Rapport de laboratoire d'ingénierie du BST (LP187/2013)

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1.0 Introduction

1.1 Description de l’événement

1.1.1

Le 6 juillet 2013, peu avant 1 h, heure normale de l’Est, le train de marchandises numéro 2 vers l’est de la Montreal, Maine & Atlantic Railway, qui avait été stationné sans surveillance pour la nuit à Nantes (Québec), part à la dérive. Le train parcourt une distance d’environ 7,2 milles et atteint une vitesse de 65 mi/h. Vers 1 h 15, à l’approche du centre-ville de Lac-Mégantic (Québec), 63 wagons-citernes chargés de pétrole brut UN 1267 et 2 wagons couverts déraillent. Le déraillement provoque le déversement de quelque 6 millions de litres de pétrole brut. Des feux et des explosions détruisent 40 bâtiments, 50 véhicules et les voies ferrées à l’extrémité ouest du triage de Mégantic. Quarante-sept personnes au total perdent la vie.

1.1.2

Selon un premier examen du site du déraillement, le wagon couvert tampon CIBX 172032, placé immédiatement derrière le groupe de locomotives, et les 63 wagons-citernes chargés suivants ont déraillé sur la voie principale dans une courbe à droite de 4,25 degrés dans le sens du mouvement (vers l’est); l’endroit comportait un branchement nº 11. Le groupe de locomotives s’est séparé des wagons déraillés et s’est scindé en deux parties, chacune se déplaçant sur une distance différente avant de s’immobiliser. Au bout d’un long moment, la partie avant du groupe de locomotives s’est mise à reculer (vers l’ouest) et est entrée en collision avec la seconde partie, les deux se déplaçant sur une courte distance (vers l’ouest) avant de s’arrêter ensemble de façon définitive.

1.1.3

Le wagon couvert tampon déraillé a heurté une coupe de wagons stationnée sur la voie d’évitement. Les 8 wagons-citernes qui suivaient se sont dispersés dans des positions séparées de mise en portefeuille. Les 2 wagons-citernes suivants reposaient dans le sens de la voie d’évitement, sur le branchement, en avant de l’empilement principal en portefeuille constitué du reste des wagons-citernes déraillés, théâtre de l’incendie et des explosions. Les 9 derniers wagons du train restèrent sur les rails; le mécanicien de la locomotive et des intervenants d’urgence les ont dételés et éloignés du site du déraillement et de l’incendie. La figure 1 présente une vue aérienne du site de l’accident.

Figure 1. Vue aérienne du site du déraillement

1.2 Contexte

1.2.1

Le train MMA-02 se composait de 5 locomotives, de 1 fourgon VB-1 pour la commande à distance, de 1 wagon couvert chargé utilisé comme tampon et de 72 wagons-citernes de pétrole brut. Le train pesait 10 287 tonnes et mesurait 4 701 pieds de longueur. Le profil de tonnage du train est représenté à la figure 2.

Figure 2. Profil du tonnage du train

1.2.2

L’équipe de conduite était formée d’une seule personne. Avant minuit, le mécanicien de la locomotive a serré le frein automatique du train pour arrêter le convoi sur la voie principale de la gare de Nantes. Il a serré les freins à main sur le groupe de locomotives et sur le wagon tampon, puis a desserré le frein automatique, tout en conservant dans la position serrée le frein direct (FD, ou IND pour « indépendant ») sur les locomotives. Pour maintenir l’alimentation des freins à air, le mécanicien de la locomotive a laissé tourner au ralenti le moteur de la locomotive de tête, la MMA 5017. Puis, il a quitté le train et s’est rendu dans un hôtel pour y prendre son repos, comme l’indiquait son horaire.

1.2.3

Peu après le départ du mécanicien (LP181/2013), on a détecté un incendie à bord de la locomotive de tête; des sapeurs-pompiers de l’endroit sont intervenus pour l’éteindre. On a fait appel à un employé local des Services de l’ingénierie de la MMA pour surveiller le site de l’incendie. Le moteur de la locomotive a été arrêté et le train laissé à nouveau sans surveillance. Quelque 59 minutes plus tard, le train s’est mis en mouvement dans la pente et a accéléré jusqu’à son arrivée dans la ville de Lac-Mégantic, où il a déraillé.

1.2.4

La locomotive de tête, la MMA 5017, était équipée d’un consignateur d’événements de locomotive (CEL) de la société Quantum Engineering Incorporated (QEI), version nº S45E et nº de série 0204100033. Peu de temps après l’accident, un membre du personnel de la MMA a téléchargé et fourni au BST les données enregistrées dans le « journal d’extension » du CEL de la locomotive MMA 5017.

1.2.5

Le train était également équipé d’une unité de détection et de freinage en queue (UDF). L’UDF a été envoyée pour examen (LP132/2013) au Laboratoire d’ingénierie du BST, où on a extrait les enregistrements de l’unité DataFlash pour les convertir en feuilles de calcul Excel. Les données téléchargées de l’UDF en queue du train ont été ajoutées à celles du CEL, ce qui a permis de faire une analyse exhaustive de l’ensemble de ces données.

1.2.6

L’équipe d’enquête du BST a également obtenu une copie du rapport type pour le passage à niveau public au point milliaire 117,11 de la subdivision de Moosehead; le rapport confirmait l’activation de la signalisation et de la protection du passage à niveau. Une compagnie indépendante de passages à niveau s’est occupée d’étalonner l’enregistrement des heures. Cet enregistrement a tenu lieu de référence pour la synchronisation et l’étalonnage des enregistrements horaires téléchargés du CEL. On a procédé à l’analyse exhaustive des enregistrements du CEL, des données de l’UDF et du rapport type pour le passage à niveau au point milliaire 117,11, analyse qui a permis de reconnaître un certain nombre d’événements importants d’intérêt pour aider à l’enquête (LP136/2013).

1.3 Services techniques demandés

1.3.1

L’analyse des données du CEL et l’enquête sur les lieux ont révélé que, quelques minutes après l’arrêt du moteur de la locomotive de tête MMA 5017, la pression dans la conduite générale (CG) a commencé à diminuer au rythme d’environ 1 lb/po² la minute. Huit minutes plus tard, la pression dans le cylindre de frein ` (CF) direct (pression CFD) a commencé elle aussi à diminuer au même rythme que la pression dans la conduite générale.

1.3.2

Le train MMA-002 a commencé à dériver à 0 h 58 mi 21 s, la pression CG ayant chuté à 32 lb/po² et la pression CFD à 27 lb/po². Le levé sur le terrain a déterminé que le train se trouvait dans une pente moyenne de 0,92 % (figure 3). Les efforts de freinage réels qui s’exerçaient sur le train à ce moment-là devinrent l’une des questions critiques à étudier.

Figure 3. Déclivité et élévation entre Nantes et Mégantic

1.3.3

Pour déterminer l’état réel du système de freinage, l’équipe d’enquête du BST a effectué un certain nombre d’essais : essais sur le groupe de locomotives et wagons-citernes survivants; essai de simulation sur un train similaire; examen de la robinetterie du frein à air et du bleuissement des roues; essai supplémentaire du frein à main sur le frein à air sur d’autres véhicules. Les essais effectués par le BST au cours d’enquêtes précédentes ont également été examinés et utilisés pour la présente enquête. On a demandé au Laboratoire d’ingénierie du BST de participer aux essais et à l’analyse des efforts de freinage.

1.3.4

Le présent projet de laboratoire porte sur trois de ces essais : l’essai sur le groupe de locomotives à Vachon, l’essai sur les wagons-citernes survivants à Farnham et l’essai supplémentaire du frein à main sur le frein à air au triage Taschereau (Montréal). Le présent rapport résume les résultats des essais, calcule le nombre minimum de freins à main nécessaires et discute des effets de certaines variables.

2.0 Système de freinage d’un train

2.1 Freins à air d’un train

2.1.1

Un compresseur équipant chaque locomotive en activité alimente en air le système de freinage du train. L’air est emmagasiné dans chacun des réservoirs principaux de la locomotive à une pression d’environ 125 à 140 lb/po². Une soupape d’alimentation maintient la pression dans la conduite générale à une valeur approximative de 90 lb/po². La conduite générale s’étend sur toute la longueur du train et est raccordée par des boyaux aux deux extrémités de chaque locomotive et de chaque wagon. Chaque wagon est équipé de son propre système de freinage : cylindre de frein, semelles de frein, réservoir d’air auxiliaire, réservoir d’air d’urgence et autres composants connexes. Le réservoir auxiliaire fournit l’air nécessaire au serrage du frein automatique, tandis que le réservoir d’urgence fait de même en cas de freinage d’urgence. Les deux réservoirs sur le wagon sont reliés par un distributeur et réalimentés par la conduite générale.

2.1.2

Quand il doit freiner, le mécanicien de locomotive (ML) manœuvre la poignée du frein automatique sur le poste de conduite; cette action permet de réduire la pression d’air dans la conduite générale. Quand le distributeur détecte une différence de pression suffisante dans la conduite générale, les freins sont actionnés (semelles de frein appliquées contre les roues).

2.1.3

Comme le montre la figure 4, chaque locomotive est équipée aussi d’un frein direct qui s’ajoute au système de frein à air du wagon. Ce frein direct, également alimenté en air par le réservoir principal, n’est utilisé que sur les locomotives. Le frein direct est commandé par le robinet de frein direct situé sur le poste de conduite. Ce système de freinage n’est généralement pas utilisé au cours de la marche d’un train; il sert principalement de frein de stationnement. Quand le frein direct est serré, il injecte dans le cylindre de frein une pression d’air pouvant atteindre 75 lb/po² environ, qui entraîne alors l’application des semelles de frein contre les roues de la locomotive.

Figure 4. Schéma de la timonerie de frein d'une locomotive

2.1.4

Quand le moteur des locomotives est arrêté, les compresseurs s’arrêtent aussi de fonctionner et ne fournissent plus d’air au train. De nombreux raccords à l’intérieur du train et des locomotives ont tendance à laisser fuir l’air. Par conséquent, quand le moteur des locomotives est arrêté, il est normal que la pression dans les réservoirs principaux finisse par baisser. Une fois que cette pression s’égalise avec celle de la conduite générale, les deux pressions commencent à diminuer au même rythme. Ce phénomène se produit également quand les deux pressions atteignent la même valeur que la pression dans le cylindre de frein. À mesure que baisse cette dernière, l’effort de freinage exercé sur les roues de la locomotive par le frein direct diminue. À terme, si le circuit n’est pas réalimenté en air, les freins se desserrent.

2.1.5

Les Instructions générales d’exploitation (IGE) des compagnies ferroviaires comportent des dispositions qui exigent l’arrêt du train et la réalimentation de son circuit de frein quand la pression dans la conduite générale chute à 48 lb/po². On ne peut pas se fier à une pression inférieure à 40 lb/po² dans la conduite générale pour déclencher un freinage d’urgence ou compensateur.

2.2 Freins à main d’un train

2.2.1

Toutes les locomotives et le matériel remorqué sont équipés d’un frein à main, dispositif mécanique permettant d’appliquer les semelles de frein contre la table de roulement des roues pour empêcher celles-ci de bouger ou pour retarder leur mouvement (figure 5). Parmi les composants d’un frein à main se trouve, reliée à la timonerie de frein, une chaîne qui applique les semelles de frein sur le matériel une fois qu’elle est tendue.

Figure 5. Frein à main d'un wagon-citerne

2.2.2

L’efficacité des freins à main dépend de plusieurs facteurs :

  • l’effort exercé par la personne serrant le frein à main, effort qui peut varier grandement d’un agent à l’autre;
  • la lubrification du système d’engrenage du frein à main;
  • le réglage des balanciers.

2.3 Vérification de l’efficacité des freins à main

2.3.1

Pour s’assurer que les freins à main serrés sur un train sont suffisants pour empêcher toute dérive, les équipes sont tenues d’en vérifier l’efficacité. Cette vérification consiste à :

  • desserrer tous les freins à air après le serrage des freins à main;
  • laisser le jeu des attelages s’ajuster ou tenter de déplacer légèrement les wagons pour s’assurer qu’ils ne bougeront pas.

2.3.2

Si on ne peut pas déplacer les wagons, les freins à main sont jugés suffisants; dans le cas contraire, d’autres freins à main doivent être serrés jusqu’à la réussite d’une vérification de leur efficacité.

2.3.3

Pour certaines compagnies ferroviaires au Canada, dont la MMA, les instructions spéciales permettent d’inclure les freins à main sur le groupe de locomotives dans le nombre minimum de freins à main à serrer. Par exemple, si ces instructions exigent de serrer au moins 10 freins à main et si le train compte 4 locomotives, il ne faut alors serrer que 6 freins à main sur le matériel remorqué, en plus de ceux serrés sur les locomotives.

2.4 Freins à main sur les locomotives

2.4.1

Pour les locomotives, la Federal Railroad Administration (FRA) exige que les freins à main puissent retenir une locomotive sur une déclivité de 3 %. Cela équivaut à un coefficient de freinage (rapport entre l’effort exercé sur les semelles de frein et la charge brute) de 10 %, à un coefficient de frottement de 0,3. Il n’y a aucune exigence pour une locomotive de retenir tout autre matériel avec son frein à main serré. Sur de nombreuses locomotives, dont celles du présent événement, seules 2 de leurs 12 semelles de frein sont appliquées sur les roues quand le frein à main est serré. La FRA exige l’inspection du frein à main ou du frein de stationnement (sur les locomotives qui en sont équipées) ainsi que de ses pièces et raccords au moins tous les ans ou quand des réparations sont nécessaires.

2.5 Frein à main sur les wagons

2.5.1

Selon la norme S-401 du Manual of Standards and Recommended Practices (MSRP) de l’Association of American Railroads (AAR), pour obtenir un effort de freinage adéquat sur le matériel remorqué, l’effort exercé sur les roues par les semelles de frein doit être égal à au moins 10 % de la charge brute du wagon quand un effort à la chaîne désigné est appliqué. L’extrémité du wagon où se trouve le frein à main est désignée de bout B. Quand les freins à main sont serrés, toutes les semelles de frein du wagon, au nombre de 8, sont normalement appliquées sur ses roues.

2.6 Valve de purge rapide

2.6.1

Trois locomotives dans le groupe de traction, dont la locomotive de tête MMA 5017, étaient des modèles C30-7 de GE mises en service en 1979. Ces locomotive sont équipées d’un moteur diesel suralimenté quatre-temps à 16 cylindres qui développe une puissance de 3 000 hp. La MMA 5017 comptait 2 bogies à trois essieux moteurs. Elle transportait 4 000 gallons de carburant, 365 gallons de liquide de refroidissement et 380 gallons d’huile moteur (huile de graissage). Elle était dotée d’un système de freins à air de type 26-L. Le poids global de la MMA 5017 était d’environ 195 tonnes.

2.6.2

Sur les locomotives C30-7 de GE, le cylindre de frein sur l’essieu soumis à l’action du frein à main est équipé d’une valve de purge rapide. Celle-ci se déclenche au cours du serrage des freins à main par la chaîne du frein. Une fois déclenchée, la valve de purge rapide vide le cylindre de frein de son air et applique les semelles de frein sur les deux roues qui relèvent du frein à main considéré. Pour s’assurer que le frein à main demeure fonctionnel sur ces locomotives, la MMA a émis le bulletin d’exploitation récapitulatif 2-276, qui se lisait en partie comme suit (traduction) :

  1. Locomotives C30-7 à six essieux équipées de valves de purge rapide des séries 5000, 3000 et 3600 :

    Le frein à main ne peut pas être serré si l’air du cylindre de frein R2 n’est pas évacué à l’atmosphère. La chaîne du frein à main se met en tension et il peut sembler que le frein à main est serré; cependant, si le piston du cylindre de frein R2 est sorti, c’est que le frein à main n’est pas serré. Sur les locomotives C-30-7, si on n’entend aucun échappement d’air pendant le serrage du frein à main, il est possible que la valve de purge rapide fonctionne mal ou qu’elle soit déréglée.

    On peut actionner manuellement cette valve depuis le sol, sur le côté droit de la locomotive. La valve de purge rapide et sa poignée sont directement adjacentes à la chaîne du frein à main, qui est montée sur le dessus du bogie avant entre les essieux 2 et 3. Un membre de l’équipe peut déclencher manuellement la valve au moyen de son levier. Une fois la valve de purge rapide déclenchée, la chaîne du frein à main doit être immédiatement remise en tension.

3.0 Essais de frein sur le groupe de locomotives de l’événement

3.1 Description des essais

3.1.1

Des essais de frein à air et à main ont été effectués sur le groupe de locomotives de l’événement. On a déplacé les locomotives du train MMA-002 vers la voie d’évitement à Vachon pour les soumettre à un examen et à des essais. Des spécialistes de Wabtec ont été invités à participer aux essais. L’examen et les essais comprenaient:

  • un essai d’étanchéité des freins dans tout le groupe de locomotives;
  • une évaluation complète du système de freinage de chaque locomotive;
  • des essais de l’effort aux semelles de frein.

3.1.2

Le premier essai a déterminé que, à partir d’un circuit de frein complètement alimenté, des fuites d’air avaient fait baisser la pression dans le cylindre de frein à 27 lb/po² en 1 heure et 6 minutes.

3.1.3

Le deuxième essai a évalué la performance de freinage de chaque locomotive et de ses composants; cet essai est résumé dans la prochaine section.

3.1.4

Les essais de l’effort aux semelles de frein avaient pour but de mesurer l’effort exercé par les semelles de frein (Esf) sous différents serrages des freins à air ou à main. L’effort retardateur de freinage Er est le produit de l’effort aux semelles de frein par le coefficient de frottement f entre la table de roulement et les semelles de frein :

Er = Esf * f

3.1.5

Le coefficient de frottement entre la table de roulement des roues et les semelles de frein est lié à l’état des surfaces en contact et à la vitesse. La figure 6 représente une courbe expérimentale du frottement et de la vitesse. Dans des conditions normales, le coefficient de frottement moyen est d’environ 0,315 pour une plage de vitesses allant de 0 à 100 mi/h. Selon l’expérience tirée des essais effectués par Wabtec, on se sert normalement du coefficient de frottement moyen de 0,38 pour évaluer l’effort retardateur à l’état stationnaire à partir de l’essai de l’effort aux semelles de frein.

Figure 6. Coefficient de frottement de semelles de frein propres neuves

3.1.6

Les efforts aux semelles de frein sont mesurés à l’aide de trousses de mesure de conception et de fabrication spéciales. Les essais Golden Shoe, Jim Shoe et Smart Shoe sont les plus couramment utilisés sur le marché. Pour les essais effectués dans le cadre de la présente enquête, le BST a utilisé principalement le système d’essai Smart Shoe (figure 7). Sur le fourgon VB-1, on a utilisé une trousse d’essai Jim Shoe, dont la plage de mesures cependant s’est révélée insuffisante pour les essais sur les locomotives et les wagons-citernes. Les systèmes Golden Shoe et Jim Shoe font appel à des capteurs à compression (figure 8), tandis que le système d’essai Smart Shoe utilise des capteurs à jauge réglable mesurant la contrainte de flexion pour améliorer la précision. Le système Smart Shoe peut enregistrer les relevés dans des fichiers textes électroniques.

Figure 7. Capteurs Smart Shoe
Figure 8. Capteur Jim (Golden) Shoe

3.1.7

Une trousse d’essai Smart Shoe comprend 4 ou 8 capteurs qui remplacent les semelles de frein et mesurent la force de la pression (effort aux semelles de frein) exercée sur la table de roulement des roues par le piston du cylindre du frein à air ou la chaîne du frein à main. Les capteurs sont reliés à un amplificateur et à un moniteur intégrés (figure 9) qui captent les efforts à la semelle de frein s’exerçant sur chaque roue. On additionne les relevés pour calculer l’effort total aux semelles de frein et le coefficient de freinage sur le véhicule testé.

Figure 9. Amplificateur et moniteur intégrés Smart Shoe

3.1.8

On insère un capteur pour mesurer l’effort à la chaîne, qui constitue un indice de base dans le cadre de l’essai du frein à main. Simultanément, le couple de serrage exercé sur le volant du frein à main est également mesuré au moyen d’un appareil de mesure de plages (plagemètre), représenté à la figure 10, doté d’une échelle de couples de serrage.

Figure 10. Capteur de tension de chaîne et plagemètre de couples, après leur insertion

3.2 Examen du système de freinage

3.2.1

L’examen et l’essai complets du système de freinage ont évalué la performance de freinage de chaque locomotive et de ses composants. Les résultats des essais sont résumés dans les prochains paragraphes.

3.2.2

MMA 5017

  • Des fuites d’air excessives provenaient du réservoir principal, de son clapet de non-retour et de la tuyauterie de frein sur les deux bogies de la locomotive.
  • Les fuites d’air sur le bogie arrière étaient trop importantes pour être vérifiées.
  • Une quantité excessive d’air s’échappait de la soupape de sécurité du compresseur, entraînant ainsi une perte d’air dans le réservoir d’air principal nº 1.
  • Le robinet de commande de la cloche fuyait, provoquant aussi une perte d’air dans le réservoir d’air principal nº 1.
  • Une quantité excessive d’air s’échappait du détendeur N1, produisant une perte d’air dans le réservoir principal nº 2.

3.2.3

MMA 5026

  • Des fuites mineures d’air provenaient du réservoir principal, de la conduite générale et de la conduite 20.
  • Le bogie avant a perdu tout son air en 4 minutes.

3.2.4

CITX 3053

  • Des fuites mineures d’air provenaient du réservoir principal.
  • Dans la position fermée, le robinet d’isolement sur le bogie avant laissait échapper par son évent une quantité excessive d’air.
  • La bille dans le robinet d’isolement se trouvait à 180 degrés de sa position de fonctionnement, ce qui entraînait une perte d’air par le côté de la locomotive et non du bogie.

3.2.5

MMA 5023

  • Des fuites d’air mineures provenaient du réservoir principal, du clapet de non-retour des réservoirs principaux, de la conduite générale et de la conduite 20.
  • Le bogie avant a perdu 30 lb/po² d’air en 5 minutes.

3.2.6

CEFX 3166

  • Des fuites mineures d’air provenaient du réservoir principal et de la conduite 20.
  • Des fuites excessives d’air provenaient du clapet de non-retour des réservoirs principaux et des deux bogies.
  • Le régulateur du dispositif de locomotive morte laissait échapper par son évent une quantité excessive d’air, entraînant une perte de pression dans le réservoir principal nº 2.

3.2.7

En raison des fuites excessives constatées au cours de l’essai sur plusieurs appareils de robinetterie de frein dans le groupe de locomotives, 4 de ces appareils et la valve de purge rapide ont été retirés pour faire l’objet d’un examen plus approfondi par le BST (rapport LP185/2013 du Laboratoire d’ingénierie).

3.3 Résultats de l’essai de l’effort aux semelles de frein

3.3.1

Deux trousses Smart Shoe et une trousse Jim Shoe ont été utilisées pour l’essai. La trousse Jim Shoe n’a été utilisée que sur le fourgon VB-1, à cause de sa plage limitée de mesures de l’effort aux semelles.

3.3.2

Des employés de Wabtec commandaient l’unité d’affichage des trousses d’essai et lisaient les valeurs indiquées. Des employés du BST ont consigné les relevés et traité les données pour calculer les coefficients de freinage.

3.3.3

Le groupe de locomotives testées comprenait la MMA 5017, le fourgon VB-1 ainsi que les MMA 5026, CITX 3053, MMA 5023 et CEFX 3166, dans l’ordre où ce matériel se trouvait lors de l’événement. Le VB-1 est un fourgon de télécommande muni d’un régulateur de pression de cylindre pour changer la pression du frein direct (FD) provenant des locomotives.

3.3.4

Le tableau 1a et tableau 1b présente un résumé des résultats de l’effort d’essai aux semelles, tandis que le tableau 2a et tableau 2b indique les coefficients de freinage calculés.

Tableau 1a : Résumé des efforts mesurés aux semelles de frein au cours de l'essai à Vachon (Frein à aire)
Frein à aire CF (lb/po²) MMA 5017 MMA VB-1 MMA 5026 CITX 3053 MMA 5023 CEFX 3166 Esf total Er total
FD à fond 72 146079 5792 145977 101931 141599 115891 657269 249762
Serrage normal à fond 55 111250 4151 120573 86159 113234 99715 535082 203331
Coefficient de freinage de base 50 100005 3745 99873 79195 104758 89988 477564 181474
Début du mouvement 27 57350 2993 62765 50725 62754 61659 298246 113333
Tableau 1b : Résumé des efforts mesurés aux semelles de frein au cours de l’essai à Vachont (Frein à main)
Frein à main C (lb-pi) MMA 5017 MMA VB-1 MMA 5026 CITX 3053 MMA 5023 CEFX 3166 Esf total Er total
faible puissance 60 7232 6596 7944 10002 8297 9210 49281 18727
puissance normale 80 9209 9419 10085 13795 10556 13686 66750 25365
grande puissance 100 11731 11509 12716 18202 13526 17443 85127 32348
puissance extrême 150 18485 15714 16253 26071 18765 24479 119767 45511
capacité selon les essais AAR 200 23174 21653 20414 33551 24531 31881 155204 58978
Tableau 2a : Résumé des coefficients de freinage mesurés au cours de l’essai à Vachon (Frein à aire)
Frein à air CF (lb/po²) MMA 5017 MMA VB-1 MMA 5026 CITX 3053 MMA 5023 CEFX 3166
FD à fond 72 37.5 % 9.7 % 37.4 % 26.4 % 36.3 % 29.6 %
Serrage normal à fond 55 28.5 % 6.9 % 30.9 % 22.3 % 29.0 % 25.4 %
Coefficient de freinage de base 50 25.6 % 6.2 % 25.6 % 20.5 % 26.9 % 23.0 %
Début du mouvement 27 14.7 % 5.0 % 16.1 % 13.1 % 16.1 % 15.7 %
Tableau 2b : Résumé des coefficients de freinage mesurés au cours de l’essai à Vachon (Frein à main)
Frein à main C (lb-pi) MMA 5017 MMA VB-1 MMA 5026 CITX 3053 MMA 5023 CEFX 3166
faible puissance 60 1.9 % 11.0 % 2.0 % 2.6 % 2.1 % 2.3 %
puissance normale 80 2.4 % 15.7 % 2.6 % 3.6 % 2.7 % 3.5 %
grande puissance 100 3.0 % 19.2 % 3.3 % 4.7 % 3.5 % 4.4 %
puissance extrême 150 4.7 % 26.2 % 4.2 % 6.8 % 4.8 % 6.2 %
capacité selon les essais AAR 200 5.9 % 36.1 % 5.2 % 8.7 % 6.3 % 8.1 %

3.3.5

Les relevés de la pression des freins à air en général étaient plus stables et plus convergents, tandis que ceux relatifs aux freins à main affichaient des écarts plus importants. Comme il est difficile d’appliquer et de maintenir un couple de serrage (C) comparativement à un cylindre de frein (CF), la mesure des couples de serrage est moins précise que celle de l’effort à la chaîne.

3.3.6

Tous les coefficients de freinage des freins à main des locomotives, mesurés au couple d’essai le plus élevé de 200 livres-pieds, étaient inférieurs au pourcentage prescrit de 10 %, ceux des locomotives CITX 3053 et CEFX 3166 s’en approchant le plus.

3.3.7

Le coefficient de freinage du frein à main du fourgon VB-1 était beaucoup plus élevé que ceux des locomotives, mais son frein à air présentait un coefficient de freinage inférieur à celui des locomotives.

3.3.8

Trois locomotives dans le groupe étaient équipées de la valve de purge rapide montrée à la figure 11. La valve de purge rapide sur la deuxième locomotive (la MMA 5026) a été jugée défectueuse, tandis que celle des deux autres fonctionnait normalement. Lors du serrage du frein à main, la valve de purge rapide de la MMA 5026 n’a pas évacué l’air du cylindre de frein. Dans cette situation, le frein à main n’aurait exercé aucun effort si la valve de purge rapide n’avait pas été déclenchée manuellement.

Figure 11. Valve de purge rapide sur la MMA 5026

3.3.9

Le tableau 3 indique la boucle d’essai enregistrée sur la MMA 5026 et montrant le mauvais fonctionnement de la valve de purge rapide.

Tableau 3: Efforts mesurés aux semelles de frein indiquant une défaillance de la valve de purge rapide sur la locomotive MMA 5026
CF + couple Ec R2 R3 Somme BR Commentaires

Remarque : Ec désigne l'effort à la chaîne et BR (brake ratio), le coefficient de freinage.
Conclusion : Comme la valve de purge rapide était inopérante, le frein à main (FàM) aurait été desserré en cas d'évacuation de l'air du cylindre de frein (CF).

CFD72+C0 0 11649 10450 22099 5,7 % FD seulement, Esf sur deux roues
FD+C195 3580 12264 12047 24311 6,2 % Air du CF non évacué par la valve de purge rapide
CF50+C195 2591 9285 8448 17733 4.5% Pression CF réduite par le ML
CF27+C195 1430 5278 4701 9979 2,6 %  
CF0+C195 37 33 69 102 0,0 % FàM totalement perdu
FD serré à nouveau 2591 13415 11745 25160 6,5 %  

3.3.10

La boucle d’essai du frein à air a été conçue selon la séquence suivante : FD-CF72->serrage normal à fond : CF55->début du mouvement : CF27, puis remontée de la pression à CF50. Cette boucle d’essai a permis de simuler la chute de pression d’air lors de l’événement et de vérifier le relevé de base sur la séquence d’augmentation de la pression. La boucle a bien fonctionné, sauf sur les bogies avant des locomotives CITX 3053 et CEFX 3166.

3.3.11

L’effort mesuré aux semelles de frein des deux bogies avant a bloqué au cours de la chute de la pression CFD, qui est passée de 72 à 55 lb/po². Au cours d’une boucle d’essai réalisée sur la locomotive CITX 3053, les efforts mesurés aux semelles de frein à la pression CF55 étaient sensiblement différents sur la séquence chute-montée (se reporter au tableau 4).

Tableau 4: Relevés anormaux à la pression CF55 sur la séquence chute-montée
  L1 L2 L3 R1 R2 R3 Total BR
INDBC72 9223 8963 7780 8931 9339 7844 52080 27,0 %
BC55 8915 8770 7900 8260 9166 7909 50920 26,4 %
BC27 4337 4592 4283 4414 4939 4290 26855 13,9 %
BC50 7091 6858 6201 7076 7286 6161 40673 21,1 %
BC55 7600 7417 6667 7498 7834 6625 43641 22,6 %
BC729165 9034 7950 8922 9258 7790 52119 27,0 %

3.3.12

Une boucle d’essai sur la CEFX 3166 (tableau 5) a montré que le blocage de l’effort s’est poursuivi à une pression inférieure à 40 lb/po² dans le cylindre de frein (CF40), mais les relevés de l’effort aux semelles à la pression CF27 sont demeurés très proches sur les séquences ascendantes et descendantes. On s’est servi d’une boucle d’essai de remplacement (bogie avant FD72 ‑>CF27 ‑>CF50 ‑>CF55) pour empêcher ce blocage lors de l’essai des deux bogies avant. Tous les autres essais ont conservé la boucle d’essai théorique.

Tableau 5: Différents relevés sur la séquence d'essai théorique et la séquence d'essai de remplacement
  L1 L2 L3 R1 R2 R3 Total BR BR de l’essai de réf.
CFD72 11383 9280 9966 9223 10443 8026 58321 29.8% 29,6 %
CF55 11031 8667 9295 9102 10152 8022 56269 28,7 % 25,4 %
CF50 10164 8048 8607 8561 9502 7587 52469 26,8 % 23,0 %
CF45 9296 7500 7968 8039 8800 7185 48788 24,9 %  
CF40 8289 6759 7144 7290 7808 6557 43847 22.4 %  
CF35 7397 6128 6399 6622 6886 5944 39376 20,1 %  
CF27 5764 4959 5037 5380 5300 4786 31226 15,9 % 15,7 %

3.3.13

On ne connaît pas la raison de ce blocage de l’effort aux semelles de frein au cours de la chute de la pression CFD. Cependant, un tel blocage n’a aucune incidence sur l’analyse de la dérive qui a commencé à la pression de 27 lb/po² dans le cylindre de frein (CF27).

3.3.14

Un examen de l’effort mesuré aux semelles de frein produit par le groupe de locomotives et le fourgon VB-1 avec les freins à air et à main a conclu ce qui suit :

  • Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur total produit par le frein direct (FD) serré à fond sur le groupe de locomotives et le fourgon VB-1 était de 249 762 livres.
  • Si on suppose un couple de serrage de 100 livres-pieds et un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur total produit par les freins à main du groupe de locomotives et le fourgon VB-1 s’élevait à 32 348 livres.
  • Avec le frein direct serré à fond, l’effort retardateur était suffisant pour garder le train à l’arrêt.
  • L’effort de freinage pour le frein direct serré à 27 lb/po² a été réduit à environ 45 % de celui d’un frein direct serré à fond.
  • Le coefficient de freinage moyen pour les freins à main des locomotives serrés à un couple de 100 livres-pieds était d’environ 3,8 %.
  • Le coefficient de freinage pour le fourgon VB-1 à un couple de serrage de 100 livres-pieds était de 19,2 %.

4.0 Essai de frein sur les wagons-citernes survivants

4.1 Description des essais

4.1.1

Les 9 wagons-citernes non déraillés du train MMA-002 ont été remorqués jusqu’à Farnham pour y subir des essais de frein à air et à main. On a également envoyé à Farnham et installé sur un wagon-citerne le volant du frein à main du wagon couvert tampon afin d’obtenir la particularité de ce wagon quant à son frein à main. Comme le frein à air sur les wagons-citernes a été desserré avant la dérive, on a procédé à des essais de ce frein seulement sur deux wagons-citernes afin d’en examiner les coefficients de freinage. Les essais se sont concentrés sur les freins à main des wagons-citernes survivants et du wagon couvert simulé.

4.1.2

Comme pour les essais sur le groupe de locomotives, et afin de mesurer les efforts aux semelles de frein, on a utilisé pour les essais de frein à air et à main des trousses Smart Shoe, mais aucune trousse Jim Shoe, Pour l’essai de frein à air, on s’est servi d’une trousse d’essai de frein sur wagon individuel (figure 12). Les essais de frein à air ont été exécutés à un serrage minimum (dépression de 6-7 lb/po² dans la CG) et à un serrage normal à fond. Deux boucles d’essai ont été appliquées sur chaque wagon et les efforts aux semelles de frein mesurés à la pression d’égalisation en serrage normal et à l’état enveloppé, respectivement. Les coefficients de freinage ont été calculés, puis on en a fait la moyenne.

Figure 12. Trousse d'essai de frein sur wagon individuel

4.1.3

L’essai des freins à main s’est déroulé à un certain nombre de couples de serrage dans la gamme normale des efforts humains et à la limite de capacité établie pour les essais de frein à main de l’AAR. On a examiné la plaque signalétique de la timonerie de frein et calculé l’effort théorique aux semelles de frein. L’effort mesuré aux semelles de frein a été enregistré et comparé à l’exigence de l’AAR en la matière.

4.2 Examen et essai du système de frein à air

4.2.1

Les spécialistes de Wabtec ont aidé à l’examen du système de frein à air et à l’exécution de l’essai sur wagon individuel. Cet examen a révélé ceci :

  • l’équipement de frein sur les wagons-citernes fonctionnait et satisfaisait aux exigences de l’AAR;
  • deux des wagons-citernes ont fait l’objet d’un essai de frein à air sur wagon individuel; les deux wagons-citernes ont réussi le test.

4.2.2

Le tableau 6 indique pour le frein à air les efforts aux semelles et les coefficients de freinage mesurés.

Tableau 6 : Résumé des résultats des essais de frein à air
Wagon nº Serr. min. (6-7) SERRAGE NORMAL À FOND
        ÉG serr norm Enveloppé
  CF Esf CF Esf CF Esf CF
NATX310406 8,4 2602 63,6 25380 9,7 % 27315 10,4 %
      63,6 25294 9,6 % 27285 10,4 %
Inférieur à la moyenne       25337 9,6 % 27300 10,4 %
WFIX130629 8,4 1441 63,5 20754 7,9 % 23973 9,1 %
      63,6 21483 8,2 % 23981 9,1 %
Inférieur à la moyenne       21119 8,0 % 23977 9,1 %
Moyenne     63,6 23228 8,8 % 25639 9,7 %

4.3 Résultats des essais de frein à main

4.3.1

Les efforts mesurés aux semelles de frein sont résumés et indiqués dans le tableau 7a et tableau 7b, avec les efforts à la chaîne Ec ou les couples de serrage appliqués.

4.3.2

Les cas de EVc 3350, sauf pour le wagon ACFX 73452H, reflétaient les résultats obtenus à un effort vertical à la chaîne de 3350 livres, soit l’effort d’essai défini pour le coefficient de freinage (BR) prescrit par l’AAR à l’égard des freins à main de type N. Les coefficients de freinage mesurés correspondants étaient supérieurs à la valeur de 10 % prescrit par l’AAR, sauf pour le wagon PROX 44211, dont le coefficient était de 8,2 %. La valeur de 8,2 % était supérieure au coefficient de freinage à main requis de 6,5 % pour les wagons usés en service.

4.3.3

Les couples de serrage appliqués correspondant à l’effort vertical d’essai défini de 3350 livres qui s’exerce sur la chaîne variaient grandement, de 100 à 150 livres-pieds; cependant, les couples moyens pour 6, 9 et 10 wagons étaient respectivement de 127, 123 et 123 livres-pieds, valeurs proches du couple de référence pour les essais AAR, puisqu’un effort d’essai de 125 livres est appliqué sur l’extérieur du volant du frein à main dans la norme S-401 du MSRP. Ces résultats non seulement confirmaient la validité de la relation entre l’effort vertical à la chaîne de 3350 livres (utilisé comme référence pour les essais) et le couple de 125 livres-pieds, mais aussi démontraient la grande variation de la plage de couples de serrage. Selon l’expérience du BST, fondée sur un certain nombre d’essais de frein à main antérieurs, il est difficile pour un travailleur normal sur le terrain d’atteindre le couple de référence de 125 livres-pieds. Il est probable qu’un travailleur normal serre un frein à main dans la plage de couples 80-100 livres-pieds.

Tableau 7a: Résumé des résultats des essais de frein à main sur les wagons-citernes survivants
Wagon nº EVc 3350 C60 C80
  C Esf BR Ec Esf BR Ec Esf BR
Remarque
  1. Ec désigne l'effort à la chaîne, Esf l'effort aux semelles de frein, BR le coefficient de freinage
  2. Tous les cas de EVc 3350, sauf pour le wagon ACFX 73452H, reflètent les résultats obtenus à un effort vertical à la chaîne de 3350 livres, soit l'effort d'essai défini pour le coefficient de freinage (BR) prescrit par l'AAR à l'égard des freins à main de type N.
  3. Le wagon ACFX 73452H représente le cas faisant appel à un effort horizontal à la chaîne de 4700 livres, ce qui équivaut à un effort vertical à la chaîne de 3350 livres.
NATX310406 125 31683 12,0 % 1525 13630 5,2 % 2080 18727 7,1 %
NATX310425 125 29127 11,1 % 1105 11226 4,3 % 2165 20885 7,9 %
NATX310487 110 29585 11,2 % 1390 12458 4,7 % 2035 18267 6,9 %
NATX310533 110 29979 11,4 % 1695 14607 5,6 % 2480 21094 8,0 %
NATX310572 150 28524 10,8 % 1535 13374 5,1 % 2055 17607 6,7 %
NATX310595 140 26656 10,1 % 1465 9587 3,6 % 1950 13748 5,2 %
ACFX73452 125 28487 10,8 % 1615 14421 5,5 % 1985 18107 6,9 %
PROX44211 125 21462 8,2 % 1845 12749 4,8 % 2055 15008 5,7 %
WFIX130629 100 26699 10,2 % 2125 14875 5,7 % 2840 20418 7,8 %
WAGON COUVERT 123 29468 11,2 % 1467 12907 4,9 % 2188 19444 7,4 %
ACFX73452H 125 29665 11,3 % 1710 11015 4,2 % 2415 15582 5,9 %
                   
Moy 6 NATX 127 29259 11,1 % 1453 12480 4,7 % 2128 18388 7,0 %
Moy 9 wag,-cit, 123 28022 10,7 % 1589 12992 4,9 % 2183 18207 6,9 %
Moy 10 wagons 123 28167 10,7 % 1577 12983 4,9 % 2183 18331 7,0 %
Tableau 7b: Résumé des résultats des essais de frein à main sur les wagons-citernes survivants
Wagon nº C100 C150 C200
  C Esf BR Ec Esf BR Ec Esf BR
NATX310406 2530 22459 8,5 % 3940 35578 13,5 % 4530 41398 15,7 %
NATX310425 2805 24978 9,5 % 4060 35689 13,6 % 5905 54866 20,9 %
NATX310487 2695 24070 9,2 % 4680 41657 15,8 % 5250 47711 18,1 %
NATX310533 3185 27084 10,3 % 4445 39230 14,9 % 7450 67991 25,9 %
NATX310572 2870 24786 9,4 % 3570 30631 11,6 % 5000 44265 16,8 %
NATX310595 2175 15969 6,1 % 3215 25978 9,9 % 5015 43436 16,5 %
ACFX73452 2455 22118 8,4 % 3640 31254 11,9 % 5495 47347 18,0 %
PROX44211 2620 19445 7,4 % 3375 23343 8,9 % 4765 32846 12,5 %
WFIX130629 3290 23836 9,1 % 4510 33627 12,8 % 6255 47348 18,0 %
WAGON COUVERT 2945 26126 9,9 % 4757 41880 15,9 % 5615 48988 18,6 %
ACFX73452H 2950 19250 7,3 % 4640 29479 11,2 % 6475 38831 14,8 %
                   
Moy 6 NATX 2710 23224 8,8 % 3985 34794 13,2 % 5140 46335 17,6 %
Moy 9 wag,-cit, 2736 22749 8,6 % 3937 32999 12,5 % 5277 44902 17,1 %
Moy 10 wagons 2757 23087 8,8 % 4019 33887 12,9 % 5314 45356 17,2 %

Remarque:

  1. Ec désigne l'effort à la chaîne, Esf l'effort aux semelles de frein, BR le coefficient de freinage
  2. Tous les cas de EVc 3350, sauf pour le wagon ACFX 73452H, reflètent les résultats obtenus à un effort vertical à la chaîne de 3350 livres, soit l'effort d'essai défini pour le coefficient de freinage (BR) prescrit par l'AAR à l'égard des freins à main de type N.
  3. Le wagon ACFX 73452H représente le cas faisant appel à un effort horizontal à la chaîne de 4700 livres, ce qui équivaut à un effort vertical à la chaîne de 3350 livres.

4.3.4

Au couple de serrage de 80 livres-pieds, l’effort moyen mesuré aux semelles de frein pour les 9 wagons-citernes de l’essai était d’environ 18 207 livres. Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur moyen produit par les freins à main de ces wagons était d’environ 6919 livres par wagon.

4.3.5

Au couple de serrage de 100 livres-pieds, l’effort moyen mesuré aux semelles de frein pour les 9 wagons-citernes de l’essai était d’environ 22 749 livres. Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur moyen produit par les freins à main de ces wagons était d’environ 8645 livres par wagon.

4.4 Couples de serrage mesurés sur les freins à main des véhicules dans le triage de Farnham

4.4.1

L’équipe d’enquête du BST a également mesuré les couples de serrage résiduels réels des freins à main des wagons et des locomotives stationnés dans le triage de Farnham. Comme la MMA exploite plusieurs trains dont l’équipe est réduite à 1 agent, il est normal que celui-ci serre les freins à air pour arrêter les wagons, puis serre le frein à main en plus. Les couples de serrage réels ont été mesurés à deux reprises. D’abord avec de l’air dans les cylindres de frein. Puis on a évacué l’air des cylindres de frein et mesuré à nouveau les couples résiduels.

4.4.2

Les couples de serrage moyens mesurés se situaient entre 86 et 98 livres-pieds et présentaient une grande variation, ce qui correspondait aux résultats obtenus lors d’enquêtes précédentes du BST. La différence moyenne entre les couples de serrage existants et les couples correspondants après l’évacuation de l’air de freinage était d’environ 25 à 75 livres-pieds. Par conséquent, dans l’analyse du présent rapport, on a utilisé la plage de couples de 80 à 100 livres-pieds pour estimer le nombre minimum de freins à main nécessaires.

5.0 Essai du frein à main sur le frein à air sur les wagons-citernes

5.1 Description des essais

5.1.1

L’expérience et les données de couple mesurées dans le triage de Farnham ont montré qu’en situation de serrage du frein à main sur le frein à air, l’effort résultant aux semelles de frein pouvait différer sensiblement de celui produit par les serrages du frein à main seulement. Comme la MMA exploite plusieurs trains dont l’équipe est réduite à 1 agent, il est normal que celui-ci serre les freins à air pour arrêter les wagons, puis serre le frein à main en plus. Lors de l’événement, selon les enregistrements du CEL, le mécanicien de locomotive a arrêté le train en serrant d’abord le frein automatique au moyen d’une dépression de 13 lb/po², puis les freins à main. Il est possible qu’un tel serrage du frein à main sur le frein à air se traduise par des efforts aux semelles de frein qui diffèrent des efforts mesurés lors de l’essai des freins à main à Farnham. On a donc procédé à un essai supplémentaire pour étudier la différence et modifier l’effort moyen aux semelles de frein fourni par le frein à main utilisé pour l’analyse et l’estimation du nombre minimum de freins à main nécessaires.

5.1.2

Cet essai supplémentaire a été réalisé sur un petit nombre de wagons-citernes au triage Taschereau du CN, à Montréal. Ces wagons n’avaient pas été impliqués dans l’accident. L’essai visait à déterminer le rapport entre l’effort aux semelles dans le scénario du frein à main sur le frein à air avec dépression de 13 lb/po², et l’effort aux semelles dans le scénario du frein à main seulement. Ce rapport a pu servir à modifier les résultats des essais menés précédemment sur les locomotives et les wagons-citernes survivants.

5.1.3

La méthode et le matériel d’essai étaient identiques à ceux utilisés lors des deux séries d’essais précédentes. La trousse Smart Shoe a servi à mesurer les efforts aux semelles de frein. Chaque essai comportait d’abord une boucle incrémentale serrage-desserrage du frein à main seulement. On a alors serré successivement les freins à air et à main, pour ensuite évacuer l’air. L’effort aux semelles de frein a été mesuré à chacune des étapes de l’essai. L’effort aux semelles de frein après le desserrage du frein à air a été comparé au résultat correspondant obtenu avec le frein à main seulement, puis on a calculé le coefficient d’augmentation.

5.1.4

Un essai complet a été effectué sur le wagon-citerne NATX 270035. Dans le cas des wagons TILX 160220 et OLNX 224074, les essais ont porté seulement sur leur bogie du bout B; de plus, à cause des limites de temps et des conditions atmosphériques, il a fallu réduire le nombre de paliers d’essai. La mise en œuvre et la stabilisation de la dépression d’air ont été très difficiles à maîtriser et le processus a pris beaucoup de temps. Cependant, les données fournies par l’essai complet effectué sur le wagon NATX 270035 ont constitué une bonne base pour étendre à tout le wagon les résultats des essais menés sur le bogie du bout B.

5.2 Résultats de l’essai du frein à main sur le frein à air

5.2.1

Comme une seule trousse d’essai Smart Shoe était disponible, il a fallu effectuer les essais un bogie à la fois, d’où la variation des couples de serrage appliqués. Cette variation était inévitable et difficile à maîtriser, parce que le plagemètre de couples de serrage devait être tenu sur l’engrenage suivant. Quand on a d’abor serré de façon intense les freins à air, le frein à main actionné à un couple de serrage élevé était très serré, et l’engrenage suivant pouvait donner lieu à une grande différence. On a comparé en premier les efforts mesurés aux semelles de frein du bogie aux deux bouts (A et B) du wagon NATX 270035, en utilisant les mêmes couples de serrage du frein à main ou les mêmes freinages depuis le cylindre de frein. Il a été constaté que l’effort mesuré aux semelles de frein au bogie du bout A était d’environ 4 à 6 % plus élevé que celui enregistré au bout B; or, on se serait normalement attendu à ce que, le bout B étant plus proche du frein à main, celui-ci soit le siège d’un effort aux semelles de frein plus intense. D’un autre côté, cette différence inverse était le signe que l’effet des deux bouts, différents l’un de l’autre, sur l’effort mesuré aux semelles de frein était plus petit que les variations causées par la divergence des couples de serrage appliqués aux freins à main. Par conséquent, pour obtenir l’effort aux semelles de frein sur la totalité de chacun des wagons TILX 160220 et OLNX 224074, on a simplement doublé les efforts aux semelles de frein de leur bogie au bout B.

5.2.2

La différence entre le mode du frein à main sur le frein à air et le mode du frein à main seulement était liée étroitement au niveau d’application du frein à air. Un serrage minimum du frein à air ne produisait qu’un petit effort aux semelles et engendrait très peu de différence. Avec l’augmentation de la dépression d’air, la différence est devenue importante. Le coefficient d’augmentation obtenu par un serrage à 13 lb/po² du frein à air, comme ce fut le cas dans l’événement, pouvait atteindre en moyenne environ 1,4 (se reporter au tableau 8). Plus tard, au cours de l’analyse, on utilise ce coefficient d’augmentation moyen pour ajuster les efforts aux semelles de frein exercés sur les véhicules survivants.

5.2.3

L’effort aux semelles de frein dans le mode du frein à air sur le frein à main représentait généralement la somme des efforts produits par les deux freins. Une fois le frein à air desserré, la chaîne du frein à main a continué de retenir le balancier et l’effort aux semelles de frein n’a diminué que légèrement. Le coefficient d’augmentation était essentiellement le rapport entre l’effort aux semelles du frein à air et l’effort aux semelles du frein à main.

Tableau 8: Coefficient d'augmentation du frein à main sur le frein à air avec dépression de 13 lb/po²
Scénario NATX270035 TILX160220 OLNX224074 Coefficient
  Esf Coefficient Esf Coefficient Esf Ratio Moyenne
HBT80 21591 1 23213 1 20506 1  
Air- DCG13 7578 0,351 10942 0,471 6739 0,329  
Air+FàM 29378 1,361 34259 1,476 31768 1,549  
FàM/Air coupé 27776 1,286 33862 1,459 30543 1,489 1,411
FàM C100 27199 1 28925 1 27334 1  
Air- DCG13 7661 0,282 11376 0,393 6644 0,243  
Air+FàM 34724 1,277 44264 1,53 39297 1,438  
FàM/Air coupé 33401 1,228 43694 1,511 38103 1,394 1,378

Remarque:

  1. DCG13 désigne une dépression de 13 lb/po² dans la conduite générale (CG).
  2. FàM C80 et FàM C100 désignent le frein à main aux couples de serrage de 80 et 100 livres-pieds, respectivement.

5.2.4

À mesure qu’augmentait la pression du frein à air, le coefficient d’augmentation augmentait lui aussi. Le tableau 9a et tableau 9b indique les efforts mesurés aux semelles de frein et les coefficients d’augmentation à un serrage avec dépression de 20 lb/po² et à un serrage normal à fond (dépression de 26 lb/po²). Les coefficients d’augmentation moyens pouvaient atteindre une valeur de 1,6 à 1,9 dans le scénario d’une dépression de 26 lb/po². L’essai de serrage normal à fond a été effectué seulement sur le wagon NATX 270035; cet essai a produit un effort aux semelles de frein inférieur à celui des autres wagons. Cependant, son coefficient d’augmentation en serrage normal à fond était, par comparaison, sensiblement supérieur à celui obtenu à la dépression de 20 lb/po².

Tableau 9a: Frein à main sur frein à air avec dépression de 20 lb/po² et serrage normal à fond
Scénario NATX270035 TILX160220 OLNX224074 Moy.
  Esf Coefficient Esf Ratio Esf Coefficient Coefficient
FàM C80 21591 1 23213 1 20506 1  
Air-DCG20 14704 0,681 19028 0,82 14956 0,729  
Air+FàM 35191 1,63 53008 2,284 40478 1,974  
FàM/Air coupé 32047 1,484 51992 2,24 38318 1,869 1,864
FàM C100 27199 1 28925 1 27334 1  
Air-DCG20 14417 0,53 18066 0,625 15142 0,554  
Air+FàM 40232 1,479 54702 1,891 47296 1,73  
FàM/Air coupé 37282 1,371 53710 1,857 45128 1,651 1,626

Remarque:

    1. DCG20 désigne une dépression de 20 lb/po² dans la conduite générale (CG).
    2. FàM C80 et FàM C100 désignent le frein à main aux couples de serrage de 80 et 100 livres-pieds, respectivement.

    Tableau 9b: Frein à main sur frein à air avec dépression de 20 lb/po² et serrage normal à fond
    Scénario NATX270035
      Esf Coefficient
    FàM C80 21591 1
    Air-DCG20 18230 0,844
    Air+FàM 40302 1,867
    FàM/Air coupé 36446 1,688
    FàM C100 27199 1
    Air-DCG20 18175 0,668
    Air+FàM 44756 1,646
    FàM/Air coupé 41825 1,538

    Remarque:

    • Serrage normal à fond : dépression de 26 lb/po²

    5.3 Résultats d’essais précédents dans le cadre de l’enquête d’Hanlon

    5.3.1

    Le BST a procédé à des essais de frein à main similaires lors d’enquêtes antérieures. Les wagons-tombereaux en cause dans l’accident d’Hanlon en 2012 (R12E0004) [3] ont été soumis à un essai des freins à main et à un essai de résistance au roulement à l’état stationnaire. On a alors mesuré les efforts aux semelles de frein dans les modes suivants : frein à main seulement, freinage d’urgence, frein à main sur frein d’urgence et frein à main après desserrage en freinage d’urgence. Le présent rapport, dans son tableau 10, réutilise et indique les résultats de ces mesures à titre de référence. Les couples de serrage appliqués en mode de frein à main seulement étaient initialement de 85-90 livres-pieds. Les couples de serrage ont augmenté d’environ 20 livres-pieds après le desserrage en freinage d’urgence. Le coefficient d’augmentation de l’effort aux semelles de frein dans le mode du frein à main sur le frein d’urgence pouvait atteindre 3,8.

    Tableau 10: Efforts aux semelles de frein mesurés en mode du frein à main sur le frein d'urgence
    Essai CN199183 CN199199
      Esf lb Coefficient Couple (lb-pi) Esf lb Coefficient Couple (lb-pi)
    Frein à main seulement 12116 1 85/90 12523 1 85/90
    Freinage d’urgence sur frein à main 33611 2,774   31135 2,486  
    Freinage d’urgence sur frein à main 9991 0,825   15231 1,216  
    Air de freinage d’urgence seulement 33506 2,765   30885 2,466  
    Frein à main sur frein d’urgence 51637 4,262   51885 4,143  
    FàM résiduel après desserrage en freinage d’urgence 46859 3,868 100/125 47588 3,8 105/110

    Remarque:

    • Les couples de serrage ont été mesurés lors de l'essai sur le bogie des bouts A et B, respectivement.

    6.0 Analyse

    6.1 Efforts retardateurs s’exerçant sur le train qui commence à dériver

    6.1.1

    Le jour de l’événement, le train s’est arrêté dans une pente moyenne de 0,918 %. Le train pesait 10 287 tonnes, ce qui a engendré une force de déclivité de 188 869 livres. Si on suppose que le coefficient de résistance au roulement à l’état stationnaire était d’environ 4,1 livres par tonne, la résistance au roulement pour le train pouvait s’élever à 42 177 livres. Pour empêcher le train de bouger, le frein direct et les freins à main devaient fournir un effort retardateur de 146 692 livres. Les efforts retardateurs exercés sur le train en freinage ont été calculés; ils sont l’objet du tableau 11.

    6.1.2

    Étant donné que la valve de purge rapide sur la MMA 5026 était inopérante, le frein à main de cette locomotive ne produisait aucun effort, mais son frein direct (FD), lui, en exerçait un sur les 12 roues. L’effort exercé par le frein direct sur les autres locomotives était ajusté de 5/6 au moment du serrage de leur frein à main. Sur le fourgon VB-1, l’effort du frein à main a dépassé celui exercé par le frein à air. Pour tenir compte de l’effet du serrage du frein à air à 13 lb/po², on a appliqué le coefficient d’augmentation de 1,4 aux efforts exercés par les freins à main. Si on suppose que le coefficient de frottement était de 0,38, le frein à main contribuait à hauteur de 48 583 livres à l’effort retardateur, et le frein direct serré à fond offrait une contribution potentielle de 215 546 livres; ainsi, au moment où le frein direct a été serré à fond dans le train et les freins à main serrés sur le groupe de locomotives et sur le wagon couvert, l’effort retardateur total était d’environ 264 129 livres, suffisant pour retenir le train dans la pente.

    6.1.3

    À mesure que baissait la pression dans le cylindre de frein direct (pression CFD), l’effort retardateur produit par le frein direct diminuait. Quand la pression CF est tombée à 27 lb/po², la contribution du frein direct à l’effort retardateur a été réduite à 97 472 livres, et l’effort retardateur total à 146 055 livres, soit moins que l’effort retardateur net de 146 692 livres nécessaire pour retenir le train dans la pente. Le train a commencé à dériver.

    Tableau 11: Efforts retardateurs exercés par les freins sur le train commençant à dériver
        MMA 5017 MMA VB-1 MMA 5026 CITX 3053 MMA 5023 CEFX 3166 Box car total Er
    FàA/FàM CF/ C Esf Esf Esf Esf Esf Esf Esf Esf @ f 0,38
      (po²/ lb-pi) (lb) (lb) (lb) (lb) (lb) (lb) (lb) (lb) (lb)
    FD à fond 72 146079 5792 145977 101931 141599 115891   657269 249762
    Début du mouvement 27 57350 2993 62765 50725 62754 61659   298246 113333
    grande puissance 100 11731 11509 12716 18202 13526 17443 26126 98537 37444
    Effort FàM corrigé par 1,4 100 11731 16113 0 25483 13526 24420 36576 127849 48583
    FD à fond @ FàM 72/100 121733 0 145977 84943 117999 96576   567227 215546
    FD + FàM 72/100 133464 16113 145977 110425 131525 120996 36576 695076 264129
    CF27 @FàM 27/100 47792 0 62765 42271 52295 51383   256505 97472
    CF27 + FàM 27/100 59523 16113 62765 67754 65821 75803 36576 384354 146055

    Remarque:

    1. Valve de purge rapide de la MMA 5026 : inopérante; effort FàM : aucun; FD : sur les 12 roues.
    2. L'effort du frein à main sur le fourgon VB-1 a dépassé celui l'effort FD.
    3. Effort FD ajusté de 5/6 avec FàM serré.
    4. Effort FàM ajusté de 1,4 sur serrage du frein à air à 13 lb/po²

    6.2 Nombre minimum calculé de freins à main nécessaires

    6.2.1

    La réglementation de la FRA et de TC exige de serrer un nombre suffisant de freins à main pour immobiliser un train, indépendamment des freins à air. Un coefficient de résistance au roulement à l’état stationnaire de l’ordre de 4 à 6 livres par tonne aide à empêcher un train de dériver. Cependant, une fois le train en mouvement, le coefficient de résistance au roulement baissait à environ 2,15 livres par tonne. Le fait de calculer le nombre minimum de freins à main nécessaires en excluant toute résistance au roulement constitue une démarche trop prudente, mais la contribution de cette résistance ne devrait pas dépasser 2,15 livres par tonne, ce qui correspond au scénario où le train s’est mis en mouvement à la suite d’une perturbation, mais ne pouvait pas être arrêté par la résistance au roulement à la basse vitesse.

    6.2.2

    Les efforts mesurés aux semelles de frein dans le cadre des essais ont permis de calculer le nombre minimum de freins à main nécessaires; ce nombre est lié au coefficient de frottement, au serrage-couple de serrage des freins à main et au serrage des freins à air. Les calculs ont porté sur quatre scénarios différents : freins à main seulement, avec et sans les freins à main serrés sur les locomotives; frein à main sur serrage des freins à air à 13 lb/po² (comme cela s’est produit lors de l’événement), avec et sans les freins à main serrés sur les locomotives.

    6.2.3

    Les données des essais ont révélé que les freins à main sur les wagons-citernes étaient plus forts que ceux serrés sur les locomotives; ces derniers, en effet, ne se sont serrés que sur 2 roues, tandis que les freins à main des wagons étaient serrés sur toutes les roues, au nombre de 8. Par conséquent, si les freins à main des locomotives étaient utilisés, le nombre total de freins à main nécessaires serait plus élevé que si tous les freins à main serrés se trouvaient sur les wagons.

    6.2.4

    Le nombre minimum calculé de freins à main nécessaires sur le train de l’événement est résumé et détaillé au tableau 12a, tableau 12b et tableau 12c.

    Cas : Freins à main seulement, y compris ceux du groupe de locomotives (pratique courante dans l'industrie)
    Tableau 12a: Nombre minimum calculé de freins à main nécessaires
    f Couple des FàM 80 100
    0,315 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 24,9 18,9
    0,315 Nombre total de FàM 30,9 24,9
    0,38 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 19,9 15
    0,38 Nombre total de FàM 25,9 21
    0,45 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 16,2 12
    0,45 Nombre total de FàM 22,2 18
    Cas : Freins à main sur le frein à air serré par une dépression de 13 lb/po², y compris les FàM du groupe de locomotives (pratique de la MMA lors de l'événement)
    Tableau 12b: Nombre minimum calculé de freins à main nécessaires
    f Couple des FàM 80 100
    0,315 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 17,5 13,2
    0,315 Nombre total de FàM 23,5 19,2
    0,38 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 13,9 10,4
    0,38 Nombre total de FàM 19,9 16,4
    0,45 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 11,2 8,2
    Cas : Freins à main seulement, sans les FàM du groupe de locomotives (pratique courante dans l'industrie)
    Tableau 12c: Nombre minimum calculé de freins à main nécessaires
    f Couple des FàM 80 100
    0,315 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 19,7 15,5
    0,315 Nombre total de FàM 20,7 16,5
    0,38 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 16,1 12,6
    0,38 Nombre total de FàM 17,1 13,6
    0,45 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 13,5 10,5
    0,45 Nombre total de FàM 14,5 11,5
    Cas : Freins à main sur le frein à air serré par une dépression de13 lb/po², sans les FàM du groupe de locomotives (pratique de la MMA lors de l'événement)
    Tableau 12d: Nombre minimum calculé de freins à main nécessaires
    f Couple des FàM 80 100
    0,315 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 19,7 15,5
    0,315 Nombre total de FàM 20,7 16,5
    0,38 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 16,1 12,6
    0,38 Nombre total de FàM 17,1 13,6
    0,45 FàM supplémentaires sur les wagons-citernes 13,5 10,5
    0,45 Nombre total de FàM 14,5 11,5

    Remarque  :

    1. Le coefficient de frottement à l'état stationnaire entre la semelle de frein et la roue est de 0,38 dans des conditions normales (source : Wabtec) et de 0,45 quand les surfaces en contact sont particulièrement propres et sèches.
    2. Quand les surfaces en contact sont propres et sèches, le coefficient de frottement moyen entre la semelle de frein et la roue est de 0,315 dans la plage de vitesses 0-100 mi/h (selon le manuel).
    3. Un coefficient de résistance au roulement de 2,15 livres par tonne est utilisé.

    7.0 Conclusions

    7.1

    L’essai d’étanchéité des freins de tout le groupe de locomotives a déterminé que, à partir d’un circuit de frein complètement alimenté, des fuites d’air avaient fait baisser la pression dans les cylindres de frein à 27 lb/po² en 1 heure et 6 minutes.

    7.2

    L’évaluation complète du système de freinage de chaque locomotive a relevé un certain nombre de défectuosités dans le circuit de frein du groupe de locomotives. Les composants de frein incriminés ont été examinés et testés plus à fond par le BST; ils constituent l’objet du rapport LP185/2013.

    7.3

    La valve de purge rapide sur la deuxième locomotive, la MMA 5026, a été jugée défectueuse; cette défectuosité a empêché le serrage du frein à main sur la MMA 5026 lors de l’événement.

    7.4

    Tous les coefficients de freinage pour les freins à main des locomotives, mesurés au couple d’essai le plus élevé de 200 livres-pieds, étaient inférieurs à 10 %, ceux des locomotives CITX 3053 et CEFX 3166 s’approchant le plus de ce pourcentage.

    7.5

    Le coefficient de freinage du frein à main du fourgon VB-1 était beaucoup plus élevé que celui des locomotives, mais, celui du frein à air, il était inférieur à celui des locomotives.

    7.6

    Les efforts mesurés aux semelles sur le bogie avant des locomotives CITX 3053 et CEFX 3166 ont bloqué au cours de la baisse de 72 à 55 lb/po² de pression CFD, mais l’effort aux semelles n’a pas été perturbé à la pression CF27. On a élaboré une boucle d’essai de remplacement pour éliminer l’effet de ce phénomène de blocage.

    7.7

    Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur total produit par le frein direct (FD) serré à fond sur le groupe de locomotives et le fourgon VB-1 était de 249 762 livres.

    7.8

    Si on suppose un couple de serrage de 100 livres-pieds et un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur total produit par les freins à main du groupe de locomotives et le fourgon VB-1 s’élevait à 32 348 livres.

    7.9

    Avec le frein direct serré à fond, l’effort retardateur était suffisant pour garder le train à l’arrêt.

    7.10

    L’effort de freinage pour le frein direct serré à 27 lb/po² a été réduit à environ 45 % de celui d’un frein direct serré à fond.

    7.11

    Le coefficient de freinage moyen pour les freins à main des locomotives serrés à un couple de 100 livres-pieds était d’environ 3,8 %.

    7.12

    Le coefficient de freinage pour le fourgon VB-1 à un couple de serrage de 100 livres-pieds était de 19,2 %.

    7.13

    L’équipement de frein sur les wagons-citernes survivants fonctionnait et satisfaisait aux exigences de l’AAR.

    7.14

    Deux des wagons-citernes survivants ont fait l’objet d’un essai de frein à air sur wagon individuel. Les deux wagons-citernes ont réussi le test.

    7.15

    Les coefficients de freinage mesurés sur les wagons-citernes testés sous l’effort vertical à la chaîne de 3350 livres (qui sert de référence pour les essais AAR relatifs aux freins à main de type N) étaient supérieurs au pourcentage de 10 % prescrit par l’AAR, sauf dans le cas du wagon PROX 4421, dont le coefficient de freinage était de 8,2 %. La valeur de 8,2 % était supérieure au coefficient de freinage à main requis de 6,5 % pour les wagons usés en service.

    7.16

    Les couples de serrage appliqués correspondant à l’effort vertical d’essai défini de 3350 livres qui s’exerce sur la chaîne variaient grandement, de 100 à 150 livres-pieds; cependant, le couple moyen était d’environ 125 livres, soit proche du couple de référence pour les essais AAR puisqu’un effort de 125 livres est appliqué sur l’extérieur du volant du frein à main dans la norme S-401 du MSRP.

    7.17

    Au couple de serrage de 80 livres-pieds, l’effort moyen mesuré aux semelles de frein pour les 9 wagons-citernes de l’essai était d’environ 18 210 livres. Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur moyen produit par les freins à main de ces wagons était d’environ 6920 livres par wagon.

    7.18

    Au couple de serrage de 100 livres-pieds, l’effort moyen mesuré aux semelles de frein pour les 9 wagons-citernes de l’essai était d’environ 22 750 livres. Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, l’effort retardateur moyen produit par les freins à main de ces wagons était d’environ 8 650 livres par wagon.

    7.19

    Les coefficients de serrage moyens mesurés sur les véhicules stationnés le 29 août 2013 dans le triage de Farnham de la MMA se situaient entre 86 et 98 livres-pieds, avec une grande variation. La différence entre les couples de serrage existants et les couples correspondants après l’évacuation de l’air de freinage variait entre 25 et 75 livres-pieds.

    7.20

    L’effet des deux bouts, différents l’un de l’autre, sur l’effort mesuré aux semelles de frein était plus petit que les variations causées par la divergence des couples de serrage appliqués aux freins à main.

    7.21

    La différence entre le mode du frein à main sur le frein à air et le mode du frein à main seulement était liée étroitement au niveau d’application du frein à air. Les coefficients d’augmentation étaient : mineurs dans le cas des serrages minimaux du frein à air; d’environ 1,4 pour les dépressions de 13 lb/po², comme lors de l’événement; de 1,6 à 1,9 pour les dépressions de 20 lb/po² et le serrage normal à fond; et de jusqu’à 3,8 pour les freinages d’urgence.

    7.22

    Quand le frein direct a été serré à fond et les freins à main serrés sur le groupe de locomotives et le wagon couvert, si on suppose un coefficient de frottement de 0,38, le frein à main contribuait à hauteur de 48 580 livres à l’effort retardateur, tandis que la contribution du frein direct serré à fond pouvait s’élever à 215 550 livres. Par conséquent, l’effort retardateur total était d’environ 264 130 livres, suffisant pour retenir le train dans la pente.

    7.23

    Quand la pression a baissé à 27 lb/po² dans le cylindre de frein, la contribution du frein direct à l’effort retardateur a été réduite à environ 97 470 livres, et l’effort retardateur total à quelque 146 060 livres, soit moins que l’effort retardateur net de 146 690 livres nécessaire pour retenir le train dans la pente, le tout sous une résistance au roulement à l’état stationnaire de probablement 4,1 livres par tonne. Le train a commencé à dériver.

    7.24

    Les données des essais ont révélé que les freins à main sur les wagons-citernes étaient plus forts que ceux serrés sur les locomotives; ces derniers, en effet, ne se sont serrés que sur 2 roues, tandis que les freins à main des wagons étaient serrés sur toutes les roues, au nombre de 8. Par conséquent, si les freins à main des locomotives avaient été utilisés, le nombre total de freins à main nécessaires aurait été plus élevé que dans la situation où tous les freins à main serrés se trouvaient sur les wagons.

    7.25

    Étant donné les efforts mesurés aux semelles de frein obtenus dans le cadre des essais, le nombre minimum calculé de freins à main nécessaires sur le train de l’occurrence était lié au coefficient de frottement et au serrage des freins à main (couple + freins à air).

    7.26

    Si on suppose un coefficient de frottement de 0,38 dans des conditions normales, on avait besoin le jour de l’événement de serrer au moins 11 autres freins à main sur les wagons-citernes à un couple de 100 livres-pieds, après la dépression de 13 lb/po² dans le frein à air.

    7.27

    Si on suppose un coefficient de frottement de 0,45 dans des conditions particulièrement propres et sèches, on avait besoin le jour de l’événement de serrer au moins 9 autres freins à main sur les wagons-citernes à un couple de 100 livres-pieds, après la dépression de 13 lb/po² dans le frein à air.

    7.28

    Si tous les freins à main étaient serrés sur les wagons à un couple de 100 livres-pieds, le nombre minimum de freins à main sur le train de l’événement, après la dépression de 13 lb/po² dans le frein à air, serait de 14 dans des conditions de frottement normales, et de 12 quand les surfaces en contact sont particulièrement propres et sèches.

    7.29

    Selon la pratique courante de l’industrie de s’en remettre aux seuls freins à main, on avait besoin, dans des conditions normales, de serrer au moins 15 autres freins à main sur les wagons-citernes à un couple de 100 livres-pieds.

    7.30

    Si tous les freins à main étaient serrés sur les wagons à un couple de 100 livres-pieds, le nombre minimum de freins à main sur le train de l’événement, sans contribution du frein à air, serait de 20 pour un coefficient de frottement normal, et de 17 quand les surfaces en contact sont particulièrement propres et sèches.

    8.0 Documents de référence

    [1]. William H. Hay, Railroad Engineering, John Wiley & Sons Inc; ISBN: 0471364002.

    [2]. Paul Rhine, Locomotive Engineering Guide to Fuel Conservation, Simmons-Boardman Books, Inc. 1996; ISBN: 0911382178.

    [3]. D. Chen, Brake Force Analysis, CN Freight Train, A-459-51-16, Date of Occurrence: 18-Jan-2012, TSB LP report LP021/2012, Ottawa.

    Ce rapport de laboratoire fait partie du rapport d'enquête R13D0054 du Bureau de la sécurité des transports du Canada.