Lorsque l’on considère tous les composants et sous-ensembles qui constituent un système de matériel roulant et son environnement, il peut être utile de tracer une ligne imaginaire le long de la partie supérieure du rail. Cette ligne divise le système en deux grands groupes. Le premier groupe, situé au-dessus de la ligne, est le « matériel roulant », représenté par un châssis de bogie (ou une combinaison de deux châssis latéraux et d’une traverse) ainsi que les suspensions primaires et secondaires et le wagon. Le deuxième groupe, situé sous la ligne, correspond à la « voie », représentée par les rails, les attaches, les traverses, le ballast et autres composants. Le point de contact entre les deux groupes est l’essieu avec un jeu de roues.
Alors que la plupart des éléments les plus simples de ce système peuvent être traités par des essais de base sur les composants, l’évaluation d’un composant ou d’un sous-ensemble du matériel roulant nécessite la prise en compte de trois facteurs tout aussi importants : la fatigue, la performance et le confort.
Si la durée de vie en fatigue n’est peut-être pas ce que le passager perçoit (ou même ce à quoi il pense) pendant le trajet, elle représente néanmoins un élément très important dans la conception et l’entretien du matériel roulant. Au cours du siècle dernier, l’industrie ferroviaire a compris et reconnu l’importance des essais de fatigue dans la conception et la fabrication des composants ferroviaires. Afin de garantir une durée de vie en fatigue constante et la sécurité des passagers, de nombreuses normes de certification ont été élaborées.
CONFORMITÉ AUX NORMES DE CERTIFICATION
Les fabricants de composants et de sous-systèmes ferroviaires doivent tester les composants et les sous-systèmes pour répondre aux normes de certification appropriées, y compris les normes internationales telles que la norme M-202-97 pour les traverses, la norme M-203-05 pour les châssis latéraux et la norme UIC 615 pour les bogies. Ces normes aident à définir les essais visant à établir la durée de vie en fatigue et la durabilité des nouveaux composants, et elles sont essentielles pour assurer le fonctionnement sûr et à long terme des lignes de passagers, de fret et de tramway.
Les essais de certification des bogies, des traverses et des châssis latéraux obligent les fabricants à effectuer des essais de sécurité et de fiabilité sur les structures et les composants de bogie dans des configurations spécifiques. Des charges statiques et dynamiques sont appliquées afin d’évaluer les performances, la force et l’endurance. Les résultats des essais comprennent les niveaux de charge de rendement et ultime à l’instant de rupture, ainsi que les données sur la durée de vie en fatigue.
Trois charges sont nécessaires pour contrôler correctement les traverses pivots : La charge de roche, le rebond central et le rebond de bord (voir Figure 1). Ces charges représentent les forces auxquelles la traverse est soumise dans son environnement de service réel. Pour le cadre latéral, trois charges sont également nécessaires : la torsion verticale, transversale et centrale (voir Figure 2). Tous ces vecteurs de force distincts sont importants pour présenter les charges et la répartition des contraintes appropriées au spécimen et contribuer à garantir une durée de vie en fatigue adéquate.
Pour contrôler les traverses et les cadres latéraux, un cadre de charge au sol de classe appropriée est idéal et est relativement simple à installer. Les essais de fatigue du châssis de bogie sont cependant plus sophistiqués et complexes. Les essais de certification des bogies sont définis par des normes internationales et locales, et nécessitent un plus grand nombre de canaux et une installation beaucoup plus compliquée. Les configurations de chargement pour l’essai sont basées sur la configuration du bogie. Le nombre d’essieux par bogie, le nombre de bogies par wagon et le poids combiné du bogie et du wagon sont quelques-uns des paramètres qui déterminent les charges nécessaires pour l’essai. Les essais de certification nécessitent un système de chargement à canaux multiples et à force élevée, et se déroulent généralement sur des millions de cycles. Pendant un essai, les signaux de déformation et autres sont collectés et analysés pour aider les concepteurs à comprendre la dynamique de charge de l’environnement de service, à identifier les zones de forte contrainte et à améliorer les conceptions en conséquence. En comparant les réponses de déformation aux modèles d’analyse par éléments finis (FEA), les ingénieurs peuvent valider les modèles, ce qui améliore les conceptions futures.
ESSAIS AVANCÉS DE FATIGUE
Les normes de certification sont rigoureuses et impliquent des millions de cycles de chargement, mais elles se concentrent exclusivement sur l’ensemble minimal de charges (verticales, transversales et de gauchissement) nécessaires pour vérifier une durée de vie en fatigue et un facteur de sécurité adéquats. Ces charges sont nettement plus élevées que celles prévues dans des conditions normales de fonctionnement. Les historiques de chargement sont résolument conservateurs afin de garantir un taux de défaillance aussi proche que possible de zéro dans toutes les combinaisons d’utilisation possibles. Cette approche s’est avérée adéquate pour les bogies de fret courants et a été adoptée (sous une forme ou une autre) dans le monde entier.
Dans le matériel roulant moderne pour passagers, cependant, les bogies, les suspensions et les points de contact des wagons sont beaucoup plus complexes que pour le fret. Les bogies pour le transport de passagers à grande vitesse sont des pièces soudées complexes. Les éléments tels que les amortisseurs, les biellettes de suspension et les composants auxiliaires (compresseurs, étriers de frein) présentent tous des charges supplémentaires sur le bogie. Ces charges sont souvent composées de vecteurs de charge et d’emplacements très différents de ceux décrits par la norme de certification. Il est important pour les ingénieurs d’essais intéressés à reproduire l’environnement d’exploitation réel du bogie de la manière la plus réaliste possible de prendre en compte les emplacements, les amplitudes, les vecteurs et les phases de ces charges.
La complexité constitue rapidement un problème dans ces circonstances. Alors que les essais de certification utilisent généralement moins de 10 canaux (dans la plupart des cas, moins de six), les essais de développement plus avancés peuvent nécessiter plus de 20 (et dans certains cas plus de 30) canaux de contrôle. La combinaison de charges supplémentaires avec les charges prescrites par les normes de certification présente un grand défi en termes d’installation.
Il est indispensable de tenir compte de cette complexité. Au cours des 10 à 15 dernières années, la demande de matériel roulant offrant une plus grande fiabilité, de meilleures performances et un plus grand confort a considérablement augmenté chez les utilisateurs finaux. Pour répondre à ces besoins, les fabricants développent des matériaux et des méthodes de fabrication qui n’étaient pas disponibles lorsque les normes de certification ont été établies pour la première fois. Les nouveaux matériaux et, en particulier, les nouvelles méthodes de réduction de poids utilisées dans la conception et la fabrication de pratiquement tous les composants du système ferroviaire ont créé un besoin de nouvelles procédures d’essai de développement qui sortent du cadre des essais de certification traditionnels.
Pour ces applications structurelles plus importantes, des portiques à deux ou quatre colonnes aux configurations d’actionneurs personnalisées sont nécessaires (voir Figure 3). Étant donné que de nombreuses forces sur un bogie sont élevées, les actionneurs utilisés pour reproduire ces charges sont plus grands. L’application directe d’actionneurs aux points de charge peut nécessiter que plusieurs actionneurs occupent le même espace physique simultanément. Il s’agit d’un problème dont la résolution nécessite une grande expertise en matière d’installation et de mécanismes cinématiques. Des combinaisons d’actionneurs, de leviers, de jambes de force (colonnes porteuses) et de roulements sont utilisées pour placer les vecteurs de charge aux bons endroits. Les capteurs de charge peuvent être installés sur des actionneurs, des supports de charge ou des montages de réaction. Les roulements pivotants aux deux extrémités des jambes de force et des actionneurs éliminent les charges latérales et de flexion. Dans certains cas, le spécimen peut être inversé pour permettre un meilleur accès aux points de chargement.
Lorsque le fonctionnement d’un actionneur affecte celui d’un autre, le couplage croisé pose de sérieux problèmes de contrôle qui doivent être résolus. Le contrôleur numérique et le logiciel doivent fonctionner ensemble pour coordonner l’amplitude et la mise en phase des canaux concernés afin d’éliminer le risque d’interférence et d’assurer un chargement précis. En règle générale, des techniques de contrôle avancées sont impliquées. L’ensemble du système, y compris le spécimen, le cadre et le sous-système de l’actionneur, peut contenir des non-linéarités naturelles. La prise en compte de ces non-linéarités peut nécessiter la modification des signaux de commande pour obtenir l’historique de chargement souhaité sur le spécimen.
Les réglages sont généralement effectués avec un logiciel de traitement de signal avancé, tel que MTS Remote Parameter Control (RPC®), qui est basé sur la matrice de fonction de réponse en fréquence (FRF) de l’ensemble du système. Le logiciel mesure la commande du contrôleur et la compare à l’amplitude et à la phase des réponses du spécimen sur la plage de fréquences souhaitée. Une matrice de couplage croisé est générée et elle intègre tous les couplages croisés et autres différences linéaires entre la commande et la réponse. Cette FRF est ensuite inversée et multipliée par la réponse souhaitée. Le résultat est un fichier de commande de l’actionneur qui compense le couplage croisé et les problèmes qui y sont liés. Les contributions non linéaires sont corrigées en calculant l’erreur, en créant un fichier de correction correspondant, puis en appliquant la correction au fichier de commande précédent. Ce processus itératif est répété jusqu’à ce que la précision souhaitée soit atteinte. L’application de ces techniques de compensation de contrôle permet de réaliser un essai avec précision à une fréquence beaucoup plus élevée, ce qui réduit le temps d’essai et augmente sa qualité.
Pendant ce temps, les ingénieurs doivent être capables de collecter et de gérer de grandes quantités de données. Le système d’essai peut avoir besoin de prendre en charge, par exemple, jusqu’à 250 canaux de jauges de contrainte et de déplacement pour détecter des vulnérabilités potentielles dans la conception. Certaines de ces données doivent être collectées en temps réel pour être utilisées dans le système de contrôle, tandis que des quantités encore plus importantes de données doivent être collectées pour une analyse hors ligne et une comparaison avec des modèles d’ingénierie assistée par ordinateur (IAO).
Il est difficile de surmonter tous ces défis, mais l’investissement en vaut la peine. Les résultats permettent aux fabricants de composants d’optimiser les conceptions, de différencier les nouvelles offres de produits et de donner aux clients la confiance dont ils ont besoin dans la qualité et la fiabilité des nouveaux composants.
