Adhésion ferroviaire

Roue motrice de la locomotive à vapeur

Un chemin de fer à adhérence repose sur la traction par adhérence pour déplacer le train. La traction par adhérence est le frottement entre les roues motrices et le rail en acier. [1] Le terme « chemin de fer à adhérence » est utilisé uniquement lorsqu'il est nécessaire de distinguer les chemins de fer à adhérence des chemins de fer déplacés par d'autres moyens, tels que par une machine à l'arrêt tirant sur un câble attaché aux voitures ou par des chemins de fer qui sont déplacés par un pignon . engrenage avec une crémaillère .

Le frottement entre les roues et les rails se produit dans l' interface roue-rail ou zone de contact. La force de traction, les forces de freinage et les forces de centrage contribuent toutes à un fonctionnement stable. Cependant, le frottement de roulement augmente les coûts en nécessitant une consommation de carburant plus élevée et en augmentant l'entretien nécessaire pour traiter les dommages de fatigue (matériaux) , l'usure des têtes de rail et des jantes de roue et le mouvement du rail dû aux forces de traction et de freinage.

Variation du coefficient de frottement

La traction ou la friction est réduite lorsque le dessus du rail est mouillé ou givré ou contaminé par de la graisse, de l'huile ou des feuilles en décomposition qui se compactent en un revêtement de lignine dur et glissant . La contamination des feuilles peut être éliminée en appliquant du " Sandite " (un mélange gel-sable) des trains d'entretien, à l'aide d'épurateurs et de jets d'eau, et peut être réduite grâce à une gestion à long terme de la végétation en bordure de voie ferrée. Les locomotives et les tramways/trams utilisent du sable pour améliorer la traction lorsque les roues motrices commencent à patiner.

Effet des limites d'adhérence

L'adhérence est causée par le frottement , avec une force tangentielle maximale produite par une roue motrice avant le glissement donnée par :

F max (N) = coefficient de frottement × Poids sur roue (N) [2]

Habituellement, la force nécessaire pour commencer à glisser est supérieure à celle nécessaire pour continuer à glisser. Le premier concerne le frottement statique (appelé aussi " stiction " [3] ) ou "frottement limite", tandis que le second est le frottement dynamique, également appelé "frottement glissant".

Pour l'acier sur l'acier, le coefficient de frottement peut atteindre 0,78, dans des conditions de laboratoire, mais généralement sur les chemins de fer, il se situe entre 0,35 et 0,5, [ 4] tandis que dans des conditions extrêmes, il peut descendre jusqu'à 0,05. Ainsi, une locomotive de 100 tonnes pourrait avoir un effort de traction de 350 kilonewtons, dans les conditions idéales (en supposant qu'une force suffisante puisse être produite par le moteur), tombant à 50 kilonewtons dans les pires conditions.

Les locomotives à vapeur souffrent particulièrement des problèmes d'adhérence car la force de traction au niveau de la jante fluctue (en particulier dans les moteurs 2 ou la plupart des moteurs 4 cylindres) et, sur les grosses locomotives, toutes les roues ne sont pas entraînées. Le "facteur d'adhérence", étant le poids sur les roues motrices divisé par l'effort de traction théorique au démarrage, était généralement conçu pour être une valeur de 4 ou légèrement supérieure, reflétant un coefficient de frottement roue-rail typique de 0,25. Une locomotive avec un facteur d'adhérence bien inférieur à 4 serait très sujette au patinage des roues, bien que certaines locomotives à 3 cylindres, comme la classe SR V Schools, opéré avec un facteur d'adhérence inférieur à 4 car la force de traction au niveau de la jante fluctue moins. D'autres facteurs affectant la probabilité de patinage des roues comprennent la taille des roues et la sensibilité du régulateur/compétence du conducteur.

Adhésion tous temps

Le terme adhérence tous temps est généralement utilisé en Amérique du Nord et fait référence à l'adhérence disponible en mode traction avec une fiabilité de 99 % dans toutes les conditions météorologiques. [5]

Conditions de renversement

La vitesse maximale qu'un train peut effectuer autour d'un virage est limitée par le rayon de virage, la position du centre de masse des unités, l' écartement des roues et si la voie est surélevée ou inclinée .

Limite de renversement sur rayon de braquage serré

Le renversement se produit lorsque le moment de renversement dû à la force latérale ( accélération centrifuge ) est suffisant pour que la roue intérieure commence à se soulever du rail. Cela peut entraîner une perte d'adhérence, ce qui ralentit le train et empêche le renversement. Alternativement, l'inertie peut être suffisante pour amener le train à continuer à se déplacer à une vitesse provoquant le basculement complet du véhicule.

Pour un écartement des roues de 1,5 m, pas de dévers, une hauteur de centre de gravité de 3 m et une vitesse de 30 m/s (108 km/h), le rayon de virage est de 360 ​​m. Pour un train à grande vitesse moderne à 80 m/s, la limite de renversement serait d'environ 2,5 km. En pratique, le rayon de braquage minimal est bien supérieur à cela, car le contact entre les boudins de roue et le rail à grande vitesse pourrait causer des dommages importants aux deux. Pour les très hautes vitesses, la limite d'adhérence minimale apparaît là encore appropriée, impliquant un rayon de virage d'environ 13 km. En pratique, les lignes courbes utilisées pour les déplacements à grande vitesse sont surélevées ou inclinées afin que la limite de virage soit plus proche de 7 km.

Au XIXe siècle, il était largement admis que le couplage des roues motrices compromettrait les performances et était évité sur les moteurs destinés au service express de passagers. Avec une seule paire de roues motrices, la contrainte de contact hertzienne entre la roue et le rail nécessitait les roues de plus grand diamètre pouvant être adaptées. Le poids de la locomotive était limité par la contrainte exercée sur le rail et des bacs à sable étaient nécessaires, même dans des conditions d'adhérence raisonnables.

Stabilité directionnelle et instabilité de chasse

On peut penser que les roues sont maintenues sur les chenilles par les boudins. Cependant, un examen attentif d'une roue de chemin de fer typique révèle que la bande de roulement est brunie mais que la bride ne l'est pas - les brides entrent rarement en contact avec le rail et, lorsqu'elles le font, la majeure partie du contact est glissante. Le frottement d'un rebord sur la chenille dissipe de grandes quantités d'énergie, principalement sous forme de chaleur mais aussi de bruit et, s'il se prolongeait, il conduirait à une usure excessive des roues.

Le centrage est en fait réalisé par la mise en forme de la roue. La bande de roulement de la roue est légèrement effilée. Lorsque le train est au centre de la voie, la région des roues en contact avec le rail trace un cercle qui a le même diamètre pour les deux roues. Les vitesses des deux roues sont égales, donc le train se déplace en ligne droite.

Si au contraire l'essieu se déplace d'un côté, les diamètres des zones de contact, et donc les vitesses tangentielles des roues au niveau des surfaces de roulement, sont différents et l'essieu tend à revenir vers le centre. De plus, lorsque le train rencontre un virage non incliné , l'essieu se déplace légèrement latéralement, de sorte que la bande de roulement de la roue extérieure accélère de manière linéaire et que la bande de roulement de la roue intérieure ralentit, ce qui fait tourner le train au coin. Certains systèmes ferroviaires utilisent un profil de roue et de voie plat, s'appuyant uniquement sur le dévers pour réduire ou éliminer le contact avec la bride.

En comprenant comment le train reste sur la voie, il devient évident pourquoi les ingénieurs de locomotive de l'époque victorienne étaient opposés à l'accouplement des essieux montés. Cette simple action conique n'est possible qu'avec des essieux montés où chacun peut avoir un mouvement libre autour de son axe vertical. Si les essieux montés sont couplés de manière rigide, ce mouvement est limité, de sorte que le couplage des roues devrait introduire un glissement, entraînant une augmentation des pertes de roulement. Ce problème a été atténué dans une large mesure en veillant à ce que le diamètre de toutes les roues couplées corresponde très étroitement.

Avec un contact de roulement parfait entre la roue et le rail, ce comportement conique se manifeste par un balancement du train d'un côté à l'autre. En pratique, le balancement est amorti en dessous d'une vitesse critique, mais est amplifié par l'avancement du train au-dessus de la vitesse critique. Ce balancement latéral est connu sous le nom d'oscillation de chasse . Le phénomène de la chasse était connu à la fin du 19ème siècle, bien que la cause n'ait été entièrement comprise que dans les années 1920 et que des mesures pour l'éliminer n'aient été prises qu'à la fin des années 1960. La limitation de la vitesse maximale n'a pas été imposée par la puissance brute mais par la rencontre d'une instabilité dans le mouvement.

La description cinématique du mouvement des bandes de roulement coniques sur les deux rails est insuffisante pour décrire suffisamment bien la chasse pour prédire la vitesse critique. Il faut composer avec les forces en présence. Deux phénomènes doivent être pris en compte. Le premier est l'inertie des essieux et des carrosseries du véhicule, qui engendre des forces proportionnelles à l'accélération ; la seconde est la déformation de la roue et de la chenille au point de contact, donnant lieu à des forces élastiques. L'approximation cinématique correspond au cas dominé par les forces de contact.

Une analyse de la cinématique de l'action conique donne une estimation de la longueur d'onde de l'oscillation latérale : [6]

d est le calibre des roues, r est le rayon nominal des roues et k est la conicité des bandes de roulement. Pour une vitesse donnée, plus la longueur d'onde sera longue et plus les forces d'inertie seront faibles, donc plus il est probable que l'oscillation sera amortie. Comme la longueur d'onde augmente avec la réduction de la conicité, l'augmentation de la vitesse critique nécessite de réduire la conicité, ce qui implique un grand rayon de virage minimum.

Une analyse plus complète, tenant compte des forces réelles agissant, donne le résultat suivant pour la vitesse critique d'un essieu : [ clarification nécessaire ]

W est la charge à l'essieu de l'essieu, a est un facteur de forme lié à l'usure de la roue et du rail, C est le moment d'inertie de l'essieu perpendiculaire à l'essieu, m est la masse de l'essieu.

Le résultat est cohérent avec le résultat cinématique en ce sens que la vitesse critique dépend inversement de la conicité. Cela implique également que le poids de la masse en rotation soit minimisé par rapport au poids du véhicule. La jauge de roue apparaît à la fois au numérateur et au dénominateur, ce qui implique qu'elle n'a qu'un effet de second ordre sur la vitesse critique.

La situation réelle est beaucoup plus compliquée, car la réponse de la suspension du véhicule doit être prise en compte. Des ressorts de retenue, s'opposant au mouvement de lacet de l'essieu, et des dispositifs de retenue similaires sur les bogies , peuvent être utilisés pour augmenter davantage la vitesse critique. Cependant, afin d'atteindre les vitesses les plus élevées sans rencontrer d'instabilité, une réduction significative de la conicité des roues est nécessaire. Par exemple, la conicité des bandes de roulement des roues Shinkansen a été réduite à 1:40 (lorsque le Shinkansen a fonctionné pour la première fois) pour la stabilité à haute vitesse et les performances dans les courbes. [7]Cela dit, à partir des années 1980, les ingénieurs de Shinkansen ont développé une conicité efficace de 1:16 en effilant la roue avec plusieurs arcs, de sorte que la roue puisse fonctionner efficacement à la fois à grande vitesse et dans des courbes plus prononcées. [7]

Forces sur les roues, fluage

Le comportement des véhicules circulant sur des voies ferrées à adhérence est déterminé par les efforts s'exerçant entre deux surfaces en contact. Cela peut sembler trivialement simple d'un coup d'œil superficiel, mais cela devient extrêmement complexe lorsqu'il est étudié à la profondeur nécessaire pour prédire des résultats utiles.

La première erreur à corriger est l'hypothèse que les roues sont rondes. Un coup d'œil aux pneus d'une voiture garée montrera immédiatement que ce n'est pas vrai : la région en contact avec la route est sensiblement aplatie, de sorte que la roue et la route se conforment l'une à l'autre sur une région de contact. Si ce n'était pas le cas, la contrainte de contact d'une charge transférée via un contact de ligne serait infinie. Les rails et les roues de chemin de fer sont beaucoup plus rigides que les pneumatiques et le tarmac, mais la même distorsion se produit au niveau de la zone de contact. Typiquement, la zone de contact est elliptique, de l'ordre de 15 mm de diamètre. [8]

Un couple appliqué sur l'essieu provoque un fluage : différence entre la vitesse d'avancement et la vitesse circonférentielle , avec une force de fluage résultante .

La déformation de la roue et du rail est faible et localisée mais les forces qui en découlent sont importantes. En plus de la déformation due au poids, la roue et le rail se déforment lorsque les forces de freinage et d'accélération sont appliquées et lorsque le véhicule est soumis à des forces latérales. Ces forces tangentielles provoquent une distorsion dans la région où elles entrent en premier en contact, suivie d'une région de glissement. Le résultat net est que, lors de la traction, la roue n'avance pas aussi loin qu'on pourrait s'y attendre d'un contact de roulement mais, lors du freinage, elle avance davantage. Ce mélange de distorsion élastique et de glissement local est appelé "fluage" (à ne pas confondre avec le fluage des matériaux sous charge constante). La définition du fluage [9] dans ce contexte est :

Dans l'analyse de la dynamique des essieux montés et des véhicules ferroviaires complets, les forces de contact peuvent être traitées comme linéairement dépendantes du fluage [10] ( théorie linéaire de Joost Jacques Kalker , valable pour un faible fluage) ou des théories plus avancées peuvent être utilisées à partir du contact de frottement mécanique .

Les forces qui entraînent la stabilité directionnelle, la propulsion et le freinage peuvent toutes être attribuées au fluage. Il est présent dans une seule paire de roues et s'adaptera à la légère incompatibilité cinématique introduite par le couplage des essieux ensemble, sans provoquer de glissement grossier, comme on le craignait autrefois.

À condition que le rayon de braquage soit suffisamment grand (comme on peut s'y attendre pour les services express de passagers), deux ou trois essieux jumelés ne devraient pas poser de problème. Cependant, 10 roues motrices (5 essieux principaux) sont généralement associées aux locomotives de fret lourdes.

Faire avancer le train

Le chemin de fer à adhérence repose sur une combinaison de frottement et de poids pour démarrer un train. Les trains les plus lourds nécessitent le frottement le plus élevé et la locomotive la plus lourde. Le frottement peut varier considérablement, mais on savait sur les premiers chemins de fer que le sable aidait, et il est encore utilisé aujourd'hui, même sur les locomotives équipées de commandes de traction modernes. Pour démarrer les trains les plus lourds, la locomotive doit être aussi lourde que le peuvent tolérer les ponts le long de l'itinéraire et la voie elle-même. Le poids de la locomotive doit être partagé également par les roues entraînées, sans transfert de poids au fur et à mesure que la force de démarrage augmente. Les roues doivent tourner avec une force motrice constante sur la très petite surface de contact d'environ 1 cm 2entre chaque roue et le haut du rail. Le dessus du rail doit être sec, sans contamination d'origine humaine ou liée aux intempéries, comme l'huile ou la pluie. Du sable améliorant la friction ou un équivalent est nécessaire. Les roues motrices doivent tourner plus vite que la locomotive se déplace (connu sous le nom de contrôle de fluage) pour générer le coefficient de frottement maximal, et les essieux doivent être entraînés indépendamment avec leur propre contrôleur car différents essieux verront des conditions différentes. Le frottement maximal disponible se produit lorsque les roues glissent/rampent. Si la contamination est inévitable, les roues doivent être entraînées avec plus de fluage car, bien que le frottement soit réduit avec la contamination, le maximum pouvant être obtenu dans ces conditions se produit à des valeurs de fluage plus élevées. [11]Les contrôleurs doivent réagir aux différentes conditions de frottement le long de la piste.

Certaines des exigences de démarrage étaient un défi pour les concepteurs de locomotives à vapeur - "des systèmes de ponçage qui ne fonctionnaient pas, des commandes peu pratiques à utiliser, une lubrification qui crachait de l'huile partout, des drains qui mouillaient les rails, etc.." [12 ] dû attendre les transmissions électriques modernes sur les locomotives diesel et électriques.

La force de frottement sur les rails et la quantité de patinage des roues diminuent régulièrement à mesure que le train prend de la vitesse.

Une roue entraînée ne roule pas librement mais tourne plus vite que la vitesse correspondante de la locomotive. La différence entre les deux est connue sous le nom de "vitesse de glissement". "Slip" est la "vitesse de glissement" comparée à la "vitesse du véhicule". Lorsqu'une roue roule librement le long du rail, la zone de contact se trouve dans ce que l'on appelle un état de "collage". Si la roue est entraînée ou freinée, la proportion de l'aire de contact avec la condition de « collage » diminue et une proportion progressivement croissante se trouve dans ce que l'on appelle une « condition de glissement ». Cette zone de « collage » décroissante et cette zone de « glissement » croissante supportent une augmentation progressive du couple de traction ou de freinage qui peut être maintenu lorsque la force au niveau de la jante de roue augmente jusqu'à ce que toute la zone soit « glissante ». [13]La zone "glissante" assure la traction. Pendant la transition de l'état sans couple "tout bâton" à l'état "tout glissement", la roue a connu une augmentation progressive du glissement, également connu sous le nom de fluage et fluage. Les locomotives à haute adhérence contrôlent le fluage des roues pour donner un maximum d'effort lors du démarrage et de la traction lente d'un train lourd.

Le glissement est la vitesse supplémentaire de la roue et le fluage est le niveau de glissement divisé par la vitesse de la locomotive. Ces paramètres sont ceux qui sont mesurés et qui rentrent dans le contrôleur de fluage. [14]

Ponçage

Sur un chemin de fer à adhérence, la plupart des locomotives auront un récipient de confinement de sable. Du sable correctement séché peut être déposé sur le rail pour améliorer la traction dans des conditions glissantes. Le sable est le plus souvent appliqué à l'aide d'air comprimé via une tour, une grue, un silo ou un train. [15] [16] Lorsqu'un moteur patine, en particulier lors du démarrage d'un train lourd, le sable appliqué à l'avant des roues motrices aide grandement à l'effort de traction, provoquant le "soulèvement" du train ou le début du mouvement prévu par le conducteur du moteur. .

Le ponçage a cependant aussi des effets négatifs. Cela peut provoquer un "film de sable", qui se compose de sable concassé, qui est comprimé en un film sur la piste où les roues entrent en contact. Avec un peu d'humidité sur la piste, qui agit comme un adhésif léger et maintient le sable appliqué sur la piste, les roues "cuisent" le sable broyé en une couche de sable plus solide. Du fait que le sable est appliqué sur les premières roues de la locomotive, les roues suivantes peuvent rouler, au moins partiellement et pour un temps limité, sur une couche de sable (film de sable). Pendant le déplacement, cela signifie que les locomotives électriques peuvent perdre le contact avec le sol de la voie, ce qui amène la locomotive à créer des interférences électromagnétiques et des courants à travers les attelages. A l'arrêt, lorsque la locomotive est garée, les circuits de voiepeut détecter une voie vide parce que la locomotive est électriquement isolée de la voie. [17]

Voir également

Notes de bas de page

  1. ^ "Adhésion combinée et chemins de fer à crémaillère" . The Railway News et Joint Stock Journal . Londres. 51 (1307): 100–101. 19 janvier 1889.
  2. ^ Mécanique d'ingénierie. PHI Apprentissage Pvt. Ltd. 2013-01-01. ISBN 9788120342941.
  3. ^ Shoukat Choudhury, MAA; Thornhill, Terre-Neuve-et-Labrador ; Shah, SL (2005). "Modélisation du frottement des vannes". Pratique de l'ingénierie de contrôle . 13 (5): 641–658. CiteSeerX 10.1.1.135.3387 . doi :10.1016/j.conengprac.2004.05.005. 
  4. ^ École Polytechnique Fédérale de Lausanne . "Traction Electrique - Principes de base" (PDF) .
  5. ^ "EPR 012: Test d'adhérence tous temps de la locomotive" (PDF) . Rail Corp. Octobre 2011. Archivé de l'original (PDF) le 21 juin 2014 . Consulté le 25 octobre 2014 .
  6. ^ "Livre : Le Patch de Contact".
  7. ^ un "Copie archivée" (PDF) . Archivé de l'original (PDF) le 2014-11-06 . Récupéré le 30/11/2017 .{{cite web}}: Maint CS1 : copie archivée comme titre ( lien )
  8. ^ "Science de la Locomotion Ferroviaire". www.brooklynrail.net . Récupéré le 04/02/2016 .
  9. ^ Wickens (2003), p. 6, Section 1.3 Fluage (voir Fig. 1.5a)
  10. ^ Voir *Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. (en russe) "Тяга поездов" (Traction des trains) Учебное пособие. - М.: Транспорт, 1987. - Fig. 2.3 p.30 pour une courbe (linéaire au départ) reliant le fluage à l'effort tangentiel
  11. ^ Locomotives de fret lourd de Grande-Bretagne, Denis Griffiths 1993, Patrick Stephens Ltd, ISBN 1-85260-399-2 p.165 
  12. ^ "Le diable rouge et autres contes de l'âge de la vapeur" par D.Wardale, (1998) ISBN 0-9529998-0-3 , p.496 
  13. ^ http://ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/S2015/FWLM/OtherSuppMtls/AdditionalPapers/Olofsson-Tribology-Wheel-RailContact.pdf Archivé le 29/03/2017 à la Wayback Machine fig 5.12
  14. ^ "Adhésion" (PDF) . indianrailways.gov.in . Récupéré le 11 avril 2023 .
  15. ^ "Systèmes de ponçage de locomotive et traction ferroviaire | Cyclonaire" . Cyclonaire . Archivé de l'original le 18/10/2015 . Récupéré le 04/02/2016 .
  16. ^ "L'énigme du rail d'adhérence - S'assurer que les trains peuvent freiner | Ingénierie et environnement | Université de Southampton" . www.southampton.ac.uk . Récupéré le 04/02/2016 .
  17. ^ Bernd Sengespeick (2013-08-08). "Service climatisation véhicule hybride" (PDF) . ABE. Archivé de l'original (PDF) le 2016-09-17 . Récupéré le 08/08/2013 .

Sources

  • Carter, FW (25 juillet 1928). Sur la stabilité de fonctionnement des locomotives . Proc. Société royale.
  • Inglis, Sir Charles (1951). Mathématiques Appliquées à l'Ingénieur . La presse de l'Universite de Cambridge. p. 194–195.
  • Wickens, AH (1965-1966). "La dynamique des véhicules ferroviaires sur voie droite: considérations fondamentales de stabilité latérale". Proc. Inst. Méca. Ing. : 29.
  • Wickens, AH; Gilchrist, AO ; Hobbs, AEW (1969-1970). Conception de la suspension pour les véhicules de fret à deux essieux hautes performances . Proc. Inst. Méca. Ing. p. 22.par AH Wickens
  • Wickens, AH (1er janvier 2003). Fondamentaux de la dynamique des véhicules ferroviaires : guidage et stabilité . Swets & Zeitlinger.