Les stratégies de grind sur rails

28 octobre 2024

Le meulage régulier des rails réduit ou élimine les dommages et prolonge leur durée de vie. Il est largement reconnu comme une méthode de maintenance efficace pour les systèmes de transport ferroviaire. En fonction de l'évolution des dommages et des besoins en capacité de transport ferroviaire, les technologies et les équipements de meulage se développent de manière diversifiée et à plusieurs niveaux. Les principales stratégies de meulage comprennent le pré-meulage, le meulage préventif et le meulage de réparation.

Pré-broyageLors du laminage à chaud des rails, les hautes températures intensifient l'oxydation du carbone et du fer en surface. Lorsque le taux d'oxydation du carbone est supérieur à celui du fer, une partie de la cémentite contenue dans la perlite se transforme en ferrite, formant une couche de décarburation (voir figure 1). La dureté, la résistance et la tenue à l'usure de cette couche sont inférieures à celles du substrat [1]. En service, les fissures se propagent principalement le long de la ferrite, ce qui augmente le risque d'endommager gravement le rail [2]. Lors de la construction d'une nouvelle ligne, les arrêts et redémarrages fréquents des engins de chantier peuvent facilement provoquer des rayures et autres problèmes sur les rails. Ces rayures sont difficiles à détecter par le personnel d'inspection au début, mais la chaleur de frottement entre la roue et le rail induit une transformation métallographique dans la zone rayée, susceptible d'entraîner rapidement des dommages importants en service ultérieur [3]. Par conséquent, pour la construction de nouvelles lignes et la pose de nouveaux rails par sections, un pré-rectification doit être effectuée après la mise en service et avant la mise en exploitation afin d'éliminer la couche de décarburation d'environ 0,2 mm en surface et les dommages causés par le processus de construction. Pour les lignes déjà en service, il est nécessaire de réaliser le pré-rectification avant le passage d'une masse totale de 10 tonnes.

Fig. 1. La couche de décarburation sur le champignon du rail.

Meulage préventifPour les défauts importants tels que l'ondulation, le délaminage, l'abrasion latérale et l'écrasement, il est nécessaire d'utiliser une profondeur de rectification plus importante afin d'éliminer les défauts et, simultanément, de corriger et de réparer le profil du rail. Dans ce cas, la quantité de matériau enlevée et la profondeur de rectification sont importantes ; cette stratégie de rectification est appelée rectification réparatrice. En raison de la tolérance à l'usure prévue du rail, la fréquence de remplacement des rails augmente lors de la rectification réparatrice, ce qui engendre une rentabilité moindre.

La Chine a établi une réglementation claire concernant les opérations de rectification des voies ferrées : (a) La rectification doit sélectionner un équipement et des paramètres de fonctionnement adaptés aux caractéristiques des défauts des rails, éliminer ces défauts et réparer leur profil ; (b) Sur les lignes ordinaires, en cas de défauts tels qu’une profondeur de rectification ondulée ou une largeur de bord épaisse supérieure à 0,3 mm, une rectification doit être effectuée sans délai ; (c) Sur les lignes à grande vitesse, en cas de secousses dues à un train, d’alarme d’accélération latérale du cadre transversal, de défaut d’éclairage sur certaines sections, de profondeur d’écaillement du rail d’aiguillage atteignant 0,5 mm, d’indice de réponse aux chocs de la voie dépassant le seuil de gestion, ou de défauts de rail atteignant la limite de réparation, une réparation et une rectification des rails doivent être effectuées sans délai.

Réparation du meulageLe rail est soumis à des charges périodiques dues aux roues, et une couche de fatigue par contact de roulement (FCR) se forme à sa surface en raison de l'effet de cliquet [4,5]. Dans cette couche, la dureté et la fragilité du matériau du rail augmentent significativement, et la microstructure présente une augmentation de la densité de dislocations et de l'amorçage de microfissures [5]. La propagation latérale et longitudinale de ces microfissures peut provoquer des dommages tels que le délaminage et la rupture du rail [1]. Dans le cycle de développement des fissures (nucléation, amorçage et propagation), les phases de nucléation et d'amorçage sont prépondérantes. Le meulage est généralement effectué lorsque la profondeur de propagation de la fissure n'excède pas 0,2 mm, moment optimal pour stopper la propagation des fissures et éviter toute détérioration supplémentaire du rail, comme illustré sur la figure 2. En se basant sur le mécanisme de la fatigue par contact de roulement à la surface des rails et sur la loi de propagation des fissures, une stratégie de meulage préventif est proposée, consistant à éliminer régulièrement la couche de fatigue par contact de roulement. Le meulage préventif a une profondeur de meulage moindre, ce qui est plus propice à l'allongement de la durée de vie des rails et offre une meilleure économie de meulage par rapport au meulage de réparation.

La China Railway Corporation a formulé des exigences claires concernant la mise en œuvre du meulage préventif des rails. (a) Pour les lignes à grande vitesse, le meulage préventif doit être effectué tous les 30 à 50 tonnes de poids total, avec un intervalle maximal de deux ans. (b) Pour les sections droites et les courbes à grand rayon (> 1 200 m) des lignes à grande vitesse, un meulage est généralement effectué tous les 100 tonnes ; pour les sections à petit rayon (

La figure 2 illustre l'évolution de la durée de vie des rails en fonction des différentes stratégies de rectification. Les résultats montrent que la rectification permet d'allonger efficacement leur durée de vie. Selon les études [6], la probabilité d'apparition de défauts en surface après absence de rectification, rectification corrective et rectification préventive est respectivement de 15 %, 8 % et 4 %. Ceci indique que la rectification préventive présente un avantage significatif pour réduire la probabilité de défauts. De plus, la rectification préventive, avec son épaisseur d'enlèvement de matière plus faible, permet d'allonger considérablement la durée de vie des rails par rapport à la rectification corrective. Dans le contexte difficile du développement économique rapide et de la forte demande en capacité de transport du réseau ferroviaire chinois, l'adoption de la rectification préventive permet d'allonger efficacement le cycle de remplacement des rails et d'améliorer les coûts de rectification. La rectification préventive prédictive représente l'avenir des technologies de rectification des rails.

Fig. 2. Comportement de propagation des fissures de fatigue par contact de roulement

Fig. 3. La relation entre les stratégies de meulage et la durée de vie des rails

[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu, et al. Effets de la décarburation sur la résistance à l'usure et les mécanismes d'endommagement des rails soumis à la fatigue de contact [J]. Wear, 2016, 364-365:130-143.

[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun, et al. L'effet de la couche décarburée sur la fatigue de contact de roulement des matériaux de rail dans des conditions sèches et humides [J]. Engineering Failure Analysis, 2018, 91 : 58-71.

[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. Recherche sur les dommages précoces des rails des lignes ferroviaires à grande vitesse chinoises. Génie ferroviaire, 2018, 58(1) : 138-140.

[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. Effet de l'usure sur la propagation des fissures de fatigue par contact de roulement dans les rails[J]. Tribology International, 2016, 94 : 118-13.

[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao, et al. Évolution de la microstructure des roues perlitiques de chemin de fer sous charge de contact de roulement-glissement [J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.

[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. Le meulage des rails réduit-il les défauts des rails ? [J]. Railway Track&Structure, 2011, 107(2) : 32-35.