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Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (24/03/1997), Jean-Pierre PASCAL (Dir.)
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Étude de l'usure et de l'endommagement du roulement ferroviaire avec des modèles d'essieux non-rigides
Brahim Soua1

L'étude ferroviaire présentée dans ce mémoire traite de trois types de dégradations de profils des roues et des rails en service. Comme tous les solides devant assurer une liaison par contact, les roues et les rails ferroviaires sont affectés par des dégradations telles que l'usure et la fatigue. Dans un premier temps, on s'intéresse à l'usure régulière des profils des roues et des rails. Ce type d'usure influence en particulier la stabilité des véhicules, donc le confort et la sécurité. Nous exposons notre modèle de simulation numérique de l'usure transverse des profils ; sa validation étant assurée par des applications à des profils mesurés sur le réseau S.N.C.F. Nous abordons ensuite le phénomène d'usure irrégulière longitudinale des roues à grande vitesse. Nous traitons cette partie avec de nouvelles hypothèses sur un mécanisme d'apparition d'ondulations. L'origine de ce phénomène est due au couplage, à travers le contact, de la dynamique transversale des bogies et de la torsion de l'axe des essieux. En nous appuyant sur deux modèles de simulations numériques, nous montrons la validité des hypothèses et nous mettons en évidence le mécanisme d'usure irrégulière longitudinale des roues. La dernière partie est consacrée à la fatigue des rails soumis au contact roulant, on y étudie une forme particulière appelée le Head Checking. Une première phase, basée sur l'étude des efforts de contact dus au comportement en courbes de certains véhicules ferroviaires, nous permet d'isoler les caractéristiques du système véhicule-voie les plus contraignantes. Une seconde étape consiste à étudier les conditions d'amorçage des fissures par deux approches : le critère de Dang Van et la mécanique de l'endommagement. Les résultats obtenus nous permettent de proposer des dispositions qui semblent appropriées à la lutte contre le Head Checking.
1:  LTN - Laboratoire des Technologies Nouvelles
construction mécanique – véhicule ferroviaire – usure – profil – roue motrice – rail – fatigue – contact roulant – endommagement – simulation numérique – ondulation – usure ondulatoire – essieu

The railway study presented in this thesis deals with three types of wheel and rail service degradations. Every solid which has a contact connection, wheel and rail, are subject to degradations such as wear and fatigue. Wheel-rail wear may be considered in two forms. The first is a uniform loss of cross section, the second is a non-uniform loss of cross section. This second form results in rail corrugation or wheel polygonisation. Initially, the first type of wear of wheel and rail profiles was of interest. This type of wear affects vehicle stability, consequently ride quality and safety. Our model for numerical simulations of this type of wear is presented; its validation is supported by comparisons of computed wear profiles to measured profiles over the S.N.C.F. network. The irregular longitudinal wear of high speed wheel profiles is studied. A new hypothesis is applied for dealing with the generating mechanism for corrugation. This is coupling of the wheel set axle torsional vibrations to the lateral dynamic vibrations of the bogie which generate corrugation wear. The coupling occurs through the wheel-rail contact. This is supported by numerical simulations with two models. The hypothesis is validated and the mechanism of irregular longitudinal wear is shown up. The last part is devoted to rail Rolling Contact Fatigue, where Head Checking is studied. At first, the parameters most influencing the vehicle-track system were isolated by studying contact forces induced by the behavior of some railway vehicles in curves. Secondly, two methods are used to deal with crack initiation: the Dang Van criterion and the Damage Mechanics. Results allow to propose appropriated devices to avoid Head Checking.

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