Ressentir la chaleur : détection des défauts ferroviaires

Sur le plan technologique, les chemins de fer semblent 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 permettent de déplacer des marchandises et des passagers depuis au moins le XVIIIe siècle.

Mais cette simplicité fondamentale cache la véritable complexité d’un chemin de fer, où le simple fait de maintenir les trains sur la voie peut s’avérer une tâche ardue. Les forces qu’un train entièrement chargé 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 élément défaillant. Cela est devenu douloureusement évident avec le récent déraillement de Norfolk Southern à East Palestine, dans l’Ohio, qui a entraîné un incident impliquant des matières dangereuses auquel aucune communauté n’est prête à faire face.

Compte tenu des forces impliquées, maintenir les trains dans le droit chemin n'est pas une mince affaire, et les concepteurs ferroviaires ont mis au point un ensemble de capteurs et de systèmes pour les aider à garder un œil sur ce qui se passe avec le matériel roulant d'un former. 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 présentent deux caractéristiques essentielles qui rendent nécessaires les systèmes de surveillance : ils sont lourds et ils sont longs. Le poids d'un train pose problème car même si l'architecture de base d'un chemin de fer réduit la friction de roulement entre une roue et le sol, elle ne fait rien pour réduire la friction entre les essieux du wagon et les camions qui les transportent. C'est le travail des roulements de roue, qui, comme tout autre composant mécanique, sont sujets à l'usure, aux dommages et éventuellement à une défaillance, avec des conséquences potentiellement catastrophiques.

Quant à la longueur d’un train, cela devient un problème lorsqu’elle place la majeure partie du matériel roulant hors de portée visuelle directe des personnes qui conduisent le train. À l’époque, les limitations de puissance des locomotives avaient tendance à maintenir les trains relativement courts, permettant ainsi aux conducteurs et aux ingénieurs de garder un œil sur chaque wagon. Cela a été rendu plus facile par l'invention du fourgon de queue ; dans sa configuration classique avec une coupole vitrée dépassant du toit du wagon et depuis sa position tout en extrémité du train, les conducteurs pouvaient observer toute la longueur d'un train, notamment dans les virages. 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 » grâce à la fumée et aux flammes qu'elles émettaient, un indicateur aussi subtil de problème que il y en a jamais eu.

Les progrès techniques, comme le remplacement des paliers lisses par des roulements à rouleaux, ont permis de construire des wagons toujours plus grands. Les wagons de marchandises circulant sur les chemins de fer nord-américains de nos jours peuvent avoir un poids brut de 315 000 livres (143 tonnes), un poids ahurissant qui est supporté par seulement 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 toujours 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 longueur. Dans un train comme celui-là, plus d'une douzaine de wagons en retrait des locomotives de tête se trouvent hors de portée visuelle directe du mécanicien et du chef de train et fonctionnent effectivement de manière totalement inaperçue.

La surveillance en 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 systèmes installés périodiquement le long des voies ferrées détectent automatiquement tout problème avec le matériel roulant d'un train qui pourrait entraîner un accident.

Pour cause, l’essentiel de la détection des défauts se concentre sur l’état des roues et des roulements de chaque wagon du train. Et comme la friction est l’ennemi, la plupart des détecteurs se basent sur la chaleur de ces composants critiques pour évaluer leur état. Une installation typique de capteurs en bordure de voie comprendra à la fois des détecteurs de boîtes chaudes (HBD) et des détecteurs de roues chaudes (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 avoir un bon aperçu des boîtiers de roulements 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 lors de son passage. Les caractéristiques thermiques des roues et des roulements sont très différentes : les roues peuvent devenir beaucoup plus chaudes que les roulements avant d'être considérées comme un défaut ; les HBD et les HWD sont donc calibrés différemment.