2.2.1 Protocole de mesure
La bande de roulement de la roue est quasiment équivalente à toute sa largeur. En effet, lorsque la roue est en mouvement, elle peut se déplacer transversalement sur la surface de roulement du rail pour jouer le rôle de différentiel entre les deux rails de la voie, notamment lorsque le rail est en courbe. Il faut donc mesurer un nombre de lignes de rugosité suffisant pour caractériser une surface suffisamment large.
Figure2.11 – Mesure de la rugosité des roues avec le dispositif développé par l’AEF. La rugosité des roues test a été mesurée grâce à un dispositif développé par l’AEF (Figure 2.11). Il contient 6 capteurs de déplacement espacés de 5 mm. Le support est fixé sur le rail, puis l’essieu est soulevé à l’aide d’un vérin et la roue est entrainée manuellement. Une série de mesure fournit donc 6 lignes de rugosité. Deux séries de mesures ont été effectuées sur chaque roue en déplaçant latéralement le support par rapport à la surface de la roue. L’espacement entre les lignes de rugosité mesurées est donc de 2.5 mm.
Les descriptions des défauts de roue sélectionnés pour cette campagne de mesure sont données au paragraphe 2.4 du chapitre 1. On présente les résultats de la mesure de rugosité de la roue de référence et des roues avec les défauts identifiés (méplat, AEL, faux-rond) sur deux tours de roue. Le périmètre des roues du train d’essai étant de 3 m, la longueur des échantillons de rugosité sur les roues test est d’environ 6 m.
2.2.2 Rugosité de la roue de référence
La figure 2.12(a) représente les 12 lignes de rugosité spatiale mesurées sur la roue de référence. Les amplitudes de rugosité sont moyennes avec une valeur maximale de 250 µm. Les lignes de rugosité sur cette roue sont très similaires, avec une différence d’amplitude maximale de 25 µm.
La corrélation entre ces lignes est très élevée ; tous les coefficients sont compris entre 0.98 et 1. Les spectres en tiers d’octave des lignes de rugosité de la figure 2.12(a) sont représentés sur la
0 1 2 3 4 5 6 −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 distance (m) Amplitude ( µ m) (a) 0.001 0.002 0.004 0.008 0.016 0.0315 0.063 0.125 0.25 0.5 1 −30 −20 −10 0 10 20 30 40
Longueur d’onde centrale des 1/3 d’octave (m)
Amplitude de rugosité (dB ref. 1
µ
m)
(b)
Figure 2.12 – Rugosité de la roue de référence. (a) Représentation spatiale (b) Représentation fréquentielle ; ( ) Spectres 1/3 d’octave des lignes de rugosité,( ) Limite des Spécifications Techniques d’Interopérabilité.
figure 2.12(b). Pour les longueurs d’onde inférieures à 0.25 m, la rugosité est inférieure au gabarit STI pour le rail. La rugosité du rail jouera donc un rôle prédominant, dans l’excitation du système, par rapport à la rugosité de la roue. De plus, les amplitudes de rugosité sont inférieures au micron pour les longueurs d’onde plus petites que 0.18 m. Aucune émergence fréquentielle n’est à noter sur ces spectres.
2.2.3 Rugosité de la roue avec un méplat
Les différentes lignes de rugosité mesurées sur la roue avec un méplat sont représentées sur la figure 2.13(a). Le méplat peut être facilement identifié grâce à l’amplitude importante, de plus de 600 µm, à environ 2.9 et 5.8 m (la mesure étant représentée sur 2 tours de roue). Le méplat est situé sur les lignes 5 à 10. Un zoom sur la mesure du profil de la roue à l’emplacement du méplat est représenté sur la figure 2.13(b). La largeur du méplat est comprise entre 1 et 2 cm et la profondeur entre 100 et 600 µm, suivant la ligne. La forme du méplat rappelle celle d’un créneau (fonction rectangulaire).
Les coefficients de corrélation de ces lignes de rugosité sont très élevés, entre 0.9 et 0.99, avec des valeurs minimales entre les lignes contenant le méplat et les autres lignes.
Les spectres des lignes de rugosité mesurées sur la roue avec un méplat sont représentés sur la figure 2.14. On note une émergence fréquentielle dans l’intervalle [0.01; 0.0125] m. La forme arrondie des spectres, pour les longueurs d’onde supérieures à 0.01 ou 0.02 m, et la chute d’énergie à partir de ces longueurs d’onde s’expliquent par la présence du méplat. Si le méplat s’apparente à un créneau de largeur 0.01 ou 0.02 m, suivant les lignes de rugosité, alors l’énergie due au créneau dans les spectres de ces dernières sera répartie sur les longueurs d’onde plus grandes que 0.01 ou 0.02 m.
0 1 2 3 4 5 6 7 −700 −600 −500 −400 −300 −200 −100 0 100 200 300 distance (m) Amplitude ( µ m)
(a) Représentation sur 2 tours de roue.
2.8 2.81 2.82 2.83 2.84 2.85 −700 −600 −500 −400 −300 −200 −100 0 100 distance (m) Amplitude ( µ m)
(b) Zoom sur le méplat.
Figure 2.13 – Rugosité spatiale de la roue avec un méplat (µm).
0.001 0.002 0.004 0.008 0.016 0.0315 0.063 0.125 0.25 0.5 1 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25
Longueur d’onde centrale des 1/3 d’octave (m)
Amplitude de rugosité (dB ref. 1
µ
m)
Figure 2.14 – Spectres des lignes de rugosité de la roue avec un méplat (dB ref. 1 µm). ( ) Spectres 1/3 d’octave des lignes de rugosité,( ) Limite des Spécifications Techniques d’Interopé- rabilité.
En effet, la transformée de Fourier d’une fonction rectangulaire de largeur τ s’apparente à une fonction de type sinus cardinal de largeur 1/τ [4].
2.2.4 Rugosité de la roue avec un AEL (Apparition d’Ecrasement Localisé)
Les lignes de rugosité mesurées sur la roue avec un AEL sont représentées sur la figure 2.15(a). Les écrasements sont visibles à l’oeil nu, entre 0.2 et 0.6 m et entre 1.6 et 1.8 m environ. On qualifie alors ce défaut d’AEL d’ordre 2 (deux écrasements par tour de roue). Les écrasements ont une amplitude respective d’environ 200 et 350 µm. L’analyse de corrélation de ces lignes donne des coefficients compris entre 0.989 et 0.999.
Les spectres des lignes de rugosité de la roue avec l’AEL sont représentés sur la figure 2.15(b).
0 1 2 3 4 5 6 7 −300 −200 −100 0 100 200 300 400 distance (m) Amplitude ( µ m) (a) 0.001 0.002 0.004 0.008 0.016 0.0315 0.063 0.125 0.25 0.5 1 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30
Longueur d’onde centrale des 1/3 d’octave (m)
Amplitude de rugosité (dB ref. 1
µ
m)
(b)
Figure 2.15 – Rugosité de la roue avec un AEL. (a) Représentation spatiale (b) Représentation fréquentielle ; ( ) Spectres 1/3 d’octave des lignes de rugosité,( ) Limite des Spécifications Techniques d’Interopérabilité.
On remarque trois émergences fréquentielles, autour de 0.01, 0.063 et 0.25 m.
2.2.5 Rugosité de la roue avec un faux-rond
Un faux-rond se caractérise par un défaut de circularité de la roue. On rappelle qu’un faux-rond est identifié lorsque le rapport entre le plus grand diamètre et le plus petit diamètre mesuré sur la roue dépasse un certain seuil.
Les lignes de rugosité de la roue avec un faux-rond sont représentées sur la figure 2.16(a). Les amplitudes de rugosité sont élevées, avec une valeur maximale de 550 µm. Les coefficients de cor- rélation entre ces lignes sont encore très élevés, compris entre 0.989 et 0.999.
Les spectres des lignes de rugosité de la roue avec un faux-rond sont représentés sur la figure 2.16(b). On observe deux émergences, à 0.063 et 0.315 m.
0 1 2 3 4 5 6 7 −600 −500 −400 −300 −200 −100 0 100 200 distance (m) Amplitude ( µ m) (a) 0.001 0.002 0.004 0.008 0.016 0.0315 0.063 0.125 0.25 0.5 1 −20 −10 0 10 20 30 40
Longueur d’onde centrale des 1/3 d’octave (m)
Amplitude de rugosité (dB ref. 1
µ
m)
(b)
Figure2.16 – Rugosité de la roue avec un faux-rond. (a) Représentation spatiale (b) Représenta- tion fréquentielle ; ( ) Spectres 1/3 d’octave des lignes de rugosité,( ) Limite des Spécifications Techniques d’Interopérabilité.
sont plus importantes pour les longueurs d’onde inférieures à 10 cm, environ. Elles sont inférieures à 10 dB pour la roue de référence, ainsi que pour les roues avec un AEL et un faux-rond. Dans le cas de la roue avec un méplat, elles peuvent atteindre 25 dB. Cela dit, les mêmes émergences sont observées dans chaque spectre de rugosité, pour chaque roue. Pour identifier les fréquences d’excitation et comparer les différentes mesures de rugosité, on se base donc sur un spectre moyen de rugosité pour chaque roue ainsi que pour celle du rail.