L’évolution des boîtes d’essieux ferroviaires
Résumé
L’évolution des transports ferroviaires est depuis toujours marquée par l’ambition de réduire le frottement et l’usure tout en économisant l’énergie. En toute logique, le développement des boîtes d’essieux et des roulements joue un rôle clé dans ces efforts. SKF a été l’un des premiers à s’appuyer sur la science de la tribologie, aujourd’hui bien établie, qui englobe l’étude et l’application des principes liés au frottement, à la lubrification et à l’usure en vue de créer des solutions de roulements avantageuses pour les opérateurs ferroviaires.
Dans cette première partie d’un article en deux volets, nous nous intéresserons à l’histoire de ce sous-système clé. Entreprise avec une longue tradition en matière de développement de solutions de boîtes d’essieux, SKF a toujours pris en considération les questions environnementales telles que les économies d’énergie et de lubrifiant sur ce segment.
Depuis les débuts de leur utilisation dans les applications ferroviaires, les roulements de boîtes d’essieux ont offert de nombreuses opportunités d’économies d’énergie et de lubrifiant. Aujourd’hui, la plupart des véhicules ferroviaires sont équipés de modèles toujours plus perfectionnés basés sur des ensembles de boîtes d’essieux constitués des roulements ou ensembles-roulements d’essieux, du palier de boîte d’essieu et de capteurs intégrés. SKF propose désormais des solutions supplémentaires comme la maintenance conditionnelle et des formules de services incluant l’ingénierie, la remise à neuf et la formation.
Le concept de base des roues de véhicules ferroviaires est resté inchangé depuis les débuts de l’histoire du ferroviaire. L’ensemble formé de deux roues et d’un essieu est couramment appelé « essieu monté ». Les roulements qui le soutiennent et assurent la rotation des roues sont les roulements dits de « boîte d’essieu ». Ils sont logés dans des boîtes d’essieux ou soutenus par des corps de boîtes spéciaux reliés directement ou par le biais de ressorts à l’organe de roulement, un bogie dans la plupart des cas. La boîte d’essieu fait partie des sous-systèmes critiques d’un véhicule ferroviaire en termes de sécurité.
L’application de la tribologie, l’étude du frottement, de la lubrification et de l’usure, a permis aux ingénieurs et scientifiques de mieux comprendre l’interaction entre les surfaces en mouvement relatif. Dans le domaine ferroviaire, les modestes modèles de roues et de boîtes d’essieux des débuts ont progressivement évolué depuis les premiers roulements de boîtes d’essieux à faible frottement pour aboutir au développement récent d’ensembles-roulements de boîtes d’essieux ultra-sophistiqués et de solutions complexes englobant roulements, joints, lubrification, mécatronique (capteur de surveillance des paramètres opérationnels par ex.) et une gamme complète de services.
Les premiers chemins de fer
L’un des tout premiers exemples d’économie d’énergie est la ligne de chemins de fer à chevaux entre Linz, en Autriche, et České Budějovice, en République tchèque, destinée principalement au transport du sel, qui était alors très cher. D’une longueur de 130 km, cette ligne a été inaugurée en 1832. À cette époque, elle était de loin la liaison ferroviaire la plus longue au monde. La se bild . 1 montre qu’un système ferroviaire pouvait transporter une charge huit à dix fois supérieure par rapport au transport routier.
Les roulements de boîtes d’essieux
Quelques brevets ont été déposés très tôt mais rien ne prouve qu’ils aient tous été mis en pratique. Les voitures de voyageurs à trois essieux, lancées en 1903, sont l’une des premières applications de roulements de boîtes d’essieux à faible frottement sur lesquelles on dispose de documents. Les voitures étaient équipées de boîtes d’essieux intégrant chacune deux roulements rigides à billes (se bild . 2a). L’effort de traction requis pour une voiture double représentant un poids total de 33,15 tonnes s’élevait à 4,4 kN avec des paliers lisses, contre seulement 0,62 kN avec des roulements à billes, soit une diminution de 86 % (se bild . 2b). Les roulements et boîtes d’essieux étaient fabriqués par la Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken (DWF), à Berlin, en Allemagne. Cette dernière a été intégrée par la suite à l’entreprise Vereinigte Kugellagerfabriken (VKF), ellemême rachetée plus tard par SKF.
Un autre test a été réalisé en 1905 aux États-Unis par le professeur Graham de l’université de Syracuse dans l’État de New-York. Il a mené des recherches sur la consommation d’énergie à partir d’un essai comparatif sur le terrain entre deux tramways : le premier, équipé de paliers lisses, et le second, de roulements à rouleaux (se bild . 3a). L’énergie consommée sur l’ensemble du parcours par le tramway équipé de paliers lisses était de 6,45 kWh contre 3,1 kWh pour le tramway équipé de roulements à rouleaux, soit une économie d’énergie de 52 %. En 1907, l’opérateur Syracuse Rapid Transit Co a rapporté au fabricant Standard Roller Bearing (SRB) Co de Philadelphie qu’après quatre ans et demi de service et quelque 400 000 kilomètres, les roulements à rouleaux ne présentaient aucune usure. L’économie annuelle en charbon pour générer l’énergie électrique requise se chiffrait à 260 dollars US par véhicule, l’équivalent de 390 g d’or. Standard Roller Bearing Co a ensuite été rachetée par Marlin Rockwell Corporation (MRC). SKF a repris MRC en 1986.
Besoin de vitesse
SKF est à l’avant-garde de la conception des trains à grande vitesse. L’entreprise fournit certaines des pièces de véhicules ferroviaires les plus critiques en termes de sécurité, notamment les ensembles de boîtes d’essieux constitués des roulements ou ensembles-roulements d’essieux, du palier de boîte d’essieu et de capteurs intégrés. SKF s’investit depuis toujours pour développer des solutions face aux défis posés par les constructeurs et opérateurs de trains à grande vitesse concernant le développement, la conception et les essais de roulements d’essieux (se bild . 4a et 4b). Dans les années 1930, en Europe et en Amérique du Nord, des trains avaient déjà atteint des vitesses de circulation de 130 km/h avec des pointes jusqu’à 160 km/h. Aujourd’hui, certaines normes européennes classent dans la catégorie du transport ferroviaire à grande vitesse des véhicules dont la vitesse maximale dépasse 200 km/h.
Économies de lubrifiant
Outre les économies d’énergie, d’autres contributions peuvent être apportées à la préservation de l’environnement en réduisant la consommation de lubrifiant. Les lubrifiants pour roulements comme l’huile et la graisse sont produits à partir d’huile minérale raffinée. Lors des interventions de maintenance, après de nombreuses longues années de service, le lubrifiant usagé doit être recueilli au moment du démontage de la boîte d’essieu et subir un traitement spécial pour son élimination à l’instar de tout autre produit usagé contenant de l’huile minérale.
À leurs débuts, les transports ferroviaires utilisaient des paliers lisses lubrifiés à l’huile. La quantité d’huile initialement introduite dans la boîte d’essieu d’un wagon de fret type était de 1,3 kg, dont 500 g pour le graissage par tampon et 800 g pour le remplissage du réservoir d’huile. Le niveau d’huile devait être vérifié fréquemment car les pertes d’huile continues en service étaient source de contamination importante des voies et de l’environnement. La consommation d’huile était de l’ordre de 200 g aux 1 000 km.
L’introduction des roulements à rouleaux lubrifiés à la graisse a constitué une avancée majeure. La charge de graisse est appliquée pendant le montage et la plupart des applications ne requièrent aucune opération de relubrification. Dans les années 1930, la quantité de graisse nécessaire pour une boîte d’essieu de wagon de fret type équipée de roulements à rouleaux cylindriques était d’environ 1,7 kg. De nombreuses recherches ont confirmé que cette quantité pouvait être considérablement réduite sans risque d’insuffisance. Vers 1950, elle a pu être abaissée à 1,2 kg. Elle a par la suite été réduite à 1 kg, puis au niveau actuel de 700 g qui correspond à la quantité appliquée aux roulements à rouleaux cylindriques ouverts. L’introduction d’un ensemble-roulement à rouleaux cylindriques (CRU) étanche et prélubrifié a été une autre étape importante dans la réduction de la consommation de graisse qui a pu être abaissée à 200-300 g. Cette quantité réduite se traduit par des températures de fonctionnement inférieures. La durée de vie de la graisse et du roulement s’en trouve allongée.
La seconde partie de cet article sera consacrée au développement des boîtes d’essieux actuelles.