La voie, un ensemble complexe

Projet 7
Le rail : tout se joue dans le contact rail-roue
Rail & Recherche n°24 - juillet/août/septembre 2002

Une chute impressionnante ! En une quinzaine d’années, le nombre de ruptures de rails sur le réseau ferré français est passé de 1 000 par an à moins de 600 par an. “Un progrès dû aux recherches et développements menés depuis une vingtaine d’années, assure Louis Girardi, responsable des Rails à la direction de l’Infrastructure. Les recherches ont permis, en particulier, de comprendre beaucoup de choses dans le développement des dé fauts.” Elles se sont traduites par une amélioration de la qualité du matériau, d’une part ; par l’intensification du remplacement préventif des rails défectueux, d’autre part. Sans oublier l’évolution des procédés de soudure. Pourtant, aujourd’hui, il est devenu difficile de progresser. D’autant que ce “patrimoine” n’évolue pas au même rythme que les véhicules, qu’il s’agisse de l’augmentation de la vitesse ou du poids à l’essieu. Il faut donc mieux connaître l’impact des actions subies par le rail pour adapter la politique de maintenance et de régénération.

Les recherches actuelles sont consacrées à la modélisation de ces actions, sans délaisser les essais en vraie grandeur. Avec le programme de recherche Deufrako (“Nouvelles méthodes de prédiction quantitative de la performance des rails sous l’accroissement des sollicitations de service”), la France et l’Allemagne se sont partagé le travail : modélisation pour le premier partenaire, essais pour le second. La SNCF, la Deutsche Bahn, la RATP, CORUSRAIL et différents laboratoires et instituts de recherche (INSA, INRETS, LMS) sont parties prenantes du programme. Lancés en 2001, les travaux devraient donner leurs premiers résultats dès 2002. Par ailleurs, la SNCF poursuit aussi des développements pour son propre compte.

Défaut initial, défaut acquis

L’étude du contact rail-roue y joue les vedettes. On sait que le rail, à chaque passage des essieux, est le siège de contraintes ponctuelles. Contraintes au voisinage immédiat du point où se produit le contact, très fortes et tridimensionnelles. Contraintes affectant le reste du rail, ensuite. D’une intensité beaucoup plus faible, elles n’en “fatiguent” pas moins le produit par leur répétition. Ces phénomènes ne suffisent pas, cependant, à provoquer une fissure ou une rupture. Les ruptures ont pour origine soit un défaut caché à l’intérieur de l’acier, à 7 ou 8 millimètres de profondeur, inclusion minuscule aggravée progressivement par l’application des contraintes ; soit par un défaut de surface dû à l’endommagement du matériau vierge. Ce cas de figure devrait se rencontrer de plus en plus souvent. En effet, l’augmentation de la force de traction suppose une sollicitation plus importante de l’adhérence, par les engins, entraînant une augmentation des forces tangentielles, très nocives pour le rail.

Modéliser le rail est aussi difficile que modéliser l’atmosphère

Les différents programmes de recherche visent donc à quantifier l’ensemble de ces phénomènes, en utilisant des méthodes de calcul modernes, pour prévenir l’apparition de défauts.

“Modéliser le rail est aussi difficile que modéliser l’atmosphère, prévient toutefois M. Girardi : on ne connaît pas l’ensemble des paramètres et, par nature, tous les phénomènes qui se produisent ne sont pas déterministes.” C’est le cas du mouvement de la roue, qui peut être qualifié de “chaotique”, c’est-à-dire non prévisible à partir de conditions initiales données. Autre difficulté, les chercheurs essaient de tenir compte de l’aspect “système”, dans la construction de leurs modèles.

À l’heure actuelle, les chercheurs travaillent dans deux directions. D’un côté, ils avancent dans la modélisation des efforts dynamiques qui s’exercent au contact du rail et de la roue.

De l’autre, au contraire, ils réintègrent “l’environnement du rail”, en s’attachant à construire un “modèle global” dans lequel chacun des trois sous-systèmes, rail, voie et véhicule sont pris en considération.