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Dispositif de support pour rail de voie ferrée
Domaine de l'invention
La présente invention s'inscrit dans le domaine du montage de rails de voie ferrée. Elle concerne plus particulièrement un dispositif pour fixer un rail en pose directe sur un radier ou sur traverse.
Etat de la technique
Les dispositifs de fixation de rail classiques comportent au moins une semelle en matériau élastique qui donne une élasticité à l'ensemble roue-rail de manière que soit obtenue une certaine isolation de l'environnement à l'égard des vibrations produites par les efforts dynamiques appliqués sur les rails lors du passage des véhicules.
Directement en dessous du rail se trouve presque toujours disposé un dispositif élastique constitué d'une semelle relativement rigide. Une deuxième semelle plus souple se trouve souvent disposée en dessous d'une semelle métallique ou d'une traverse. Cette deuxième semelle assure l'isolation anti-vibratoire.
La première fréquence de résonance en flexion de l'ensemble roue/rail est conditionnée par la raideur dynamique des semelles. Cette fréquence de résonance est inversement proportionnelle à la performance anti-vibratoire du système de fixation du rail : une fréquence de résonance basse donne une meilleure isolation anti-vibratoire qu'une fréquence de résonance élevée.
Avec des semelles qui ont une raideur dynamique faible, on réduit la première fréquence de résonance de l'ensemble roue-rail, ce qui donne lieu à une bonne filtration anti-vibratoire. La meilleure filtation est donc obtenue avec la plus faible raideur dynamique pour les semelles.
Il y a cependant une limite physique inférieure à cette raideur dynamique des semelles utilisées dans les systèmes de fixation de rail actuels. La raideur dynamique est en relation directe avec la raideur statique des semelles. La raideur statique des semelles ne peut pas être trop faible car elle influence directement la déflexion du rail lors du passage d'un véhicule sur les rails. Cette déflexion des rails est en général limitée à 3 mm environ.
Cette limite de déflexion statique du rail impose une raideur statique minimum, et ainsi une
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raideur dynamique minimum de la semelle anti-vibratoire. Ce phénomène limite les performances d'isolation anti-vibratoire des systèmes de fixation de rail actuels. Pour la plupart des dispositifs de fixation connus, la fréquence de résonance se situe entre 35 et 60 Hz.
Pour obtenir des performances d'isolation supérieures à celles obtenues avec les systèmes de fixation classiques, il faut découpler complètement la fonction de fixation et la fonction d'isolation. Ceci est réalisé dans les systèmes de type dalle flottante dans lesquels les supports de rails sont fixés sur une dalle qui est elle-même isolée de l'environnement par des plots anti-vibratoires disposés entre la dalle et le radier (ou sol).
Pour une dalle flottante, la fréquence de résonance se situe entre 10 et 25 Hz environ, ce qui assure une meilleure filtration anti-vibratoire. Des systèmes anti-vibratoires de ce type sont cependant très chers et ils sont difficiles à entretenir.
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Résumé de l'invention
La présente invention a pour but de réaliser des dispositifs de fixation de rails en pose directe sur radier ou sur traverse,
qui ont des performances d'isolation anti-vibratoire proches de celles qui sont obtenues avec une pose sur dalle flottante et qui assurent en même temps une bonne stabilité pour les rails-
Cet objectif est atteint suivant l'invention par un dispositif de support de rail comprenant une selle posée sur une semelle anti-vibratoire et fixée par des moyens constitués d'un dispositif élastique de précontrainte agencé pour appliquer à la semelle anti-vibratoire une précontrainte prédéterminée de manière à limiter la déflexion statique du rail à une valeur prédéterminée lors du passage d'un véhicule sur le rail.
Grâce à la précontrainte appliquée suivant l'invention, la semelle anti-vibratoire travaille dans la zone de comportement quasi-linéaire de sa courbe de déflexion. Lorsqu'une roue passe alors sur le rail au-dessus d'un dispositif de fixation, le point de fonction- nement de la semelle anti-vibratoire reste dans la zone de comportement quasi-linéaire.
L'effort de précontrainte devient très faible lors du passage de la roue et les déflexions statiques du rail se trouvent limitées tandis que l'isolation anti-vibratoire voulue est assurée. Le dispositif suivant l'invention assure ainsi, pour la fixation du rail, une raideur statique apparente élevée combinée à une raideur dynamique faible. Une autre
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application du dispositif suivant l'invention est la pose de deux rails en courbe, l'invention permettant de réduire le bruit de crissement.
Le dispositif de support de rail suivant l'invention peut être réalisé avec ou sans plaque de base métallique. Dans le premier cas, la selle portant le rail est fixée à la plaque de base par l'intermédiaire des dispositifs de précontrainte. Dans le second cas, la selle se trouve fixée directement dans la voirie par l'intermédiaire des dispositifs de précontrainte.
L'invention propose également une selle particulière destinée à être utilisée avec avantages dans les dispositifs de support de rail suivant l'invention dans lesquels la selle se fixe directement dans la voirie.
Brève description des dessins
La FIG. 1 montre une coupe dans un premier mode de réalisation du dispositif de support suivant l'invention ;
La FIG. 2 montre une coupe dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, prise suivant la ligne ll-ll de la FIG. 3 ;
La FIG. 3 est une vue de dessus de la selle utilisée dans le dispositif de la FIG. 2 ;
La FIG. 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la FIG. 3 ;
La FIG. 5 représente une variante du dispositif de la FIG. 2 ;
La FIG. 6 montre une courbe de déflexion statique typique d'une semelle anti- vibratoire ;
La FIG. 7 montre une courbe de mise en charge typique d'une semelle anti-vibratoire avec un dispositif de fixation suivant l'invention ;
La FIG. 8 montre la courbe de rigidité statique d'un exemple d'appui pour rail ;
La FIG. 9 montre la courbe de rigidité dynamique d'un exemple d'appui pour rail de voie ferrée ;
La FIG. 10 montre la courbe de mise en charge des ressorts de précontrainte dans un dispositif suivant l'invention ;
La FIG. 11 montre la courbe de mise en charge statique d'un dispositif suivant l'invention ;
Les FIG. 12 à FIG. 15 illustrent les rigidités dynamiques observées avec 1 dispositif suivant l'invention pour quatre paliers de charge sur les appuis pour n échantillon de rail fixé avec un dispositif suivant l'invention.
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Description de modes de réalisation de l'invention Le dispositif de support représenté à la FIG. 1 comprend essentiellement une plaque de base 11 fixée dans un radier en béton ou une traverse (non représentée), une semelle anti-vibratoire 17 et une selle 19 sur laquelle vient se fixer un rail. La plaque de base 11 présente des parois pratiquement verticales et forme ainsi une cuvette. Elle est fixée dans la structure de support par des boulons 12. Un intercalaire 13 est prévu, le cas échéant, avec une épaisseur choisie pour permettre de niveler la tête des écrous de fixation 12 ainsi que les reliefs de la plaque de base 11.
L'intercalaire 15 sert à recouvrir les percements dans l'intercalaire 13. La semelle antivibratoire 17 a des dimensions choisies en fonction de la fréquence propre de la voie.
La selle 19 repose sur la semelle anti-vibratoire 17. Elle est constituée d'un corps métallique, de forme générale rectangulaire, dont la partie centrale sert d'assise pour la semelle d'un rail et présente des orifices pour la fixation du rail sur la selle. De part et d'autre de sa partie centrale, la selle 19 présente au moins deux plages de fixation 18 dans chacune desquelles est percé un orifice pour recevoir un moyen de fixation pour fixer la selle 19 à la plaque de base. L'ensemble est maintenu dans la cuvette de la plaque de base 11 avec interposition d'une butée latérale 14 et d'un élément de réglage 16 insérés de chaque côté.
La selle 19 est fixée à la plaque de base 11 par l'intermédiaire de boulons, par exemple des boulons à tête marteau tels que le boulon 22, sur les tiges desquelles sont montés des dispositifs de précontrainte 20 dont la fonction est de mettre la semelle antivibratoire 17 en état de précontrainte.
Chaque dispositif de précontrainte 20 comprend un ensemble intégré de deux ressorts 21 et 23. Le premier ressort 21 est choisi avec une rigidité plus faible que celle du deuxième ressort 23 qui est disposé autour du premier. Le ressort 21 a par exemple une rigidité de 1800 N/cm tandis que le ressort 23 a par exemple une rigidité 50 à 150 kN/cm. Le premier ressort 21 est enveloppé d'une d'une coiffe 25 en tôle pour faciliter le réglage de la précontrainte et le rappel du ressort de plus grande rigidité 23.
L'ensemble est maintenu entre deux rondelles épaulées 28 et 29 enserrées entre un écrou de serrage 24 et une plage de fixation 18 de la selle. Le ressort 23 est complètement exempt de précontrainte lors du passage d'une roue sur le rail. A ce
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moment, le ressort 23 ne contribue pas à la raideur dynamique de l'ensemble roue - rail - système de fixation.
Le dispositif de support suivant l'invention peut également être réalisé sans. plaque de base. Dans ce cas, la selle précitée est fixée dans le radier, une traverse ou une structure de support quelconque. Pour un tel cas d'application, l'invention propose plus particulièrement un dispositif de support tel que représenté aux FIGS. 2 à 4.
Dans ce mode de réalisation particulier, le dispositif utilise une selle 30 comprenant un plateau 31 qui couvre le dessus de la semelle anti-vibratoire 17, et se prolonge par des flancs 33 qui s'étendent perpendiculairement au plateau de manière à couvrir les côtés de la semelle anti-vibratoire 17, et au moins deux rebords 35 situés en contrebas du plateau 31 et percés d'orifices 32 pour le passage des tiges filetées 34 destinées à fixer la selle à la structure de support.
Sur les tiges 34 se trouvent logés les ressorts de précontrainte 21 et 23. Les rebords 35 situés en contrebas du restant du corps de la selle permettent de diminuer la hauteur des tiges filetées 34 du dispositif de précontrainte. De cette manière, le dispositif de précontrainte 20 présente moins d'encombrement par rapport à la surface de roulement. De plus, les rebords 35 permettent une meil- leure adaptation du dispositif de support de rail à la surface de la voirie en cas de revêtement. Enfin, les rebords 35 permettent le placement de butées 36 sous leur surface inférieure. Ceci augmente la contre-réaction en cas de surcharge et limite ainsi le déplacement horizontal du rail dans ce cas.
Un autre avantage de la présence des butées horizontales 36 est d'éviter un encrassement en dessous de la selle, lequel encrassement est toujours susceptible de provoquer un blocage. Comme le montre la FIG. 5, l'ensemble peut se compléter d'une coiffe de protection 37 pour chaque dispositif de précontrainte 20 et d'une coiffe additionnelle 39 pour l'écrou de blocage de la coiffé de protection 37.
Le dispositif de support de rail décrit dans ce qui précède comprend donc un dispositif de précontrainte comportant deux étages élastiques avec ressorts. Il est à noter qu'il existe déjà des systèmes de fixation de rail à deux étages élastiques avec ressorts, mais ces systèmes connus ont pour seul but de tenir mécaniquement la
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selle ou la traverse en place et de permettre la déflexion de la selle. De plus, dans ces systèmes connus, la précontrainte appliquée sur les ressorts est très faible (quelques milliers de Newtons seulement).
Dans le dispositif suivant l'invention, par
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contre, une contrainte importante (de l'ordre de 10 kN) se trouve appliquée à la semelle anti-vibratoire et cette précontrainte est choisie de manière à modifier le comportement dynamique de la voie comme il est exposé ci-après.
Les semelles anti-vibratoires ont une courbe de déflexion statique telle que montré à la FIG. 6. Sur cette courbe on distingue trois zones de fonctionnement : : (a) une zone non-linéaire de mise en charge (A) ; (b) une zone quasi-linéaire (B) dans laquelle le produit doit travailler ; (c) une zone non-linéaire (C), non exploitable.
En service, la charge réelle appliquée sur un appui du rail lors du passage d'une roue de véhicule sur le rail est quasiment statique et rapide. Afin d'éviter que le point de fonctionnement de la semelle anti-vibratoire ne passe chaque fois dans la zone nonlinéaire de mise en charge de sa courbe de déflexion, il est important que la semelle antivibratoire travaille de manière continue dans la zone non-linéaire de la courbe. C'est pourquoi, lors de la fixation d'un rail, le dispositif de précontrainte suivant l'invention est réglé de manière à appliquer à la semelle anti-vibratoire une précontrainte importante telle que la semelle travaille toujours dans la zone de comportement linéaire (B).
Conformément à un aspect de l'invention, sur la base de. s données techniques de l'assise de la voie et du matériel roulant, le dispositif de précontrainte est réglé en tenant compte en premier lieu des performances en isolation anti-vibratoire (fréquence de résonance roue-rail) demandées. Ces performances imposent en général une raideur dynamique faible. De cette raideur dynamique on déduit la raideur statique demandée, laquelle est fonction de la matière dont est constituée la semelle anti-vibratoire. Avec cette raideur statique, on obtient en général des déplacements statiques du rail mportants, qui ne sont pas tolérés.
Le dispositif de précontrainte est alors réglé de manière qu'il applique à la semelle anti-vibratoire une précontrainte telle que la différence entre le déplacement du rail avant précontrainte et le déplacement du rail après précontrainte reste inférieur au déplacement du rail toléré (en général 3 mm). De préférence, la semelle est choisie de manière qu'elle travaille dans la zone quasi-linéaire de sa courbe de déflexion avec la précontrainte et la charge supplémentaire qui lui est appliquée lors du passage d'une roue.
Pour un système de fixation de rail type UIC 60, par exemple, sur béton avec travelage de 60 cm, une masse non suspendue du véhicule de 1000 kg, une charge à l'essieu de 180kN et une fréquence de résonance de l'ensemble roue/rail de 22 Hz (isolation simi-
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laire à celle qui est réalisée par une dalle flottante), il faut une raideur dynamique de la semelle anti-vibratoire dans le système de fixation d'environ 10 kN/mm (déterminée par la méthode des éléments finis). En utilisant alors pour la semelle anti-vibratoire un produit ayant une raideur statique égale à la raideur dynamique, avec la charge à l'essieu considérée (180 kN), on obtient une déflexion du rail de 4, 5 mm (FIG. 6).
On peut par exemple utiliser pour la semelle anti-vibratoire un produit microcellulaire quasi-isotrope tel que le polyuréthane à structure mixte.
Si le dispositif de précontrainte 20 est réglé de manière à appliquer à la semelle antivibratoire une précontrainte de l'ordre de 30 kN avec deux ressorts 23 de 15 kN/mm comprimés tous les deux de 1 mm, la déflexion du rail au moment du passage d'une roue est de l'ordre de 1, 5 mm, ce qui est tout à fait acceptable. Lors du passage de la roue, les deux ressorts 23 n'exercent plus d'effort de précontrainte. Seuls les ressorts de rappel 21 exercent alors un effort de précontrainte faible et le système reste ainsi dynamiquement très souple.
La FIG. 7 montre une courbe de mise en charge type d'une semelle anti-vibratoire convenant pour une charge à l'essieu de 100 à 120 kN environ, par exemple. Tenant compte de la charge statique par essieu sur appui anti-vibratoire, on obtient par exemple une charge minimale de 20 kN sur la semelle anti-vibratoire. La précontrainte appliquée par le dispositif 20 est alors choisie égale à cette charge minimale. Lors du passage d'une rame, la charge peut varier entre 20 et 30 kN. La précontrainte choisie (20 kN par exemple) fixe le point de fonctionnement minimum du système, pour lequel se produit une déflexion du rail de 4, 5 mm. Cette précontrainte est réalisée par exemple avec deux ressorts 23 de 10 kN/mm qui sont tous les deux comprimés de 1 mm.
Dans le cas où une rame applique une charge par essieu de 100 kN, l'impact moyen sur chaque appui est de l'ordre de 25 kN et cela produit une déflexion supplémentaire du rail de 1, 3 mm. Pour une charge appliquée de 120 kN par essieu, l'impact moyen sur l'appui est de l'ordre de 30 kN, ce qui produit une déflexion supplémentaire du rail de 3, 1 mm. Le point de fonctionnement du système suivant l'invention se comporte ainsi dynamiquement pour produire une déflexion de : 4, 5 mm pour une charge appliquée de 20 kN, 5, 8 mm pour une charge appliquée de 25 kN, 7, 6 mm pour une charge appliquée de 30 kN.
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On notera que les deux ressorts de précontrainte 23 dans le dispositif de précontrainte 20 suivant l'invention se libèrent complètement lors du passage de la roue. L'invention permet ainsi de réaliser des conditions de fonctionnement optimales sur appuis anti-vibratoires, c'est-à-dire une rigidité dynamique très faible tout en limitant la déflexion du rail à la valeur tolérée, par exemple 3 mm (au lieu de 8 mm).
Des essais ont été réalisés sur un tronçon de rail d'environ 6 m de long avec sept points de fixation équipés d'un dispositif de précontrainte suivant l'invention afin de vérifier le comportement statique et dynamique de l'ensemble. Les appuis utilisés sont du type
SYL. S65. XS/300.180. 50. La courbe de la FIG. 8 montre que la rigidité statique de l'échantillon en-dessous d'une charge de 15.0 kN est en moyenne de 3600 N/mm et la déflexion sous une charge de 25 kN est d'environ 8 mm. La courbe de la FIG. 9 montre que la rigidité dynamique est de l'ordre de 5600 N/m. L'effort de compression maximum mesuré est de 25 kN environ. La précontrainte a été fixée à 15 kN (FIG. 10).
Les FIG. 11 à 15 illustrent les résultats des essais effectués après montage du système.
La courbe de la FIG. 11 illustre la mise en charge statique du système. On constate que la rigidité statique est de l'ordre de :
8600 N/mm pour une charge inférieure à 15. 0 kN
3600 N/mm pour une charge supérieure à 15.0 kN.
La déflexion résiduelle à 25 kN est de l'ordre de 5 mm pour une charge lente. La déflexion statique est toujours plus importante qu'une montée en charge rapide : la FIG. 6 montre en en effet que, pour une montée à 25 kN, la déflexion est de l'ordre de 3 mm.
Le comportement dynamique de l'échantillon est illustré par les graphiques des FIG. 12 à 15 pour des paliers de charge situés à 10, 15, 20 et 25 kN. Ces graphiques montrent la rigidité dynamique est de l'ordre de :
8600 N/mm pour une charge inférieure à 15. 0 kN,
5600 N/mm pour une charge supérieure à 15.0 kN.
Ces résultats confirment l'excellent comportement dynamique du dispositif de fixation suivant l'invention, tout en limitant la déflexion du rail à + 3 mm.