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90) Les Z 2N. Une réalisation de haut niveau !

(cet article est tiré de nos archives, il date d’il y a 36 ans)

Les premiers éléments automoteurs banlieue à deux niveaux, dits Z 2N, feront dans quelques mois leur apparition en service commercial. Une génération réellement inédite à la SNCF puisque les automotrices également adoptent la configuration « deux niveaux » jusque-là exclusivement mise en oeuvre sur du matériel remorqué. Dès aujourd’hui, le prototype remplit toutes les espérances mises en lui…

L’évolution prévisible du trafic sur la « Transversale Rive Gauche » (TRG) – aujourd’hui dénommée ligne C du RER – ne saurait s’accommoder à terme de la capacité offerte par les éléments automoteurs Z 5300 actuellement en service. L’allongement systématique des quais permettrait sans nul doute d’envisager des compositions plus étoffées que les huit caisses (deux éléments en UM) des trains d’aujourd’hui, mais l’investissement se révèle à l’évidence prohibitif, ne serait-ce que par l’existence de stations souterraines dans la partie centrale. En outre, un tel palliatif n’apporterait qu’une amélioration limitée. Comme il n’apparaît déjà plus possible d’insérer de nouveaux sillons de trains dans la grille en vigueur – tout au moins dans les conditions techniques présentes – le seul degré de liberté du système demeurait en conséquence la capacité par mètre linéaire du matériel roulant, qu’il convenait d’accroître sensiblement en améliorant dans le même temps le confort des voyageurs. Aussi, lorsqu’il s’est agi, en 1978, de préparer une nouvelle génération de matériel pour la TRG, les idées se focalisèrent en premier lieu sur un élément automoteur dit « Z-TRG », avec remorques à deux niveaux, mais dont les motrices demeureraient classiquement à un seul niveau, en s’apparentant à celles du MI 79. D’emblée, le recours à des rames tractées composées de voitures à étage style VB2N avait été écarté. Bien que plus économique, cette solution péchait par son exigence en longueur de quai, et surtout ne développait que des performances inférieures à celles des automotrices, du point de vue franchissement des rampes (trémies d’accès à la gare souterraine de Paris-Austerlitz) ou accélérations exigées pour maintenir le débit. Le « débroussaillage » du projet initial « Z-TRG » avec motrices à un seul niveau fit rapide ment apparaître que cette formule n’offrait pas tout à fait l’accroissement de capacité initiale ment souhaité, tout en posant quelques problèmes d’esthétique. Parallèlement à un premier appel d’offres lancé début 1979 sous cette forme, le département construction de la direction du Matériel ainsi que certains constructeurs étudièrent donc la faisabilité d’une motrice à deux niveaux. L’obstacle majeur était lié à l’impérieuse nécessité de pouvoir réaliser ces motrices dans la version bicourant envisagée dès le départ dans le cadre de la future liaison Vallée-de-Montmorency – Invalides (VMI). Toutes les difficultés rencontrées résidaient alors dans le respect du bilan de masse (« caser » l’ensemble de l’appareillage nécessaire sans atteindre un poids prohibitif), et dans la recherche d’une capacité en voyageurs qui demeure intéressante.

Après réflexions menées tant au niveau de la SNCF que chez les constructeurs, les parties s’accordèrent à reconnaître techniquement possible la réalisation de motrices à deux ni veaux. Et finalement le marché fut passé selon cette formule, pour être signé en date du 11 mars 1980 avec comme constructeurs des caisses la société ANF-Industrie, maître d’oeuvre, et la Compagnie industrielle de matériel de transport (CIMT), la première nommée produisant également les bogies et Traction-CEMOerlikon (TCO) fournissant l’équipement électrique ainsi que les moteurs de traction.

En « chassant » quelques voyageurs

Afin de pouvoir disposer d’un maximum de place pour les voyageurs, il est d’usage de répartir l’équipement électrique des automotrices sur toiture et sous caisse. Toutefois, l’application de cette démarche à une motrice à deux niveaux devait vite se révéler infructueuse, de par la quasi-inexistence de l’espace disponible sur toiture, l’insuffisance de celui sous caisse, enfin les complications entraînées par un report d’une fraction de l’appareillage sur la remorque adjacente : ça ne passait plus ! Les idées évoluèrent et l’on opta en définitive pour une réorganisation de l’espace à l’intérieur même des caisses de motrices. En « chassant » quelques voyageurs, il devenait possible de loger l’équipement à l’intérieur de compartiments spécifiques. De ce partage naquit le diagramme définitif. Caractéristique remarquable de la motrice « Z 2N » ainsi définie, sa capacité en voyageurs demeure néanmoins supérieure à celle d’une Z 5300 avec naturelle ment un nombre de places assises bien plus important. Car l’objectif du matériel automoteur « Z 2N » ne résidait pas seulement dans une augmentation substantielle du nombre de voyageurs transportés. Il s’agissait aussi d’accroître sensiblement le confort offert en transportant le maximum de ces voyageurs… assis ! Pour l’heure, seule la version « continu 1 500 V » existe concrètement. Les prototypes déjà sortis confirment magistralement la justesse des prévisions initialement faites en matière de bilan de masse. Tout laisse donc à penser qu’il en ira exactement de même avec la motrice bicourant, encore sur la planche à dessin, et qui devrait respecter un bilan de masse aux limites.

Voilà qui, sans nul doute, représente une belle performance ! Une performance qui, au demeurant, ne relève certainement pas d’un heureux hasard… mais bien plutôt du souci constant de chercher à gagner de la masse, ce à tous les niveaux de l’élaboration du projet. Un chaudron prototype a été spécialement construit en vue des essais de résistance à poste fixe, au banc de compression de Vitry. Grâce à ce chaudron « jetable », le concepteur de la caisse put prendre quelques risques en enlevant de la matière, notamment pour ménager d’importantes ouvertures destinées à la maintenance des équipements, maintenance déjà grandement facilitée par l’architecture générale adoptée pour l’engin. Ces ouvertures compliquèrent à l’origine les calculs de dimension des éléments participant à la résistance de l’ensemble, mais là encore, le résultat vint attester du bien-fondé des options prises. Les aménagements intérieurs n’échappèrent pas aux recherches d’allègement – notamment dans le choix des matériaux, l’aluminium se substituant à l’acier pour certains éléments de l’armature des sièges – pas plus d’ailleurs que l’équipement électrique, avec recours au silicone pour transformateurs et selfs. Les moteurs de traction, dérivés de ceux montés sur le MI 79, sont à ventilation forcée mais réutilisant l’air de ventilation des blocs moteurs, d’où une économie de masse liée à l’absence de gaines. Un gain complémentaire est obtenu par utilisation de techniques d’isolation plus élaborées. Enfin, la répartition même de l’équipement électrique, à dessein soigneusement étudiée, minore très sensiblement le câblage…

À l’heure actuelle, deux motrices Z 2N, non terminées intérieurement, roulent en essais, encadrant deux remorques ZR2N également dépourvues de garnissage, pour former le prototype du futur élément automoteur à quatre caisses. Ces motrices, provisoirement désignées M1 et M3, portent en réalité comme numérotations respectives « Z 5689 » et « Z 5690 ». Une telle particularité tient au fait que ces engins demeureront en utilisation spéciale tout au long de cette année, puis seront remis au type de série au cours de l’année sui vante, pour finalement entrer en service commercial sur la TRG à la fin 84. Les deux engins ex-prototypes s’intégreront donc très naturellement dans la numérotation.

Aux côtés des Z 5689 et Z 5690 et mis à part le chaudron précité, existe dès à présent une troisième motrice, désignée M2 et expédiée à la station climatique de Vienne-Arsenal pour es sais à basse température. Quant à la série proprement dite, sa production est d’ores et déjà amorcée chez les constructeurs.

© G. Follet

Un réservoir… de remorques

Bien que principalement conçues pour la ligne C du RER, les premières motrices Z 2N de série entreront en service commercial sur la banlieue sud-est. Une tranche initiale de 32 unités « 1 500 V », livrables de juillet à décembre de cette année, formeront à terme, accouplées aux remorques spécialisées ZR2N, 16 éléments automoteurs à cinq caisses (deux motrices encadrant trois remorques) destinés au dépôt de Villeneuve. Toutefois, dans un premier temps, quelques éléments sud-est n’incluront que deux remorques et ne comporteront en conséquence que quatre caisses. À l’origine de cette phase transitoire qui devrait s’achever à la mi-84 au plus tard, la nécessité de lancer la construction de 38 nou velles voitures VB2N, prenant la place des ZR2N sur les chaînes de montage, ce durant tout le premier semestre de cette année.

Actuellement, le réseau sud-est dispose par avance de neuf jeux de huit remorques ZR2N circulant en rames tractées, soit 72 caisses auxquelles s’adjoint une unité de réserve avec convertisseur statique (ZRABex). Ces jeux constituent un « réservoir » de remorques dans lequel on puisera si nécessaire pour compléter les éléments, concurremment avec celles sortant d’usine. Au début de l’année pro chaine, lorsque toutes les motrices sud-est auront été livrées, il deviendrait théoriquement envisageable de libérer le reliquat de rames tractées. Pour éviter alors de garer temporairement un excédent de remorques non réutilisables immédiatement en éléments automoteurs, on maintiendra ces rames en service, en ne les « cassant » que progressivement au rythme des besoins. De ce fait, le nombre de remorques sortant de construction n’atteindra celui théoriquement nécessaire à la formation des éléments qu’après épuisement complet du réservoir, prévu courant 1985. Contrairement aux motrices qui n’en revêtent que la simple apparence, les remorques ZR2N sont extrêmement voisines des voitures de banlieue à deux ni veaux VB2N. Toutefois, l’utilisation. provisoire des 73 premières en rames tractées encadrées par deux locomotives BB 8500 entraîna quelques modifications qui disparaîtront naturellement lors de la remise au type pour constitution en élément automoteur : aménagement du compartiment d’extrémité côté machine des ZRABex avec convertisseur statique (CVS) alimentant la charge batterie et les ventilateurs des groupes de chauffage, batteries, appareillage électrique, électrovalve de déclenchement du freinage d’urgence, ainsi que câblots de raccordement côté machiné sur ces mêmes ZRABex et les ZRBex. Remarquons que les CVS ainsi déposés seront montés sur des motrices neuves.

Selon le calendrier prévisionnel, la livraison de la seconde tranche de motrices Z 2N « 1 500 V », cette fois destinée à la ligne C du RER, interviendra de janvier à décembre 1984. Forte de 100 unités, elle permettra la constitution de 50 éléments automoteurs « sud-ouest », à quatre caisses (deux matrices encadrant deux remorques) dont l’entretien sera confié au chantier des Ardoines. Une troisième tranche de 68 motrices terminées en version bicourant viendra motoriser 34 éléments, toujours à quatre caisses, ce pour la desserte de la future VMI. La construction d’autres tranches est d’ores et déjà envisagée afin de compléter la dotation destinée à la VMI et permettre l’équipement de la liaison Orry – Châtelet avec ce matériel…

Les deux motrices bicourant prototypes sortiront en principe en janvier 1984. Conjointement, l’actuel élément automoteur « 1 500 V » prototype sera « cassé », ses deux remorques non aménagées étant normalement récupérées pour composer l’élément bicourant prototype, tandis que les deux motrices « 1 500 V » expérimentales retourneraient chez le constructeur pour garnissage et mise au type de série, comme précisé plus haut…

© G. Follet

Des essais bien partis

Avant même la sortie du prototype « 1 500 V », le 12 septembre de l’année dernière, un programme d’essais avait été minutieusement établi. La première préoccupation résidait naturellement en la nécessité de s’assurer très rapidement de l’absence de problèmes majeurs relatifs aux harmoniques émises par les circuits de puissance. Au-delà d’un certain seuil, on sait en effet que ces harmoniques peuvent induire des perturbations au niveau des circuits de signalisation. Attelée à une BB 8500, la seule motrice M1 (Z 5689), parcourant les sections de lignes Brétigny – Dourdan et Brétigny – Les Aubrais, servit donc aux toutes premières investigations en traction et freinage électrique, avec surveillance des fréquences sensibles. Les mesures réalisées ne révélèrent aucune incompatibilité particulière. Le 15 octobre, la M1 était expédiée au constructeur (ANF) à Crépin pour remise à niveau partielle et constitution en élément auto moteur à quatre caisses type « sud-ouest » avec la M3 (25690) et deux remorques ZR2N, ces véhicules demeurant toutefois dépourvus de garnissage intérieur. Acheminé le 13 novembre sur Villeneuve, l’élément prototype y était à nouveau désolidarisé dès le 15 aux seules fins d’accélérer les procédures d’essais indispensables à son « dédouanement » pour circulation ultérieure en ligne. Tandis que la M1 passait à la « voie des gauches », derrière le dépôt, pour vérification de son inscription correcte en courbe de toutes configurations avec suspension gonflée et dégonflée, la M3 attelée aux deux remorques roulait jusqu’au 19 novembre sur Melun – Montereau par Héricy, itinéraire au tracé singulièrement tourmenté : le but de la manipulation consistait alors à évaluer le coefficient de souplesse en dynamique – qui mesure le déplacement du pantographe sous la caténaire – et à vérifier l’amplitude des débattements caisse-bogies.

Ces préliminaires achevés, les techniciens consacrèrent la semaine du 22 au 28 novembre à la préparation de l’élément automoteur en vue des essais en ligne proprement dits. Le niveau inférieur de la M1, transformé en laboratoire, recevait les chaînes de mesures. Entretemps, un essai de couplage nez à nez des motrices vérifiait le bon fonctionnement de l’attelage automatique intégral Scharfenberg équipant les traverses d’extrémité côté cabine de conduite. Le week-end qui suivit, l’élément automoteur prototype quittait le dépôt de Villeneuve, acheminé sur le chantier entretien des Ardoines, sa nouvelle affectation.

Lundi 29 novembre : un grand jour dans l’histoire des Z 2N ! Pour la première fois, le matériel va circuler en ligne selon sa configuration définitive. On s’élance pour un galop d’essai avec à bord freinistes, électriciens, « caissiers », mécaniciens… tous les techniciens de chaque spécialité. Entre Brétigny et Les Aubrais, l’équipe de conduite, sous les directives du chef de bord, explore progressivement des paliers de vitesse croissants pour vérifier le comporte ment des engins et les distances d’arrêt. Ça semble bien marcher !

Alors, allaient aussitôt commencer les essais systématiques de traction et freinage, afin de procéder à la mise au point de l’ensemble des réglages. Cette phase, qui se prolongeait jus qu’au 2 janvier de cette année, incluait égale ment des mesures de perturbations basse fréquence, une première ébauche de réglage des équipements de commande et de contrôle (antipatinage, antirayage, VI) et le test à poste fixe des circuits électriques en UM, en accouplant à nouveau les motrices nez à nez. Puis venaient les essais spéciaux. Du 3 au 9 janvier, l’élément circulait entre Juvisy et Versailles pour une série de mesures sur les perturbations haute-fréquence, les échauffements de l’équipement électrique (moteurs, selfs, compresseurs, CVS) et les contraintes d’origine mécanique prenant naissance dans les moteurs de traction. Étaient exécutées dans ce but les marches de type omnibus avec simulation, à l’aide de gueuses et de sacs de sable, d’une circulation en charge normale : toutes places assises occupées, voyageurs debout à raison de quatre par mètre carré en première classe, et trois à cinq en seconde. Pour la mesure des échauffements, on alla jusqu’à simuler également des omnibus à marche particulièrement tendue, avec arrêts n’excédant pas les 20 secondes.

Quant au comportement du matériel en régime dégradé (avec un bloc moteur isolé, par exemple), il fit à la mi-janvier l’objet d’investigations sur la section de ligne Les Aubrais – Vierzon.

Après quoi, l’élément devait être – une nouvelle fois – temporairement « cassé », ce dès le 17 janvier. Tandis que la M1 et les deux remorques demeuraient remisées aux Ardoines pour familiarisation du personnel, analyse d’harmoniques sur le courant appelé par le CVS ainsi que divers essais relatifs à la définition des futures règles d’entretien, la M3 circulait en solo jusqu’au 13 février entre Les Aubrais et Tours pour les premiers essais de freinage de service et d’urgence. Ces essais systématiques se pratiquèrent successivement en charge exceptionnelle (simulation de la présence de 10 voyageurs de bout par mètre carré), en charge normale et à vide en ordre de marche, pour des paliers de vitesse s’étageant de 30 à 140 km/h. Le 13 février, la rame était finalement reconstituée en vue d’une campagne d’essais de stabilité entre Brétigny et Les Aubrais jusqu’à la vitesse de 150 km/h, durant trois semaines à raison de deux allers et retours quotidiens. Dans l’intervalle, elle effectua parallèlement quelques courses nocturnes sur la TRG entre Paris-Austerlitz et les Invalides les 24, 25 et 28 février ainsi que le 1er mars. En somme, une première prise de contact avec son futur domaine d’évolution ! À la suite de quoi commençaient les mesures systématiques des perturbations haute-fréquence réalisées sur l’antenne de Brétigny- Dourdan.

Précisons que, lors de tous ces essais, la rame rentrait – et continue d’ailleurs de rentrer – chaque fin de semaine aux Ardoines pour vérification de l’ensemble des éléments intervenant dans la sécurité : organes de roulement, frein, etc.

Le bogie moteur possède une suspension primaire avec groupes de ressorts acier + caoutchouc ainsi qu’amortisseurs hydrauliques entre boîtes et châssis, et une suspension secondaire constituée de ressorts pneumatiques à grand débattement et d’amortisseurs hydrauliques verticaux. © G. Follet

Un hérisson dans le tunnel

Au tout début du projet, certains – et non des moins compétents parmi les milieux ferroviaires – ne parvinrent pas, semble-t-il, à cacher leur scepticisme : « Une automotrice à deux niveaux et en version bicourant de surcroît ? Mais vous n’y arriverez jamais ! » Il est vrai que le respect du bilan de masse évoqué plus haut ne constituait certes pas la seule difficulté à résoudre…

Un exercice particulièrement délicat fut de chercher, puis de trouver le compromis à adopter pour parvenir à un très bon niveau de confort à 140 km/h tout en « tenant » suffisamment la caisse en transversal comme en roulis afin de s’inscrire dans le gabarit propre aux souterrains de la partie urbaine de la TRG, sans limitations de vitesse autres que celles applicables aux Z 5300. Ces souterrains, de percement ancien, présentent en effet certains points singuliers, notamment au droit de courbes de très petit rayon, telle celle de 190 m à Saint-Michel ou surtout celle de 166 m voie 2, jouxtant les voies de garage à l’entrée de la gare d’Orsay. Au tracé en plan peu favorable se juxtaposent également quelques « cassures » dans le profil en long : forte déclivité des rampes des trémies d’accès à Paris-Austerlitz-Banlieue, par exemple.

Avec un matériel comme l’élément automoteur Z 2N à deux niveaux, cherchant par définition à utiliser pleinement le gabarit, on a été amené à procéder à des études spécifiques très fines sur certaines parties des ouvrages comme sur l’engin lui-même. Lesdites études théoriques montrèrent que « ça devait passer ! ». La vérification expérimentale, opérée à la faveur des marches nocturnes Austerlitz – Invalides, confirma le bien-fondé de cette conclusion, prouvant même qu’il existait en réa lité une marge supérieure encore à celle primitivement calculée. Le mode opératoire alliait simplicité et efficacité : un « hérisson » de fils de fer de différentes longueurs monté extérieure ment autour d’une section de caisse permettait de visualiser après coup l’espace résiduel entre véhicule et voûte par pliage éventuel des « piquants » qui toucheraient parce que trop longs. Des résultats obtenus, il apparaît que la vites se-limite des Z 2N au droit des points singuliers (y compris la courbe d’Orsay) n’aura pas à être diminuée par rapport à celle des Z 5300 (ce qu’on aurait pu craindre un moment).

La définition initiale de la suspension reprenait les éléments du MI 79, dont les coussins pneumatiques et les butées transversales. Puis, en cours d’étude, l’on chercha à augmenter la flexibilité transversale tout en améliorant la prise des courbes de faible rayon (en évitant les contacts aux butées extrêmes de rotation), deux aspects au demeurant souvent incompatibles. Car la Z 2N, en restant très confortable à grande vitesse quel que soit l’état de charge, devait aussi s’accommoder du tracé fort sinueux de la TRG comme de la VMI, avec une vitesse commerciale raisonnable. Pour ce faire, les conditions d’inscription dans le gabarit ont été affinées par un examen aux limites tandis que l’on définissait de nouveaux coussins pneumatiques ainsi que de nouvelles butées transversales. Cette évolution dans la conception de la suspension donna d’excellents résultats. Lors des marches nocturnes réalisées jusqu’en charge exceptionnelle à vitesse-limite des Z 5300 + 5 km/h, les capteurs montés au droit des butées de rotation mirent en évidence l’absence de tout contact, l’état du hérisson témoignant par ailleurs de la marge existante.

Au stade actuel des essais, la certitude est d’ores et déjà acquise que l’engin tiendra le programme lui ayant été préalablement assigné : respect du bilan de masse, excellent confort dans toutes les configurations d’utilisation, mais aussi performances en traction et freinage et… économie d’énergie. Ainsi les automotrices Z 2N bicourant, équipées tout comme leurs soeurs « 1 500 V » du freinage par récupération, freineront également sous ce mode en 25 kV. Un engin bicourant qui récupère en monophasé, c’est assurément une grande première ! En outre, il a été proposé de ne pas mettre en oeuvre le freinage rhéostatique sur les automotrices « 1 500 V » destinées à la TRG. En raison de la densité du trafic empruntant cette ligne, la probabilité de récupération s’avère telle que le rhéostat de freinage peut être raisonnablement supprimé. Ainsi, le montage d’une régulation permet-il un freinage en récupération à concurrence de ce que la ligne peut effectivement récupérer à l’instant considéré, le complément éventuel étant réalisé en pneumatique.

L’aménagement intérieur des éléments Z 2N, ici dans les remorques, en seconde classe au niveau inférieur. © G. Follet

L’aménagement intérieur des éléments Z 2N, ici en première classe au niveau supérieur. © G. Follet

Un produit aussi pour l’exportation

Les extrémités des motrices, côté cabine de conduite, ont fait l’objet d’attentions particulières. La protection des agents de conduite en cas de collision fut tout spécialement prise en compte : structures largement dimensionnées, bouclier d’absorption d’énergie, mais aussi nouvelles vitres frontales développant avec leur encadrement une résistance sensiblement supérieure à celles précédemment utilisées. Par rapport au projet initial, la partie supérieure des faces avant a été redessinée, afin d’en améliorer l’esthétique tout en assurant une ventilation correcte du rhéostat de freinage et de la résistance de stabilisation intervenant en récupération. Après étude aérodynamique d’une maquette en soufflerie, les surfaces ont été optimisées et paramétrées sur ordinateur afin de confectionner le moule. En cabine, on remarque un nouveau manipulateur de frein de type linéaire analogique donnant un réglage très fin de l’effort tout en permettant un repérage plus facile. Côté voyageurs, la section de passage de l’air dans les baies semi-ouvrantes du niveau supérieur s’est vue augmentée vis-à-vis des actuelles VB2N, avec modification corrélative des déflecteurs afin d’annihiler là encore tout risque de passer involontairement la main. Les voyageurs disposent désormais de cases à bagages aménagées au droit des plateformes et de porte-parapluies entre les sièges.

Particulièrement performant, offrant un excellent confort pour une capacité sans égale, ce matériel devrait pleinement honorer les espoirs nourris en lui. Son adéquation parfaite aux exigences de dessertes banlieue spécifiques, pour lesquelles il a d’abord été conçu, n’empêche nullement son adaptation éventuelle à d’autres conditions d’exploitation. Avant tout produit de haute qualité, il pourrait sans nul doute se placer à l’exportation…

Cet article est tiré du n°1890 paru le 21 avril 1983 dans La Vie du Rail dont voici la couverture :