• Rames TGV des chemins de fer marocains ONCF.

  • © Wikipédia

    Le train Zefiro (ETR1000) appelé «􀀀Frecciarossa 1000􀀀» est non-articulé, à motorisation répartie, composé de huit voitures pour une longueur de 200 m, conforme aux spécifications techniques d’interopérabilité (STI).

  • © Toshinori Baba

    Le Shinkansen N700 adopte un dispositif d’inclinaison de caisse utilisant la suspension secondaire, ce qui lui permet un léger gain de temps dans les circulations en courbe ; circulant à 270 km/h là où les autres trains Shinkansen sont limités à 255 km/h, il permet de raccourcir de 5 minutes le trajet Tokyo-Osaka. La variante N700A comporte un dispositif de suspension transversale active pour les voitures de première classe pour l’amélioration du confort transversal.

Matériel Roulant. Un panorama de la grande vitesse dans le monde

5 octobre 2017
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Les amateurs de matériel roulant attendaient depuis près de deux ans, la suite de cette trilogie rédigée par les ingénieurs de sept nationalités, issus de plusieurs grandes sociétés européennes. Voici le premier chapitre de ce tome II qui décrit les différentes architectures de construction des trains en fonction du service de transport rendu.

Les architectures de train à grande vitesse : Bien qu’issues à l’origine, au moins en Europe, des architectures de trains rapides de voyageurs, organisées autour d’une locomotive et d’un nombre variable de voitures (facteur de souplesse pour l’exploitation et la maintenance), les architectures de trains à grande vitesse ont évolué vers un modèle spécifique résultant de la prise en compte de facteurs propres à la grande vitesse :

• La multi-motorisation :

La puissance nécessaire à la traction croît comme le cube de la vitesse, la charge à l’essieu admissible décroît avec la vitesse, l’adhérence disponible au contact roue-rail décroît avec la vitesse ; ces facteurs, combinés entre eux, conduisent à multiplier le nombre d’essieux-moteurs nécessaires à la traction du train : 8 à 12 pour les TGV/ AGV français, ETR italiens, ICE 1 et 2 allemands, 16 pour ICE3 et Velaro de Siemens, et la quasi-totalité des essieux pour les trains japonais.

• La rame-bloc de composition fixe :

Dès l’origine du système Shinkansen japonais en 1964, les concepteurs optèrent pour une architecture de train très motorisé (certains modèles à adhérence totale : tous les essieux sont moteurs) et de composition fixe. Certains Européens (Allemagne, Italie) ont d’abord développé des architectures préservant la possibilité d’une variabilité du nombre de voitures, possibilité qui, à l’expérience, n’a pas été utilisée ; de nombreux arguments plaident en effet pour la rame de composition fixe :

– L’optimisation possible du dimensionnement de l’équipement de traction grâce à une masse de train et d’une résistance à l’avancement invariables.

Mais aussi une réalisation industrielle plus simple pour l’ensemble des systèmes de traction, auxiliaires et de contrôle/ commande du fait de la continuité complète de la rame, et donc une sûreté de fonctionnement grandement améliorée.

– La recherche d’un excellent aérodynamisme pour une résistance à l’avancement minimisée, qui conduit à caréner au maximum le train et ainsi « fermer » les césures entre voitures adjacentes, rendant plus difficile leur désaccouplement

– La prise en compte des phénomènes aérodynamiques instationnaires qui amènent à rendre les voitures étanches à la pression, ce qui complexifie les zones d’intercirculation entre voitures et par conséquent les procédures de désaccouplement.

Aujourd’hui les processus de certification et d’autorisation de mise en service sont complexes et liés à une composition fixe. La flexibilité d’une composition est encore possible, mais chaque modification de configuration doit être analysée et autorisée comme une composition fixe

L’architecture certainement la plus aboutie, dans cette logique, réside dans le concept de rame « articulée », où les voitures sont reliées les unes aux autres par une articulation (rotule) et partagent le même bogie au droit de cette articulation, avec les conséquences très favorables suivantes :

– Réduction du nombre de bogies, et par suite réduction de la masse du train, de sa traînée aérodynamique et ainsi du dimensionnement du système de traction et du coût de maintenance global du train

– Meilleure stabilité globale (en particulier en cas de déraillement), meilleure résistance aux vents traversiers, moindre susceptibilité à l’envol du ballast.

– Plus grande facilité de traitement aérodynamique des césures entre voitures et de réalisation de l’étanchéité des intercirculations entre voitures.

– Aptitude à la réduction des liaisons « solides » entre caisse et bogie (amortisseurs caisse-bogie) par report de l’amortissement entre voitures adjacentes, et ainsi réduction du transfert vibratoire du bogie vers la caisse (confort du voyageur).

– En configuration de voiture à deux niveaux, plus grande capacité résultant du moindre nombre de bogies à longueur comparable de train (la présence du bogie stérilise un niveau d’aménagement pour salle voyageur).

Cette architecture (rame articulée) implique cependant des efforts technologiques particuliers, en particulier pour respecter la contrainte de masse limite à l’essieu de 17 t, compte tenu de la réduction du nombre de bogies par rapport à des architectures plus traditionnelles.

La problématique du confort versus stabilité du bogie :

Dans ce domaine, les enjeux et solutions sont contradictoires : privilégier la stabilité du bogie, avec un empattement allongé à 3 m, au risque de pénaliser le confort transversal basse fréquence, ou privilégier ce confort avec des bogies de faible empattement (2,50 m), au prix d’amortisseurs antilacets puissants et devenant essentiels pour la sécurité de marche.

• La problématique de la motorisation répartie versus motorisation concentrée sur deux motrices à chaque extrémité du train :

– Au Japon, la décision fut prise, dès l’origine du service Shinkansen, d’adopter une architecture de train automoteur à motorisation répartie (et même, au début, à l’adhérence totale, c’est-à-dire tous essieux motorisés). Il s’agissait certainement, d’une part de garantir une bonne adhérence en toutes circonstances, grâce à la faible sollicitation de celle-ci et d’autre part d’obtenir une moindre masse des bogies moteurs par l’adoption de moteurs de faible puissance, donc de faible poids.

– En Europe en revanche, les premiers trains à grande vitesse adoptèrent une architecture de type « push-pull », à motorisation concentrée sur deux motrices en extrémité de rame (TGV, ICE, ETR) : pour pouvoir plus aisément construire un tronçon « articulé » purement « voyageur » dans le cas du TGV, préserver une éventuelle possibilité de variation de la composition « voyageur » dans le cas de l’ICE et de l’ETR500 italien.

Le succès commercial du transport ferroviaire à grande vitesse, l’analyse des coûts de construction et d’exploitation des trains, et le constat que la composition en rame à composition fixe était la plus adaptée à la grande vitesse (avec la possibilité de coupler deux rames pour adapter l’offre à la demande en pointe), ont conduit les concepteurs européens à évoluer. Cette évolution s’est faite dans deux directions, dans la recherche d’une capacité maximale sous contrainte de longueur fixée par l’infrastructure (longueur des quais de gare) :

– En architecture à un niveau, l’adoption de la motorisation répartie qui off re une capacité plus grande à longueur de train donnée (Zefiro, Velaro, Pendolino et AGV)

– La réalisation de trains à deux niveaux (TGV Duplex) pour laquelle l’architecture à motorisation concentrée offre la meilleure solution en termes de capacité, d’économie à la place, et de confort pour le voyageur.

Il apparaît ainsi, en conclusion, qu’en formule « un niveau », l’optimum en capacité réside dans la motorisation répartie, et que pour une architecture « deux niveaux », la motorisation concentrée reste la meilleure solution. Le débat entre architecture articulée (privilégiée dans la solution française TGV/ AGV et la solution espagnole « Talgo »), et non articulée (Japon et autres solutions européennes) reste, lui, entièrement ouvert.

On pourra enfin nuancer un peu ce propos pour la formule « un niveau ». Dans certaines situations où la contrainte de longueur de quai est faible, où l’opérateur veut se réserver la possibilité d’accroître après plusieurs années d’exploitation la capacité unitaire des trains sans avoir à investir dans de nouvelles rames, une architecture à motorisation concentrée peut éventuellement être considérée. Cette option doit toutefois être prise en compte dès l’origine du projet dans le dimensionnement de sous-systèmes (traction, freinage électrique, auxiliaires, etc.) sensibles à la taille du train complet.

Les réalisations récentes

Le lecteur trouvera ci-après des images des trains à grande vitesse les plus récents dans le monde :

Asie

Japon

Depuis la mise en service du réseau Shinkansen, de nombreuses variantes de trains automoteurs à grande vitesse ont été créées, toutes à motorisation répartie, quelques-unes avec des formules à deux niveaux partielles (MAX de JR-East), pour des vitesses longtemps limitées à 240/270 km/h, plus récemment 300 km/h. On trouvera ci-dessus un aperçu des réalisations les plus récentes .

Chine

La Chine a entrepris un gigantesque développement de son réseau ferroviaire à grande vitesse depuis le début des années 2000. Les premiers modèles de trains à grande vitesse étaient issus de transferts de technologie européens et japonais, qui ont ensuite permis une assimilation progressive de la technologie grande vitesse par les constructeurs chinois (CNR et CSR maintenant réunis en un seul ensemble industriel CRRC). Ceux-ci sont aujourd’hui en mesure de développer en toute autonomie leurs trains à grande vitesse.

République de Corée

La Corée a inauguré en avril 2004 la liaison à grande vitesse entre Séoul et Busan, avec des trains KTX-I très directement dérivés du TGV français, à partir d’un transfert de technologie complet. L’industrie coréenne a ensuite développé les rames KTX-II (ci-dessous), de longueur réduite à 200 m, de technologie très voisine (motorisation concentrée, rame articulée).

Afrique et Moyen-Orient

Turquie

La Turquie a entrepris la construction d’un réseau de lignes ferroviaires à grande vitesse, pour l’instant exploité à 250 km/h, sur plus de 700 km à ce jour, permettant de relier entre elles les trois villes d’Ankara, Istanbul, et Konya. Ce réseau est desservi par les trains YHT (Yüksek Hizli Tren), circulant à 250 km/h, fournis par la société CAF.

Maroc

Le Maroc a entrepris la réalisation d’un réseau d’environ 1500 km de lignes à grande vitesse (LGV) : – Une LGV « Atlantique » marocaine, partant de Tanger en passant par Rabat, Casablanca, Marrakech et Essaouira pour desservir Agadir. – Une LGV « Maghrébine » (Casablanca – Rabat – Oujda), qui se prolongera jusqu’à Tripoli via Alger et Tunis, dans le cadre du futur réseau à grande vitesse maghrébin. La première section Tanger- Kénitra sera mise en service en 2018, avec un parc de 14 rames TGV à deux niveaux, fournies par la société Alstom ; ces rames, dérivées des TGV Duplex de la SNCF, pourront circuler sur le réseau classique marocain électrifié en tension continue 3000 V.

Europe

Allemagne

Les premiers trains à grande vitesse de la Deutsche Bundesbahn, les ICE1, entrèrent en service le 2 juin 1991. Au nombre de 60, ce sont des trains à motorisation concentrée (deux motrices encadrant douze voitures). Cette flotte fut complétée par 44 ICE2, mis en service à partir de mai 1998. La seconde génération de trains à grande vitesse de la DB fut mise en service en 2000. Il s’agit de 54 trains ICE3, trains à motorisation répartie conformes aux spécifications techniques d’interopérabilité1. Cette seconde génération a été la base des développements de la plateforme « Velaro » de la société Siemens : il s’agit également d’un train à motorisation répartie, pour une vitesse commerciale de 320 km/h, qui a donné lieu à de nombreuses variantes : 28 Velaro E (Espagne), 160 Velaro CN (Chine), 16 Velaro RUS (Russie), 17 Velaro D (Europe), 17 Velaro e320 (Eurostar).

Espagne

Bien que plus récent que les réseaux à grande vitesse français, italien ou allemand, le réseau espagnol est à ce jour, avec plus de 2 500 km de lignes à grande vitesse, le plus étendu d’Europe, et le troisième mondial derrière la Chine et le Japon.

Les matériels à grande vitesse sont variés, issus d’industriels différents :

– 24 rames (S5100/101) livrées par Alstom et mises en service pour la première ligne à grande vitesse (Madrid-Séville) inaugurée le 21 avril 1992. Il s’agit de rames TGV très directement dérivées des rames de deuxième génération

– 26 rames Velaro livrées par Siemens entrent dans le courant des années 2000

– 16 rames « El Pato », à motorisation concentrée (motrices Bombardier et tronçon remorqué articulé Talgo) livrées dans la même période par le consortium Bombardier/Talgo

France

La France fut le premier pays au monde à lancer un service de trains à très grande vitesse à plus de 250 km/h : en septembre 1981 était inauguré le service à grande vitesse Paris Sud-Est de la France (ligne à grande vitesse Paris-Lyon) à la vitesse de 260 km/h, portée à 270 km/h l’année suivante. La SNCF et la société Alstom ont développé trois générations successives de TGV, construites à partir des mêmes principes architecturaux (rame articulée, bogies de grand empattement, moteurs suspendus dans la caisse, freinage électrique sécuritaire, redondance des équipements critiques). Mais d’une génération à la suivante, les avancées de la technologie sont mises à profi t pour faire progresser « de concert » les performances, le confort des voyageurs, l’économie de l’exploitation, l’impact dans l’environnement, avec la permanence de l’exigence d’une sécurité absolue. Pour chaque génération, une campagne d’essais à très haute vitesse, sanctionnée par un record du monde, permettait d’explorer le domaine de vitesses largement supérieures à la vitesse nominale d’exploitation, tester les limites du système, vérifi er les marges de dimensionnement :

– 380 km/h le 21 février 1981 pour la première génération

– 515 km/h le 18 mai 1990 pour la deuxième génération

– 575 km/h le 3 avril 2017 pour la troisième (TGV Duplex) et quatrième génération (AGV)

À ce jour la SNCF exploite plus de 500 rames TGV de ces trois générations ; la quatrième génération, l’AGV, développée par la société Alstom, est exploitée sur le réseau italien (voir ci-dessous) La génération la plus récente pour la SNCF est considérée comme la troisième génération de TGV Duplex, livrée par la société Alstom à partir de 2011 ; TGV appelé « Euroduplex » car conforme aux STI, il est apte à circuler dans plusieurs pays européens continentaux (France, Allemagne, Suisse, Espagne, Luxembourg) et capable de la vitesse de 320 km/h.

Italie

L’Italie fut le premier pays en Europe à lancer en 1970 la construction d’une ligne ferroviaire à grande vitesse : la « Direttissima » Rome-Florence, conçue pour la vitesse de 250 km/h. La mise en service commercial intervint en 1988 avec des automotrices pendulaires ETR450, en attendant l’arrivée des 57 trains ETR500, trains à motorisation concentrée (deux motrices et 8 à 12 voitures suivant les compositions), capables de la vitesse de 300 km/h, construits par le consortium TREVI, mis en service en 1992. Les réalisations les plus récentes sont les suivantes :

– Le train à grande vitesse © ETR1000 Zefiro (Bombardier) et l’AGV Italo (Alstom).

– La société Bombardier a développé la plateforme Zefiro pour créer des trains à grande vitesse à motorisation répartie de vitesse 300 à 360 km/h, en association avec CSR en Chine et avec AnsaldoBreda (société reprise par Hitachi) en Italie.

AGV Italo

Le train AGV Italo représente la quatrième génération de trains à grande vitesse produits par la société Alstom. Comme pour les générations précédentes (TGV), il s’agit d’un train à architecture articulée (en totalité) ; contrairement aux TGV précédents, il est à motorisation répartie, conforme aux STI et a une vitesse de définition de 360 km/h. Chaque train est composé de onze voitures, pour une longueur de 200 m et une capacité de près de 500 places. La société NTV exploite 25 trains depuis le 28 avril 2012.

Espagne

L’Espagne s’est engagée dans un ambitieux plan de construction de lignes à grande vitesse, visant à mettre toutes les capitales régionales à moins de 3 h de Madrid et 5 h 30 de Barcelone à terme (horizon 2020). La première mise en service eut lieu le 14 avril 1992 entre Madrid et Séville avec un parc de rames TGV directement dérivées des rames TGV-Atlantique de la SNCF. Depuis cette date le parc s’est enrichi de rames Velaro (Siemens) et de rames Talgo-Bombardier.

Visions d’avenir pour la grande vitesse ferroviaire

Cinquante ans après la mise en service du premier système ferroviaire à grande vitesse (au Japon, en 1964, le service Shinkansen), plus de 30 ans avec l’ouverture du service TGV en Europe (Paris-Lyon, septembre 1981), le système roue-rail ferroviaire a fait la preuve de sa pertinence technique, commerciale, économique et écologique.

Le potentiel technique de vitesse du système est très loin d’être épuisé à ce jour, comme l’ont montré les records successifs de vitesse du TGV (1981 : 380 km/h ; 1990 : 515 km/h ; 2007 : 575 km/h) réalisés avec des rames formées à partir de véhicules et composants de série : on peut ainsi mentionner des résultats obtenus lors de la dernière compagne conduite de février à avril 2007: plus de 2000 km parcourus à plus de 450 km/h, vingt-huit marches d’essais ayant dépassé la vitesse de 500 km/h, des appareils de voie franchis de très nombreuses fois à plus de 500 km/h, etc.

La vitesse de 350 km/h sera très vraisemblablement, dans les années qui viennent, une vitesse courante sur ligne ferroviaire à grande vitesse dans le monde.

Et au-delà ?

En dépit de son immense potentiel de vitesse, il n’est pas certain que le système ferroviaire continue à voir les vitesses augmenter significativement, même si, contrairement à des idées souvent émises, l’économie du système reste attractive. Contrairement au mode aérien la consommation d’énergie ne représente qu’une part faible, de l’ordre de 6 à 12%, du coût d’exploitation total. De plus il faut noter que ce coût d’exploitation, considéré en coût kilométrique par passager, comporte des facteurs liés au temps d’utilisation, qui diminuent lorsque la vitesse augmente, tels que l’amortissement du matériel, le coût de personnel « roulant », la maintenance de certains éléments du train (aménagements intérieurs par exemple).

Les limites à l’accroissement des vitesses viendront d’autres facteurs :

• L’attractivité liée au gain de temps diminue : sur un parcours de 500 km une augmentation de 50 km/h fait gagner 30 minutes en passant de 200 à 250 km/h, 20 minutes de 250 à 300 km/h mais seulement 10 minutes entre 350 et 400 km/h.

• Le coût de l’infrastructure, du fait de l’augmentation, fonction du carré de la vitesse, des rayons de courbure en profil en long et en tracé en plan, avec pour conséquence l’accroissement du nombre et de l’importance des ouvrages, viaducs, tunnels, grands ouvrages en terre, devrait connaître un accroissement sensible.

• L’impact sur l’environnement, qu’il s’agisse de l’insertion de l’infrastructure, ou du bruit engendré par les circulations devrait également être un frein à l’augmentation des vitesses au-delà de 350 km/h. On rappellera qu’au-delà de 300 km/h la puissance acoustique croit comme la puissance 6 à 7 de la vitesse

• La capacité de l’infrastructure elle-même risque d’être affectée. En effet la décélération est limitée plus ou moins aux valeurs actuellement mises en oeuvre, essentiellement pour le confort du voyageur. Il est en effet difficile d’imaginer les voyageurs sanglés dans leurs fauteuils pour la durée du voyage. La distance d’arrêt du train augmente donc comme le carré de la vitesse. Sauf à amender les principes actuels de signalisation et décider, comme le permettrait une évolution très simple du système ERTMS, d’espacer les trains en fonction de leurs vitesses relatives, la capacité de l’infrastructure diminue lorsque l’on augmente la vitesse de circulation. Il faut souhaiter que cette évolution du système ERTMS intervienne un jour.

L’évolution du matériel à grande vitesse se fera donc vraisemblablement dans d’autres directions :

• Poursuite de la diminution des coûts d’exploitation (énergie, maintenance).

• Poursuite de la diminution de l’impact sur l’environnement (en particulier diminution du bruit d’origine aérodynamique).

• « Digitalisation » du train : généralisation des automatismes de régulation et de surveillance, optimisation de la conduite, maintenance prédictive, multiplication des services « numériques » à l’attention des voyageurs, avec des conséquences très favorables sur la sécurité, la fiabilité, l’économie, et l’attractivité du train à grande vitesse. Après 40 ans d’existence, le train à grande vitesse arrive à maturité ; il est malgré tout encore jeune et reste riche de promesses de progrès à venir. Décomposition des coûts d’opération publiés en 2012 par SNCF.

1. Les STI applicables au matériel roulant à grande et très grande vitesse sont aujourd’hui la STI LOC & PAS (matériel roulant locomotives et véhicules de transport de voyageurs), la STI PMR (personnes à mobilité réduite), la STI SRT (sécurité dans les tunnels ferroviaires). Pour plus d’information, voir tome I chapitre 3.2. Les premiers trains construits en conformité avec les STI se référaient à la première STI matériel roulant à grande vitesse, publiée en 2001.

 

Un ouvrage de 480 pages, 22 cm x 27 cm. En vente à la librairie de La Vie du Rail (gare Saint-Lazare, 13, rue d’Amsterdam, Paris 75008) ou disponible à l’achat sur notre site en cliquant sur la couverture :

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