Comportements de meulage auto-adaptatifs du meulage des rails à grande vitesse sous l'effet des mouvements composites de glissement et de roulement

Les comportements de rectification auto-adaptatifs des rails à grande vitesse soumis à des mouvements composites de glissement-roulement visent à optimiser les performances de rectification et la qualité de surface. Les lignes ferroviaires à grande vitesse, caractérisées par des vitesses d'exploitation élevées et de faibles charges par essieu, souffrent souvent de fatigue de contact de roulement [1], entraînant un écaillage de surface [2-4], des fissures de fatigue [5,6] et des ruptures [7,8]. Ces problèmes nécessitent une maintenance régulière pour garantir… exploitation sûre et fiable des réseaux ferroviairesLes techniques traditionnelles de rectification des rails visent à corriger les défauts profonds, mais entraînent souvent des inefficacités, des temps de maintenance prolongés et des dommages thermiques. La rectification à grande vitesse (RGV) s'est imposée comme une alternative efficace, offrant des vitesses de rectification plus élevées (60 à 80 km/h) et des intervalles de maintenance réduits. Contrairement à la rectification conventionnelle, la RGV fonctionne par des mouvements composites de glissement et de roulement, induits par les forces de frottement entre les meules et la surface du rail [9]. Ce mécanisme unique permet à la fois l'enlèvement de matière et l'auto-affûtage de l'abrasif. Cependant, l'interaction entre les mouvements de glissement et de roulement reste insuffisamment étudiée, ce qui limite le potentiel de la RGV pour l'optimisation de la maintenance des rails. Dans le cadre de ce travail, un banc d'essai RGV conçu spécifiquement a été utilisé pour simuler les conditions de rectification sur site. Des expériences ont été menées sous différents angles de contact (30°, 45° et 60°) et différentes charges de rectification (500 N, 700 N et 900 N) [10, 11].

1. Le rapport de glissement-roulis.
  Les résultats démontrent que les mouvements composites de glissement-roulement jouent un rôle crucial dans le comportement de rectification. Le rapport de glissement-roulement (RGR), défini comme le rapport de la vitesse de glissement à la vitesse de roulement (voir Fig. 1), augmente avec l'angle de contact et la charge de rectification, reflétant ainsi les variations du mouvement composite de glissement-roulement des couples de meulage. Par exemple, le RGR passe de 0,18 à un angle de contact de 30° à 0,81 à 60°. Ce passage d'un mouvement dominé par le roulement à un mouvement équilibré entre glissement et roulement améliore significativement les résultats de rectification. L'étude a révélé qu'un angle de contact de 45° offre l'efficacité de rectification la plus élevée, tandis qu'un angle de contact de 60° permet d'obtenir la meilleure qualité de surface. La rugosité de surface (Ra) diminue sensiblement avec l'augmentation de l'angle de contact, passant de 12,9 μm à 30° à 3,5 μm à 60° (voir Fig. 2 à 4).

2. WEL induit par le broyage.
Lors du processus de rectification, en raison des effets de couplage thermo-mécanique, notamment les fortes contraintes de contact, les températures élevées et le refroidissement rapide, des transformations métallurgiques et une déformation plastique se produisent à la surface du rail. Ces modifications entraînent la formation d'une couche de corrosion blanche fragile (WEL), susceptible de se rompre sous l'effet des contraintes cycliques dues au contact roue-rail. L'ensemble des résultats révèle que l'épaisseur moyenne de la WEL est inférieure à 8 μm, soit plus fine que la WEL induite par la rectification active (~40 μm) [12, 13], comme illustré sur la figure 5. Ce phénomène est probablement lié aux caractéristiques uniques de la méthode HSG. Contrairement à la rectification active traditionnelle, en HSG, une seule particule abrasive participe au processus de rectification pendant une courte période seulement au cours d'un cycle de révolution, même à des angles de contact élevés. La majeure partie du temps, la particule abrasive est en phase de dissipation thermique après la rectification. Ceci garantit à la particule abrasive un temps suffisant pour dissiper la chaleur avant de reprendre le meulage, ce qui améliore les conditions thermiques à l'interface de rectification.

3. Débris de broyage.
L'analyse des débris de rectification a permis de mieux comprendre les mécanismes d'enlèvement de matière, comme illustré sur les figures 6 et 7. Les débris en forme d'écoulement et de lame, indicateurs d'une rectification efficace, étaient plus fréquents aux taux de rectification élevés. À l'inverse, les débris en blocs et en tranches étaient prédominants aux angles de contact plus faibles, reflétant une rectification insuffisante. La présence de débris sphériques augmentait avec la charge de rectification, indiquant des températures de rectification élevées. Ces observations soulignent l'importance d'optimiser les paramètres de rectification afin d'équilibrer efficacité et conditions thermiques.

4. Mécanisme du mouvement composé de glissement et de roulement. L'étude a également révélé l'interaction dynamique entre les mouvements de glissement et de roulement lors du processus de rectification, comme illustré sur la figure 8. Le glissement facilite l'enlèvement de matière de la surface du rail, tandis que le roulement favorise l'évacuation des débris et l'auto-affûtage de l'abrasif. Cet équilibre dynamique est essentiel pour une rectification efficace avec un minimum de dommages thermiques. Cependant, une prédominance de l'un ou l'autre mouvement peut conduire à des résultats sous-optimaux : un mouvement à dominante de roulement augmente la rugosité de surface, tandis qu'un mouvement à dominante de glissement peut réduire le renouvellement de l'abrasif et accroître les dommages thermiques.

5. Évaluation complète. Des évaluations complètes des performances de rectification, incluant l'efficacité, la rugosité de surface et l'épaisseur de la couche limite d'usure (WEL), ont mis en évidence les avantages de l'optimisation des mouvements composites de glissement-roulement, comme illustré sur la figure 9. Les diagrammes radar des performances de rectification sous différentes charges et angles de contact ont montré qu'un angle de contact de 45° offrait le meilleur compromis entre efficacité et qualité. Cependant, l'angle de contact de 60° a systématiquement produit les surfaces les plus lisses, ce qui le rend idéal pour les passes de rectification finales. Ces résultats suggèrent que des ajustements ciblés des paramètres de rectification permettent de corriger efficacement les variations d'endommagement de la surface des rails.

Cette recherche offre des applications pratiques pour la maintenance des lignes ferroviaires à grande vitesse. Lors des premières passes de rectification, un angle de contact de 45° optimise l'efficacité d'enlèvement de matière, tandis qu'un angle de 60° garantit une qualité de surface supérieure lors des étapes de finition. L'étude souligne l'importance d'un équilibrage dynamique des mouvements de glissement et de roulement pour améliorer les performances de rectification, la qualité de surface et prolonger la durée de vie des meules.

En conclusion, cette étude souligne le rôle crucial des mouvements composites de glissement et de roulement lors du meulage des rails à grande vitesse. En optimisant la proportion de ces actions, le meulage à grande vitesse permet d'obtenir une efficacité et une qualité de surface supérieures, tout en minimisant les dommages thermiques. Ces résultats fournissent un cadre théorique pour le développement de la technologie du meulage à grande vitesse et des recommandations pratiques pour l'amélioration des pratiques de maintenance ferroviaire.

Fig. 1. Évolution du SRR, du COF et de la vitesse de rotation en fonction des charges de meulage et des angles de contact.

Fig. 2. Efficacité de broyage sous différents angles de contact et charges de broyage.

Fig. 3. Morphologies de surface d'échantillons de rails sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 4. Rugosité de surface et Morphologies 3D des échantillons de rails soumis à différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 5. Images métallographiques optiques et MEB en coupe transversale des échantillons de rail.

Fig. 6. Le type et la proportion de débris de broyage sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 7. Images MEB et spectres EDS pour différents types de débris de broyage.

Fig. 8. Schéma illustrant l'effet du mouvement composite de glissement-roulement sur le HSG.

Ces travaux ont été publiés dans le Journal of Tribology International.

Références

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[11] Von Diest K, Puschel A. Réduction du bruit ferroviaire par meulage à grande vitesse grâce à un meulage régulier des rails sans interruption du trafic[C]//Actes du Congrès et de la Conférence INTER-NOISE et NOISE-CONGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

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