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Thèse soutenue

Analyse tribologique du contact roue-rail : modélisation et expérimentations : cas de l'usure ondulatoire

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Auteur / Autrice : Aurélien Saulot
Direction : Yves Berthier, Sylvie Descartes
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance en 2005
Etablissement(s) : Lyon, INSA

Résumé

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Depuis plus d'un siècle, les rails des transports urbains ferrés (tramways, métros) sont affectés d'une usure périodique de leur surface de contact appelée "usure ondulatoire". Lors du passage d'un train sur une voie en étant affectée, il apparaît d'importantes nuisances sonores et vibratoires dont les niveaux dépassent fréquemment les normes fixées par la loi. Les réseaux urbains sont alors contraints de procéder à des opérations coûteuses et répétées d'abrasion mécanique de la surface des rails par meulage, actuellement le seul moyen efficace de contrôle du développement de l'usure ondulatoire. Depuis des décennies, cette usure a été l'objet d'études centrées principalement sur des analyses vibratoires de ses conséquences plutôt que sur des analyses temporelles des interactions locales de contact à l'origine de sa formation. Afin de pallier ce manque, une démarche centrée sur l'analyse tribologique locale du contact roue-rail est proposée et appliquée aux cas particuliers de l'usure ondulatoire des voies rectilignes en zone d'accélération et celle des voies courbes de faible rayon. Tout d'abord, les résultats des analyses tribologiques des surfaces frottantes ont permis, dans les deux cas, de caractériser le circuit tribologique de l'usure ondulatoire établie. Cependant, l'influence de sa géométrie sur les débits qui ont mené initialement à sa formation reste à déterminer. Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies rectilignes, un modèle numérique longitudinal en 2-dimensions de contact roue-rail a été mis en œuvre pour pallier le manque d'instrumentation physique du contact. Dans des conditions reproduisant l'accélération d'un train, des régimes d'instabilités (adhérence-glissement) se développent naturellement dans le contact et ont pour conséquence d'induire des températures de contact et des déformations plastiques périodiques de la surface du rail qui sont comparables à celles de l'usure ondulatoire étudiée expérimentalement. Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies courbes, une instrumentation sur site à l'échelle de la roue et du rail (collaboration RATP et Railtech) a été mise en œuvre. Des glissements latéraux périodiques spécifiques des zones d'usure ondulatoire ont alors été identifiés. Confirmés par des essais sur banc visant à reproduire ce type d'usure (collaboration Lucchini et Politecnico di Milano), ces glissement latéraux périodiques sont bien à l'origine de la formation de l'usure ondulatoire des voies courbes