Les dommages causés par le Common Rail

Le rail est un élément essentiel du système ferroviaire. La traction et le freinage des trains sont assurés par le frottement entre les roues et le rail. Par conséquent, un rail en bon état est indispensable pour garantir la sécurité et la fluidité du trafic ferroviaire. Cependant, sous l'effet des contraintes de contact alternées, le matériau du rail subit fréquemment des dommages dus à l'usure ou à la fatigue. Comme illustré sur la figure 1, les principaux types de dommages sont les suivants : fissures de fatigue, écaillage, usure par ondulation, écrasement et usure latérale, représentant plus de 80 % de l'ensemble des dommages. Avec l'augmentation de la vitesse des trains et de la charge par essieu, les problèmes de fatigue et d'usure du rail s'aggravent, ce qui entraîne une forte hausse des exigences en matière de technologies de rectification des rails.

1. Fissure par fatigue de contact de roulement. La fissuration par fatigue de contact de roulement est l'une des formes de dommages les plus courantes sur les rails des lignes ferroviaires à grande vitesse [1], comme illustré sur la figure 2. Généralement, les fissures ne s'étendent pas jusqu'au fond du rail, mais forment un arc de cercle à sa surface, créant ainsi un aspect de décollement (figure 2). La surface supérieure du rail est alors enfoncée, et des contraintes d'impact se créent au passage des roues du train, aggravant les vibrations et le bruit. Dans certains cas, les fissures secondaires présentes dans le décollement peuvent se propager sous le rail et entraîner sa rupture, ce qui peut provoquer des accidents graves [2].

2. Usure des ondulations des railsL'usure par ondulation des rails désigne le phénomène d'usure irrégulière et périodique de la surface du rail sur une certaine longueur [3, 4], comme illustré sur la figure 3. Cette usure accroît les vibrations et le bruit du train, affecte le confort de conduite et réduit la durée de vie des pièces de la locomotive et du véhicule. Selon la longueur d'onde de l'usure par ondulation, on distingue l'ondulation à courte longueur d'onde (25 à 80 mm) et l'ondulation à longue longueur d'onde (supérieure à 100 mm). Les principales causes de l'ondulation sont expliquées par des théories dynamiques et non dynamiques. La théorie dynamique attribue l'ondulation aux vibrations du système roue-rail, notamment les vibrations auto-entretenues, la résonance et les vibrations de rétroaction [5]. La théorie non dynamique, quant à elle, considère que la formation de l'ondulation est principalement liée aux matériaux du rail et au procédé de fabrication ; même à force d'interaction roue-rail constante, le rail peut présenter une ondulation due à sa déformation plastique irrégulière [6, 7].

3. Écrasement des rails. L'écrasement des rails est un phénomène caractérisé par une déformation plastique de la surface de roulement et un aplatissement de celle-ci. Ce phénomène est fréquemment observé dans les sections courbes des lignes ferroviaires à fort trafic [8], comme illustré sur la figure 4. L'écrasement modifie la forme du champignon du rail et la force de contact roue-rail, ce qui aggrave les vibrations et le bruit de roulement. De plus, il s'accompagne souvent d'arrachements ou de fissures de fatigue. La limite de stabilité est souvent utilisée comme critère pour déterminer la présence d'un écrasement, et l'augmentation de la limite d'élasticité des matériaux permet de prévenir ou de ralentir ce type de dommage.

4. Usure latérale des rails. L'usure latérale est la principale forme de dégradation des rails dans les courbes à faible rayon [9], comme illustré sur la figure 5. Sur le réseau ferroviaire chinois, 98 % des rails utilisés dans ces courbes sont mis au rebut en raison d'une usure latérale excessive. Lorsque la locomotive et les wagons abordent une courbe, le train avance par inertie, mais la voie le contraint à tourner. Dans ce cas, les roues entrent en contact avec le rail, provoquant une usure latérale importante. En particulier, lorsque les forces centrifuges et centripètes du train sont déséquilibrées, la charge sur les rails intérieur et extérieur est inégale, ce qui aggrave considérablement l'usure latérale [10, 11]. Il est largement admis que l'usure latérale réduit la durée de vie des rails et que la modification du profil du rail détériore l'interaction roue/rail, affectant ainsi la stabilité du train dans la courbe.

Fig. 1 Fissures de fatigue.

Fig. 2 Décollement des rails.

Fig. 3 Usure des ondulations du rail.

Fig. 4 Écrasement des rails.

Fig. 5 Usure latérale du rail.

Références

1. K. Zhou. Recherche sur les règles et les mécanismes d'enlèvement de matière lors du meulage des rails [D]. Chengdu : Thèse de doctorat de l'Université Jiaotong du Sud-Ouest, 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. Solution par éléments finis tridimensionnels du contact de roulement roue-rail avec frottement en élasto-plasticité [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen, et al. Étude expérimentale de la relation entre la fatigue de contact de roulement et l'usure des voies ferrées à grande vitesse et de transport lourd et sélection du matériau des rails [J]. Wear, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Ondulation des rails : caractéristiques, causes et traitements [J]. Actes de l'Institution des ingénieurs mécaniciens, Partie F : Journal des transports ferroviaires et rapides, 1993, 207(1) : 57-68.
5. Y. Gu. Étude du mécanisme d'ondulation des rails sur les voies ferrées à grande vitesse sans ballast [D]. Pékin : Thèse de doctorat de l'Université Jiaotong de Pékin, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li, et al. Revue des progrès de la corrugation des rails [J]. Journal de l'Université Jiaotong du Sud-Ouest, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu, et al. Formation de corrugations et évolution de la microstructure de l'acier de rail U75V [J]. Journal de l'Université Jiaotong de Dalian, 2019, 40(5) : 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. Influence de l'ondulation des rails sur les performances dynamiques d'un système véhicule-aiguillage à grande vitesse [J]. Journal de l'Université centrale du Sud (Sciences et Technologies), 2003, 25(1) : 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du, et al. Investigation on the damage mechanism and prevention of heavy-haul railway rail [J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang, et al. Étude sur le terrain et en laboratoire de la relation entre la fissuration du champignon du rail et l'usure dans une voie ferrée à fort trafic [J]. Wear, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. Influence de l'écartement des rails sur l'usure latérale des rails dans les courbes de voie [J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2006, 12(3) : 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu, et al. Réduction de l'usure latérale des rails dans les courbes ferroviaires à fort trafic basée sur l'interaction dynamique roue-rail [J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(sup1): 440-454.