Sentir la chaleur : détection des défauts ferroviaires

Oct 13, 2023

Sur le spectre technologique, les chemins de fer sembleraient certainement pencher vers le côté brutalement simpliste des choses. Quelques bandes d'acier, des traverses en bois et du ballast de gravier pour maintenir le tout en place, du matériel roulant avec des roues à boudin sur des essieux fixes, et vous avez les bases qui transportent le fret et les passagers depuis au moins le 18ème siècle.

Mais cette simplicité de base dément la véritable complexité d'un chemin de fer, où le simple fait de garder les trains sur la voie peut être une tâche ardue. Les forces qu'un train à pleine charge peut exercer non seulement sur les voies mais aussi sur lui-même sont difficiles à comprendre, et le potentiel de catastrophe n'est souvent qu'un composant défaillant. Cela est devenu douloureusement évident avec le récent déraillement de Norfolk Southern dans l'est de la Palestine, dans l'Ohio, qui a entraîné un incident de matières dangereuses comme aucune communauté n'est prête à faire face.

Compte tenu des forces en jeu, maintenir les trains dans le droit chemin n'est pas une mince affaire, et les concepteurs de chemins de fer ont mis au point un réseau de capteurs et de systèmes pour les aider à garder un œil sur ce qui se passe avec le matériel roulant d'un train. Jetons un coup d'œil à certaines des techniques intéressantes derrière ces détecteurs de défauts en bordure de route.

Au risque d'énoncer une évidence, les trains ont deux caractéristiques essentielles qui rendent nécessaires les systèmes de surveillance : ils sont lourds et ils sont longs. Le poids d'un train est un problème car même si l'architecture de base d'une voie ferrée réduit les frottements de roulement entre une roue et le sol, elle ne fait rien pour réduire les frottements entre les essieux de l'autorail et les bogies qui les portent. C'est le travail des roulements de roue, qui, comme tout autre composant mécanique, sont sujets à l'usure, aux dommages et aux défaillances éventuelles, avec un potentiel de conséquences catastrophiques.

Quant à la longueur d'un train, cela devient un problème lorsqu'elle place la majeure partie du matériel roulant hors de la portée visuelle directe des personnes qui conduisent le train. À l'époque, les limitations de la puissance des locomotives avaient tendance à maintenir les trains relativement courts, ce qui permettait aux chefs de train et aux ingénieurs de garder un œil sur chaque wagon. Cela a été facilité par l'invention du caboose ; dans sa configuration classique avec une coupole vitrée surplombant le toit de la voiture et de sa position à l'extrémité du train, les conducteurs pouvaient observer toute la longueur d'un train, en particulier dans les courbes. Étant donné que les roulements de roue de l'époque étaient souvent des bagues simples dans des boîtes à tourillons remplies de fibres imbibées d'huile, il était généralement facile de repérer une défaillance de roulement "boîte chaude" par la fumée et les flammes qu'ils émettaient, un indicateur de problème aussi peu subtil que jamais.

Les progrès techniques, comme le remplacement des paliers lisses par des roulements à rouleaux, ont permis de construire des wagons toujours plus grands. De nos jours, les wagons de marchandises circulant sur les chemins de fer nord-américains peuvent avoir un poids brut de 315 000 livres (143 tonnes), un poids ahurissant qui est supporté par aussi peu que huit roulements à rouleaux. Les améliorations apportées à la conception des locomotives ont également permis aux trains construits à partir de ces wagons surdimensionnés de devenir de plus en plus longs; le train de marchandises moyen en 2017 mesurait entre 1,2 et 1,7 miles (1,9 à 2,7 kilomètres) de long, certains chemins de fer exploitant régulièrement des trains de 3 miles (4,8 km) de long. Dans un train comme celui-là, plus d'une douzaine de wagons en retrait des locomotives de tête sont hors de portée visuelle directe de l'ingénieur et du chef de train, et fonctionnent effectivement complètement inaperçus.

La surveillance en bordure de voie est la réponse aux problèmes posés par la mise à l'échelle des trains jusqu'à des dimensions aussi massives. Connus collectivement dans le secteur ferroviaire sous le nom de "détection des défauts", les capteurs et les systèmes installés périodiquement le long des voies ferrées analysent automatiquement tout problème avec le matériel roulant d'un train qui pourrait entraîner un accident.

Pour une bonne raison, l'essentiel de la détection des défauts se concentre sur l'état des roues et des roulements de chaque wagon du train. Et puisque le frottement est l'ennemi, la plupart des détecteurs se basent sur la chaleur de ces composants critiques pour évaluer leur état. Une installation typique de capteur en bordure de voie comprendra à la fois des détecteurs de boîte chaude (HBD) et des détecteurs de roue chaude (HWD) sur les deux rails. Les deux capteurs sont généralement basés sur des réseaux de microbolomètres comme ceux des caméras thermiques. Pour les HBD, les capteurs sont généralement montés à l'extérieur du rail et pointés vers le haut, pour bien voir les boîtiers de roulement à l'extrémité de chaque essieu. Les HWD sont également généralement montés à l'extérieur de chaque rail, mais ils sont destinés à regarder directement le côté de la roue lorsqu'elle passe. Les caractéristiques thermiques des roues et des roulements sont assez différentes - les roues peuvent devenir beaucoup plus chaudes que les roulements avant d'être considérées comme un défaut - donc les HBD et HWD sont calibrés différemment.

Un autre détecteur présent dans la plupart des stations de détection de défauts est le détecteur d'équipement traînant (DED). Il s'agit simplement d'une série de pagaies disposées perpendiculairement aux rails. Les palettes sont connectées mécaniquement aux interrupteurs et sont activées par tout ce que le train pourrait suspendre au bas du train. La cible principale ici est un tuyau de frein à air déconnecté, mais il existe de nombreux autres dangers, allant d'un camion cassé à un animal malchanceux. Les DED doivent être extrêmement robustes, car les impacts avec des équipements de traînée peuvent exercer une force de 600 g, et la plupart des DED sont configurés pour fonctionner avec des trains se déplaçant dans les deux sens.

Les installations de détection de défauts sont devenues assez omniprésentes aux côtés des chemins de fer nord-américains; il y a quelque chose comme 6 000 HBD actuellement installés, soit environ un tous les 25 miles (40 km) de voie. Les HBD et HWD peuvent être un peu difficiles à repérer pour les observateurs de chemin de fer, en partie parce qu'ils sont assis très bas à côté de la voie, mais aussi parce qu'ils doivent être à au moins 300 pieds (100 m) d'un passage à niveau, qui est le seul endroit où la plupart des gens peuvent voir les voies ferrées de près. Beaucoup plus faciles à repérer sont les bungalows en bordure de route qui abritent l'équipement auquel les capteurs sont connectés. Les bungalows ressemblent à de petits hangars utilitaires à côté de la piste, généralement peints en blanc ou en argent pour refléter la lumière et maintenir la température à l'intérieur relativement constante. Ils contiennent des racks pour l'équipement électronique qui traite les signaux des détecteurs, ainsi que des équipements de support tels que des ordinateurs, des blocs d'alimentation et des batteries de secours pour maintenir le système sous tension même en cas de panne du réseau.

Une fois qu'un défaut est détecté, que devient l'information ? Un indice à cela peut être trouvé sur le bungalow en bordure de route, qui a souvent une antenne bien en vue montée dessus. La plupart semblent être une antenne dipôle pliée pour la bande VHF ou UHF, montée verticalement le long de la piste et orientée pour rayonner parallèlement à celle-ci. À l'intérieur du bungalow, un équipement automatisé utilise un synthétiseur vocal pour rédiger un rapport sur l'état du train, y compris les défauts trouvés, et le transmet à l'équipe du train. Les rapports incluent généralement l'identification du détecteur de défaut, la nature du défaut et l'essieu ou les essieux où le défaut a été détecté. L'équipe du train peut alors arrêter le train et retourner au wagon problématique et évaluer la nature du problème.

Les boîtes chaudes, les roues chaudes et les équipements de traînée ne sont pas les seuls types de détecteurs en bordure de voie utilisés, bien sûr. Il est très courant de surveiller les défauts mécaniques sur les roues, tels que les méplats causés par le blocage d'un essieu et le glissement de la roue sur les rails. Les méplats provoquent un bruit excessif et une usure excessive de l'équipement en raison de l'impact qu'ils provoquent, et sont détectés par des détecteurs de charge d'impact de roue, ou WILDs. Il s'agit d'une série de jauges de contrainte fixées à de longs tronçons de voie, qui enregistrent les impacts verticaux à fort g générés par des roues excentrées ou autrement endommagées et alertent l'équipe du train. D'autres détecteurs se concentrent sur l'état des camions du matériel roulant, pour s'assurer que les essieux sont correctement alignés avec la voie et ne sont pas engagés dans une «chasse de voie», une oscillation latérale de l'essieu sur les voies alors qu'il cherche un point d'équilibre. La chasse peut entraîner des dommages aux boudins de roue, à la voie et peut même provoquer un déraillement si l'oscillation fait trop balancer la voiture.

Comme vous pouvez l'imaginer, tous ces équipements nécessitent beaucoup de ressources pour être installés et entretenus. Les systèmes de détection de défauts sont largement distribués, avec des installations souvent distantes de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilomètres, ce qui signifie que les techniciens formés pour y travailler sont dispersés et doivent souvent se rendre dans des endroits éloignés pour travailler sur les systèmes. Cela en vaut la peine, cependant - depuis 1980, les accidents de train liés aux défaillances d'essieux et de roues ont diminué de 81% en raison de l'utilisation généralisée des détecteurs de boîtes chaudes.