Soutenance mémoire
État de surface
L’état de surface est un facteur très influent sur la résistance à la fatigue. Les états de surface des roues sont spécifiés dans la norme [2]. Celle-ci définit deux catégories de roue pour la grande vitesse (Cat. 1) et la vitesse normale (Cat. 2). Pour chaque catégorie, un état de surface est requis pour chaque partie de la roue. Pour la toile qui est notre zone d’intérêt, les états de surface demandés sont précisés dans le tableau 1.1 de la page 12. Pour chaque catégorie, on verra par la suite que les limites de fatigue considérées ne sont pas les mêmes. La roue E est de catégorie 1 alors que les autres roues sont de catégorie 2. Dans les faits, les états de surface des roues de catégorie 2 de notre étude sont livrés avec une cible de Ra ≤ 6, 3µm, à la demande de SNCF, par prévention, afin d’accroitre la sécurité. Certaines surfaces de la roue D sont usinées avec des états de surface plus restrictifs car elles participent notamment au positionnement des disques de frein sur la roue elle même, ainsi des rugosités avec des Ra = 6, 3µm sont spécifiées. Aucun essai de fatigue n’a été réalisé pour l’état de surface Ra = 6.3µm. Il est donc d’usage aujourd’hui d’utiliser les données de fatigue de catégorie 2 à Ra = 12, 5µm pour valider la conception.
Observation microscopique
Le procédé de fabrication des roues a un effet non négligeable sur la microstructure de notre acier. Le processus de trempe de la jante va ainsi engendrer des contraintes résiduelles dans toute la roue. La fabrication va aussi induire une anisotropie à l’échelle microscopique et donc une variabilité dans les caractéristiques mécaniques. Benabes [7] et Hamam [25] notent que le matériau a une microstructure ferrito-perlitique à perlite lamellaire. La structure est anisotrope avec une variation du taux de ferrite. Il y a une orientation privilégiée des grains à cause du laminage vertical et du forgeage. Benabes [7] note la présence de sulfure de manganèse localisé dans la ferrite. Les fissures en fatigue s’initient sur ces défauts (cf. figure 1.7, page 14). Les étapes de fabrication de la roue présentées précédemment induisent des contraintes résiduelles importantes dans la roue de l’ordre de plusieurs centaines de MPa (cf. partie 1.3.2, page 21).
Chargements de fatigue
Le chargement cyclique résultant de l’interaction entre la roue et le rail est généralement représenté par des chargements globaux variables. Suivant le(s) point(s) de contact entre la roue et le rail, les résultats d’effort ont des directions et des amplitudes variables. On peut décomposer ce chargement en un chargement vertical Q et latéral Y. Il existe trois cas de chargements principaux. On définit les cas de cette manière : en alignement le chargement latéral est nul , il est positif en courbe et négatif en passage dans les appareils de voie. Le(s) point(s) d’application des efforts peut varier. La courbe peut générer aussi sur certaines roues du bogie un chargement latéral négatif. De manière générale, en alignement, les chargements latéraux oscillent autour de zéro. Les valeurs des efforts dépendent de plusieurs facteurs :
_ la charge du train ;
_ la vitesse du train ;
_ les caractéristiques de la voie en général et plus particulièrement la courbure. De manière générale, les chargements sont variables et seuls des essais en ligne, consistant à mesurer ces essais en condition réelle, sont à même de nous informer sur les valeurs et la variabilité de ces efforts. On considère que ces chargements sont toutefois assez constants lors d’une rotation de roue ce qui permet de faire l’hypothèse suivante : une rotation de la roue avec des efforts constants entre la roue et le rail induit un cycle de fatigue.
Chargements de fatigue thermique
Dans cette étude, les chargement thermiques ne sont pas considérés car, même si la température de la roue peut évoluer dans les cycles de freinage, c’est la table de roulement qui subit principalement les contraintes thermiques dans le cas du freinage semelle (roue A , B et C) ou ce sont les disques dans le cas des roues D et E (les disques sont montés sur l’axe dans le cas de la roue E). On note toutefois que des dispositions particulières sont mises en œuvre pour vérifier la criticité de ces chargements (cf. partie 1.3.2, page 21).
Contraintes résiduelles
La toile de roue peut présenter de fortes contraintes résiduelles de traction et de compression qui sont issues :
_ du traitement thermique de la jante de la roue (où on recherche un niveau de contraintes résiduelles de compression pour satisfaire la norme NF EN 13262 [2] (cf. figure 1.11, page 21)). On estime les niveaux de contrainte dans la toile et dans la jante de l’ordre de plusieurs centaines de MPa.
_ de l’usinage de la toile.
On sait que la durée de vie en fatigue va être fortement influencée par ces contraintes. Le résultat des opérations de fabrication et de frettage de la roue sur l’axe (chargement statique introduit précédemment) constitue un champ de contrainte statique à considérer pour calculer finement la durée de vie. Des analyses DRX effectuées par Benabes [7] ont montré la présence de contraintes résiduelles de compression de l’ordre de 100 MPa sur des éprouvettes issues de roue. Selon lui, une partie des contraintes résiduelles se relaxent de façon significative après cyclage. Toutefois, une étude expérimentale menée par SNCF [19] a montré que pour une roue ayant subit 262600 kilomètres, les contraintes résiduelles dans la roue restent importantes et que la relaxation est par conséquant négligeable. Les valeurs des contraintes dans la toile de la roue (objet de notre étude) peuvent atteindre plusieurs centaines de MPa. Bernasconi et al [8] ont montré sur l’Acier R7T (proche de l’ER7) que le matériau est sensible à de fortes contraintes moyennes de compression (cf. figure 4.28, page 144).
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Table des matières
1 La roue ferroviaire : caractéristiques et dimensionnement en fatigue
1.1 Les roues ferroviaires
1.2 Matériau de la roue : Acier ER7
1.3 Analyse mécanique : chargements et contraintes
1.4 Méthode de dimensionnement normative
1.5 Limite de l’approche normative
2 Durée de vie en fatigue et équivalence du dommage : étude bibliographique
2.1 Chargement à amplitude constante
2.2 Chargement déterministe d’amplitude variable
2.3 Chargement aléatoire statistique
2.4 Méthode d’équivalence uni-axiale
2.5 Méthode d’équivalence de Genet
3 Proposition d’une méthode d’équivalence en fatigue pour la roue ferroviaire
3.1 Démarche de travail retenue pour l’obtention des efforts équivalents
3.2 Nouvelle campagne d’essais
3.3 Comparaison et choix des critères pertinents pour l’étude
4 Contribution au dimensionnement en fatigue des roues ferroviaires : estimation des chargements de conception et de la fiabilité
4.1 Méthode de recherche de chargements équivalents
4.2 Étude des chargements réels
4.3 Estimation des chargements de conception sur 5 roues 2/163
4.4 Estimation de la fiabilité d’une roue ferroviaire : Exemple de la roue D
4.5 Calcul de la criticité vis-à-vis des chargements réels et des contraintes résiduelles sur la roue E
A Annexe
A.1 Géométrie et plans d’extraction des éprouvettes de fatigue
A.2 Construction des matrices d’usages virtuels
A.3 Contraintes statiques : comparaisons des différents modèles
Bibliographie
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