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

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 XVIII^e siècle et au début du XIX^e, 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.