Reproduction expérimentale du contact roue-rail à échelle réduite : Voies de formation des sources de défauts

Experimental reproduction of wheel-rail contact at reduced scale : Ways of formation defects sources

• Auteur / Autrice : Pierrick Merino
• Direction : Aurélien Saulot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lebon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Saulot, Frédéric Lebon, Francesco Massi, Marion Risbet, Yves Berthier, Pierre Boutet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Francesco Massi, Marion Risbet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Tribologie (technologie)

Mécanique du contact

Mots clés libres

Mécanique des contacts

Tribologie

Contact roue-Rail

Microstructure

Phase blanche

Usure

Détection de défaut

Défaut de roulement

Fatigue de roulement

Contrainte mécanique

Contact mechanics

Tribology

Wheel-Rail contact

Test bench

Microstructure

White etching layer

Defect detection

Rolling contact fatigue

Etching

Mechanical stress

Résumé

Face au développement du transport ferroviaire, la sécurité demeure la principale préoccupation des exploitants de réseaux ferrés. En particulier, la compréhension des phénomènes sources des défauts de fatigue de roulement (RCF) mettant en jeu l’intégrité du rail, est nécessaire pour limiter les risques d’accidents. La phase blanche, associée à la formation du défaut de squat, est difficile à reproduire mécaniquement en laboratoire. L’utilisation de bancs d’essai permet de reproduire plusieurs aspects du contact roue-rail selon des critères choisis, mais nécessite de faire des compromis. Le banc Triboring développé au LaMCoS avec la RATP, comble un manque en proposant notamment une géométrie galet sur rail circulaire pour reproduire au mieux les conditions tribologiques du contact roue-rail. Le développement d’un banc d’essai nécessite d’évaluer sa « signature », c’est-à-dire d’identifier et de discerner les phénomènes mesurés correspondant à la réponse intrinsèque du banc en fonctionnement, de ceux correspondant à la réponse de l’interaction roue-rail considérée. Une analyse notamment dynamique et cinématique a permis de caractériser le banc et d’optimiser sa réponse en faisant évoluer la géométrie des éprouvettes. La réponse tribologique du banc a été optimisée par l’introduction d’une couche qualifiée de « fusible tribologique », lors de la préparation des éprouvettes. Cette couche surfacique permet de retarder l’accommodation des vitesses par usure au profit du cisaillement des premiers corps et des Transformations Tribologiques de Surface (TTS), telles que la phase blanche. Deux couches fusibles, écrouies et corrodées ont été éprouvées, et permettent une nette réduction de l’usure. Les analyses tribologiques et métallurgiques des bandes de roulement en surface et des coupes ont permis d’appréhender l’effet des différentes sollicitations mécaniques sur l’évolution de la microstructure du rail en proche surface. La transformation de cette dernière amène le matériau vers la formation d’îlots de phase blanche d’origine mécanique à la surface.

The safety issue is still the main concern of railway network due to the development of railway transportation and the increase of the amount of passengers. The understanding of the origin of the rolling contact fatigue (RCF) defect, is one key to safety requirements. The White Etching Layer associated to the initiation of the squat defect is hardly recreated. The use of laboratory test bench enable the replication of the wheel-rail contact. Nevertheless, only a fraction of the characteristic parameters is taken into account and compromises are necessary. The test bench “Triboring” built at LaMCoS, fulfills a gap in the existing apparatus. The “roller on circular rail” design was chosen to fit the tribological behavior of wheel-rail contact, and replicate RCF defects. The production of a test bench required to relate and differentiate the measured data to the phenomena corresponding to the operating from the phenomena corresponding to wheel-rail contact. The bench was characterized with dynamic and cinematic analysis. The design of the sample was improved. The tribological behavior of the bench was optimized with the preparation of the initial surface of the samples and the production of a tribological “fuse”. This layer delays the speed accommodation by wear and benefit the shear of the first bodies and the formation a Tribological Transformation of Surface (TTS), as the White Etching Layer. The two different fuse layer created (Run-in and oxidized), induced a significant wear reduction. The tribological and metallurgical analysis of the surfaces and cuts of the sample, enabled to the explanation of the evolution of the microstructure of the rail close to the surface, submitted to various mechanical solicitations. The transformation of this microstructure led to the formation of white etching layer mechanically formed.