Les différents types de rails
La voie est l'esprit même du chemin de fer. Les deux files de rail en acier garantissent un guidage parfait pour les roues des véhicules, les traverses maintiennent un écartement constant entre les rails, et le ballast, formé d'un épais lit de cailloux, assure la répartition des efforts sur l'ensemble de la plate forme.
Mais que d'évolutions depuis les origines du chemin de fer !
En effet, le poids au mètre courant du rail doubla du début du XXe siècle à nos jours, passant d'une trentaine de kilos à 60 pour le type UIC U 80.
C'est le PLM en France qui fut le premier à introduire un rail lourd de 62 kg entre 1931 et 1936, à l'occasion des travaux de mise à quatre voies de certaines sections de la ligne impériale.
On constata la même évolution en ce qui concerne la longueur des coupons. En effet, les joints des rails représentent des zones de fatigue intense pour le métal, ainsi d'ailleurs qu'une fatigue tout aussi intense pour les voyageurs circulant à bord des courtes voitures à essieux du début du chemin de fer !
Dès lors, la longueur des coupons ne cessa de croître jusqu'à l'apparition du LRS (Long Rail Soudé) dont la longueur peut atteindre une dizaine de kilomètres sans joints de dilatation. On comprends alors facilement le rôle primordial du ballast qui doit faire face à des contraintes particulièrement sévères.
Indépendamment de ces contraintes, la voie doit également présenter une certaine souplesse au risque d'engendrer des réactions violentes au passage du matériel roulant. On se souvient de l'état de la voie après la coupure de l'effort de traction lors du record du monde de vitesse de 1955 sur la ligne des Landes !
Une voie de chemin de fer c'est donc bien plus que la juxtaposition de deux files de rails. Voyons maintenant cela plus en détail.
Quel amateur n'a pas rêvé un jour d'une telle avant gare avec son enchevêtrement de voies, ces multiples branchements et traversées. Nous sommes le dimanche 15 février 1931 dans la tranchée entre le pont de l'Europe et la gare Saint Lazare.
Cette vue générale des installations de la gare d'Ussel nous permet de découvrir toute la richesse des installations qui constituent l'environnement d'une voie ferrée : les quais de différentes couleur de revêtement, le ballast, le sable des pistes, les passages planchéiés qui traversent les voies, les commandes des branchements et des signaux, et la voie noyée du premier plan qui assure le passage à la route.
Les différents types de rails
Depuis les origines du chemin de fer, de nombreux systèmes de rails ont été testés et développés avec plus ou moins de bonheur.
D'abord simples barres de fer méplat, puis plaques de fer recouvrant des longrines de bois, les rails adoptèrent des formes diverses avant que deux systèmes ne finissent par s’imposer, le rail à double champignon et le rail vignole.
Au tout début du chemin de fer, les rails étaient fixés sur des dés de pierre. Inconvénient majeur du système, l'écartement n'était pas assuré et les fixations n'avaient pas la souplesse nécessaire pour résister longtemps aux passages des trains.
Le rail à double champignon
Avec ce système, le rail repose sur des traverses en bois tendre par l’intermédiaire de coussinets en fonte.
Dans cette famille de rail, on distingue deux profils bien différents. Le rail à Double Champignon Symétrique, DCS, fut le système adopté à l’origine. A cette époque, les champignons de roulement et de maintient du rail étaient identiques. On pensait de cette manière pouvoir augmenter la durée de vie de l'ensemble, en procédant régulièrement au retournement du coupon de manière à répartir l'usure sur les deux champignons. En fait la fatigue du métal faisait que le rail cassait très rapidement après son retournement.
Le rail à Double Champignon Dissymétrique, DCDS, apparut ainsi avec l’abandon pour des raisons de sécurité du rail DCS. On réalisa alors un rail dissymétrique où le champignon de maintient était plus petit que celui de roulement.
Les rails double champignon ont été particulièrement utilisés par les réseaux de l’Ouest, du PO et du Midi. Il faut bien convenir que leur système spécifique de fixation sur traverses en bois tendre était en mesure de séduire un réseau comme celui du Midi qui exploitait la vaste étendue des Landes, grande productrice de bois de pin.
Voie en rail à double champignon DCDS, calés dans des coussinets de fonte reposant sur les traverses. On remarque au niveau de l'éclissage la différence de niveau des rails : le tac-tac doit être marqué aux passages des trains !
A l'origine, le calage du rail à double champignon dans son coussinet était assuré par des coins en bois, peu fiable et de mauvaise tenue dans le temps.
Le calage fut rapidement confié à des coins métalliques élastiques formant ressort permettant de rattraper les jeux de dilatation.
Le 2875 rentre en gare de Figeac sur une voie à double champignon typique des anciennes installations du PO. On remarquera la présence des coins métalliques uniquement sur le coté extérieur des rails.
La gare de Romorantin, sur la ligne à voie métrique du Blanc-Argent, établie en rails à double champignon. Notez le ballast, en sable, et la cassure sur la voie déviée en sortie du branchement !
Le rail vignole
D’origine Américaine, le rail vignole se compose d’un champignon supérieur pour le roulement, et d’un patin inférieur reposant sur une traverse en bois dur, généralement du chêne.
Concurrent du double champignon durant la deuxième moitié du XIXe siècle, ce système finit par s’imposer définitivement à partir de 1930.
C’est ce type de rail qu’utilise la SNCF aujourd’hui y compris sur les lignes nouvelles du TGV.
Le choix de l’armement des voies, caractérisé par les dimensions du rail et sa masse au mètre linéaire, est évidement fonction de l’intensité du trafic à écouler sur la ligne. Pour un tonnage journalier de moins de 35000 t par voie, on utilise le U 50. Le U 60 est réservé aux tonnages supérieurs.
Sur la ligne de Lauterbourg, en Alsace : signaux mécaniques Ex-Est et voie moderne en rail vignole.
Cette voie en rail vignole est retenue par des attaches élastiques type nabla fixées aux traverses par des tirefonds.
Aux abords de la gare de Blaisy-Bas, les différences d'armement des voies sont bien visibles. La voie au premier plan montée sur traverses béton bi-bloc est en rail lourd, la voie de service qui la longe, montée sur traverses bois, est plus faiblement armée.
Il est à noter que les deux types de rails, double champignon et vignole, ont pu coexister très longtemps sur une même ligne. Cette caractéristique est très intéressante en modélisme en permettant d'apporter une variété intéressante dans le traitement des voies ferrées miniatures.
Dans les années 1910, sur cette ligne à double se côtoient des deux systèmes de rails, double champignon et vignole. Notez la guérite servant d'abri à l'aiguilleur en charge de la manœuvre des embranchements de la bifurcation.
En gare de Gisors, dans les années 1930, rail à double champignon et vignole se partagent la vedette. Notez l'importance de la nappe de transmissions rigides qui longe les voies.
Plus près de notre époque, en 1995, l' X 2808 venant de Sarlat entre en gare de Siorac du Périgord circulant sur une ancienne voie double champignon ex-PO qui longe la ligne SNCF vers Agen, dressée quant à elle en rails vignole dont certaines traverses bois ont été remplacée par des bi-blocs en béton.
En gare de Saint Denis près Martel, certaines des voies de services étaient toujours en double champignon au début des années 2000, de quoi apporter une variété intéressante en modélisme.