Couple en fonction de la vitesse

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1 Le comportement roue rail : comment déplacer la limite de traction: 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0 Couple en fonction de la vitesse atinage 125 BB BB BB CC TGV

2 ETUDE DU COMOTEMENT DU CONTACT OUE-AIL ESENTATION GENEALE : Une motrice de traction électrique est constituée, pour les séries BB, d un ensemble de deux bogies, comprenant chacun deux essieux de deux roues chacun. A l arrêt, ou en fonctionnement à vitesse constante, le poids de la motrice est réparti sur les huit roues de façon égale, si tant est que les effets de pénétration dans l air soient négligeables (vitesse réduite). m: masse de la motrice : Actions des rails sur les roues. =mg Au démarrage ou en freinage, ainsi qu à vitesse élevée, les zones d action des différents efforts que doit vaincre la machine pour faire avancer le train n étant pas situées au niveau des axes d articulation des bogies, la répartition du poids n est plus uniforme. ar exemple au démarrage, le crochet d attelage étant situé au dessus des axes des roues, la machine se cabre et le bogie arrière est plus chargé que le bogie avant. Sens du déplacement 1, '1, 2,'2 : Actions des rails sur les roues. "Vent" 1 '1 =mg 2 '2 Effort "au crochet" Dans la suite de cette étude, on va mettre en évidence des phénomènes de patinage ou d enrayage, en considérant la plupart du temps que si l un des bogies patine ou enraye, l autre conserve un fonctionnement normal. Cela s explique par ce déséquilibre. Il n y a en effet que lors des périodes de démarrage ou de freinage intense que se produiront la plupart des phénomènes de patinage. Et ce sera le bogie le moins chargé qui patinera en premier. Document K age n 2

3 D autre part, il faut savoir que les deux roues d un même essieu sont rigides l une par rapport à l autre. (pas de «différentiel» comme sur les automobiles). De même, les deux essieux d un même bogie sont entraînés par un système d engrenage qui assure une liaison sans glissement. On considérera donc que les quatre roues d un bogie patinent simultanément. Ou bien que le comportement d un bogie est assimilable à l une de ses roues. TAIN A L AET Si on représente uniquement une roue d une motrice, les actions mécaniques qui s exercent sur elles sont d une part une partie du poids de la locomotive et d autre part l action du rail. Ces deux actions sont opposées et égales. Au niveau du contact roue rail, il se produit un phénomène d écrasement qui est réparti sur la roue et sur le rail, et qui est de dimension négligeable par rapport aux dimensions des roues. (la largeur de la zone écrasée est de l ordre du millimètre) DEMAAGE : Lors de la phase de démarrage, les moteurs d entraînement de la machine vont transmettre à chaque roue un couple. L équilibre de la roue va se trouver modifié par l apparition de ce couple. Néanmoins si ce dernier est faible, le rail va opposer une «résistance au roulement» qui dans un premier temps empêchera le convoi d avancer. Cette résistance est due à ce phénomène d écrasement mis en évidence précédemment. On la modélise par un déplacement du point d application de la réaction d une valeur «a» dite coefficient de roulement. Des études montrent que ce coefficient de roulement est faible, de l ordre de 1 à 2 mm. Les conséquences pour la suite de l étude peuvent être considérées comme négligeables. a Document K age n 3

4 DECOLLAGE : Quand le couple moteur augmente encore, la réaction du rail va s incliner par rapport à la verticale. La composante horizontale de cette réaction va fournir ce que l on appelle l effort «au crochet» F réparti sur tous les axes des essieux. F Cet effort est communiqué aux wagons qui, de même que démontré tout à l heure, vont opposer leur propre résistance au roulement. Σ F mg mg a Lorsque cet effort devient supérieur à cette résistance au roulement, le convoi démarre. C est le décollage. Si l on étudie à ce moment l équilibre du convoi complet, on met en évidence un effort résultant qui va lui communiquer une accélération selon les lois de la dynamique.

5 HASE DE TACTION : lus le couple moteur augmente, plus la réaction du rail va s incliner par rapport à la verticale. La nature du contact roue-rail et en particulier les matériaux qui les constituent est déterminante pour fixer la limite à ne pas dépasser. On parle alors de coefficient d adhérence (noté µs ) qui est la tangente de l angle maximal d inclinaison de la réaction du rail par rapport à la verticale (αs). F αs HASE DE ATINAGE «A SEC» : Lorsque l on atteint cette limite d adhérence, que l on dépasse l angle αs, il se produit un phénomène de frottement. La roue se met à glisser sur le rail. La réaction du rail n est plus inclinée par rapport à la verticale de l angle αs, mais d un angle plus faible dit angle de frottement ψ. F αs ψ Document K age n 5

6 La composante horizontale de cette réaction est plus faible qu à la limite d adhérence. De ce fait l effort F de traction diminue, ce qui perturbe la bonne marche du convoi. Mais, en fonction du type de commande des moteurs, en particulier s il s agit d un asservissement en courant, le couple développé reste le même. De ce fait l essieu se trouve déséquilibré et la conséquence est une accélération de la fréquence de rotation des roues, donc des moteurs avec des répercussions sur leur comportement (voir l étude du patinage d un point de vue électrique). Le «surcouple» est employé à provoquer l accélération des roues, des essieux et des moteurs, qui présentent une inertie nettement plus faible que celle du convoi, d où une montée rapide de leur fréquence de rotation. ATINAGE HUMIDE ou LUBIFIE : Un autre phénomène courant en traction est le changement brusque de la nature du contact roue-rail. Il peut s agir en effet De présence d eau consécutive à une précipitation. De présence de neige ou de verglas. De présence de corps étranger (feuilles mortes). A ce moment, bien qu étant en dessous de la limite d adhérence à sec, la réaction du rail va très nettement se «redresser» sur la verticale. A titre d information, voici quelques coefficients d adhérence et de frottement courants : Matériaux et conditions Coefficients d adhérence Coefficients de frottement Acier sur acier à sec 0,18 0,15 Acier sur acier lubrifié 0,12 0,09 Acier sur glace 0,02 On peut imaginer ce que sont les conséquences d une motrice en traction qui arrive sur une plaque de verglas (variation du coefficient d environ 0,15 à 0,02 ). Document K age n 6

7 CAS OU LE OFIL DE VOIE N EST AS HOIZONTAL Les équilibres étudiés précédemment supposaient que la voie était parfaitement horizontale. Le comportement du contact roue-rail va varier selon que l on est en montée ou en descente. A l arrêt : Si la pente est faible, le point d action de la réaction du rail va se décaler de la valeur «a» qui sera au maximum égale au coefficient de roulement. Les roues, de la motrice comme des wagons, sont en équilibre, le convoi ne bouge pas. a Normale au point de Direction du profil de voie contact Si la pente est plus forte, la distance «a» entre point de contact et direction du poids de la motrice (ou des wagons) est supérieure au coefficient de roulement et le convoi n est plus en équilibre. En l absence de dispositifs de freinage celuici descend naturellement la pente. a' Normale au point de Déplacement Direction du profil de voie contact

8 Au démarrage : La configuration est similaire au démarrage sur terrain horizontal sauf que le couple moteur nécessaire au décollage sera supérieur à la valeur précédente. En effet, la résistance au roulement de chaque élément du convoi sera supérieure car la valeur apparente du coefficient de roulement est plus grande («a» est augmenté de la valeur du rayon de roue multiplié par la pente p ) F En traction : La réaction du rail s inclinera comme précédemment mais non pas par rapport à la verticale, mais par rapport à la normale au point de contact, elle même inclinée de la pente p. La conséquence au niveau du patinage sera qu en montée celui-ci interviendra plus tôt (à partir d un couple moteur plus faible), et, à l inverse, en descente plus tard (avec un couple moteur plus élevé). Démarrage en pente sur voie humide ou verglacée : A l extrême, le patinage se produira avant d avoir dépassé le coefficient de roulement, rendant le décollage impossible.

9 METHODES DE LUTTE CONTE LE ATINAGE : Le patinage, on l a démontré, présente plusieurs inconvénients : Diminution considérable de l effort de traction au niveau du bogie qui patine. Augmentation rapide de la fréquence de rotation de l ensemble bogiemoteur Usure prématurée des roues et des rails, d autant plus marquée que les phénomènes de patinage se produisent généralement aux mêmes endroits. our lutter contre le patinage, plusieurs méthodes sont proposées. Augmenter le coefficient de frottement par changement des matériaux constituant le rail ou la roue. (Il existe des matériels de traction qui utilisent des roues à pneumatique (métro) Augmenter le coefficient de frottement par interposition de matières destinées à combattre la cause du glissement. C est le cas en particulier du sablage prévu sur les motrices notamment en cas d arrêt sur surface verglacée. (Combat efficacement le glissement mais augmente considérablement les phénomènes d usure) Diminuer le couple moteur, ce qui revient à diminuer l effort de traction total mais dans des proportions moins conséquentes que la perte d adhérence. C est le but des systèmes électrotechniques. A effort de traction égal diminuer le couple moteur. C est le cas des dispositions constructives étudiées ci-après. Augmentation du nombre d essieux moteurs : Augmenter l effort de traction peut être obtenu par une augmentation de la masse de la motrice. Mais il se pose alors un problème de contrainte admissible au contact roue-rail. On a recours alors à une augmentation du nombre d essieux. C est le cas des motrices de type CC qui ont deux fois trois essieux moteurs. Autre solution élaborée, c est la diminution de l effort de traction par division. Au lieu de tirer un convoi à l aide d une motrice, on en utilise plusieurs, soit en accolant plusieurs machines, soit en les répartissant sur la longueur du convoi, c est le cas en particulier des TGV. Document suivant? récédent? Table des matières? Document K age n 9

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