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PROCÉDÉ D'IMMOBILISATION D'UN RAIL DE VOIE FERRÉE AVEC CONDITIONNEMENT
THERMIQUE D'UNE PORTION DE RAIL, ET MACHINE FERROVIAIRE ASSOCIÉE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte à la pose d'un rail d'une voie de chemin de
fer, et
plus particulièrement à une opération de conditionnement thermique d'une
portion du
rail avant sa pose. Elle se rapporte à la foi à une machine ferroviaire
permettant cette
opération de conditionnement thermique et à un procédé d'immobilisation
incluant
cette opération. Elle vise à la fois la pose d'un rail neuf sur une voie
préexistante, la
pose d'un rail neuf sur une voie neuve, et une opération de maintenance sur un
rail
préexistant, qui inclut une opération de dépose suivi d'une opération de pose.
La
machine ferroviaire peut être une machine autonome, un train de renouvellement
ou
un train de pose.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
[0002] Les rails des voies ferroviaires sont soumis à d'importantes
variations de
température selon les saisons et les conditions météorologiques. Les rails
tendent à
s'allonger et à se dilater sous l'effet d'une hausse de température, et, à
l'inverse, à se
contracter sous l'effet d'une chute de température.
[0003] De nos jours, les rails sont posés soudés bout à bout de façon
continue et
fixés ainsi aux traverses, de sorte que les rails ne peuvent pas varier de
longueur sous
l'effet des variations de température. Sous l'effet d'une augmentation de la
température
ambiante au-delà de la température de pose, les rails, ne pouvant se dilater,
subissent
une force de compression tendant à pousser la voie hors de son chemin. A
l'inverse,
sous l'effet d'une baisse de température en deçà de la température de pose,
les rails, ne
pouvant se contracter, subissent une force de traction tendant à tirer la voie
hors de
son chemin.
[0004] Pour minimiser l'impact des variations de température, on
cherche à
immobiliser les rails sur la voie à une température prédéterminée dite neutre
, dont
la valeur diffère selon les régions climatiques, et qui peut correspondre par
exemple à
une température moyenne ou médiane du lieu de pose, constatée sur une longue
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période, le cas échéant de plusieurs années. On est ainsi assuré que la plage
de variation
des contraintes à l'intérieur du rail, et la variation des efforts sur la
voie, seront
minimisées.
[0005] Dans le document EP 0 467 833 est illustré un train de travaux
comportant
un poste de chauffage par induction d'un rail préalablement soulevés, et une
zone
d'immobilisation du rail sur les traverses de la voie en vue de sa fixation
ultérieure à
l'aide d'attaches. Le chauffage par induction génère dans une portion du rail
traversant
une zone de chauffage du poste de chauffage, un courant induit qui élève la
température de la portion de rail par effet Joule. Mais la circulation des
électrons dans
.. le rail n'est pas uniforme et l'on observe un effet de peau qui est
d'autant plus sensible
que la fréquence d'induction s'élève. Il en résulte une distribution de la
température
fortement inhomogène au sein du rail à la sortie de la zone de chauffage. La
zone
d'immobilisation du rail est située à distance du poste de chauffage, de
manière que la
température ait le temps de s'homogénéiser dans le rail, en d'autres termes de
manière
que la différence entre la température de surface et la température dans le
coeur du rail
soit inférieure à un seuil prédéterminé, l'objectif étant qu'au niveau de la
zone
d'immobilisation, le rail ait atteint une température homogène égale à la
température
neutre prédéterminée du lieu. A titre d'exemple, pour un train de travaux
circulant à 6
mètres par minutes, on prévoit une distance de 17 mètres entre sortie du poste
de
chauffage et la zone d'immobilisation du rail, ce qui correspond à un temps
d'homogénéisation de 170 secondes.
[0006] D'autres méthodes de chauffage peuvent être mises en oeuvre. On
a ainsi
proposé d'exposer le rail à un rayonnement infrarouge. On constate toutefois
que le
rayonnement infrarouge pénètre peu dans la matière, et n'engendre qu'un
chauffage
.. superficiel, avec un effet de peau d'environ 100 nm. D'autres formes de
chauffage,
notamment par aspersion d'eau ou par exposition à la flamme d'un brûleur, ont
été
proposées, mais se traduisent également par un chauffage limité à la surface
du rail.
[0007] Partant du postulat qu'il est nécessaire d'attendre
l'homogénéisation de la
température dans le rail à la température de neutralisation avant
l'immobilisation du
rail sur les traverses, l'idée de la nécessité de prévoir un temps
d'homogénéisation, et
donc une distance importante entre le poste de chauffage principal et la zone
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d'immobilisation d'une machine ferroviaire de travaux, s'est imposée dans
l'état de la
technique.
[0008] Cette disposition n'est toutefois pas sans inconvénients. Elle
impacte tout
d'abord la taille de la machine ferroviaire, qui est pourvue de moyens pour
faire
cheminer le rail entre le poste de chauffage et la zone d'immobilisation. Par
ailleurs,
des dispositions doivent être prises pour limiter et contrôler les pertes
thermiques
dans l'espace séparant la zone de chauffage de la zone d'immobilisation, afin
de limiter
la consommation énergétique et d'assurer qu'au niveau de la zone
d'immobilisation, la
température homogène atteinte soit bien la température consignée dite neutre
.
Enfin, des difficultés opérationnelles apparaissent à chaque fois que la
machine
ferroviaire est amenée à s'arrêter de manière imprévue, puisque la portion de
rail
située entre le poste de chauffage et la zone d'immobilisation, après un
certain temps,
n'est plus à la température souhaitée, et qu'une procédure spécifique doit
être mise en
oeuvre à chaque redémarrage. C'est d'ailleurs ce qui a amené, dans le document
W02017/017600A1, à proposer d'interposer, entre le dispositif de chauffage et
la zone
d'immobilisation, un tronçon intercalaire d'isolation thermique, ou de
traitement
thermique complémentaire visant à compenser les pertes thermiques entre le
poste de
chauffage et la zone d'immobilisation.
[0009] Lorsqu'il est nécessaire de refroidir le rail avant
l'immobilisation, les
méthodes de refroidissement passent également par un refroidissement de la
surface
du rail, donc à un refroidissement non homogène du rail, avec des difficultés
similaires.
[0010] Pour résoudre ces problèmes, il serait théoriquement possible de
faire
appel à des technologies permettant une chauffe uniforme du rail, par exemple
par
passage d'un courant continu dans le rail. Mais une telle technologie s'avère
difficile à
mettre en oeuvre en pratique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
[0011] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la
technique et à
simplifier l'immobilisation d'un rail à une température de consigne dite
neutre .
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[0012]
Pour ce faire est proposé, selon un premier aspect de l'invention, un
procédé d'immobilisation d'un rail d'une voie ferrée à l'aide d'une machine
ferroviaire,
suivant lequel :
- on déplace la machine ferroviaire dans une direction de travail, de
manière qu'a chaque instant une portion du rail, non fixée à une traverse
de la voie ferrée, traverse une zone de conditionnement thermique d'un
dispositif de conditionnement thermique de la machine ferroviaire ;
- on modifie une température d'une région superficielle de la portion du
rail traversant la zone de conditionnement thermique à l'aide du
dispositif de conditionnement thermique, en générant une distribution
de température non homogène dans la portion de rail ; et
-
on immobilise la portion du rail sur une traverse de la voie ferrée, après
modification de la température de la région superficielle de la portion du
rail, mais sans attendre que la distribution de la température dans la
portion du rail soit homogénéisée.
[0013]
Les inventeurs ont en effet soupçonné, puis vérifié par le calcul et par des
essais expérimentaux, qu'il n'était pas nécessaire d'attendre
l'homogénéisation de la
température dans le rail pour obtenir l'effet recherché, à savoir un
allongement du rail,
ou une longueur de la portion de rail en cours de pose, correspondant à
l'allongement
et la longueur constatés à la température neutre. L'étude théorique s'appuie
sur deux
résultats :
- la conservation de la température moyenne du rail pendant
l'homogénéisation ;
-
la proportionnalité entre l'allongement du rail et la contrainte moyenne
dans la section transversale observée.
[0014]
Si on désigne par C la capacité thermique de l'acier (en J/kg/K), par p la
masse volumique de l'acier (en kg/m3), et par V le volume de rail considéré
(en m3),
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l'énergie thermique présente dans le rail en sortie de la zone de
conditionnement
thermique est, par définition :
Ec, = N c. To. p. dv = C. p. iff To. dv
v v
[0015] On peut définir une température moyenne du rail Tc, moy telle
que:
1
To moy = _vifiTo.dv
v
[0016] Il s'en déduit :
Ec, = C. p.V .To moy
[0017] Si l'on désigne par T1 = Ti moy la température uniforme du rail
obtenue
.. après homogénéisation, et par El l'énergie thermique du rail après
uniformisation, on
obtient :
E1 = C. p.V .Ti moy
[0018] Or si l'on observe que la constante de temps d'homogénéisation
de la
température (2 à 3 minutes) est très petite devant la constante de temps de
refroidissement du rail dans son ensemble (100 à 200 minutes), on peut
considérer
que la transformation correspondant à l'homogénéisation est adiabatique, de
sorte
qu'il y a conservation de l'énergie thermique. Dès lors :
Ec, = E1
[0019] On a donc, après simplification :
To moy = Ti moy
[0020] On a ainsi établi que la température moyenne en sortie de la
zone de
conditionnement est égale à la température d'homogénéisation du rail.
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[0021] Si on désigne par S la surface de la section de rail, par E le
module de Young,
et par a est le coefficient d'élongation du rail, on peut exprimer la
contrainte moyenne
dans la section du rail de la manière suivante :
1 1 1
U = ¨ . if o-(s).ds = ¨ . if E . a. AT (s). ds = E . a.[¨ . if AT (s). dsl
S s S s S s
[0022] On peut définir une variation de la température moyenne A Tmoy
dans la
section de rail, qui est égale à la moyenne des variations locales de
température dans
la section de rail de sorte que :
1 cc
A Tmoy = ¨ . if AT (s). ds
s
S
[0023] On écrit alors la contrainte moyenne en fonction de la variation
moyenne
de température :
a = E. a. A Tmoy
[0024] Par ailleurs, la loi de Hooke sur l'élasticité permet de relier
la contrainte
moyenne à l'allongement relatif (en négligeant les variations de la section) :
AL
a = E .¨
L0
[0025] On en déduit la relation de proportionnalité entre l'allongement
relatif et la
variation de la température moyenne de la section :
AL
¨ = a. ATmoy
L0
[0026] En d'autres termes, l'allongement d'une section du rail est
proportionnel à
la température moyenne constatée dans la section du rail, mais indépendant de
la
distribution des températures dans la section du rail.
[0027] En pratique, la machine ferroviaire se déplace dans la direction
de travail à
une vitesse constante, que l'on peut qualifier de nominale, pour des
conditions de
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travail données (géométrie de la voie, nature des travaux à effectuer). A
titre indicatif,
cette vitesse est habituellement dans une fourchette de 100 à 1200 m/heure.
[0028] De préférence, on immobilise la portion du rail sur la traverse
moins de 50
secondes, de préférence moins de 30 secondes après que la portion du rail a
quitté la
zone de conditionnement thermique. On a intérêt à ce que le temps qui s'écoule
entre
la sortie de la zone de conditionnement thermique et la fixation du rail sur
la traverse
soit minimal, pour limiter les échanges thermiques convectifs avec le milieu
ambient.
[0029] Dans certaines conditions, la distribution de température à la
sortie de la
zone de conditionnement thermique peut être très inhomogène, et rester très
inhomogène au moment de l'immobilisation du rail. Par exemple, on peut
constater
qu'il existe au moment de l'immobilisation de la portion du rail une
différence de plus
de 50 C entre au moins un point de la surface de la portion de rail et au
moins un point
de l'âme de la portion de rail.
[0030] Suivant un mode de réalisation, que la modification de la
température d'une
région superficielle de la portion du rail traversant la zone de
conditionnement
thermique est telle que la température moyenne de la portion de rail à la
sortie de la
zone de conditionnement thermique est égale à +/- 5 C près, et de préférence à
+/-3 C
près, et de préférence à +/-2 C près, et de préférence à +/-1 C près, et en
préférence
exacte, à une température de consigne prédéterminée du lieu de pose.
[0031] Par température moyenne, on entend ici l'intégrale volumique des
températures élémentaires dans la portion du rail :
1 ccr
T moy = _v N T (v). dv
V
[0032] Le passage dans la zone de conditionnement thermique
s'accompagne d'un
transfert de chaleur égal à la quantité de chaleur nécessaire pour amener le
tronçon de
.. rail à une température moyenne égale à +/- 5 C près, et de préférence à +/-
3 C près, et
de préférence à +/-2 C près, et de manière particulièrement préférée à +/-1 C
près, et
de préférence exacte, à une température de consigne prédéterminée du lieu
d'immobilisation, à la sortie de la zone de conditionnement thermique.
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[0033] Dans la mesure où la transition entre la sortie de la zone de
conditionnement thermique et la zone d'immobilisation est de courte durée, on
peut
considérer que les échanges thermiques entre le rail et l'environnement sont
faibles.
Dès lors, la modification de la température d'une région superficielle de la
portion du
rail traversant la zone de conditionnement thermique se traduit par un
transfert d'une
quantité de chaleur égale à la quantité de chaleur nécessaire pour amener le
tronçon
de rail, dans des conditions adiabatiques, à une température d'homogénéisation
égale
à une température comprise dans intervalle de tolérance prédéterminé, de
préférence
de +/-5 C, de préférence de +/-3 C, de préférence de +/-2 C, de préférence de
+/-1 C
autour de, et de préférence exacte à, une température de consigne
prédéterminée.
[0034] En d'autres termes, la zone de conditionnement thermique est le
lieu d'un
transfert d'énergie thermique qui peut être positif ou négatif, et dont la
valeur AE est
égale à la différence entre l'énergie thermique EA du rail avant l'entrée dans
la zone de
conditionnement thermique et l'énergie thermique EN du rail dans un état idéal
à une
température homogène égale à la température neutre TN (ou à la différence
entre
l'énergie thermique EA du rail avant l'entrée dans la zone de conditionnement
thermique et l'énergie thermique Ec du rail dans un état cible à une
température
homogène égale à une température cible Tc égale à la température neutre TN à
+1- 5 C
près, et de préférence à +/-3 C près, et de préférence à +/-2 C près, et de
manière
particulièrement préférée à +/-1 C près, et de préférence exacte). En faisant
l'hypothèse que le rail se trouve en équilibre thermique avec son
environnement avant
l'entrée dans la zone de conditionnement thermique, donc à une température
homogène égale à la température ambiante TA, on peut écrire :
EN= C. p.V .TN
EA = C. p.V.TA
LE = EN ¨EA = C. p.V.(TN ¨TA)
[0035] De préférence, le dispositif d'échange thermique est commandé en
fonction
d'une ou plusieurs variables de commande, incluant une ou plusieurs des
variables
mesurées ou estimées suivantes : une température de la portion du rail à
l'entrée dans
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la zone de conditionnement thermique, une température de la portion du rail à
la sortie
de la zone de conditionnement thermique, une température de la portion du rail
dans
la zone de conditionnement thermique, une température de la portion du rail au
niveau
de la zone d'immobilisation, une température de la portion rail après la zone
d'immobilisation, une température ambiante extérieure, une vitesse de
déplacement
de la machine ferroviaire, une vitesse de déplacement du rail par rapport au
dispositif
de conditionnement thermique, une durée de passage dans la zone de
conditionnement
thermique, un écart entre une température de consigne et une température
mesurée
de la portion du rail avant conditionnement thermique, un écart entre une
température
de consigne et une température mesurée de la portion du rail après
conditionnement
thermique, un écart entre une température de consigne et une température
mesurée
de la portion du rail durant l'apport de la chaleur, un écart entre une
température de
consigne et une température de la portion du rail au niveau de la zone
d'immobilisation, un écart entre une température de consigne et une
température de
la portion rail après la zone d'immobilisation, une humidité ambiante, ou une
vitesse
de vent.
[0036]
Suivant un mode de réalisation, l'on mesure une ou plusieurs des
températures suivantes :
-
au moins une température de la portion du rail après l'apport de chaleur
à l'aide d'au moins un thermomètre (par exemple un pyromètre ou un
thermocouple) disposé au niveau d'une zone de sortie de la zone de
conditionnement thermique ou derrière la zone de conditionnement
thermique dans la direction de travail ;
-
au moins une température de la portion du rail avant l'apport de chaleur
à l'aide d'au moins un thermomètre (par exemple un pyromètre ou un
thermocouple) disposé au niveau d'une zone d'entrée de la zone de
conditionnement thermique ou devant la zone de conditionnement
thermique dans la direction de travail ;
- au moins une température de la portion du rail durant l'apport de
chaleur à l'aide d'au moins un thermomètre (par exemple un pyromètre
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ou un thermocouple) disposé à l'intérieur de la zone de conditionnement
thermique ;
-
au moins une température de la portion du rail après l'immobilisation, à
l'aide d'au moins un thermomètre (par exemple un pyromètre ou un
thermocouple) disposé au niveau de la zone d'immobilisation ou après
la zone d'immobilisation dans la direction de travail.
[0037]
Suivant un mode de réalisation, la portion du rail traversant la zone de
conditionnement thermique est soulevée par rapport à la voie ferrée. On peut
prévoir
le cas échéant que la machine ferroviaire comprenne un dispositif de
positionnement
de la portion de rail sur la voie, situé entre le dispositif de
conditionnement thermique
et la zone d'immobilisation de la portion de rail sur une traverse de la voie.
Dans cette
hypothèse, le dispositif de positionnement doit de préférence être compact,
pour que
la zone de positionnement correspondante soit courte.
[0038]
Alternativement, le positionnement de la portion de rail sur la voie peut être
fait dans la zone de conditionnement thermique.
[0039]
Suivant un autre mode de réalisation alternatif, la portion du rail traversant
la zone de conditionnement thermique repose sur une traverse de la voie
ferrée.
L'immobilisation de la portion du rail sur la traverse est l'opération qui
succède
immédiatement à la traversée de la zone de conditionnement thermique par la
même
portion du rail.
[0040]
De préférence, on modifie la température d'une région superficielle de la
portion du rail traversant la zone de conditionnement thermique, par échange
thermique avec une source de chaleur, chaude ou froide, notamment par
rayonnement
thermique, conduction thermique et/ou convection, ou par courant électrique
alternatif induit ou généré dans la portion de rail.
[0041]
Suivant un autre aspect de l'invention, celle-ci a trait à une machine
ferroviaire comportant :
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- au moins un dispositif de conditionnement thermique comportant au
moins une zone de conditionnement thermique ;
- des moyens de traction pour déplacer la machine ferroviaire dans une
direction de travail à une vitesse de fonctionnement prédéterminée, de
manière qu'a chaque instant une portion du rail, non fixée à une traverse,
traverse la zone de conditionnement thermique ; le dispositif de
conditionnement thermique étant apte à modifier une température
d'une région superficielle de la portion du rail traversant la zone de
conditionnement thermique à l'aide du dispositif de conditionnement
thermique, en générant une distribution de température non homogène
dans la portion de rail ;
- une zone d'immobilisation de la portion du rail sur une traverse de la
voie ferrée, située derrière la zone de conditionnement thermique dans
la direction de travail, la zone d'immobilisation étant positionnée de
manière qu'a la vitesse de fonctionnement prédéterminée, la distance
entre la zone d'immobilisation et la zone de conditionnement thermique
est parcourue en moins de 170 secondes, de préférence moins de 120
secondes, de préférence moins de 60 secondes, de préférence moins de
50 secondes, de préférence moins de 30 secondes..
[0042] De préférence, le dispositif de conditionnement thermique est apte à
apporter à la portion de rail traversant la zone de conditionnement thermique
et/ou
apte à extraire de la portion de rail traversant la zone de conditionnement
thermique,
une quantité de chaleur supérieure suffisante pour augmenter et/ou diminuer
d'au
moins 5 C la température moyenne de la portion de rail, pour un rail UIC60,
lorsque la
machine ferroviaire avance dans la direction de travail à la vitesse de
fonctionnement
prédéterminée.
[0043]
Suivant un mode de réalisation, la machine ferroviaire comporte des
moyens de modification de la température d'une région superficielle de la
portion du
rail traversant la zone de conditionnement thermique, par courant électrique
alternatif
induit ou conduit dans la portion de rail, ou par échange thermique avec une
source de
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chaleur, chaude ou froide, notamment par rayonnement thermique, conduction
thermique et/ou convection.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0044]
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la
lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui
illustrent :
-
la figure 1, une vue schématique d'un chantier de pose d'un rail de voie
de chemin de fer, selon le procédé de l'invention ;
- la figure 2, une vue schématique de détail du chantier de la figure 1,
illustrant le conditionnement thermique et la fixation d'une portion de
rail suivant le procédé de l'invention ;
[0045]
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par
des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
[0046]
Sur la figure 1 est illustrée une vue globale d'un chantier de renouvellement
d'une voie de chemin de fer 2, chantier sur lequel on procède, au moyen d'un
train de
renouvellement 4 (représenté partiellement), à la dépose d'anciens rails 6
(secteur
avant) et d'anciennes traverses 8 et à leur remplacement par de nouvelles
traverses 10
et de nouveaux rails 12, le tout en continu au fur et à mesure de l'avancée du
train de
renouvellement 4 à vitesse constante dans une direction de travail 100. Le
train de
renouvellement 4 comporte des wagons 16 reposant sur des bogies 18, 20 qui
roulent
sur les anciens rails 6 en partie avant du train de renouvellement 4 et sur
les nouveaux
rails 12 en partie arrière du train de renouvellement 4. Une partie médiane du
train de
renouvellement 4 repose quant à elle sur des chenilles 22 qui, en l'absence de
rails sur
la voie 2 dans cette partie du chantier, roulent directement sur le ballast 24
et les
anciennes traverses 8 avant leur dépose.
[0047]
Sur un tronçon avant du chantier, des outils permettent de désolidariser les
anciens rails 6 des traverses 8. Au fur et à mesure de leur démontage, les
anciens rails
6 sont soulevés et reposés sur le ballast 24 sur les côtés de la voie. Sur le
tronçon
suivant du chantier, les anciennes traverses 8 sont à nu, ce qui permet de
procéder à
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leur dépose à l'aide d'un groupe d'outils de dépose et leur remplacement par
les
nouvelles traverses 10 à l'aide d'un groupe d'outils de pose. Les nouveaux
rails 12, qui,
avant le passage du train de renouvellement 4, ont été disposés au sol de part
et d'autre
de la voie 2, sur des galets pour permettre une dilatation thermique du rail
libre de
contrainte vers l'avant du train, sont soulevés et positionnés en respectant
la géométrie
souhaitée de la voie 2, avant d'être posés sur les nouvelles traverses 10.
L'immobilisation des nouveaux rails 12 est effectuée par le poids de la
machine
ferroviaire au niveau de la zone d'immobilisation 26, appelée également zone
d'ancrage, située au niveau d'un bogie 20, en partie arrière du train de
renouvellement
4. De façon connue, la fixation proprement dite des nouveaux rails 12 est
effectuée en
aval, à l'aide d'attaches.
[0048] Afin d'éviter ou de limiter le risque de détérioration de la
voie sous l'effet
des variations des conditions climatiques ou météorologiques, il est prévu de
procéder
à l'immobilisation des rails nouveaux ou rénovés 12 sur les traverses en
portant ces
.. profilés métalliques à une température de consigne, dite neutre .
[0049] Dans ce but, le tronçon de rail nouveau ou rénové à poser 12 est
porté à une
température de consigne dans une zone de conditionnement thermique 30 d'un
dispositif de conditionnement thermique 32, la zone de conditionnement
thermique
30 étant située en avant et à proximité de la zone d'immobilisation 26 du rail
sur une
ou plusieurs traverses 10, voire directement contiguë à la zone
d'immobilisation 26.
Le cas échéant, la zone d'immobilisation 26 proprement dite peut être précédée
d'une
zone de positionnement du rail, qui peut être située entre la zone de
conditionnement
thermique 30 et la zone d'immobilisation 26 (dans l'hypothèse où le rail est
soulevé
dans la zone de conditionnement thermique) ou en amont de la zone de
conditionnement thermique (dans l'hypothèse où le rail repose déjà sur les
nouvelles
traverses 10 dans la zone de conditionnement thermique 30). Alternativement,
la zone
de positionnement du rail coïncide avec la zone d'immobilisation 26 ou la zone
de
conditionnement thermique 30.
[0050] Lorsque l'intervention sur le chantier a lieu à un moment où la
température
ambiante est inférieure à la température consignée dite neutre , le
conditionnement
thermique comporte un chauffage du rail, le dispositif de conditionnement
thermique
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30 est aménagé en dispositif de chauffage, la zone de conditionnement
thermique 30
étant alors une zone de chauffage. Ce chauffage peut être réalisé les moyens
habituellement utilisés, qui ont en commun de ne pas générer une répartition
homogène de la température dans le rail, mais au contraire d'engendrer une
différence
de température significative entre certaines zones chauffées à la surface du
rail ou à
proximité de la surface du rail d'une part, et des zones moins chauffées
situées au coeur
du rail. Le chauffage peut notamment être réalisé par induction électrique
dans le rail,
par aspersion d'eau chaude, par rayonnement infrarouge, ou par exposition à un
fluide
caloporteur (eau, air, vapeur, gaz de combustion, flamme).
[0051] A l'inverse, lorsque la température ambiante est supérieure à la
température consignée dite neutre , le conditionnement thermique comporte un
refroidissement du rail, le dispositif de conditionnement thermique 30 est
aménagé en
dispositif de refroidissement, la zone de conditionnement thermique 30 étant
alors
une zone de refroidissement. Ce refroidissement peut notamment être effectué
par
exposition à un fluide caloporteur.
[0052] De manière remarquable, la zone d'immobilisation 26 est
positionnée par
rapport au dispositif de conditionnement thermique 32 de manière telle que
lorsque
le train de renouvellement 4 avance dans la direction de travail 100 à la
vitesse de
fonctionnement nominale, la portion du rail ayant quitté le dispositif de
conditionnement thermique 32 avec une distribution de température non homogène
atteint sa position d'immobilisation sur la traverse dans la zone
d'immobilisation 26
avant que soit intervenue une homogénéisation de la distribution de la
température
dans une section transversale de la portion de rail.
[0053] A titre d'exemple, la zone d'immobilisation 26 se trouve à moins
de cinq
mètres de la zone de conditionnement thermique 30, pour un train de
renouvellement
circulant à une vitesse nominale de 500 m/heure, de sorte qu'une portion du
rail
atteint la zone d'immobilisation 26 moins de 36 secondes après avoir quitté la
zone de
conditionnement thermique 30.
[0054] En pratique, on a intérêt à réduire au maximum la distance entre
la sortie
de la zone de conditionnement thermique 30 et la zone d'immobilisation 26,
afin de
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simplifier le redémarrage du train de renouvellement 4 après une période
d'arrêt, en
réduisant la portion de rail dont la température n'est plus dans l'intervalle
de tolérance
autorisant son ancrage, et située entre la zone de conditionnement thermique
30 et la
zone d'immobilisation 26. On prévoit donc en particulier que la sortie de la
zone de
conditionnement thermique 30 puisse coïncider spatialement avec la zone
d'immobilisation 26.
[0055] Des thermomètres 34 sont positionnés à l'entrée de la zone de
conditionnement thermique 30, à l'intérieur de la zone de conditionnement
thermique
30, à la sortie de la zone de conditionnement thermique 30, et le cas échéant
directement à proximité de la zone d'immobilisation 26. Ces thermomètres 34
sont
reliés à une unité de commande 36, qui reçoit des signaux d'autres capteurs 38
tels
que, par exemple : un capteur de vitesse du train de renouvellement 4, un
capteur de
vitesse du rail à traiter, un capteur de température ambiante, un capteur de
pression
atmosphérique, et/ou un capteur d'humidité ambiante. L'unité de commande 36
est
ainsi apte à mesurer, estimer ou calculer un ou plusieurs des paramètres
suivants : une
température moyenne de la portion du rail à traiter avant le conditionnement
thermique, une température moyenne de la portion du rail après le
conditionnement
thermique, une température de la portion du rail durant le conditionnement
thermique, une température de la portion du rail après son ancrage, une
température
ambiante extérieure, une vitesse de déplacement du train de renouvellement 4,
une
vitesse de déplacement du rail par rapport au dispositif de conditionnement
thermique, une quantité de chaleur transmise à la portion du rail par le
dispositif de
conditionnement thermique.
[0056] Par ailleurs, l'unité de commande 36 contient en mémoire une
température
de consigne qui peut avoir été saisie ou programmée, et est représentative de
la
température neutre recherchée dans la zone d'immobilisation 26, ce qui permet
le cas
échéant une détermination d'un écart entre la température de consigne et une
température moyenne de la portion du rail à traiter avant conditionnement
thermique,
d'un écart entre la température de consigne et une température moyenne de la
portion
du rail après conditionnement thermique, ou d'un écart entre la température de
consigne et une température moyenne de la portion du rail durant le
conditionnement
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thermique. De façon connue, l'unité de commande 36 est apte à moduler la
puissance
du dispositif de conditionnement thermique.
[0057] Lorsque le train de renouvellement 4 avance dans une direction
de travail
100, le rail à traiter 12 se déplace, par rapport au dispositif de
conditionnement
thermique 30, dans la direction opposée, et est guidé de sorte qu'a chaque
instant une
portion soulevée du rail à traiter 12 traverse la zone de conditionnement
thermique
30. Le cas échéant, le positionnement du dispositif de conditionnement
thermique est
ajusté grâce à des actionneurs ou à un mécanisme de positionnement.
[0058] On fait ainsi en sorte qu'a chaque instant, et en fonction de
l'avancement du
train de renouvellement 4, une portion du rail à traiter 12 traverse la zone
de
conditionnement thermique 30 où, suivant les conditions externes, elle est
chauffée ou
refroidie par le dispositif de conditionnement thermique 32, de manière à ce
que la
température moyenne dans la portion du rail en sortie de la zone de
conditionnement
thermique soit égale à la température de consigne. L'unité de commande 36
détermine
.. par un algorithme de calcul, en fonction de tout ou partie des paramètres
discutés
précédemment, l'énergie thermique qui doit être transférée au rail à traiter
12 ou qui
doit en être extraite pour obtenir cette température moyenne.
[0059] Dès la sortie de la zone de conditionnement thermique 30, et
bien que sa
température soit très inhomogène, la portion du rail 12 a atteint
l'allongement
correspondant à l'allongement d'un rail à une température homogène égale à la
température de consigne. La portion du rail traitée 12 pénètre immédiatement
ou
quasiment immédiatement dans la zone d'immobilisation 26, où l'on procède à
son
immobilisation sur une traverse 10 de la voie ferrée, moins de 50 secondes, et
de
préférence moins de 30 secondes après la sortie de la zone de conditionnement
thermique 30. Dans ce court laps de temps, les pertes par échange convectif
avec l'air
ambiant sont négligeables.
[0060] Naturellement, les exemples représentés sur les figures et
discutés ci-
dessus ne sont donnés qu'a titre illustratif et non limitatif.
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[0061] Le mode de conditionnement thermique des rails qui a été décrit
pour une
rénovation de voie ferrée avec remplacement des rails, vaut également pour une
rénovation de la voie avec replacement des rails anciens, ou pour une première
pose,
ou encore pour un traitement thermique d'entretien.
[0062] Ce qui a été décrit pour un train de renouvellement est transposable
à une
machine ferroviaire autonome ou un train de pose.
