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CORRUGATION

Usure ondulatoire des transports urbains

Contrat: G3RD-CT-2002-00807
Site web: www.corrugation.eu
Acronyme: CORRUGATION
Titre complet: Wheel rail corrugation in urban transport
Coordinateur du projet: D2S International, Heverlee (BE)
Date de démarrage: June 1, 2002
Durée (en mois): 52
Budget: € 7,787,628.00
Contribution UE: € 4,198,237.00

Contexte

L’usure ondulatoire est un phénomène gênant et coûteux qui réduit la durée de vie des roues et des rails, est à l’origine d’un bruit de roulement irritant et pose des problèmes de sécurité. Jusqu’à présent, il n’existait pas de vrai remède et la seule solution éprouvée était le meulage des rails, qui est un processus répétitif et coûteux.

Objectifs

L’objectif de ce projet était de réduire de 50 % la croissance de l’usure ondulatoire sur une période donnée, en développant des solutions au niveau de la voie et du matériel roulant.

Description du projet

Instruments de mesure de l’usure ondulatoire

Des instruments et des méthodes de mesure ont été sélectionnés ou, s’ils n’existaient pas, développés spécifiquement pour la mesure de l’usure ondulatoire et de tous les paramètres qui l’influencent. Un nouvel appareil de mesure manuel de l’usure ondulatoire a été développé, ainsi qu’un système basé sur le principe du laser.

Des mesures ont été effectuées sur les sites d’essai afin de vérifier et de comparer les performances des appareils et méthodes de mesure sélectionnés. Les résultats de ces mesures ont été utilisés dans le projet comme données de référence et comparés avec les résultats obtenus après modification des paramètres de voie et du matériel roulant qui influencent l’usure ondulatoire.

Modélisation numérique des forces roue/rail macroscopiques

Deux modèles dynamiques de corps multiples (‘multi-body’) simulant numériquement le passage d’un véhicule ferroviaire sur une voie ont été développés et testés séparément. Un cas de référence commun a été défini et les deux modèles ont été validés par comparaison de leurs résultats avec les résultats de mesures sur une section de voie correspondant à ce cas de référence.

Un modèle de type ‘lumped parameters’ a été développé et progressivement ajusté et mis à jour afin de représenter les jeux de données mesurés.

Enfin, une voie ballastée avec traverses en bois a été modélisée par la méthode des éléments finis. Les paramètres du modèle ont été recalés sur base des résultats de mesures sur site et en laboratoire. Une étude de sensibilité a été faite afin d’évaluer l’influence de la raideur des semelles sous rail et sous traverse et de l’amortissement modal sur les fonctions de transfert.

Tous les modèles numériques convergèrent vers les mêmes résultats:

Ce n’est pas la résonance P2 (première flexion verticale du système roue-rail) qui est liée à la longueur d’onde de l’usure ondulatoire, mais bien les anti-résonances verticales et les résonances latérales (du second ordre) du rail et du bogie. Ceci est une découverte majeure du projet.
Les voies enrobées peuvent prévenir la formation de l’usure ondulatoire, à condition d’y insérer suffisamment d’amortissement du rail.

Banc d’essai des essieux pour la simulation de l’usure ondulatoire

Un banc d’essai existant pour l’étude de l’interface roue/rail et les essais de fatigue sur des essieux a été modifié afin de simuler les effets de collement-glissement (‘stick-slip’) à l’interface roue/rail. Après 200 km, l’usure ondulatoire est apparue sur les rails, montrant les étapes successives responsables de l’usure ondulatoire en conditions réelles. C’est la première fois que l’initiation et la croissance de l’usure ondulatoire ont été reproduites sur un banc d’essai. Le banc a également été utilisé pour l’observation de l’usure ondulatoire sur des essieux équipés de roues résilientes.

Conception et validation de solutions contre l’usure ondulatoire

Plusieurs solutions contre l’usure ondulatoire ont été développées pour les véhicules et la voie.

Trois types de solutions concernent les essieux:

La définition des tolérances géométriques optimales pour la roue et la voie afin de prévenir l’usure ondulatoire. Ce paramètre s’est révélé avoir une influence importante sur le développement de l’usure ondulatoire ; après raffinement des tolérances admissibles sur les diamètres des deux roues d’un même essieu, la STIB a observé une réduction significative de la croissance de l’usure ondulatoire dans les courbes de son réseau métro.
Un absorbeur de vibrations ajusté à la seconde résonance en torsion de l’essieu motorisé : cette solution a été développée et validée sur un banc d’essais, démontrant une excellente performance contre l’usure ondulatoire longitudinale sur voie en alignement (effets de freinage, accélérations).
Des roues résilientes spécifiques, développées sur base d’une combinaison de simulations numériques et d’essais expérimentaux. Aucune usure ondulatoire n’est apparue sur le rail du banc d’essai. Les effets sur l’usure des roues doivent encore être étudiés.

Six autres solutions concernent la voie:

Le rail à profil de selle (‘saddle profile rail’) a été développé avec une raideur dynamique de 10 MN/m et semble réduire l’usure ondulatoire d’un facteur 3.
Les semelles sous rails et sous traverses contre l’usure ondulatoire sur voie ballastée n’ont pas produit de résultats convaincants. Leur raideur dynamique (supérieure à 25 kN/mm) est considérée comme trop élevée pour être vraiment efficace dans la lutte contre l’usure ondulatoire.
Les modèles numériques et les essais en laboratoire ont prédit que les voies de tramway enrobées à support continu résilient seront très efficaces. Une voie présentant ces caractéristiques a été installée sur le réseau tramway de la STIB en juin 2006.
Une voie bibloc avec des semelles spécifiques n’a pas montré de réduction significative dans la croissance de l’usure ondulatoire. Les modèles numériques ont permis d’expliquer les raisons de ce manque d’efficacité.
Des systèmes de fixations résilientes discrètes pour les voies de métro se sont révélés très efficaces contre l’usure ondulatoire. Outre les deux voies d’essais initialement prévues chez SL (Stockholm) et à la STIB (Bruxelles), une installation supplémentaire a eu lieu à Milan, un réseau qui n’était pas partenaire du projet. Aucune usure ondulatoire n’est apparue plus de 18 mois après la mise en service.
Des aciers optimisés pour les roues et les rails, dans lesquels l’accent est mis sur l’augmentation de la dureté de la surface, constituent une bonne solution pour réduire le taux de croissance de l’usure ondulatoire.

Résultats

Des essais en laboratoire ont été effectués avant l’installation des voies d’essais. La croissance de l’usure ondulatoire sur ces voies a été suivie d’une façon régulière, menant à un suivi à long terme sur la plupart des systèmes. Les systèmes de fixations très résilientes se sont révélés pratiques et efficaces. D2S continue à suivre les sites d’essais sur le réseau de la STIB à intervalles réguliers.