faible, en

1. Dans certaines machines on cherche à atténuer la variation des charges par remploi de balanciers ; mais l'efficacité de ce système est contestée.

raison de Pinégalité de la vitesse des trains, la résultante du poids et de la force centrifuge tombe ou en dedans ou en dehors de Taxe, ce qui surcharge soit la roue intérieure, soit la roue extérieure.

Il est difficile de mesurer avec

tn^ h pi'écision l'augmentation acciden- 1/ telle de la charge des essieux qui ÏÏ' peut résulter de ces diverses causes

A m g^ et qui varie avec le type des machines, avec les conditions de la voie, etc. M. Brière, Ingénieur en chef à la Compagnie d'Orléans, qui a fait à ce sujet des expériences très précises, a trouvé que la charge statique était, à certains moments, presque doublée sur l'essieu d'avant d'une machine. Un expérimentateur allemand, M. de Weber, est arrivé au même résultat ; M. Considère, Ingénieur en chef des Ponts et Chaussées, a trouvé davantage encore. On peut donc admettre que l'effort vertical supporté par les rails au passage des roues les plus chargées d'un train, qui est à l'état statique de 6 tonnes à 8 tonnes 500, peut dans certains cas atteindre et même dépasser une valeur de 15 à 18 tonnes. Si les efforts verticaux agissaient seuls, il n'y aurait à considérer, au point de vue de la résistance de la voie, que leurs valeurs moyenne et maximum ; mais la valeur minimum a aussi une grande importance, car, ainsi que nous le verrons plus loin, ces efforts se composant avec des efforts horizontaux, la direction de la résultante peut être modifiée au point de devenir dangereuse

Fig. 129.

par la diminution de la composante verticale. C'est pour l'essieu d'avant des machines que cette diminution offre des inconvénients ; dans les machines à trois essieux, surtout lorsque le centre de gravité est en arrière de Pessieu du milieu, elle peut atteindre une valeur très considérable. M. Brière a trouvé que, pour un des types en usage sur le réseau d'Orléans, la charge de Tessieu d'avant se trouvait, à certains moments, réduite de 6 tonnes 500 à 1 tonne 500, et des expériences récentes, faites sur le réseau du Midi avec des types de machines dont la stabilité avait été reconnue insuflSsante, ont montré que la charge sur l'essieu d'avant peut dans certains cas devenir nulle et même négative par l'action des forces d'inertie en jeu.

Les essieux moteurs des machines sont toujours plus chargés que ceux des tenders et des véhicules des trains ; toutefois l'action des freins, en supprimant le roulement et en paralysant, au moins en partie, l'effet des ressorts, donne aux efforts dynamiques une influence beaucoup plus grande. D'après les expériences faites par M. Couard, Ingénieur à la Compagnie P. L. M. et par M. Flamache, Ingénieur des chemins de fer de l'État Belge, les efforts verticaux produits sur la voie par les tenders et wagons freinés pourraient atteindre le triple de l'effort statique correspondant à leur poids et dépasser ainsi les efforts produits par les essieux moteurs des machines.

Sur les lignes desservies par des machines spéciales, et notamment sur les lignes d'intérêt local à voie normale et sur les lignes à voie étroite, la charge statique par essieu ne dépasse pas de huit à dix tonnes, et, comme la vitesse est toujours modérée avec les machines

légères, la majoration accidentelle est certainement moindre que celle que nous avons indiquée ; le rail a donc à supporter un effort normal maximum de 5 tonnes, et il parait peu vraisemblable que les efforts accidentels dépassent 7 à 8 tonnes.

Sur les tramways, la charge statique des essieux est en général encore moindre, et ne dépasse pas la plupart du temps 6 tonnes, soit 3 tonnes par roue à l'état statique.

Il n'est utile de considérer dans les efforts transversaux que les effets produits par les machines. Les tenders et les wagons sont en effet guidés par les attelages, qui les maintiennent dans une direction voisine de leur direction normale.

tas. — EitorUi transversaux. — Les efforts transversaux peuvent agir soit vers l'extérieur soit vers l'intérieur de la voie. En ligne droite ils dépendent du mode de construction des machines, de leur attelage, des inégalités de la voie, du mouvement de lacet produit par le jeu alternatif des bielles et de beaucoup d'autres causes accessoires. Les efforts les plus dangereux sont ceux qui résultent des chocs, et, à ce point de vue, la rigidité des machines est avantageuse pour la sécurité ; les machines trop flexibles peuvent exercer un effort moyen plus faible, mais leur ballottement devient dangereux si une cause quelconque fait coïncider le mouvement de lacet résultant du déplacement des pièces du mécanisme avec celui qui résulte des inégalités de la voie.

En courbe, il se produit en outre des efforts spéciaux. Ils sont dus soit à la force centrifuge si le devers est trop faible pour la vitesse du train, soit au

contraire à la force centripète si le devers est trop fort, soit encore au glissement des roues sur les rails qu'entraîne le calage des essieux. Mais ces eflforts, qui s'exercent normalement, ne sont pas les plus à craindre, car, surtout aux grandes vitesses, la force centrifuge applique contre le champignon du rail le boudin de la roue extérieure qui se trouve ainsi guidée. Le ballottement cesse et avec lui les chocs transversaux beaucoup plus dangereux que les efforts statiques.

Les efforts transversaux peuvent se produire soit au contact du rail et du bandage de la roue, soit au contact du rail et du boudin. Dans le premier cas, ils ont une limite qui est celle du frottement : ils ne peuvent dépasser le produit de la charge P de la roue par le coefficient de frottement f. En prenant pour P la va^ leur maximum de 16 tonnes environ que nous avons trouvée précédemment, et pour f une valeur comprise entre 0,15 et 0,20 comme on le fait généralement, on voit que le maximum de ces efforts est compris entre 2500"et3500'^. Si la limite qui résulte du frottement est dépassée, le bandage glisse transversalement et le mentonnet vient s'appliquer contre le rail. On rentre alors dans le second cas et il n'y a plus de limite théorique. Il est très difficile d'évaluer le maximum des efiorts qui s'exercent ainsi dans la pratique. M. Brière, dans le travail cité plus haut, a constaté que, du moins pour certains types de machines, ils doivent atteindre et dépasser fréquemment 1500^. Mais les mesures de M. Brière s'appliquent aux efforts normaux ; un Ingénieur anglais, M. Mackensie, en analysant les effets de certains déraillements est arrivé à conclure que l'effort doit quelquefois s'élever à 7000 ou 8000»^.

169. — Eflérts tongitudinaux. — Les efforts longitudinaux résultent de l'adhérence ; ils sont égaux soit à Peffort que la machine exerce pour se mouvoir et remorquer le train qui la suit, soit, lorsque les freins agissent, à Peffort retardateur qu'ils produisent.

t^O. — Hode d'action «nr la vote des effarts qu'elle a à suppartor. — Efforts verticaux agissant isolément. — Lorsque les efforts verticaux agissent isolément, ils tendent à faire travailler le rail à la flexion comme une poutre posée sur plusieurs appuis. Il faut non seulement que le rail résiste, mais encore que sa limite d'élasticité ne soit pas dépassée, sans quoi il éprouverait une déformation permanente. Il faut aussi, pour que le rail ne soit pas faussé, que les points d'appui soient fixes ou du moins n'éprouvent pas de dénivellation importante ; car, quel que soit son moment d'inertie, le rail n'est jamais assez robuste pour résister sans déformation, si plusieurs appuis cèdent sous le passage des trains. C'est un des buts de l'entretien de la voie que de maintenir la fixité des traverses ; on retarde ainsi la déformation du rail qui se produit à la longue sur toutes les voies, et au bout de peu de temps sur celles qui sont mal entretenues. On n'arrive jamais à éviter certaines déformations locales, notamment- au droit des éclisses.

Sur les appuis, le rail est soumis à un effort d'écrasement qui se transmet à la surface de contact avec la traverse. Mais la répartition de la pression sur la base n'est pas uniforme comme on pourrait le croire au premier abord. Gela tient : 1° à ce que, pour des raisons dont il sera parlé dans la suite. Taxe du rail est

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incliné par rapport à la verticale, de façon à ce que le champignon soit penché vers Pintérieur de la voie ; 2^ à ce que la surface de contact entre le bandage de la roue et le rail et par conséquent aussi le point d'application G de la résultante CD des charges transmises par la roue n'est pas au milieu du champignon. Pour ces deux causes, la résultante ne coïncide pas avec Taxe du rail, mais vient tomber à Pintérieur de la voie, ce qui entraîne une inégale répartition des pressions sur la traverse. pjg. 130. Il en résulte en même temps une tendance au renversement du rail vers l'intérieur. Dans leur dernier type de voie, les chemins de fer de PEtat Belge ont supprimé l'inclinaison du rail sur la verticale, et comme, ainsi que nous le verrons plus loin, les bandages sont coniques, il en résulte qu'ils ne doivent porter sur le rail que dans la partie la plus voisine de l'arête du champignon. Jusqu'à présent on n'a pas constaté que cet abandon d'une pratique admise presque universellement ait offert d'inconvénients sérieux; il offre l'avantage, qui n'est pas à négliger avec la voie Vignole, de rapprocher l'axe du rail de la résultante des efforts verticaux qui agissent sur lui ; l'usure doit en outre atténuer à la longue les différences d'inclinaison de la table de roulement du rail et du bandage des roues.

Composition des efforts horizontaux avec les efforts transversaux. — Lorsque les efforts transversaux interviennent, ils ont pour effet d'incliner la résultante et, selon leur sens et leur intensité, de rapprocher son point d'intersection avec la base d'appui soit de l'arête

wn impii.

intérieure, soit du centre, soit de l'arête extérieure ou même de le rejeter en dehors.

La résultante de l'effort vertical et de l'effort transversal produits par une roue, varie en grandeur et en direction, non seulement avec la grandeur propre de chacun de ces efforts, mais encore avec leurs grandeurs relatives ; lorsque l'essieu d'avant d'une machine est déchargé en partie par ce qu'on appelle le mouvement de galop, c'est-à-dire, par les oscillations de la machine dans le sens vertical, la résultante peut se rapprocher beaucoup de l'horizontale. Les efforts horizontaux considérés isolément font travailler le rail à la flexion dans le sens transversal et produisent également un couple de torsion, puisqu'ils s'exercent à la partie supérieure du rail, tandis que la résistance des appuis s'exerce à la partie inférieure. En raison de la rigidité des rails et de leur continuité, l'effort exercé en un point se répartit, non seulement sur les deux appuis entre lesquels ce point est compris, mais encore sur les appuis voisins. C'est grâce à cette solidarité des appuis que les attaches résistent, car, dans certains types, elles ne sont pas capables de supporter un effort horizontal dépassant sensiblement 3000^.

Jusqu'ici nous n'avons envisagé que les efforts sur une file de rails isolée. Par suite de la solidarité des deux files de rails établie par les traverses, et des deux roues d'une même paire établie par les essieux, la somme des efforts horizontaux exercés par les roues tend à riper la voie, c'est-à-dire à la déplacer dans le sens transversal.

.^f IJM 1.

171 . — Kflért* longitudinaux. — Les efforts longitudinaux tendent à entraîner la voie en sens inverse de la marche du train. Leur influence est contrebalancée par le frottement du rail sur la traverse ou dans le coussinet. Néanmoins, lorsque les rails ne sont pas maintenus autrement, il se produit à la longue, surtout sur les lignes à deux voies où chacune de celles-ci n'est parcourue que par des trains de même sens, un glissement du rail qui annule peu à peu le jeu réservé aux joints pour la dilatation. Cet effet est dangereux, car lorsque les abouts des rails se touchent, il sufl&t d'une faible augmentation de la température pour soulever la voie tout entière qui n'a plus alors aucune stabilité. Autrefois on corrigeait les effets du glissement en ramenant les rails en place de temps en temps. Dans la voie à coussinets, on fait aujourd'hui buter les éclisses contre les coussinets. Dans la voie Vignole, on a pendant quelque temps ménagé dans le patin du rail des encoches à travers lesquelles passaient les cram^ pons ou les tirefonds. Gela avait ^inconvénient d'affaiblir le rail. L'emploi des éclisses cornières qu'on fait assez longues pour qu'elles portent sur les traverses de joint a permis d'y pratiquer des encoches pour les tirefonds. L'éclisse est ainsi fixée et, de même que dans la voie sur coussinets, le déplacement du rail ne peut dépasser le jeu des trous de boulons d' éclisses.

t*7Z. — Stobliité delà vole. — Pour que la voie soit stable, il ne suffit pas qu'aucun de ses éléments ne se rompe, il faut encore que toutes ses parties restent, au moment du passage des trains, à la place qu'elles occupent. Le rail, sous l'action des efforts horizontaux qu'il subit, ne doit donc ni se renverser, ni se déplacer

latéralement, car dans le premier cas les roues qu'il supporte seraient rejetées en dehors de la voie, et dans le second elles tomberaient en dedans. La voie tout entière doit en outre rester dans une position invariable et ne pas glisser sur le ballast sous l'influence des efforts transversaux, car, s'il en était autrement, elle prendrait une forme tellement irrégulière que les machines, rejetées brusquement d'une file de rails sur Pautre, ne tarderaient pas à dérailler.

Les conditions que nous venons d'indiquer sont les conditions nécessaires pour qu'il n'y ait pas déraillement ; mais cela n'est pas encore suffisant. Dans une voie bien établie, il ne doit pas y avoir usure anormale des éléments qui la composent ; il faut donc que la résultante des efforts horizontaux et verticaux qui agissent sur le rail ne se rapproche jamais de l'arête du patin, ou du coussinet qui repose sur la traverse, de manière à produire l'écrasement de celle-ci ; il faut aussi que les efforts transversaux ne puissent pas disloquer les attaches ; il faut enfin que la variation incessante des efforts en grandeur et en direction ne produise sur le rail et sur ses attaches que des déplacements relatifs aussi faibles que possible, car les parcelles de sable provenant du ballast qui s'interposent entre les surfaces en contact produisent par le frottement une usure inévitable.