Utilisation dans le domaine ferroviaire

2.1.4.1 Contact roue/rail, roue/cœur de voie

Les contraintes en service (contact roue/rail ou roue/cœur de voie) sont

essentiellement normales aux surfaces de contact (figure 2.4). Cependant, elles coexistent

avec des contraintes de cisaillement (cissions) orientées selon différentes directions et qui jouent sans doute un rôle important dans le développement de la fissuration. Ces contraintes de contact répétées durcissent les couches superficielles des cœurs, le processus atteignant la

limite de fatigue si l’usure ne peut éliminer la couche superficielle endommagée [4].

Plusieurs études du contact roue rail ont été réalisées [36-39]. Selon ces travaux, la

pression de contact roue/rail est égale à 1000 MPa dans le cas où la roue est neuve. En revanche, si la roue est usée, la pression de contact diminue et varie entre 500 et 700 MPa.

Kapoor et al. [36] ont étudié l’effet de la rugosité de surface sur la déformation plastique des

rails. Ils ont montré par des essais expérimentaux et par calcul de la pression de contact (contact disque/disque) que plus la surface est rugueuse, plus la pression de contact est élevée, et par suite la déformation plastique importante. Il faut noter que la surface de contact roue/rail est une ellipse, tandis que celle crée par le contact disque/disque est une ligne.

Xiaoyu et al [38] ont modélisé le contact roue/rail, pour déterminer les effets de la vitesse du

train et de son poids sur l’usure des rails. Ils ont montré les différences entre le contact de Hertz et la modélisation statique et dynamique du contact. En effet, plus la vitesse et le chargement sont importants, plus les résultats (pression de contact) divergent (surestimation) de ceux déterminés par la théorie de Hertz.

Figure 2.4 : Contact roue/rail : a. forces appliquées, b. configuration de contact et c. Distribution de la pression de contact et des contraintes longitudinale dans le rail. [35].

Seuls Wiest et al. [40-42] ont abordé le problème de contact roue/cœurs de voie. Ils

ont calculé la pression de contact maximale par la théorie de Hertz modifiée pour un contact roue/rail et roue/pointe de cœur de voie pour un chargement de 80 KN, et montrent une évolution très importante de ces valeurs avant et après endommagement. En effet, à l’état initial la pression maximale est de l’ordre de 4000 MPa sur la pointe d’un cœur de voie et elle descend jusqu'à 1800 MPa après endommagement ; pour un contact roue/rail neuf, elle est égale à 1100 MPa et ne dépasse pas 700 MPa après endommagement. Cette variation est due à l’augmentation de la surface de contact et la perte de la géométrie initiale au cours du temps.

Ils ont montré par modélisation dynamique du contact [41], que la pression de contact sur la

pointe du cœur est 2 à 4 fois celle déterminée quand le contact est statique. La modélisation

Force Verticale _Force Longitudinale Force latérale Roue Sens de rotation Direction du trafic Fissure Rail Roue Champignon Pression de contact (effort axial) Contraintes de flexion

(effort axial) Contraintes résiduelles

Contraintes de Cisaille- ment (effort axial)

Contraintes Thermiques Contraintes Thermiques a b c

d’un chargement de 80 KN appliquée par la roue à 160 Km/h, produit une force de réaction verticale de 220 KN sur le cœur de voie, ce qui donne une pression de contact de 1140 MPa et une contrainte de Von Mises égale à 500 MPa. Des mesures de la force verticale sur

différentes configurations de voies confirment ces valeurs [41].

2.1.4.2 Résistance à l’usure et à la fatigue de contact par roulement

Dans la plupart des travaux dans le domaine ferroviaire, seule l’usure lors du contact roue/rail a été étudiée. Des essais de laboratoire ont été utilisés afin de sélectionner le

matériau des roues ou des rails. Peter et al. [43] ont constaté que l’utilisation d’un acier type

R350 au lieu de R260 permet une diminution importante de la valeur de l’usure et de la

fatigue de contact. D’autres solutions ont été explorées. Satoh et al. [44] ont montré l’effet du

meulage des rails qui permet d’avoir un meilleur état de surface et d’éliminer les aspérités qui sont à l’origine de la rupture en fatigue et ainsi augmenter la durée de vie de ces pièces.

Franklin et al. [45] ont montré que le revêtement laser des rails permet un gain de la résistance

à l’usure. Leurs résultats ont été confirmés par des essais à l’échelle réelle.

La fatigue de contact par roulement est largement étudiée dans la littérature

notamment pour optimiser le choix du matériau des rails de chemin de fer [46-51]. Dans ces

études, la résistance à la fatigue de contact par roulement de plusieurs matériaux pour rail a

été testée sur des bancs d’essais de type disque/disque. D’autres travaux [52-53] ont été

consacrés à l’étude de l’effet de paramètres tels que l’état de surface et la géométrie de contact du couple roue-rail sur leur résistance à la fatigue de contact. Des études plus récentes

[54-55] ont abordé le problème de la fatigue de contact par roulement dans des cas plus généraux, en intégrant d’autres paramètres tels que l’endommagement et les contraintes résiduelles.

Les résultats de telles études, notamment de l’influence de la rugosité ou de l’état de surface sur la résistance à l’usure, peuvent probablement être étendus au cas des cours de voie. Cependant leur comportement rhéologique particulier nécessiterait de les quantifier par des études dédiées. Il en va de même pour la résistance à la fatigue de contact par roulement de cet acier qui est extrêmement peu documentée.