Un British Rail de classe 165 a déraillé à la gare de Paddington à Londres. Le train est passé au-dessus d’un ensemble de points de piégeage qui a causé le déraillement. Après avoir déraillé, l’arrière du train a heurté un chandelier, endommageant gravement le côté conducteur de l’unité de tête.

Les déraillements résultent d’une ou plusieurs causes distinctes; celles-ci peuvent être classées comme suit ::

• la défaillance mécanique primaire d’un composant de voie (par exemple des rails cassés, un écartement d’écartement dû à une défaillance du dormeur (lien))
• la défaillance mécanique primaire d’un composant du train de roulement d’un véhicule (par exemple une défaillance de la boîte d’essieux, une rupture de roue)
• un défaut dans la géométrie des composants de voie ou du train de roulement qui entraîne une défaillance quasi statique en marche (par exemple une montée de rail due à une usure excessive des roues ou des rails, un glissement de terrassement)
• un effet dynamique de l’interaction piste-véhicule (par exemple la chasse extrême, le rebond vertical, le décalage de la piste sous un train, vitesse excessive)
• mauvais fonctionnement des points, ou mauvaise observation des signaux les protégeant (erreurs de signal)
• comme événement secondaire à la suite d’une collision avec d’autres trains, véhicules routiers ou autres obstacles (collisions aux passages à niveau, obstructions sur la ligne)
• manipulation du train (bribes dues à des forces de traction ou de freinage soudaines, appelées action de mou en Amérique du Nord).

Une locomotive déraillée en Australie à un point de capture caché à la vue (janvier 2007)

railsEdit cassé

Un rail cassé, probablement à partir de l’inclusion d’hydrogène dans le champignon du rail

Une structure de voie traditionnelle se compose de deux rails, fixés à une distance désignée l’un de l’autre (connu sous le nom d’écartement de la voie), et supportés sur des traverses transversales (traverses). Certaines structures de voie avancées supportent les rails sur une dalle de béton ou d’asphalte. La surface de roulement des rails doit être pratiquement continue et de la disposition géométrique appropriée.

En cas de rupture ou de fissuration du rail, la surface de roulement du rail peut être perturbée si une pièce est tombée ou s’est logée à un emplacement incorrect, ou si un grand espace entre les sections de rail restantes se produit. 170 rails cassés (non fissurés) ont été signalés sur Network Rail au Royaume-Uni en 2008, contre un pic de 988 en 1998/1999.

• Dans les rails articulés, les rails sont généralement reliés à des éclisses boulonnées (barres articulées). La bande du rail subit de grandes forces de cisaillement et celles-ci sont renforcées autour du trou du boulon. Lorsque l’entretien de la voie est médiocre, la fatigue métallurgique peut entraîner la propagation de la fissuration en étoile à partir du trou d’ancrage. Dans des situations extrêmes, cela peut entraîner le détachement d’un morceau de rail triangulaire au niveau du joint.
• Les changements métallurgiques ont lieu en raison du phénomène de fissuration des coins de jauge (dans lequel la microfissure de fatigue se propage plus rapidement que l’usure ordinaire), et également en raison des effets de l’inclusion d’hydrogène pendant le processus de fabrication, conduisant à la propagation des fissures sous charge de fatigue.
• Une fragilisation locale du métal de base peut se produire en raison de la rotation des roues (unités de traction faisant tourner les roues motrices sans mouvement le long de la voie).
• Les soudures de rail (où les sections de rail sont jointes par soudage) peuvent échouer en raison d’une mauvaise finition; cela peut être déclenché par un temps extrêmement froid ou une contrainte incorrecte des rails soudés en continu, de sorte que des forces de traction élevées sont générées dans les rails.
• Les éclisses (éclisses) de la voie articulée peuvent tomber en panne, ce qui permet aux rails de se détacher par temps extrêmement froid; ceci est généralement associé à un fluage des rails non corrigé.

Un déraillement peut avoir lieu en raison d’un élargissement excessif de l’écartement (parfois appelé écartement de la route), dans lequel les traverses ou autres fixations ne maintiennent pas l’écartement approprié. Dans une voie légèrement usinée où les rails sont cloués (accrochés) à des traverses en bois, la défaillance de la cale des crampons peut entraîner une rotation vers l’extérieur d’un rail, généralement sous l’action aggravante du crabage des bogies (camions) dans les courbes.

Le mécanisme d’élargissement de l’écartement est généralement progressif et relativement lent, mais s’il n’est pas détecté, la défaillance finale se produit souvent sous l’effet d’un facteur supplémentaire, tel qu’une vitesse excessive, un train de roulement mal entretenu sur un véhicule, un désalignement des rails et des effets de traction extrêmes (tels que des forces de propulsion élevées). L’effet de crabage évoqué ci-dessus est plus marqué dans des conditions sèches, lorsque le coefficient de frottement à l’interface roue-rail est élevé.

Roues défectueusesdit

Le train de roulement — essieux, bogies (camions) et suspension — peut tomber en panne. Le mode de défaillance historique le plus courant est l’effondrement des paliers lisses en raison d’une lubrification déficiente et la défaillance des ressorts à lames; les pneus de roue sont également sujets à une défaillance due à la propagation des fissures métallurgiques.

Les technologies modernes ont considérablement réduit l’incidence de ces défaillances, tant par la conception (en particulier l’élimination des paliers lisses) que par l’intervention (essais non destructifs en service).

Interaction inhabituelle de la voie

Si une irrégularité verticale, latérale ou transversale est cyclique et se produit à une longueur d’onde correspondant à la fréquence propre de certains véhicules traversant la section de route, il existe un risque d’oscillation harmonique résonante dans les véhicules, entraînant un mouvement extrêmement inapproprié et éventuellement un déraillement. Ceci est particulièrement dangereux lorsqu’un roulis cyclique est mis en place par des variations de niveau transversal, mais des erreurs cycliques verticales peuvent également entraîner le retrait des véhicules de la piste; c’est particulièrement le cas lorsque les véhicules sont à l’état de tare (vide) et si la suspension n’est pas conçue pour avoir des caractéristiques appropriées. La dernière condition s’applique si le ressort de suspension a une rigidité optimisée pour l’état chargé, ou pour une condition de chargement compromise, de sorte qu’il est trop rigide en situation de tare.

Les essieux de roues du véhicule se déchargent momentanément verticalement de sorte que le guidage requis par les brides ou le contact de la bande de roulement de la roue est insuffisant.

Un cas particulier est le flambage lié à la chaleur: par temps chaud, l’acier du rail se dilate. Ceci est géré en sollicitant des rails soudés en continu (ils sont tendus mécaniquement pour être neutres en contrainte à une température modérée) et en fournissant des espaces de dilatation appropriés au niveau des joints et en veillant à ce que les plaques de poisson soient correctement lubrifiées. De plus, la retenue latérale est assurée par un épaulement de ballast adéquat. Si l’une de ces mesures est inadéquate, la voie peut se déformer; une grande distorsion latérale se produit, que les trains ne peuvent pas négocier. (En neuf ans, de 2000/1 à 2008/9, il y a eu 429 incidents de boucle de piste en Grande-Bretagne).

Mauvais fonctionnement des systèmes de commandEdit

Les jonctions et autres changements d’itinéraire sur les chemins de fer sont généralement effectués au moyen de points (aiguillages — sections mobiles capables de changer l’itinéraire des véhicules). Au début des chemins de fer, ceux-ci étaient déplacés indépendamment par le personnel local. Des accidents — généralement des collisions – ont eu lieu lorsque le personnel a oublié l’itinéraire pour lequel les points étaient fixés ou a négligé l’approche d’un train sur un itinéraire en conflit. Si les points n’ont pas été correctement définis pour l’un ou l’autre des itinéraires — définis à mi-course — il est possible qu’un train qui passe déraille.

La première concentration de leviers pour signaux et points réunis pour l’opération a eu lieu à Bricklayer’s Arms Junction dans le sud-est de Londres dans la période 1843-1844. L’emplacement de contrôle du signal (précurseur de la boîte de signalisation) a été amélioré par la fourniture d’un verrouillage (empêchant qu’un signal clair soit défini pour une route qui n’était pas disponible) en 1856.

Pour empêcher le mouvement involontaire des véhicules de marchandises des voies d’évitement aux lignes de roulement, et d’autres mouvements inappropriés analogues, des points de piégeage et des déraillements sont prévus à la sortie des voies d’évitement. Dans certains cas, ceux-ci sont prévus à la convergence des lignes en cours d’exécution. Il arrive parfois qu’un conducteur croit à tort qu’il a le pouvoir de passer au-dessus des points de piégeage, ou que le signaleur donne incorrectement une telle autorisation, ce qui entraîne un déraillement. Le déraillement qui en résulte ne protège pas toujours complètement l’autre ligne: un déraillement au point de piégeage à grande vitesse peut entraîner des dommages et une obstruction considérables, et même un seul véhicule peut obstruer la ligne libre.

Déraillement à la suite d’une collisionmodifier

Si un train entre en collision avec un objet massif, il est clair que le déraillement du bon fonctionnement des roues du véhicule sur la voie peut avoir lieu. Bien que des obstructions très importantes soient imaginées, il est connu qu’une vache s’égare sur la ligne pour faire dérailler un train de voyageurs à une vitesse telle que celle de l’accident ferroviaire de Polmont.

Les obstacles les plus fréquemment rencontrés sont les véhicules routiers aux passages à niveau (passages à niveau); des personnes malveillantes placent parfois des matériaux sur les rails et, dans certains cas, des objets relativement petits provoquent un déraillement en guidant une roue sur le rail (plutôt que par une collision grossière).

Les déraillements ont également été provoqués dans des situations de guerre ou d’autres conflits, comme lors de l’hostilité des Amérindiens, et plus particulièrement pendant les périodes où le personnel militaire et le matériel étaient déplacés par chemin de fer.

Manipulation de train difficile

La manipulation d’un train peut également provoquer des déraillements. Les véhicules d’un train sont reliés par des accouplements; dans les premiers temps des chemins de fer, il s’agissait de courtes longueurs de chaîne (« accouplements desserrés ») qui reliaient les véhicules adjacents avec un jeu considérable. Même avec des améliorations ultérieures, il peut y avoir un relâchement considérable entre la situation de traction (groupe motopropulseur tirant les attelages serrés) et le freinage du groupe motopropulseur (locomotive appliquant les freins et comprimant les tampons dans tout le train). Il en résulte une surtension de couplage.

Les technologies plus sophistiquées utilisées de nos jours utilisent généralement des accouplements qui n’ont pas de jeu lâche, bien qu’il y ait un mouvement élastique au niveau des accouplements; un freinage continu est assuré, de sorte que chaque véhicule du train a des freins contrôlés par le conducteur. Généralement, cela utilise de l’air comprimé comme moyen de commande, et il y a un décalage temporel mesurable lorsque le signal (pour appliquer ou desserrer les freins) se propage le long du train.

Si un conducteur de train freine brusquement et sévèrement le train, la partie avant du train est d’abord soumise aux forces de freinage. (Là où seule la locomotive a un freinage, cet effet est évidemment plus extrême). La partie arrière du train peut dépasser la partie avant et, dans les cas où l’état de l’attelage est imparfait, la fermeture soudaine qui en résulte (un effet appelé « rodage ») peut entraîner un véhicule en état de tare (un véhicule de marchandises vide) qui se soulève momentanément et quitte la voie.

Cet effet était relativement courant au XIXe siècle.

Sur les sections courbes, les forces longitudinales (traction ou freinage) entre véhicules ont une composante vers l’intérieur ou vers l’extérieur respectivement sur la courbe. Dans des situations extrêmes, ces forces latérales peuvent suffire à favoriser le déraillement.

Un cas particulier de problèmes de conduite des trains est la survitesse dans les virages serrés. Cela se produit généralement lorsqu’un conducteur ne ralentit pas le train pour une section incurvée dans un itinéraire qui présente par ailleurs des conditions de vitesse plus élevées. À l’extrême, il en résulte que le train entre dans une courbe à une vitesse à laquelle il ne peut pas négocier la courbe, et un déraillement brut a lieu. Le mécanisme spécifique de cette opération peut impliquer un basculement corporel (rotation), mais il est probable que la structure de la voie soit perturbée et que le déraillement soit le principal événement de défaillance, suivi d’un renversement.

Un exemple d’excès de vitesse dans une courbe serait le déraillement d’un train de Philadelphie en mai 2015 impliquant un train Amtrak roulant à 171 km/h (106 mi/h), soit deux fois la vitesse maximale autorisée de 80 km/h (50 mi/h).Le système de guidage des véhicules ferroviaires pratiques repose sur l’effet de direction de la conicité des bandes de roulement des roues dans les courbes modérées (jusqu’à un rayon d’environ 500 m, soit environ 1 500 pieds). Sur les courbes plus nettes, le contact de la bride a lieu et l’effet de guidage de la bride repose sur une force verticale (le poids du véhicule).

Il peut en résulter un déraillement en montée de bride si la relation entre ces forces, L/V, est excessive. La force latérale L résulte non seulement d’effets centrifuges, mais une composante importante est le crabbing d’une paire de roues qui a un angle d’attaque non nul lors de la course avec contact de bride. L’excès de L/V peut résulter d’un déchargement de roue ou d’un profil de bande de roulement de rail ou de roue incorrect. La physique de ceci est décrite plus en détail ci-dessous, dans la section interaction roue-rail.

Le déchargement des roues peut être causé par une torsion de la voie. Cela peut se produire si la pente (niveau transversal ou surélévation) de la voie varie considérablement sur l’empattement d’un véhicule et que la suspension du véhicule est très rigide en torsion. Dans la situation quasi statique, cela peut survenir dans des cas extrêmes de mauvaise répartition de la charge, ou sur des pentes extrêmes à faible vitesse.

Si un rail a été soumis à une usure latérale extrême, ou si une bride de roue a été usée à un angle incorrect, il est possible que le rapport L / V dépasse la valeur à laquelle l’angle de bride peut résister.

Si la réparation par soudure des interrupteurs usés sur le côté est entreprise, il est possible que la mauvaise exécution produise une rampe dans le profil dans la direction opposée, qui dévie une bride de roue en approche sur le champignon du rail.

Dans des situations extrêmes, l’infrastructure peut être gravement déformée, voire absente; cela peut résulter de mouvements de terrassement (glissements de remblais et lavages), de tremblements de terre et d’autres perturbations terrestres majeures, d’une protection déficiente pendant les travaux, etc.

Interaction roue-railmodifier

Presque tous les systèmes ferroviaires pratiques utilisent des roues fixées à un essieu commun: les roues des deux côtés tournent à l’unisson. Les tramways nécessitant des niveaux de plancher bas sont l’exception, mais beaucoup d’avantages dans le guidage du véhicule sont perdus en ayant des roues non liées.

L’avantage des roues liées provient de la conicité des bandes de roulement — les bandes de roulement ne sont pas cylindriques, mais coniques. Sur une voie droite idéalisée, une paire de roues roulerait au centre, à mi-chemin entre les rails.

L’exemple présenté ici utilise une section de piste incurvée vers la droite. L’accent est mis sur la roue gauche, qui est davantage impliquée dans les forces critiques pour guider le wagon dans la courbe.

Le diagramme 1 ci-dessous montre la roue et le rail avec l’essieu monté droit et central sur la voie. La paire de roues s’éloigne de l’observateur. (Notez que le rail est montré incliné vers l’intérieur; ceci est fait sur une voie moderne pour adapter le profil de la tête de rail au profil de la bande de roulement de la roue.)

Le diagramme 2 montre les roues déplacées vers la gauche, en raison de la courbure de la piste ou d’une irrégularité géométrique. La roue gauche (représentée ici) tourne maintenant sur un diamètre légèrement plus grand; la roue droite opposée s’est également déplacée vers la gauche, vers le centre de la piste, et roule sur un diamètre légèrement plus petit. Comme les deux roues tournent à la même vitesse, la vitesse d’avancement de la roue gauche est un peu plus rapide que la vitesse d’avancement de la roue droite. Cela entraîne une courbe de la paire de roues vers la droite, corrigeant le déplacement. Cela se fait sans contact avec la bride; les essieux se dirigent sur des courbes modérées sans contact avec la bride.

Plus la courbe est nette, plus le déplacement latéral nécessaire pour réaliser la courbe est important. Sur une courbe très nette (typiquement inférieure à environ 500 m ou à un rayon de 1 500 pieds), la largeur de la bande de roulement de la roue n’est pas suffisante pour obtenir l’effet de direction nécessaire, et le flasque de la roue entre en contact avec la face du rail haut.

Le diagramme 3 montre le fonctionnement des essieux dans un bogie ou un véhicule à quatre roues. La paire de roues n’est pas parallèle à la voie: elle est contrainte par le châssis et la suspension du bogie, et elle est en lacet vers l’extérieur de la courbe; c’est-à-dire que sa direction de roulement naturelle conduirait sur une trajectoire moins incurvée que la courbe réelle de la voie.

L’angle entre la trajectoire naturelle et la trajectoire réelle est appelé angle d’attaque (ou angle de lacet). Lorsque la paire de roues roule vers l’avant, elle est forcée de glisser sur la tête de rail par le contact de bride. L’ensemble des roues est obligé de le faire, de sorte que la roue sur le rail bas est également obligée de glisser sur son rail.

Ce glissement nécessite une force importante pour le réaliser, et la force de frottement résistant au glissement est désignée « L », la force latérale. La paire de roues applique une force L vers l’extérieur aux rails et les rails une force L vers l’intérieur aux roues. Notez que cela est tout à fait indépendant de la « force centrifuge ». Cependant, à des vitesses plus élevées, la force centrifuge est ajoutée à la force de frottement pour faire L.

La charge (force verticale) sur la roue extérieure est désignée V, de sorte que sur le diagramme 4, les deux forces L et V sont représentées.

Le contact acier-acier a un coefficient de frottement pouvant atteindre 0,5 dans des conditions sèches, de sorte que la force latérale peut atteindre 0,5 de la charge verticale de la roue.

Lors de ce contact de bride, la roue du rail haut subit l’effort latéral L, vers l’extérieur de la courbe. Lorsque la roue tourne, la bride a tendance à monter l’angle de la bride. Il est maintenu par la charge verticale sur la roue V, de sorte que si L / V dépasse la tangente trigonométrique de l’angle de contact de la bride, une escalade aura lieu. La bride de roue monte jusqu’au champignon du rail où il n’y a pas de résistance latérale au mouvement de roulement, et un déraillement de montée de la bride a généralement lieu. Dans le diagramme 5, l’angle de contact de la bride est assez raide et l’escalade de la bride est peu probable. Cependant, si la tête de rail est usée latéralement (coupe latérale) ou si la bride est usée, comme le montre le schéma 6, l’angle de contact est beaucoup plus plat et la montée de la bride est plus probable.

Une fois que le flasque de roue est complètement monté sur le champignon du rail, il n’y a pas de retenue latérale, et la paire de roues est susceptible de suivre l’angle de lacet, ce qui entraîne la chute de la roue à l’extérieur du rail. Un rapport L/V supérieur à 0,6 est considéré comme dangereux.

Il est souligné qu’il s’agit d’une description très simplifiée de la physique; les facteurs de complication sont le fluage, les profils réels des roues et des rails, les effets dynamiques, la rigidité de la retenue longitudinale au niveau des boîtes d’essieux et la composante latérale des forces longitudinales (traction et freinage).