Frein automatique
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Le frein à air automatique est un système de freinage à air comprimé inventé par George Westinghouse en 1872 et utilisé sur les trains actuels. Il est basé sur un système de sécurité par défaut qui desserre les freins lorsqu'il est mis sous pression. En cas d'avarie (rupture d'attelage, fuite importante), la baisse de pression entraine le serrage automatique des freins et provoque l'arrêt du train[1].
Sommaire |
[modifier] Description
Une conduite (dite du frein automatique (CFA) ou générale du frein automatique (CGFA ou CG)) — en bleu sur le schéma — parcourt le convoi de bout en bout et est alimentée à 5 bars (pression de régime, norme internationale). Des distributeurs[2] — représentés par des disques noirs sur le schéma — sont installés sur les véhicules, qui provoqueront l'alimentation des cylindres de frein lors d'une dépression dans la conduite. L'air utilisé pour alimenter les cylindres de frein provient, dans la version la plus simple, d'un réservoir auxiliaire — représenté en brun — lui-même alimenté par la CFA/CGFA/CG, c'est-à-dire qu'il se remplit à la pression de régime (5 bars) lorsque les freins sont désserrés.
[modifier] Alimentation
Pour une raison de sécurité, l'alimentation de la conduite ne peut se faire qu'en un seul point. Elle peut se faire de différentes manières:
- par un robinet ;
- par une centrale électropneumatique ;
- en permanence : le frein automatique ne sert pas de frein de service ; par exemple sur les automotrices classiques en Belgique (l'alimentation se fait au moyen d'une électrovalve EMV420).
[modifier] Exemple de robinet
Un robinet alimentant un frein automatique doit pouvoir compenser les fuites dans la conduite.
[modifier] Exemple de centrale électropneumatique
Une centrale électropneumatique joue le même rôle qu'un robinet, mais est commandée par des impulsions électriques (serrage ou désserrage), et réalise les variations de pression demandées dans la conduite.
[modifier] Distributeur
Le distributeur est l'appareil permettant de “transformer„ une dépression dans la conduite en une pression aux cylindres de frein. Il permet la modérabilité au serrage et au désserrage.
Tant qu'aucun serrage n'est commandé, la pression de régime est établie dans la CFA/CGFA/CG (2), ainsi que dans le réservoir auxiliaire (1) et le réservoir de commande (4) ; la tige creuse du dispositif principal n'est pas en contact avec la soupape, ce qui met le cylindre de frein (6) à l'atmosphère.
Lorsque la pression dans la conduite diminue (demande de serrage), d'une part le clapet de retenue (5) et le dispositif d'égalisation (3) vont empêcher la dépression de se propager dans les réservoirs auxiliaire et de commande ; d'autre part une différence de pression entre les chambres (A) et (B) du dispositif principal va provoquer le déplacement de la tige creuse de ce même dispositif principal, car elle repose sur une membrane (en noir) séparant ces deux chambres. En montant, la tige va pousser sur la soupape en haut du dispositif principal, et permettre la communication entre les chambres (C) et (D), ainsi le cylindre de frein sera alimenté grâce à l'air du réservoir auxiliaire (de plus la tige creuse étant contre la soupape, l'air ne peut plus s'échapper à l'atmosphère). Cette situation va perdurer jusqu'à ce que la pression dans la chambre (C) soit suffisante pour repousser la tige creuse ; la pression au cylindre de frein sera alors la pression souhaitée. Les fuites sont compensées car dans ce cas la pression dans la chambre (C) ne suffira plus à maintenir la tige creuse en équilibre, et elle sera à nouveau alimentée.
Lors d'un désserrage, le système sera déséquilibré en sens inverse, et la tige creuse permettra la mise à l'atmosphère du cylindre de frein jusqu'à un nouvel équilibre (lorsque la pression correspondra à la pression voulue).
Lors d'un désserrage complet (réalimentation à la pression de régime), les clapet de retenue et dispositif d'égalisation vont permettre aux réservoirs auxiliaire et de commande de se remplir.
[modifier] Frein EP
Le frein EP (pour électropneumatique) permet une transmission plus rapide des dépressions et réalimentations le long du convoi. Il fonctionne à l'aide de trois fils électriques : serrage (fil du bas sur le schéma), désserrage (fil du haut) et la masse (fil du milieu), et nécéssite la présence d'une conduite d'alimentation (CA) : celle-ci (en rouge sur le schéma) fournit de l'air à haute pression (6 à 9 bars) aux différents véhicules du convoi, qui sert en outre au fonctionnement des portes automatiques, aux suspensions pneumatiques, etc.
La grande majorité du matériel à voyageurs est équipé du frein EP. Pour éviter des réactions dans la rame, il ne doit être utilisé que lorsque tous les véhicules de celle-ci sont équipés.
[modifier] Serrage
Lors du serrage, une impulsion électrique est envoyée sur le fil de serrage par le robinet de frein ou la centrale électropneumatique ; sur chaque véhicule, l'électrovalve de serrage est alors excitée, qui met la CFA/CGFA/CG à l'atmosphère ; ainsi la pression dans cette conduite diminue, plus rapidement que si la dépression avait dû se propager physiquement, et les freins peuvent s'appliquer également plus rapidement.
[modifier] Désserrage
Lors du désserrage, c'est sur le fil de désserrage qu'une impulsion électrique est envoyée ; c'est l'électrovalve de désserrage qui est excitée, et permet l'alimentation de la CFA/CGFA/CG à partir de la CA (conduite d'alimentation).
[modifier] Défauts et risques
[modifier] Epuisement
Lors d'un serrage prolongé, ou si la réalimentation n'est pas maintenue suffisamment longtemps (nouveau serrage trop rapidement après le désserrage précédent), la pression dans le réservoir de commande du distributeur diminuera (fait dû aux légères fuites normalement présentes et tolérées). Du coup, la différence de pression entre ce réservoir et la CFA/CGFA/CG se réduira, et le distributeur, travaillant normalement, réduira la pression au cylindre de frein. Ainsi, petit à petit, le frein perdra son efficacité ; on dit qu'il s'épuise. Les règlementations des chemins de fer prévoient des mesures à prendre pour ne pas aboutir à cette situation.
[modifier] Perte de continuité
La composition d'une rame doit pouvoir être modifiée (sauf pour les rames indéformables telles que les automotrices et autorails) ; des robinets d'arrêt sont donc placés aux extrêmités des véhicules, permettant de “terminer„ la CFA/CGFA/CG. Le problème qui peut se poser est que si ce robinet se ferme en cours de route (même si cette éventualité est très peu probable), la partie du convoi se trouvant après ce robinet n'est plus freinée. On a donc équipé ces robinets d'arrêt d'un trou de fuite, mettant la partie “externe„ (côté accouplement, pas côté véhicule) de la conduite à l'atmosphère ; la partie arrière du convoi sera ainsi freinée (même si la partie avant sera capable de continuer, le freinage de celle-ci se réalisera normalement).
[modifier] Conduite blanche/isolement et dérive
On appelle conduite blanche le fait qu'un véhicule soit traversé par la CFA/CGFA/CG mais ne soit pas freiné. Ces véhicules n'existent probablement plus ou sont très rares aujourd'hui. Mais on peut se retrouver dans un cas équivalent lorsqu'un isole entièrement un véhicule (à la suite d'un calage de frein par exemple).
Le problème qui se pose est que comme le véhicule n'est pas freiné, en cas de rupture d'attelage, il ne s'immobilisera pas. Par exemple, s'il se trouve en queue du convoi, et qu'une rupture d'attelage se produit juste devant lui, et que le convoi se trouve sur une rampe (montée), il va se mettre à dévaller la pente en sens inverse, ce qui présente un risque plus qu'important pour la sécurité. Le cas peut aussi se présenter lorsque le véhicule ne se trouve pas en dernière position, mais que la masse totale de la partie arrière soit trop importante par rapport aux capacités de freinage restantes pour pouvoir l'arrêter. Le contraire est également vrai pour la partie de tête d'un convoi (même si là le conducteur est présent et peut éventuellement agir par le serrage du frein d'immobilisation ou autre, mais ceci risque de ne pas suffire).
La protection contre la dérive doit donc également être prévue dans les règlementations.
[modifier] Alternatives
[modifier] Frein direct
Le frein direct est le système le plus simple qu'on puisse imaginer : l'air est amené directement au(x) cylindre(s) de frein au travers d'une conduite du frein direct. Les inconvéniants sont bien sûr l'absence d'automaticité (une fuite induit le désserrage des freins) et les pressions plus faibles employées (0 à 4 bar au lieu de 3,5 à 5 bar) : les demandes de serrage et de désserrage se propagent plus lentement le long d'un convoi.
Il est actuellement employé principalement comme frein secondaire sur les locomotives.
[modifier] Frein à vide
Le frein à vide emploie le procédé inverse : plutôt que de mettre la conduite sous pression, on la met sous vide. Les freins s'appliqueront lorsqu'elle sera alimentée. C'est également un frein automatique (les freins s'appliqueront si la conduite est mise à l'atmosphère) et continu, mais du fait de pressions plus faibles (-1 bar à 0 bar au lieu de 3,5 à 5 bar) les demandes de freinage et de désserrage se propagent plus lentement ; de plus, ce système est plus sensible aux fuites.
[modifier] Frein électrique
Il est possible de ne plus utiliser d'air pour la commande du frein : on peut utiliser à la place d'une conduite un fil électrique parcourant le convoi ; tant qu'il est maintenu sous tension, les freins restent désserrés. Ainsi en cas de rupture d'attelage, le fil n'est plus alimenté et la rame freine.
Des systèmes plus avancés utilisent une gestion informatisée des freins, mettant en place une sorte de réseau local.
[modifier] Références
- ↑ Le frein à air automatique, Temple de la renommée des chemins de fer du Canada.
- ↑ Par le passé, des triples valves ont été utilisées, mais elles ne permettaient pas la modérabilité au désserrage : on ne pouvait pas désserrer partiellement les freins.
