Tribological analysis of wheel-rail contact Model and experiment - Corrugation case -
Analyse tribologique du contact roue-rail Modélisation et expérimentations – Cas de l'usure ondulatoire –
Résumé
Depuis plus d'un siècle, les rails des transports urbains ferrés (tramways, métros) sont affectés d'une usure périodique de leur surface de contact appelée "usure ondulatoire". Lors du passage d'un train sur une voie en étant affectée, il apparaît d'importantes nuisances sonores et vibratoires dont les niveaux dépassent fréquemment les normes fixées par la loi. Les réseaux urbains sont alors contraints de procéder à des opérations coûteuses et répétées d'abrasion mécanique de la surface des rails par meulage, actuellement le seul moyen efficace de contrôle du développement de l'usure ondulatoire.
Depuis des décennies, cette usure a été l'objet d'études centrées principalement sur des analyses vibratoires de ses conséquences plutôt que sur des analyses temporelles des interactions locales de contact à l'origine de sa formation. Afin de pallier ce manque, une démarche centrée sur l'analyse tribologique locale du contact roue-rail est proposée et appliquée aux cas particuliers de l'usure ondulatoire des voies rectilignes en zone d'accélération et celle des voies courbes de faible rayon.
Tout d'abord, les résultats des analyses tribologiques des surfaces frottantes ont permis, dans les deux cas, de caractériser le circuit tribologique de l'usure ondulatoire établie. Cependant, l'influence de sa géométrie sur les débits qui ont mené initialement à sa formation reste à déterminer.
Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies rectilignes, un modèle numérique longitudinal en 2-dimensions de contact roue-rail a été mis en œuvre pour pallier le manque d'instrumentation physique du contact. Dans des conditions reproduisant l'accélération d'un train, des régimes d'instabilités (adhérence-glissement) se développent naturellement dans le contact et ont pour conséquence d'induire des températures de contact et des déformations plastiques périodiques de la surface du rail qui sont comparables à celles de l'usure ondulatoire étudiée expérimentalement.
Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies courbes, une instrumentation sur site à l'échelle de la roue et du rail (collaboration RATP et Railtech) a été mise en œuvre. Des glissements latéraux périodiques spécifiques des zones d'usure ondulatoire ont alors été identifiés. Confirmés par des essais sur banc visant à reproduire ce type d'usure (collaboration Lucchini et Politecnico di Milano), ces glissement latéraux périodiques sont bien à l'origine de la formation de l'usure ondulatoire des voies courbes.
For more than a century, the rails of mass transit (tramways, undergrounds) have been affected by periodical wear on their contact surfaces, called "corrugation". The traffic of a train on an affected track leads to noise and vibration pollution, that levels frequently exceed law-allowed limits. Then, the urban networks have to proceed to expensive and repetitive mechanical abrasive operations on the rails' surface by grinding, which is the only efficient means to control corrugation development for now.
For decades, this wear has been studied, mainly through vibration analyses of its consequences rather than through temporal analyses of the local contact interactions at the origin of its birth. In order to compensate for this lack, an approach centred on the local tribological analysis of the wheel-rail contact is proposed and applied to the specific corrugation cases on straight tracks in acceleration zones and to the one on sharp curved tracks.
First, the results of the tribological analyses of the friction surfaces have allowed, in both cases, to characterize the tribological circuit of corrugation. Yet, the influence of its geometry on the flows that initially led to its birth is still undetermined.
In the case of corrugation on straight tracks, a 2-dimensions numerical longitudinal model of the wheel-rail contact is implemented to compensate for the lack of physical instrumentation of the contact. In conditions that reproduce train acceleration, instability states (stick-slip) naturally spread in the contact and result in contact temperatures and periodical plastic strains of the rail, comparable with the ones of the corrugation experimentally studied.
In the case of the corrugation on sharp curved tracks, an on-site instrumentation at the scale of the wheel-rail group (collaboration RATP and Railtech) is implemented. Periodical lateral slidings specific of corrugated zones were identified. Confirmed by laboratory tests that reproduce this type of wear (collaboration Lucchini and Politecnico di Milano), these periodical lateral slidings are at the origin of the creation of this corrugation on sharp curved tracks.
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