Le robinet de mécanicien

 

Le robinet de mécanicien correspond à l'organe principal de commande du frein pneumatique : c'est par son intermédiaire que l'agent de conduite commande les variations de pression dans la CG.

Sa dénomination remonte aux débuts du frein pneumatique sur les locomotives à vapeur : le frein était alors manoeuvré par le seul mécanicien (le chauffeur n'en ayant pas le droit, sauf incident grave), à l'aide d'un gros robinet à plusieurs positions.

Le robinet de mécancien a beaucoup évolué dans le temps, mais son principe est toujours resté le même. Nous allons exposer ces principes de fonctionnement, puis nous verrons rapidement les principaux types de robinets de mécanicien, pour terminer par une description un peu plus détaillée du type PBA/PBL, le plus répandu aujourd'hui à la SNCF.

La fiche UIC 540-03 définit les principales caractéristiques à respecter.

 

Principes de fonctionnement

Le robinet de mécanicien permet de moduler la pression dans la CG, et donc de commander le freinage du train depuis la cabine en service.

Il possède trois positions principales : marche, serrage gradué et desserrage gradué.

En position marche, il alimente la CG à la pression de régime (5 bar nominalement pour l'UIC) : les freins sont desserrés.

En position serrage gradué, le robinet de mécanicien fait chuter la pression dans la CG pour commander l'application des freins.

En position desserrage gradué, le robinet de mécanicien fait remonter la pression dans la CG pour commander le desserrage partiel ou total des freins. L'air est alors puisé dans le réservoir principal de l'engin moteur - éventuellement via la Conduite Principale (CP).

Afin de permettre une bonne pilotabilité du frein, les robinets de mécanicien modernes utilisent tous le principe du circuit pilote commandant un circuit de débit. Le circuit pilote est constitué d'un réservoir de quelques litres - le réservoir égalisateur (RE) - dans lequel on module la pression à l'aide du manipulateur de frein. Le faible volume du RE permet d'ajuster aisément et précisément la valeur de sa pression. La pression dans le RE agit ensuite sur l'entrée de pilotage d'un relais de débit (voir page correspondante) de rapport 1, lequel se charge de reproduire dans la CG la variation de pression réalisée dans le RE à l'aide du manipulateur. Ainsi, en phase stabilisée, les pressions dans le RE et la CG sont toujours égales. Lors des serrages, la pression dans le RE a tendance à chuter plus rapidement, la CG "rattrapant" ensuite le RE. Lors des desserrages, la pression dans le RE a tendance à remonter plus vite que la pression dans la CG.

Certains robinets de mécanicien possèdent par ailleurs une position de serrage rapide, assimilable au freinage d'urgence : dans cette position, la chute de pression dans la CG est plus rapide, et la CG est totalement vidangée.

 

Principales caractéristiques

Les principales caractéristiques du robinet de mécanicien sont les suivantes :

 

Tranquilité du frein

Le robinet de mécanicien assure la tranquilité du frein en réalisant les variations de pression dans la CG suivant des rampes compatibles avec les jerks admis (voir la page sur la dynamique du freinage). Ainsi, l'UIC définit que le robinet de mécanicien doit permettre de réaliser une dépression de 1,5 bar dans la CG en un temps de 6 à 10 secondes (3 à 5 secondes à la SNCF) pour un volume de CG de 25 litres. De même, le robinet de mécanicien doit permettre de réaliser une remontée de pression dans la CG (d'un volume de 25 litres) de 3,5 bar à 0,4 bar sous la pression de régime en une temps de 3 à 5 secondes (valeur SNCF).

 

Première dépression avec première pente rapide

Lorsque la pression dans la CG est égale à la pression de régime (freins desserrés), le premier palier de serrage est réalisé par le robinet de mécanicien sous la forme d'une première variation rapide de la pression dans la CG (première pente) associée à une dépression minimale de 0,5 bar (première dépression) à partir de la pression de régime.

Cette caractéristique permet de garantir une variation de pression suffisament brusque dans la CG pour excéder le seuil de sensibilité des distributeurs de frein, et donc garantir le verrouillage des réservoirs de commande de ceux-ci et par conséquent la mise en freinage de tous les véhicules du train. Par ailleurs, une dépression de 0,5 bar permet une mise en action franche du frein, entraînant chez l'agent de conduite une réelle sensation de mise en freinage (ce qui est toujours rassurant...).

 

Réarmement

Lors du desserrage des freins par remontée de la pression dans la CG, les réservoirs de commande des distributeurs de frein se déverrouillent (et se remettent en communication avec la CG) à une pression d'environ 0,15 bar sous la pression de régime. Afin d'éviter que la pression dans la CG puisse se trouver de manière prolongée entre 0,15 bar sous la pression de régime et la dite pression de régime (et donc éviter qu'au freinage suivant l'on reparte d'une valeur plus basse que la pression de régime, diminuant d'autant l'efficacité du freinage), le robinet de mécanicien garantit qu'une fois atteinte cette valeur de 0,15 bar sous la pression de régime, la "queue" de desserrage (remontée jusqu'à la pression de régime) est assurée automatiquement sans que l'agent de conduite ait à maintenir le manipulateur sur la position desserrage.

 

Modérabilité du frein

Le robinet de mécanicien assure la modérabilité au serrage comme au desserrage : il est possible de moduler la pression dans la CG de manière suffisament précise pour permettre de réaliser un certain nombre de paliers de pression (correspondant à autant de valeurs de consigne de freinage) :

- de la première dépression jusqu'au freinage maximal de service (dépression de 1,5 bar) dans le sens serrage

- du freinage maximal de service jusqu'au réarmement dans le sens desserrage.

 

Automaticité

Le robinet de mécanicien a pour principale caractéristique de pouvoir alimenter la CG à partir de la CP. Or le frein pneumatique, comme tout système de frein ferroviaire, doit garantir l'automaticité (voir la page sur les principes de base du frein ferroviaire).

C'est pourquoi le débit avec lequel le robinet de mécanicien peut alimenter la CG à partir de la CP est limité :

* ce débit permet de garantir un desserrage efficace et sans perte de temps afin de pouvoir opérer les reprises de traction dans de bonnes conditions.

* ce débit permet de compenser les fuites naturelles sur la CG lors de la circulation du train, de manière à éviter les mises en freinage intempestives.

* ce débit reste insuffisant pour empêcher une dépression d'au moins 1,5 bar (freinage maximal de service) dans la CG en cas de rupture de celle-ci en un point quelconque du train.

 

Neutre

Le robinet de mécanicien est en général équipé d'une position neutre qui permet la détection des fuites sur la CG lors de la constitution d'un train. Cette position neutre consiste à interrompre la faculté du robinet de mécanicien à alimenter la CG : l'observation du manomètre CG permet alors de contrôler le niveau de fuite de cette conduite, et de déterminer si ce niveau reste dans les tolérances admises.

 

Surcharge

La pression de régime de 5 bar étant tolérancée, chaque robinet de mécanicien ne règle donc pas cette pression de régime à la même valeur exactement que le robinet de mécanicien d'un autre engin.

Or lorsqu'un véhicule (ou un ensemble de véhicules) est séparé d'un convoi, la CG est vidangée afin de commander le serrage des freins : le réservoir de commande du distributeur est donc verrouillé, et emprisonne une pression égale à la pression de régime règlée par le robinet de mécanicien de l'engin qui assurait la commande du freinage avant la séparation.

Lorsque le véhicule (ou ensemble de véhicules) est raccordé à un autre engin équipé d'un robinet de mécanicien règlant la pression de régime dans la CG à une valeur un peu différente, il est possible qu'au premier desserrage certains réservoirs de commande ne se déverrouillent pas, la pression qu'ils ont emprisonnée étant plus élevée que la pression de régime du train dans lequel ils viennent d'être incorporés.

C'est pourquoi le robinet de mécanicien intègre une fonction surcharge qui permet d'élever momentanément la pression dans la CG à 0,4 bar au-dessus de la pression de régime : ceci permet de déverrouiller de manière certaine tous les réservoirs de commande, et de les ré-initialiser à la même valeur de pression. Une fois la pression de surcharge atteinte, le robinet de mécanicien procède en effet à l'élimination lente de la surcharge (avec une pente en-deçà du seuil d'insensibilité des distributeurs : voir la page correspondante) afin de revenir à la pression de régime.

 

A-coup / Desserrage grand débit

Afin d'accélérer le desserrage sur les trains longs et très longs, le robinet de mécanicien des locomotives est généralement équipé soit d'un dispositif d'à-coup, soit d'un dispositif de desserrage grand débit.

Le dispositif d'à-coup consiste à envoyer, durant un temps limité, la pression de la CP (soit 8 à 9 bar) directement dans la CG de manière à créer une remontée plus rapide de la pression dans celle-ci. Ce dispositif, créé essentiellement à l'époque des triple-valves pour garantir leur basculement franc en desserrage et le remplissage des réservoirs auxiliaires, est cependant de moins en moins utilisé en raison des dégâts qu'il peut créer sur certains appareils, et de sa fâcheuse propention à surcharger parfois les réservoirs de commande de certains distributeurs (bien que la plupart soient munis de dispositifs de protection du réservoir de commande contre les à-coup).

Le desserrage grand débit consiste à permettre l'alimentation de la CG à partir de la CP avec un débit nettement plus élevé que le débit normal, de manière à accélérer la remontée de pression dans la CG. La pression reste néanmoins limitée à la valeur de régime, ce qui évite les surcharges des réservoirs de commande des distributeurs. Par ailleurs, le débit d'alimentation important ne garantissant plus l'automaticité du frein (voir ci-dessus), le desserrage grand débit doit être automatiquement limité dans le temps.

 

Les principaux types de robinets de mécanicien

On distingue deux types principaux de robinets de mécanicien :

* Les robinets dit analogiques (ou manométriques) : la variation de la pression dans la CG est fonction de la position du manipulateur de frein dans la plage serrage ou desserrage ; la variation de pression dans la CG est automatiquement stoppée lorsque la pression dans la CG atteint la valeur correspondant à la position du manipulateur de frein.

* Les robinets dits impulsionnels : la variation de la pression dans la CG est fonction du temps de maintien du manipulateur de frein en position serrage ou desserrage ; la variation de pression dans la CG est automatiquement stoppée lorsque le manipulateur de frein est ramené (manuellement, ou par retour automatique) en position marche.

Les robinets analogiques sont les plus couramment utilisés dans le monde, car leur ergonomie de conduite apparaît comme la plus naturelle. En France, seuls quelques engins sont équipés de ce type de robinet (TGV-PSE, Z2N, TER2N). Ils peuvent être à commande purement pneumatique, à commande électronique analogique (cas des TGV-PSE et Z2N) ou à commande électronique digitale (par le biais d'une électronique à micro-processeur).

Les robinets impulsionnels équipent essentiellement les engins de la SNCF, ainsi que quelques séries à la SNCB et des matériels étrangers conçus par l'industrie française sur la base de matériels SNCF (TGV Corée et AVE par exemple).

La SNCF a dénommé le robinet impulsionnel moderne à commande électrique par le terme de "presse-bouton" : en effet, même si dans les faits la commande est assurée à l'aide d'un manipulateur à basculement, le principe de commande revient à presser deux boutons (un pour le serrage, un pour le desserrage) durant le temps qu'il faut pour obtenir la pression voulue dans la CG. D'où les dénominations de PBL (Presse-Bouton Locomotive) et PBA (Presse-Bouton Automotrice). Auparavant, le robinet de mécanicien impulsionnel le plus utilisé à la SNCF était le célèbre H7A, dont certains équipent encore quelques séries anciennes de locomotives n'ayant pas fait l'objet d'un rétrofit en robinets PBL.

 

Robinet de mécanicien type H7A

 

Fonctionnement du robinet de mécanicien type PBL/PBA

 

Nota préliminaire - Le fonctionnement décrit ci-après ne couvre pas l'ensemble des types de robinets PBA et PBL, ceux-ci ayant subi diverses évolutions conceptuelles depuis l'apparition des premières versions au début des années 70. Les descriptions ci-dessous ne concernent donc que les versions les plus récentes, répondant aux dernières exigences de la SNCF. Néanmoins, les principes de base n'ont pas changé, seules les fonctions annexes (neutre, surcharge, etc... ayant un peu évolué).

 

Le robinet de mécanicien type PBA/PBL est un robinet de mécanicien de type impulsionnel à commande électrique.

 

Robinet de mécanicien type PBA82 installé sur une motrice TGV Atlantique - Document ALSTOM

 

Son circuit pilote est constitué d'un RE dans lequel la pression est pilotée par deux électrovalves (une de serrage, une de desserrage). La pression de régime est règlée par un détendeur.

La pression dans le RE pilote un relais de débit de rapport 1 qui vidange la CG, ou alimente cette dernière à partir du réservoir principal ou de la CP.

Les fonctions de première dépression et réarmement sont assurées par un manostat, dont l'hystérésis est réglé pour garantir à la fois la valeur de première dépression (0,5 bar) et la valeur de réarmement (0,15 bar sous la pression de régime). La première pente rapide de la première dépression est réalisée à l'aide d'un petit réservoir (moins de 1 litre, et appelé poche de première dépression) qui assure une ponction rapide au niveau du RE lors du premier palier de serrage, et reste ensuite rempli jusqu'au desserrage complet suivant.

La fonction neutre est assurée par un valve pilotée par un électrovalve, laquelle est commandée par un commutateur au pupitre de conduite ou par une position spécifique du manipulateur de frein (TGV-A / R / PBA). Cette valve est implantée, selon les cas, entre le relais et la CG (pour interdire la réalimentation de la CG par le relais de débit) ou sur l'alimentation du relais de débit par le réservoir principal (ou la CP).

La surcharge est réalisée en augmentant la pression de réglage du détendeur à l'aide d'un réservoir de surcharge alimenté par une électrovalve commandée par un bouton-poussoir au pupitre de conduite, et vidangé par une valve de purge lente.

Un manostat permet, lors de la prise de service, d'assurer une alimentation automatique de la CG jusqu'à 3 bar, ce qui permet un pré-remplissage du train sans avoir à maintenir le manipulateur en position desserrage, laissant le temps à l'agent de conduite de réaliser d'autres opérations.

 

Mise en service

Lors de la mise en service de la cabine, la pression dans la CP vient ouvrir la valve de neutre via l'électrovalve de neutre, qui est désexcitée. La pression dans la CP vient aussi alimenter le détendeur, dont le clapet régule une pression de 5 bar en sortie.

Le manostat de mise en service provoque la fermeture du contact bas (la pression délivrée par le détendeur étant supérieur à celle du RE, qui est vide à la mise en service). Ce contact vient alimenter les deux électrovalves de serrage et desserrage pour assurer le remplissage du RE.

  

Le relais principal reçoit la pression du RE sur son entrée de pilotage, ce qui provoque l'ouverture du clapet et le remplissage de la CG.

Une fois atteint le seuil de basculement du manostat de mise en service (3 bar), l'électrovalve de desserrage est désexcitée, ce qui stoppe le remplissage du RE. L'équilibre se fait au niveau du relais principal, qui stoppe le remplissage de la CG à 3 bar.

 

 

Desserrage gradué

Pour desserrer partiellement les freins, il faut faire remonter la pression dans la CG. Pour ce faire, l'agent de conduite bascule le manipulateur de frein sur la position desserrage, ce qui a pour effet d'alimenter l'électrovalve de desserrage et de faire monter la pression dans le RE.

 

 L'augmentation de la pression dans le RE provoque à nouveau le déséquilibre du relais principal, dont le clapet s'ouvre pour alimenter la CG.

Lorsque l'agent de conduite relâche le manipulateur de frein, celui-ci revient en position marche et coupe l'alimentation du RE : la pression dans celui-ci se stabilise à la valeur courante, et il en est de même de la pression CG par refermeture du clapet du relais une fois les pressions RE et CG égalisées.

 

 

Desserrage complet et réarmement

Lorsque l'agent de conduite maintient le manipulateur sur desserrage, la pression dans la CG remonte jusqu'à atteindre la pression de régime de 5 bar.

Au voisinage de cette pression de régime, le manostat de première dépression / réarmement bascule et alimente l'électrovalve de desserrage pour terminer automatiquement le desserrage, tandis que l'électrovalve de serrage est désexcitée pour vider la poche de première dépression.

 

 Une fois la pression de 5 bar atteinte dans la CG, le clapet du relais principal se ferme et la pression dans la CG est maintenue à la valeur de régime de 5 bar.

 

 Le système s'auto-régule : en cas de fuite sur la CG, la pression dans le RE provoque la ré-ouverture du clapet du relais principal pour alimenter la CG jusqu'à ce que la pression dans celle-ci se ré-égalise avec la pression du RE.

 

Première dépression

Pour commander un serrage des freins à partir de la position freins desserrés, l'agent de conduite amène le manipulateur de frein sur la position serrage.

A partir de la position freins desserrés, cette manoeuvre provoque la désexcitation de l'électrovalve de desserrage, ce qui a pour effet de mettre le RE en communication avec le réservoir de première dépression, et dans le même temps avec l'atmosphère via l'électrovalve de serrage (qui est désexcitée). Le remplissage du réservoir de première dépression provoque une ponction brutale dans le RE, ce qui génère une première chute rapide de la pression dans le RE (première pente rapide). La CG chute en parallèle, le déséquilibre des pressions au niveau du relais principal provoquant la vidange de la CG via la tige creuse qui se décole du clapet.

  

 Une fois le seuil de basculement du manostat de première dépression / réarmement atteint (dépression de 0,5 bar), l'électrovalve de desserrage est désexcitée tandis que l'électrovalve de serrage est excitée : la pression dans le RE se stabilise à 0,5 bar sous la pression de régime initiale, ce qui entraîne l'arrêt de la chute de pression dans la CG dès l'équilibre atteint au niveau du relais principal (la tige creuse revient en appui sur le clapet).

  

 

Serrage gradué

Pour accentuer le serrage, l'agent de conduite maintient le manipulateur sur la position desserrage, ce qui a pour effet de désexciter l'électrovalve de serrage, et donc de faire chuter la pression dans le RE. La pression dans la CG chute en parallèle, la tige creuse du relais principal se décolant du clapet et permettant l'échappement.

  

 Lorsque l'agent de conduite relâche le manipulateur, celui-ci revient automatiquement en position marche : l'électrovalve de serrage est ré-excitée, ce qui provoque l'arrêt de la chute de pression dans le RE. La pression dans la CG s'égalise ensuite avec celle dans le RE, la tige creuse du relais principal venant en contact avec le clapet une fois l'équilibre des pressions obtenu.

 

 

Mise au neutre

Le positionnement du commutateur idoine sur la position "Neutre" provoque l'excitation de l'électrovalve de neutre. Celle-ci vide alors le circuit pilote de la valve, laquelle se ferme sous l'effet de la pression dans la CP.

 

 Il devient alors impossible de faire remonter la pression dans la CG, puisque l'alimentation en air du relais principal ne peut plus être assurée : toute action de desserrage est donc sans effet. En revanche, il reste toujours possible de provoquer un serrage par baisse de pression, le fonctionnement étant le même que précédemment exposé.

Une fois le commutateur de neutre ramené sur la position "Service", l'électrovalve de neutre est désexcitée : le circuit pilote de la valve de neutre est ré-alimenté, ce qui provoque son ouverture et la possibilité d'alimenter la CG en air.

 

Mise hors service

Lorsque l'agent de conduite met la cabine hors service, l'alimentation électrique du robinet de mécanicien est coupée. L'électrovalve de serrage est donc désexcitée, ce qui provoque une vidange complète du RE, et par voie de conséquence de la CG (par le biais du relais principal).

 

Commande de secours

Le point faible du robinet de mécanicien type PBA/PBL reste la commande électrique de la pression dans le RE (bien que sa fiabilité soit élevée). C'est pourquoi la très grande majorité des engins équipés de ce type de robinet comportent également une commande de secours permettant de piloter de manière purement pneumatique la pression dans le RE.

Ce pilotage est réalisé au moyen d'un manipulateur de frein de secours spécifique (cas des automotrices) ou du manipulateur de frein direct (cas des locomotives), dans les deux cas après manoeuvre d'un robinet trois voies installé sous pupitre.

Le manipulateur de frein de secours est en fait un tiroir pneumatique (dit de type "Pilotair") à trois positions stables (serrage, marche, desserrage) qui permet de vidanger directement le RE (serrage), de maintenir sa pression stable (marche) ou de l'alimenter à partir de la pression délivrée par le détendeur (desserrage). Le fonctionnement est ensuite le même qu'en commande par le manipulateur de frein, le relais principal se chargeant de reproduire dans la CG les variations de pression du RE.

A noter une particularité des BB 26000 et BB 36000 : le frein direct (voir page sur l'équipement de freinage d'une locomotive) étant à commande électrique également, ces locomotives disposent, comme secours, d'un second robinet de mécanicien (simplifié) qui permet de garantir une disponibilité encore plus élevée.

 

Cas des robinets de mécanicien analogiques

Le fonctionnement d'un robinet de mécanicien analogique à commande électronique (analogique ou digitale) est basé sur les mêmes principes que précédemment.

La différence principale vient du fait que la pression dans le RE n'est plus ici commandée par deux électrovalves simples, mais :

* soit par une électrovalve modérable : c'est un appareil dont la pression de sortie est proportionnelle au courant qui traverse son bobinage ; il suffit alors que l'électronique de commande ajuste le courant en fonction de la position du manipulateur de frein pour obtenir la pression souhaitée dans le RE, et donc dans la CG. Ce type de robinet de mécanicien équipe notamment le TGV-PSE et les Z2N et TER2N.

* soit par un régulateur analogique : il s'agit d'un ensemble de deux électrovalves tout ou rien associées à un capteur de pression ; à partir de la position du manipulateur, l'électronique pilote tour à tour les deux électrovalves de manière à obtenir la pression requise dans le RE (et donc dans la CG), un rebouclage étant assuré par l'intermédiaire du capteur de pression.