ISO/TR 22131:2023

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 22131
Deuxième édition
2023-02
Applications ferroviaires — Freinage
ferroviaire — Applications nationales
spécifiques de l'ISO 20138-1
Railway applications — Railway braking — Country specific
applications for ISO 20138-1
Numéro de référence
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Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement selon une méthode appliquée en
France . 1
4.1 Généralités . 1
4.2 Symboles et abréviations . 1
4.3 Calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt . 2
4.3.1 Modèle français pour la position «G» . 2
4.3.2 Calcul selon le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 (modèle à paliers) . 4
4.4 Exemple de calcul . 4
4.4.1 Résultats d’essai . . 4
4.4.2 Comparaison des modèles de calcul avec les résultats d'essai . 5
5 Calcul de la performance de freinage utilisé au Japon . 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Taux de freinage d'un véhicule isolé . 5
5.3 Exemple de calcul du taux de freinage . 6
5.4 temps mort équivalent . 8
5.4.1 Généralités . 8
5.4.2 Cas n° 1: Détermination à partir de la réponse en pression des cylindres de
frein . 8
5.4.3 Cas n° 2: Détermination à partir de la réponse en pression des cylindres de
frein . 9
6 Méthodes de calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement pour certains
matériels roulants particuliers en Chine . 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Symboles et abréviations . 9
6.3 Efforts retardateurs dus à la résistance du train . 11
6.3.1 Résistance à l'avancement . 11
6.3.2 Résistance en courbe .12
6.4 Effort de freinage du train . 14
6.4.1 Effort total de freinage du train. 14
6.4.2 Coefficient de frottement réel . 14
6.4.3 Coefficient de frottement unifié . 15
6.4.4 Effort réel d'application à la semelle . 16
6.4.5 Valeurs nominales du rendement de la timonerie de frein . 17
6.4.6 Pression de freinage d'urgence au cylindre de frein . 17
6.4.7 Effort d'application unifié à la semelle. 18
6.4.8 Taux de freinage unifié . 19
6.4.9 Coefficient de freinage de l'unité de train . 21
6.4.10 Effort de freinage dynamique . 21
6.4.11 Coefficient d'adhérence .22
6.5 Calcul du freinage . 22
6.5.1 Temps de freinage .22
6.5.2 Temps de marche sur l'erre . 23
6.5.3 Distance d'arrêt/de ralentissement . 23
Bibliographie .25
iii
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 269, Applications ferroviaires, sous-
comité SC2, Matériel roulant.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TR 22131:2018), qui a fait l'objet
d'une révision technique.
La principale modification est la suivante: les symboles et les termes de l'Article 6 ont été révisés.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 22131:2023(F)
Applications ferroviaires — Freinage ferroviaire —
Applications nationales spécifiques de l'ISO 20138-1
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des informations supplémentaires afin de faciliter la compréhension
et l'utilisation de l'ISO 20138-1. Les calculs donnés dans le présent document, quoique légèrement
différents, suivent les mêmes principes.
Le présent document décrit des approches de calcul nationales spécifiques actuellement en vigueur et
représente l'état actuel des connaissances pour le calcul:
— des distances d'arrêt et de ralentissement;
— du temps mort équivalent;
— de la performance de freinage;
— du taux de freinage.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 20138-1:2018, Applications ferroviaires — Calcul des performances de freinage (freinage d'arrêt,
de ralentissement et d'immobilisation) — Partie 1: Algorithmes généraux utilisant le calcul par la valeur
moyenne
3 Termes et définitions
Aux fins du présent document, les termes et définitions fournis dans la norme ISO 20138-1 s'appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
4 Calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement selon une méthode
appliquée en France
4.1 Généralités
Ce calcul est fondé sur la méthode alternative de calcul du temps mort équivalent utilisée selon les
exigences des chemins de fer français, en particulier pour les trains fonctionnant en position «G».
4.2 Symboles et abréviations
Pour les besoins de l'Article 4, les termes, symboles et abréviations définis dans le Tableau 1 s'appliquent.
Tableau 1 — Symboles et abréviations
Symbole ou
Description Unité
abréviation
point où l'effort de freinage, la décélération ou la pression est considéré(e)
1 —
comme atteint(e), en général à 95 %
décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet de
a m/s
e
la déclivité)
g accélération normale due à la gravité m/s
distributeur de frein et dispositifs d'isolement du distributeur (définis dans
position «G» —
[9]
l'EN 15355 )
i déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente) —
s distance d'arrêt/de ralentissement sur une déclivité m
grad
s distances d'arrêt mesurées au cours des essais m
tests
t temps mort s
a
t temps de serrage s
ab
t temps mort équivalent s
e
2·t temps mort équivalent multiplié par 2 s
e
v vitesse initiale m/s
v vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt) m/s
fin
X temps s
Y coefficient d'effort de freinage, de décélération ou de pression nominal(e) —
4.3 Calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt
4.3.1 Modèle français pour la position «G»
Ce modèle permet de calculer avec un haut degré de précision les distances d'arrêt des trains
caractérisés par des temps de serrage longs (par exemple, position «G»). Il est actuellement utilisé par
les gestionnaires d'infrastructure afin d'évaluer la conformité d'un train avec le système de commande
du train et la longueur des cantons de signalisation.
Dans le cadre de ce modèle français de calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt, la Figure 1
peut être utilisée pour les trains fonctionnant en position «G» pour les systèmes de freinage exerçant
des efforts retardateurs sur le point de contact avec le rail.
Ce modèle utilise une croissance linéaire de l'effort de 0 à 1 pendant une durée de 2 · t .
e
Le temps mort équivalent, t , peut être calculé à l'aide de la Formule (1):
e
t
ab
tt=+ (1)
ea
où t et t sont conformes au Paragraphe 5.5.2 de l’ISO 20138-1:2018.
a ab
Légende
X temps, en s
Y coefficient d'effort de freinage, de décélération ou de pression nominal(e)
1 point où l'effort de freinage, la décélération ou la pression total(e) a été atteint(e), en général 95 % de la
valeur maximale
t temps mort équivalent, en s
e
Figure 1 — Modèle fondé sur une croissance linéaire de l'effort de 0 à 1 pendant une durée
de 2 · t
e
La distance d'arrêt (v = 0) ou de ralentissement peut être calculée à l'aide de la Formule (2):
fin
22 2
a vv− at⋅⋅()ag+⋅4 ⋅i
e 0 fin ee e
st=⋅v ⋅ + − (2)
grad 0 e
ag+⋅i 2⋅+ag⋅i 66⋅+ag⋅i
() ()
e e e
NOTE 1 La décélération équivalente, a , ne tient pas compte de l'effet de la déclivité.
e
La Formule (2) est valable pour le calcul des distances de ralentissement/d'arrêt avec des efforts de
freinage établis. La condition de la Formule (3) doit être satisfaite:
vv−≥()ai+⋅2 ⋅t (3)
0 fine e
où
s est la distance d'arrêt/de ralentissement dans une déclivité, en m;
grad
v est la vitesse initiale, en m/s;
t est le temps mort équivalent, en s;
e
a est la décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet de la
e
déclivité), en m/s ;
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
i est la déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente);
v est la vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt), en m/s.
fin
NOTE 2 La distance d'arrêt/de ralentissement, telle que calculée selon la Formule (2), est plus courte que celle
obtenue à l'aide de la méthode décrite dans le Paragraphe 5.7.4 de l'ISO 20138-1:2018.
4.3.2 Calcul selon le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 (modèle à paliers)
Le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 donne la Formule (4) pour les calculs sur une voie en palier
t
ab
(i = 0) ou avec une déclivité. Il utilise le modèle du temps mort théorique tt=+ comme modèle «à
ea
paliers».
 
m
st 2
v −⋅gi⋅⋅tv−
 
0 e ffin
 
m
m
1 dyn
 
st 2
sv=⋅t −⋅gi⋅⋅t + (4)
grad 0 e e
2 m 2a
dyn e
Lorsque la résistance du train à l'avancement et la masse dynamique se compensent mutuellement et
que v = 0, la formule est simplifiée en Formule (5):
fin
gi⋅⋅t ()vg−⋅it⋅ ²
e 0 e
sv=⋅t − + (5)
grad 0 e
22a
e
où
s est la distance d'arrêt/de ralentissement dans une déclivité, en m;
grad
v est la vitesse initiale, en m/s;
t est le temps mort équivalent, en s;
e
m est la masse statique, en kg;
st
m est la masse dynamique, en kg;
dyn
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
i est la déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente);
est la décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet de la
a
e 2
déclivité), en m/s ;
v est la vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt), en m/s.
fin
4.4 Exemple de calcul
4.4.1 Résultats d’essai
Cet exemple concerne un train long de 1 000 m en position «G».
À titre de référence et de comparaison, les essais réalisés sur les voies ont donné les résultats suivants
pour les distances d'arrêt s :
tests
Distance d'arrêt sur une voie en palier 824 m
Distance d'arrêt dans une pente de 5 ‰ 885 m
Distance d'arrêt dans une rampe de 5 ‰ 776 m
Le temps réponse équivalent, t (temps mort + 1/2 du temps de serrage des freins), dérivé des résultats
e
des essais, est de 15,5 s.
La décélération équivalente sans tenir compte de l'effet de la déclivité, a , dérivée des résultats des
e
essais, est de 0,89 m/s .
4.4.2 Comparaison des modèles de calcul avec les résultats d'essai
Les distances d'arrêt, s , calculées à l'aide de la Formule (5) («modèle à paliers» simplifié de
tests
l'ISO 20138-1) sont données dans le Tableau 2:
Tableau 2 — Distances d'arrêt calculées avec le modèle à paliers
v g i t a s s Différence
0 e e grad tests
s vs s
grad tests
2 2
km/h m/s mm/m s m/s m m %
Voie en palier 100 9,81 0 15,5 0,89 864,0 824 5 %
Rampe 100 9,81 5 15,5 0,89 834,7 776 8 %
Pente 100 9,81 −5 15,5 0,89 894,0 885 1 %
Les distances d'arrêt, s , calculées à l'aide de la Formule (2) (méthode alternative française) sont
tests
données dans le Tableau 3.
Tableau 3 — Distances d'arrêt calculées avec la méthode alternative française
v g i t a Condition: s s Différence
0 e e grad tests
v ≥ (a + 2 g · i) t s vs
0 e e grad
s
tests
v (a + 2 g · i) t
0 e e
2 2
km/h m/s mm/m s m/s m/s m/s m m %
Voie en palier 100 9,81 0 15,5 0,89 27,8 > 13,8 828,4 824 < 1
Rampe 100 9,81 5 15,5 0,89 27,8 > 15,3 777,7 776 0
Pente 100 9,81 −5 15,5 0,89 27,8 > 12,3 885,0 885 0
Les valeurs du Tableau 3 démontrent que:
— Les distances d'arrêt calculées selon la méthode alternative française sont plus courtes que celles
obtenues avec le «modèle à paliers» simplifié de l'ISO 20138-1.
— Les distances d'arrêt calculées selon la méthode alternative française sont plus précises et plus
proches des résultats d'essai obtenus sur la voie.
5 Calcul de la performance de freinage utilisé au Japon
5.1 Généralités
[3]
Le Japon est essentiellement réglementé par la loi sur l'exploitation ferroviaire . Les normes
réglementaires techniques du système ferroviaire japonais, publiées par le ministère du Territoire,
de l'Infrastructure, du Transport et du Tourisme (MILT), sont également utilisées. La réglementation
technique se compose d'ordonnances ministérielles et de spécifications de modèles approuvés.
Des documents explicatifs qui complètent et aident les utilisateurs à interpréter les ordonnances
ministérielles et les spécifications de modèles approuvés ont également été publiés. Ces documents
sont généralement utilisés comme des normes, parallèlement aux normes JIS (Japanese Industrial
[4][7][8] [5][6]
Standards) et aux normes JRIS (Japan Association of Rolling Stock Industries Standards) , etc.
en vigueur au Japon.
5.2 Taux de freinage d'un véhicule isolé
Le taux de freinage sert à comparer la capacité de freinage des véhicules isolés et est utilisé pour
l'évaluation de la conception.
L'effort de freinage d'un véhicule isolé peut être calculé à l'aide de la Formule (6):
Fn=⋅Ap⋅⋅i ⋅η (6)
totcyl totc tottot
où
F est l'effort de freinage, en kN;
tot
n est le nombre de cylindres de frein;
cyl
A est la surface du cylindre de frein, en m ;
tot
p est la pression du cylindre de frein, en kPa;
c
i est le rapport d'amplification de la timonerie de frein;
tot
ƞ est le rendement mécanique.
tot
Le taux de freinage d'un véhicule isolé peut être calculé à l'aide de la Formule (7):
F
tot
θ = ⋅⋅C 100 (7)
Mg⋅
tot
avec
μ
A
C= (8)
μ
C
où
Ɵ est le taux de freinage d'un véhicule isolé, en %;
F est l'effort de freinage, en kN;
tot
M est la masse en exploitation du véhicule plus sa charge, en t;
tot
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
C est le rapport des coefficients de frottement;
µ est le coefficient de frottement de la semelle de frein;
A
µ est le coefficient de frottement de la semelle en fonte (coefficient hypothétique de 0,15).
C
NOTE Le coefficient de frottement de la semelle de frein utilisée, µ , et les critères d'acceptabilité du taux de
A
freinage n'entrent pas dans le domaine d'application du présent document.
5.3 Exemple de calcul du taux de freinage
Le Tableau 4 fournit les données d'entrée pour un véhicule avec une unité de frein à semelle par roue,
comme représenté à la Figure 2.
Figure 2 — Véhicule avec une unité de frein à semelle par roue
Tableau 4 — Données d'entrée
Description Symbole Exemple de valeur Unité
Diamètre du cylindre de frein d 0,152 m
cyl
accélération normale due à la gravité g 9 807 m/s
Rapport total d'amplification de la timonerie
i 3,6 —
tot
de frein
Masse en exploitation m 31,4 t
op
Masse par personne m 55 kg/personne
p
Nombre de cylindres de frein n 8 —
cyl
Capacité de passagers n 153 —
p
Pression du cylindre de frein p 303 kPa
c
Rendement mécanique (y compris effort
ƞ 1,0 —
tot
antagoniste)
Coefficient de frottement de la semelle de frein
µ 0,3 —
A
appliquée (semelle de frein composite)
L'effort de freinage d'un véhicule isolé peut être calculé à l'aide de la Formule (6):
Fm= 0,²152 ⋅π /,48⋅⋅303⋅⋅36 10,
[]()
tot
F =158,4 kN
tot
La masse d'un véhicule chargé peut être calculé à l'aide de la Formule (9):
Mm=+nm⋅ (9)
totopp p
 
M =+31,4 153⋅
tot  
 
M =39,82 t
tot
Le rapport des coefficients de frottement, C, en utilisant des semelles de frein composites, peut être
calculé à l'aide de la Formule (8):
03,
C==20,
01, 5
Pour finir, le taux de freinage pour un véhicule chargé peut être calculé à l'aide de la Formule (7):
158,4
θ = ⋅⋅20, 100
39,,82t⋅9 807
θ =81 %
5.4 temps mort équivalent
5.4.1 Généralités
Au Japon, un temps mort équivalent est déterminé comme suit.
5.4.2 Cas n° 1: Détermination à partir de la réponse en pression des cylindres de frein
Le temps mort équivalent est déterminé en fonction de la vitesse du train. Dans ce cas, la commande de
frein et la vitesse sont mesurées. Dans le chronogramme représenté à la Figure 3, la ligne horizontale est
le prolongement de la vitesse au point de lancement du freinage. Une autre ligne s’obtient également par
prolongement de la vitesse dans la zone pour laquelle la décélération devient pratiquement constante.
Le temps mort équivalent retenu est le temps entre le lancement du freinage et le point d'intersection
des deux lignes prolongées.
Légende
X temps, en s Y2 commande de frein
Y1 vitesse 1 temps mort équivalent
a
Prolonger la ligne horizontale à partir du point de lancement du freinage.
b
La décélération est pratiquement constante.
Figure 3 — Temps mort équivalent «en fonction de la vitesse du train» (cas n° 1)
5.4.3 Cas n° 2: Détermination à partir de la réponse en pression des cylindres de frein
Le temps
...