Article

1 - DYNAMIQUE DU SYSTÈME VOIE/VÉHICULE

2 - INTERFACE ROUE-RAIL

3 - BASES DE LA DYNAMIQUE FERROVIAIRE

4 - GÉOMÉTRIE, SOLLICITATION ET DÉGRADATION DE LA VOIE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : TRP3077 v1

Dynamique ferroviaire et contact roue-rail - Principes de guidage, comportement dynamique et modes d'endommagement

Auteur(s) : Naim KUKA, Frédéric LIODENOT

Date de publication : 10 déc. 2022

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RÉSUMÉ

Cet article présente les bases de l'interface roue-rail et les principes fondamentaux de la dynamique ferroviaire qui sont au cœur du système ferroviaire. Les principaux paramètres du système voie/véhicule influant sur le comportement dynamique des véhicules ferroviaires sont décrits, ainsi que l'évolution des méthodologies et des activités de terrain. Il traite de l'interface roue/rail et des principes du comportement du train, d'une part en alignement (ligne droite) et d'autre part en courbe avec des illustrations de l'impact des conditions d'exploitation sur les performances du train et sur le dommage de la voie. Des exemples de dommages roue-rail dus à l'usure et à la fatigue par contact de roulement sont donnés, ainsi qu'une évaluation des coûts liés à la charge par essieu.

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Auteur(s)

  • Naim KUKA : Master Expert en dynamique ferroviaire, ancien responsable du réseau de compétence dynamique ferroviaire et mécatronique, Alstom, retraité depuis juillet 2020

  • Frédéric LIODENOT : Master Expert dans le domaine de l'architecture des bogies - Spécialisé dans le domaine des bogies de trains à très grande vitesse, de trains pendulaires et de locomotives, Alstom

INTRODUCTION

L'objectif de cet article est de présenter les principaux thèmes impactant le comportement dynamique des véhicules ferroviaires ; ainsi que de donner un aperçu des méthodes, des processus et des outils de simulation qui permettent d'optimiser la conception des véhicules ferroviaires et aussi d'intervenir lors des essais de réception des trains.

Le niveau de détail technique et le retour d'expérience de l'industrie donnés dans l'article se veulent suffisants pour comprendre les bases de la discipline de la dynamique ferroviaire et pour permettre l'analyse pratique des problèmes à affronter. Ceci aidera les ingénieurs travaillant dans l'industrie ferroviaire et les acteurs travaillant sur le terrain à faire face aux différentes missions et défis techniques liés au comportement de la dynamique de roulement, au cours des différentes phases du développement du projet.

Dans le monde de l'ingénierie, l'étude de la dynamique des véhicules ferroviaires est certainement le domaine le plus complexe à étudier afin de l'appréhender, de le maîtriser et finalement de l'optimiser. L'interaction voie/véhicule doit prendre en compte (i) le nombre important de corps flexibles constituant le train (caisse, châssis de bogie, essieux), (ii) les liaisons entre ces corps sous forme de suspensions (trains à simple ou multiples caisses), (iii) l'interface complexe et mouvante entre roue et rail, qui relie le véhicule à la voie, (iv) la voie qui présente des caractéristiques et une géométrie particulières, (v) les interactions entre les différents composants mécaniques du train (traction/freinage, systèmes actifs, pendulation, suspensions pilotées, systèmes d'orientation d'essieu ou de bogie) et finalement, (vi) les conditions d'exploitation, les différentes normes et règlements nationaux sans oublier la présence d’éléments singuliers de l’infrastructure (ponts, aiguillages, etc.).

À cette complexité s'ajoutent : (i) la variation continue de la qualité de la voie le long du tracé et aussi au cours du temps, (ii) la géométrie du contact roue/rail qui évolue avec le temps et avec l'usure du profil de roue et du profil de rail), (iii) les conditions de frottement, etc. Et par conséquent le mouvement relatif dans la zone de contact et dans les autres interfaces entre les différents corps du système vont générer des forces de frottement par nature variables.

La demande croissante des opérateurs et des gestionnaires d'infrastructure pour des véhicules plus rapides, plus confortables, moins agressifs vis-à-vis de la voie (i.e. avec de faibles coûts d'accès au réseau) le tout avec des délais de conception courts sont les derniers défis à relever par les ingénieurs de la dynamique ferroviaire. Cette complexité ainsi que les challenges associés requièrent une bonne compréhension du système, des compétences de haut niveau, une large expérience de terrain, des modèles de simulation appropriés ainsi que des outils et des méthodes au goût du jour pour une utilisation durant toutes les phases de conception.

La technologie du système ferroviaire est issue d'une longue histoire. À la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe, les développements avaient essentiellement pour but de traiter les sujets associés au guidage et à la sécurité. Des roues avec de gros boudins, des éléments de suspension robustes et des structures surdimensionnées permettaient de répondre aux besoins premiers. Les notions de confort et de préservation de la voie sont arrivées plus tard avec l'augmentation progressive de la vitesse permise par l'introduction de locomotives plus puissantes avec des organes de roulement évolués. L'augmentation des performances a fait apparaître plus fréquemment des problèmes de comportement dynamique avec des risques potentiels d'instabilité (l'instabilité du bogie apparaît lorsque la vitesse de circulation est plus élevée que la vitesse dite « critique »). Ceci a stimulé dans les années 1960 les activités de recherche et de développement permettant de réaliser des calculs réalistes en s'appuyant sur de nombreux essais et des mesures en ligne. Même si les méthodes, les modèles et les outils étaient bons, ils étaient limités par de faibles puissances de calcul qui nécessitaient parfois de fortes simplifications. De plus, les modèles décrivant les véhicules étaient construits sur la base de corps rigides et les interactions avec les autres sous-systèmes du véhicule n'étaient pas considérées.

Les fondements du comportement dynamique trouvent leurs origines dans le domaine de la mécanique et jusqu'à des temps récents le comportement dynamique du véhicule n'intégrait que le système mécanique. Ce dernier considérait le véhicule comme un ensemble de corps rigides simplement connectés par des éléments de suspension le tout avec une description simplifiée du contact roue/rail. L'augmentation de la vitesse, la demande de performance dynamique de haut niveau, la réduction du coût du cycle de vie (LCC – Life Cycle Cost), la réduction de l'agressivité au rail, la plus grande part de composants électroniques et les différents systèmes pilotés (mécatronique) ont conduit à des activités multidisciplinaires nécessitant un travail en équipe. Cela a conduit au développement d'outils et de modèles permettant l'échange d'information et la prise en compte de l'interaction entre le système mécanique et les autres systèmes comme la traction, le frein, les systèmes actifs, etc. Les équations non linéaires, qui représentent les interactions complexes entre ces différents sous-systèmes (intégrant voie et corps flexibles), nécessitent des méthodes de calcul mathématique très avancées et de puissants ordinateurs capables de fournir des résultats rapidement. De plus, les équipes pluridisciplinaires, avec le support technique de mathématiciens et d'ingénieurs logiciel, sont devenues une base de l'organisation et des méthodes de travail de l'ingénierie.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp3077


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - (*) -   Dynamics of Railway vehicle Systems.  -  V. YK. Garg and R.V. Dukkipati (1984).

  • (2) - (*) -   Rolling Stock in the Railway System.  -  V1, V2 & V3, PMC Media House GmbH. Edited by E. Fontanel and R. Christeller (2016).

  • (3) - (*) -   Wheel-Rail Best Practice Handbook.  -  Edited by F. Schmid, M. Burstow, S. Clark, B. Eickhoff, M. Hiensch, S. S. Hsu, S. Kent (2010).

  • (4) - (*) -   Introduction to railway vehicle dynamics.  -  AEA Technology Rail, Corse notes.

  • (5) - POLACH (O.), BERG (M.), IWNICKI (S.) -   Chapter 12 : Simulation. In : Iwnicki, S. (Editor) : Handbook of railway vehicle dynamics.  -  CRC Taylor&Francis, Boca Raton London New York, p. 359-421 (2006).

  • (6) - BRUNI (S.), VINOLAS (J.), BERG (M.), POLACH (O.), STICHEL (S.) -   Modelling...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Dynamique ferroviaire et contact roue-rail. Simulations et essais pour l'évaluation du comportement dynamique de marche.

  • *

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