CHEMINS DE FER

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Les infrastructures

La voie

Elle est constituée par les rails, dont l'écartement est maintenu par des traverses, sur lesquels ils sont fixés par des systèmes d'attache maintenant le plus souvent élastiques, de faible coût d'entretien et de mise en œuvre rapide. L'écartement le plus répandu, d'origine britannique et dit « standard », est de 1 435 mm. Les réseaux métriques sont répandus, en raison de leur plus faible coût d'établissement, en Asie et en Afrique. Certains réseaux ont opté pour des voies larges (Espagne, Irlande, Argentine : 1 600 et 1 660 mm ; Russie et autres pays de l'ex-U.R.S.S., Finlande : 1 524 mm).

Les rails en coupons courts reliés par des éclisses boulonnées (générateurs du « tac tac, tac tac » bien connu) et posés sur des traverses en bois ont maintenant très généralement laissé la place aux longs rails soudés (L.R.S.), et l'emploi des traverses en béton s'est très fortement accru. Les longs rails apportent un progrès remarquable, car les joints de dilatation constituaient une zone naturellement fragile, et leur élimination – sauf aux jonctions avec les ouvrages d'art et aux discontinuités de la plate-forme – concourt à baisser significativement le coût d'entretien, à améliorer le confort et à réduire le bruit dans l'environnement.

Les voies des lignes à grande vitesse ne diffèrent pas profondément des voies classiques, mais présentent quelques particularités :

– recours, malgré la faible charge par essieu du matériel roulant, à du rail de forte section, à grand moment d'inertie et donc mieux susceptible de supporter des efforts dynamiques importants ;

– entraxe des voies significativement supérieur, afin d'éviter des phénomènes aérodynamiques perturbateurs lors des croisements (projections de ballast, bris de vitres latérales) ;

– utilisation d'aiguilles à cœur mobile, afin d'éviter toute lacune de guidage des essieux au franchissement des appareils ;

– qualité de la pose rigoureuse, tant en nivellement (géométrie de la voie dans le sens vertical) qu'en dressage (géométrie dans le sens transversal).

Enfin, si la pose de la voie sur pierres concassées (ballast) reste très répandue, la pose sur dalle de béton est privilégiée, notamment pour la grande vitesse, dans certains pays tels que l'Allemagne – et en France dans les tunnels récents – ; si elle nécessite une grande rigueur lors de la pose, elle est réputée en revanche demander moins d'entretien, mais l'expérience est actuellement insuffisante pour vérifier cette assertion.

Dans les courbes, la voie est posée en « dévers », le rail extérieur étant relevé d'une certaine hauteur qui doit nécessairement constituer un compromis : le dévers ne peut en effet excéder une valeur qui entraînerait le renversement d'un train arrêté. Pour les trains les plus rapides, il y a donc nécessairement insuffisance de dévers. C'est l'inconfort pour les voyageurs debout qui conduit très généralement à fixer la valeur de la vitesse limite dans les courbes. La S.N.C.F. admet une valeur élevée de l'insuffisance de dévers, très supérieure à celle qui est adoptée par les autres réseaux, et les trains français roulent donc plus vite en courbe que les autres. C'est pourquoi la pendulation, qui permet de compenser au moins partiellement l'insuffisance de dévers, ne permet pas en France un relèvement de vitesse aussi important que dans d'autres pays et y a donc moins d'intérêt.

Les appareils de voie principale sont constitués d'aiguilles, qui permettent les bifurcations. Les voies modernes comportent des appareils « enroulés », dont les deux voies sont en courbe. La tendance est maintenant de les placer sur un « plancher » en béton et non plus sur des traverses en bois, comme la pleine voie, et les plus récents appareils sont conçus pour ne nécessiter qu'un minimum d'entretien (coussinets de lames d'aiguille non graissés). Sur les lignes nouvelles, certains appareils sont de très grande longueur et peuvent être franchis en voie déviée à 220 km/h. Ils comportent un cœur mobile pour éviter toute lacune de franchissement des rails. Les appareils de voie principale comportent toujours des « verrous » qui interdisent mécaniquement toute possibilité d'entrebâillement de l'aiguille lors du passage d'un convoi, ainsi que des dispositifs reliés à la signalisation (contrôleurs d'aiguille) qui en donnent sans ambiguïté la position. Ils comportent également des réchauffeurs (électriques ou à gaz), mis en service automatiquement en cas de chute de neige, pour éviter le blocage des lames d'aiguille par celle-ci.

Dans les gares et sur les voies secondaires on trouve des « traversées jonction », équipements plus complexes, qui sont à la fois des aiguilles et des croisements, ce qui permet de gagner de la place. Ces appareils ne sont habituellement pas utilisés en France en voie principale.

Les systèmes d'électrification et les caténaires

À l'époque des premières électrifications, le seul moteur envisageable était le moteur à collecteur. Celui-ci, lorsque le stator et le rotor sont alimentés en série, présente une caractéristique d'effort en fonction de la vitesse voisine de l'hyperbole, qui convient particulièrement bien pour la traction, l'effort étant très élevé au démarrage. De plus, cette caractéristique conduit à une correction automatique, dans une certaine mesure, en cas de patinage : la vitesse s'accroît et l'effort diminue de lui-même, ce qui favorise la reprise d'adhérence. D'où les deux grandes « écoles » qui ont longtemps coexisté dans le monde.

Certains réseaux ont adopté le courant continu, permettant d'alimenter directement de tels moteurs. La production de courant continu ne peut se faire à tension très élevée et il n'existait pas alors de moyen de la modifier comme en courant alternatif. Les tensions de 700, 1 500 et 3 000 V ont été utilisées, la première pouvant être distribuée par un troisième rail comme c'est le cas très généralement pour les métros. La France a choisi la tension de 1 500 V sous laquelle il est possible d'alimenter les moteurs directement et de les mettre en parallèle. Cette tension assez faible nécessite des points d'alimentation (les sous-stations) relativement proches. Le courant alternatif haute tension du réseau général y est abaissé par des transformateurs à 2 000 V environ, puis redressé. Certains pays, comme l'Italie, la Belgique ou l'Espagne, ont opté pour une tension de 3 000 V, et le dimensionnement des installations d'alimentation est ainsi notablement réduit. L'inconvénient en revanche, avant l'apparition de dispositifs électroniques (hacheurs) permettant de régler la tension sur les engins moteurs, était que les moteurs de traction devaient rester en série de deux, la technologie ne permettant pas d'alimenter les moteurs sous 3 000 V. En Angleterre, au contraire, c'est le système 600 V (porté ultérieurement sur une partie des lignes à 750 V) par un troisième rail qui s'est généralisé sur la [...]

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  • : directeur de la coopération internationale à la Société nationale des chemins de fer français
  • : président de la rédaction de la Revue générale des chemins de fer

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Pour citer l’article

Jean-Philippe BERNARD, Daniel BRUN, « CHEMINS DE FER », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/chemins-de-fer/