Soutenance mémoire
Technologie ferroviaire et principe de freinage
Avec l’augmentation des vitesses, les systèmes de freinage doivent être de plus en plus performants. Autrefois les freins étaient actionnés manuellement par des serres freins, puis est arrivé le freinage pneumatique. Aujourd’hui le freinage est complété par des technologies telles que l’électricité, l’électronique ou l’électromagnétisme. L’innovation dans ce domaine a permis d’utiliser certains types de freinage selon l’exploitation visé. Il est à signaler que la partie mécanique des freins se compose de semelles et/ou de disques. Le frein à semelle est le premier à avoir été utilisé sur les réseaux ferroviaire grâce à sa simplicité d’élaboration. Le frein à disque est ensuite apparu avec l’augmentation des vitesses puisqu’il évitait de trop faire intervenir la roue, cependant suite au cout important de la maintenance, l’utilisation de ce type de frein s’est limitée aux trains des transports des voyageurs. Chacun de ces types de freins se différencie par son matériau de réalisation. La partie commande est assez complexe notamment par les nombreux organes qu’elle fait intervenir. Il existe plusieurs types de commandes selon le freinage souhaité. La plus simple à mettre en œuvre étant la commande du frein direct puis vient celle du frein automatique qui fonctionne principalement grâce à la triple valve et enfin celle du frein électropneumatique qui consiste à compléter le freinage pneumatique par un circuit électrique .
Principe de fonctionnement
Le système de freinage pneumatique d’un wagon est composé de 4 éléments principaux : la conduite générale, le distributeur, les réservoirs d’air et la timonerie mécanique . Chaque wagon est équipé de 2 réservoirs d’air : un auxiliaire et un d’urgence. Le réservoir auxiliaire alimente le cylindre de frein lorsque les freins de service sont serrés. Quand les freins d’urgence sont serrés, l’air comprimé provenant des réservoirs d’urgence et auxiliaire alimente le cylindre de frein, créant une force de freinage supérieure à un freinage de service. Le principal équipement du freinage du wagon est la timonerie de frein. C’est le mécanisme qui transmet aux sabots l’effort exercé par l’air comprimé.
Elle se compose d’un ensemble de leviers et de bielles disposés de façon à transmettre les efforts avec le meilleur rendement possible. Les balanciers sont montés de façon à être perpendiculaires à l’axe longitudinal du cylindre quand le piston a effectué la moitié de sa course. Pour ramener la timonerie dans sa position normale, un ressort est placé entre les balanciers.
Les temps du régime des trains transporteurs de marchandises sont très longs, de manière à absorber l’importante disparité des performances de freinage des wagons et éviter une trop brusque mise en freinage des véhicules de tête par rapport aux véhicules de queue, au regard des temps de propagation des variations de pression le long de la CG.
Le principe du frein pneumatique étant basé sur l’alimentation des cylindres de frein en air comprimé pour assurer le freinage, il est nécessaire de disposer d’une réserve d’air dans laquelle le distributeur va puiser pour alimenter les cylindres de frein. Il faut savoir que durant le freinage il est impossible de puiser l’air dans la CG sous peine de faire chuter la pression dans celle-ci plus bas que ce que requis par le conducteur. Par ailleurs, le frein doit être automatique, ceci implique que chaque véhicule puisse localement stocker une réserve d’énergie de freinage, donc d’air comprimé. C’est pourquoi un réservoir de volume important, dit réservoir auxiliaire (RA) est installé. Il est mis en pression par le distributeur pendant les phases de desserrage du frein, ce en puisant de l’air dans la CG : la phase de desserrage correspond à une phase où la CG est en cours de remplissage, et l’on peut alors y puiser de l’air fourni par le réservoir principal de la locomotive via le robinet de mécanicien. Lorsque la pression dans la CG décroît, le distributeur isole le RA de la CG et se sert de l’air qui y est stocké pour alimenter les cylindres de frein. [4] La timonerie est aussi équipée d’une conduite générale qui représente un tuyau qui relie les wagons les uns aux autres jusqu’à la locomotive de tête. Elle sert à alimenter en air comprimé les réservoirs du matériel roulant et à communiquer au distributeur de serrer ou de relâcher les freins .
Les essais de frein effectués ont montré que la plupart des véhicules ont un comportement des freins à décélération pratiquement constante. La décélération momentanée n’augmente que dans la gamme de vitesses la plus faible sur certains types de constructions de véhicules en raison du coefficient de frottement croissant entre semelle de frein et roue. Son effet est d’ailleurs positif pour la sécurité (la distance de freinage est, dans la pratique, plus courte que si l’on admet une décélération constante sur toute la gamme de vitesses). La décélération moyenne d’un véhicule sur tout le freinage diminue avec la vitesse initiale, notamment si le temps de remplissage du cylindre de frein est long. Cette constatation n’est faite que si l’on considère de manière indifférenciée toute la distance de freinage depuis l’activation jusqu’ à l’immobilisation. Plus la vitesse est faible, plus l’influence du temps de réaction (de l’activation du freinage à un niveau suffisant de pression du cylindre de frein) sur la distance totale de freinage est forte.
Les courbes de freinage se calculent sur la base de la décélération moyenne a en m/s2 . Cette décélération moyenne ne doit pas être assimilée au rapport de freinage (pourcentage de freinage). Le principe est le suivant : « Un pourcentage de freinage de 100 équivaut à une décélération moyenne de 1 m/s2 obtenue lors d’un freinage à la vitesse initiale de 50 km/h sur une voie horizontale et calculée à partir de cette vitesse et du chemin de freinage ». Ainsi, toute la distance de freinage depuis l’activation du freinage jusqu’à l’arrêt complet est prise en compte. Si le cylindre de frein se remplit en 2,5 s, la décélération qui s’ensuit doit atteindre en moyenne 1,6 m/s2 pour respecter la même distance de freinage de 96 m. La décélération moyenne est considérée comme décélération constante jusqu’à l’immobilisation .
Simulation d’un freinage
Des essais au lancer avec un seul wagon ont eu lieu avec des vitesses initiales de 30, 50 et 90 km/h. Pour plus de clarté, un seul freinage est représenté par la vitesse initiale. En fait, les essais ont été réitérés 4 fois chacun et se sont avérés d’une reproductibilité optimale. La courbe des vitesses a été mesurée au moyen d’un radar à partir de l’activation du freinage. Le freinage a été activé manuellement. Un contact à la soupape de frein démarrait simultanément la mesure de la vitesse. Les essais ont été effectués avec des wagons des séries en service :
– B 2439 (EW II) équipé d’un frein à air comprimé commandé
– D 4209, wagon équipé d’un frein à vide simple.
L’allure de la courbe de freinage qui est d’abord celle d’une droite légèrement descendante correspond à la marche avec frein desserré. La légère décélération correspond à la résistance au roulement et à la résistance de l’air ainsi qu’à la montée de 5 ‰ sur le lieu des essais (figure 3). Le temps de remplissage à 80 % du cylindre de frein du wagon testé s’élève à 2,6 s, après quoi la courbe représente le freinage avec décélération constante jusqu’à l’arrêt complet. Le calcul était basé sur une vitesse maximale de 90 km/h et une décélération de 1,73 m/s2 . Les mêmes paramètres donnent une distance de freinage légèrement plus longue que celle de la mesure pour les essais à partir de vitesses initiales de 30 et de 50 km/h.
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Table des matières
Introduction générale
Présentation du mémoire
Chapitre I : Etude Bibliographique
I.1. Technologie ferroviaire et principe de freinage
I.1.1Introduction
I.1.2 Principe de fonctionnement
I.1.3 Détermination de la distance d’arrêt
I.1.4 Formules de calcul
I.1.5 Distance totale de freinage
I.1.6 Simulation d’un freinage
I.2 Développement des systèmes de freinage
I.2.1 Le frein à semelle en fonte
I.2.2 Le frein à semelles en matériau composite
I.2.3 Le frein à semelles en matériau fritté
I.2.4 Le frein à disque
I.3 Les roues de train, fonctionnement et modélisation
I.3.1 Ecartement des roues
I.3.2 Montage des roues
I.3.3 Profils des toiles de roues
I.3.4 Profils de la table de roulement
I.3.5 La dégradation de la roue
I.3.6 Avaries de la roue
I.3.7 Caractérisation du matériau de la roue
I.3.8 La fatigue de la roue ferroviaire
I.3.9 Contact roues-sabots
I.4 Procédure d’essai de freinage
I.4.1 Procédure d’essai de freinage en ligne
I.4.2 Procédure d’essai de rupture au banc
I.5 Généralités sur les origines des avaries
I.6 Les matériaux composites à matrices de polymères renforcés avec des fibres (PRFC)
I.7 Composition et microstructure des composites à matrice organique
I.8 Rôles des constituants sur le comportement du matériau composite
I.8.1 Les liants
I.8.2 Les fibres de renforcement
I.8.3 Les charges
I.8.4 Liaison Fibres/matrice
I.8.5 Procédé de fabrication des matériaux composites à matrice organique
I.8.6 Caractéristiques exigées pour le choix du matériau composite
I.9 Analyses sur l’identification et l’utilisation de semelles de frein en matériaux composites et caractérisation du comportement
I.10 L’emploi des composites carbone carbone CC de type organique et leur frottement
Chapitre II : METHODOLOGIE EXPERIMENTALE
II.1 Matériau constituant les sabots
II.2 Protocole expérimental et méthodologie adoptée
II.2.1 Introduction
II.3 Protocole de caractérisation physico mécanique
II.3.1 Mesure de la masse volumique
II.3.2 Mesure de la dureté Rockwell
II.3.3 Test tribologique d’usure
II.3.4 Mesure de la résistance à la compression : dispositif de compression
II.4 Diagnostic des usures et protocoles expérimentaux des essais en service
II.5 Tests mécaniques d’homologation des résistances au cisaillement et à la flexion trois points
II.5.1 Résistance au cisaillement
II.5.2 Résistance à la flexion
Chapitre III : RESULTATS ET DISCUSSION
III.1 Masse volumique du composite C/C
III.2 Dureté
III.3 Analyse des résultats de la résistance à la compression et discussion
III.3.1 Courbe charge-déplacement en compression du matériau de l’étude
III.3.2 Contrainte à la rupture
III.3.3 Modes de rupture en compression
III.4 Test tribologique d’usure
III.5 Résultats des essais en ligne (en exploitation)
III.5.1 Période hivernale
III.5.2 Période estivale
III.5.3 constat
III.6 Résultats et discussion des tests d’homologation
III.6.1 Résultats de l’essai de cisaillement
III.6.2 Résultats des essais de la flexion
Conclusion générale
Références bibliographiques
