État actuel du développement des principaux équipements de meulage ferroviaire - 1

Actuellement, le système ferroviaire est le plus utilisé, et les méthodes de rectification les plus répandues sont la rectification active, la rectification passive à grande vitesse et la rectification composite (fraisage et rectification). L'état de développement de ces trois types d'équipements de rectification de rails est résumé ci-dessous.

1.3.1 Équipement clé de meulage actif des rails

La technologie de rectification active est actuellement la méthode de rectification la plus répandue et détient la plus grande part de marché, notamment pour les modèles de voitures rectifiés. Les principaux fabricants étrangers de voitures rectifiées sont américains.HARSCO et SANGLE La technologie de meulage des rails en Chine a débuté tardivement ; après des décennies de développement, les principaux fabricants de ponceuses ferroviaires en Chine sont actuellement Golden Eagle Heavy Construction Machinery Company Limited (Golden Eagle Heavy Industry), CNR Beijing Erqi Vehicle Company Limited (CNR Erqi), Zhuzhou CNR Times Electric Company Limited (Times Electric), China Railway Construction High-tech Equipment Company Limited, etc. Golden Eagle Heavy Industry (GEHI) et CNR Erqi ont développé indépendamment les ponceuses GMC-96X et GMC-96B en intégrant respectivement les technologies de HARSCO (États-Unis) et de SPENO (Suisse), comme illustré sur les figures 1 et 2. La ponceuse GMC-48JS, développée indépendamment par TIME ELECTRIC, a été homologuée pour la mise en service en mars 2020 [1].

Fig. 1 GMC-96X

Fig. 2 GMC-96B[2]

Actuellement, les modèles GMC-96X (Golden Eagle Heavy Industry), GMC-96B (China Railway Erqi), PGM-48 (HARSCO, États-Unis) et les nouveaux modèles GMC-48JS (Times Electric) sont couramment utilisés. Leurs principaux paramètres et exigences de fonctionnement sont présentés dans le tableau 1. Les données montrent que la vitesse de fonctionnement de la meuleuse est d'environ 3 à 24 km/h. Une vitesse inférieure à la vitesse critique peut entraîner un meulage excessif du rail par endroits, et la chaleur dégagée par le meulage à basse vitesse est susceptible de provoquer sa combustion [3]. À l'inverse, une vitesse trop élevée ne permet pas d'assurer une efficacité de meulage optimale. Une meuleuse conçue pour une pente maximale de 30 ‰ peut prendre en charge la grande majorité des opérations de maintenance par meulage des lignes. Cependant, pour certaines lignes à forte pente (supérieure à 30 ‰), notamment la ligne ferroviaire Sichuan-Tibet en construction, la coordination des performances de la meuleuse et des problèmes de traction constituera un défi majeur.

Tableau 1. Les paramètres de fonctionnement du train de meulage de rails typique[2]

1.3.2 Équipements clés pour le meulage passif des rails à grande vitesse

La meuleuse passive à grande vitesse est principalement produite par la société allemande VOSSLOH (HSG). Elle se compose essentiellement d'une meuleuse et d'un wagon auxiliaire (Figure 3). Les opérations de meulage nécessitent la traction d'une locomotive et atteignent une vitesse de 60 à 80 km/h. L'ensemble du véhicule comprend quatre groupes de meules, soit un total de 96 meules, fonctionnant simultanément à une vitesse d'environ 6 000 tr/min (Figure 4). Chaque groupe de meules est équipé de deux bâtis de meulage, permettant ainsi une rotation rapide et continue de l'ensemble du groupe. Un seul chargement de meules permet un meulage continu sur environ 70 km [4] (Figure 5). Pendant le meulage, la quantité d'étincelles, l'usure des meules et la pression de meulage sont surveillées en temps réel. Après meulage, le profil du rail est contrôlé afin de vérifier la qualité du traitement. La meuleuse à grande vitesse utilise uniquement la résistance du train de meulage pour enlever le matériau de la tête du rail, les meules n'étant pas motorisées. Par conséquent, la vitesse de travail influe considérablement sur l'efficacité du niveleur. Lors du niveleur à grande vitesse effectuant le nivellement sur la ligne inter-stations : en phase d'accélération au départ de la station, lorsque la vitesse dépasse 30 km/h, le châssis de nivellement s'abaisse et le nivellement commence ; en phase de décélération à l'entrée de la station, lorsque la vitesse est inférieure à 15 km/h, le châssis de nivellement se relève et le nivellement s'arrête. Ainsi, dans la zone correspondant à l'accélération et à la décélération du niveleur, l'efficacité du nivellement est réduite en raison de la diminution de la vitesse du véhicule ; la partie de la zone non nivelée du fait du relèvement du châssis de nivellement doit être nivelée par le niveleur de nivellement de la station lors de l'opération suivante.

Fig. 3 Broyeur à grande vitesse HSG

Fig. 4 Unité de broyage

Fig. 5 Structure du cadre de broyage

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses institutions chinoises se sont investies dans la recherche et le développement de ponceuses à grande vitesse. Le 18 juin 2021, le premier prototype de ponceuse à grande vitesse intelligente pour la ligne Pékin-Shanghai, développé conjointement par l'Université Jiaotong du Sud-Ouest, la compagnie ferroviaire à grande vitesse Pékin-Shanghai et la société Southwest Jiaotong University Railway Development Co., Ltd, est sorti des chaînes de production, concrétisant ainsi l'innovation initiale du « zéro à un » [5], comme illustré sur la figure 6. Le 22 juillet 2021, la ponceuse KGM-80II, conçue et développée indépendamment par China Railway Construction High-Tech Equipment Co., Ltd., a passé avec succès les évaluations et a été approuvée pour une exploitation à titre expérimental [6], comme illustré sur la figure 7. L'introduction de cette ponceuse à grande vitesse développée localement revêt une grande importance pour la Chine, qui aspire à l'autonomie complète de son système ferroviaire.

Fig.6 Voiture d'essai prototype de meulage rapide intelligent des rails de la ligne ferroviaire à grande vitesse Pékin-Shanghai[5]

Fig. 7 KGM-80II. Wagon de meulage rapide des rails[6]

1.3.3 Équipements clés de fraisage et de rectification composites pour rails

Actuellement, les wagons fraiseurs et meuleurs sont largement utilisés sur les lignes ferroviaires à fort trafic, tant en Chine qu'à l'étranger. Les principaux fabricants de wagons fraiseurs et meuleurs destinés à l'exportation sont l'allemand GMB et les autrichiens LINSINGER et MFL [4,7]. La figure 8 présente le wagon fraiseur et meuleur SF03 de LINSINGER : d'une longueur totale de 25 m et d'un poids de 120 t, il est équipé de deux bogies à trois essieux et peut atteindre une vitesse de 100 km/h en mode automoteur. Sa vitesse maximale d'exploitation est de 0,36 à 1,20 km/h. Ce wagon est équipé de deux jeux de disques de fraisage et de deux jeux de meules [7,8,9]. Les principaux fabricants nationaux sont China Railway Times Construction Machinery Co. (Baoji) et China Railway Construction High-Tech Equipment Co. La figure 9 présente la fraiseuse-rectifieuse XM-1800, produite par China Railway Construction High-Tech Equipment Corporation. Cette machine se distingue par son rendement élevé, sa grande flexibilité de rectification, son respect de l'environnement et la réduction des projections d'étincelles lors du façonnage interne des rails et de la rectification de profils spéciaux [10]. Le tableau 2 compare les principaux paramètres de performance des fraiseuses-rectifieuses SF03 et XM-1800. Il démontre que la fraiseuse-rectifieuse XM-1800, développée en Chine, atteint un niveau technique de pointe mondial en termes d'efficacité d'enlèvement de matière et de précision opérationnelle.

Fig. 8 SF03 fraiseuse

Fig.9 Chariot de fraisage XM-1800[10]

Tableau 2. Comparaison des performances opérationnelles des trains de transport ferroviaire SF03 et XM-1800.

1.3.4 Comparaison complète des performances des principaux équipements de rectification de rails

Le tableau 3 compare les performances de trois équipements typiques de rectification de rails : la rectification active, la rectification passive à grande vitesse et la rectification composite par fraisage. La rectification active, grâce à son enlèvement de matière, son profil de bande lisse et sa vitesse d'exécution élevée, représente actuellement la plus grande part de marché. Pour la rectification active, l'enjeu principal est de résoudre le problème des brûlures de rectification afin d'améliorer la qualité de surface du rail après rectification. Des études ont montré que l'optimisation des paramètres de rectification [11, 3, 12] et de la structure de la meule [13] permet de réduire efficacement ces brûlures. Le développement de meules de rectification active haute performance constitue un axe de recherche prioritaire.

La vitesse de fonctionnement du meulage passif à grande vitesse permet théoriquement une circulation intermodale avec les trains de voyageurs et les camions, sans nécessiter de système de ventilation, et n'affecte pas le trafic normal. De plus, le meulage passif à grande vitesse, basé sur une stratégie de meulage préventif des rails, offre des avantages significatifs en termes d'allongement de leur durée de vie. Par conséquent, le meulage à grande vitesse présente un avantage concurrentiel majeur pour l'avenir. L'un des principaux défis consiste à garantir, pour les phases de haute vitesse, de forte charge et de fortes vibrations, tout en maintenant des exigences élevées en matière d'efficacité et de qualité d'exploitation, ainsi que des propriétés mécaniques (résistance et ténacité) et des performances (pouvoir de coupe, résistance à l'usure, etc.) optimales pour la meule, afin de garantir d'excellentes performances de coupe et d'usure, notamment en termes de qualité de coupe, est de garantir que la meule possède d'excellentes propriétés mécaniques.

Le meulage composite présente des avantages considérables en termes d'efficacité d'enlèvement de matière, de finition de contour et de qualité de surface. Cependant, sa vitesse d'exécution est lente. À l'avenir, avec le développement économique, le temps de meulage sera extrêmement réduit et les exigences en matière d'efficacité augmenteront. La coordination entre la capacité des lignes de production et la durée du meulage sera donc un enjeu majeur. Parallèlement, afin de garantir la précision de la correction du profil des rails et l'efficacité opérationnelle, le développement de techniques de meulage capables de résister aux conditions d'utilisation difficiles et d'outils de coupe en carbure à haute résistance à l'usure constitue également un axe de recherche prioritaire.

Tableau 3. Comparaison des trois types d'équipements typiques de meulage des rails

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