Depuis de nombreuses années, la tendance dans le secteur ferroviaire est de transporter des charges toujours plus importantes à des vitesses toujours plus élevées. La plupart des wagons de marchandises qui circulent actuellement en Europe sont construits pour des charges de 25 tonnes par essieu. SKF a mis au point un nouveau concept de boîte d’essieu Y25 intégrant des cartouches compactes à rouleaux coniques. Ce nouveau concept offre des opportunités intéressantes de diminution des coûts du cycle de vie (LCC) à travers des intervalles de lubrification plus longs, une maintenance simplifiée et une amélioration des performances et de la sécurité.

Le trafic ferroviaireeuropéen des marchandises est actuellement en pleine mutation en raison du développement du ferroutage, devenu nécessaire pour soulager des autoroutes surchargées. Il s’agit d’un processus long et progressif, qui va dans le sens d’un plus grand respect de l’environnement. Pour que des volumes de marchandises plus importants soient transportés par rail, la qualité du service doit être améliorée. Pour cela, une plus grande flexibilité de la logistique et des réalisations techniques sur mesure pour le matériel roulant constituent de grandes orientations. De nouvelles compagnies de fret ferroviaire offrent des services étendus, notamment des navettes de trains qui fonctionnent sous forme de rames complètes, sans les habituelles manœuvres de wagons isolés à l’origine de pertes de temps importantes. Le temps de transport peut ainsi être considérablement réduit. Des wagons de marchandises spéciaux sont mis au point en fonction des besoins des clients : charge utile accrue, chargement plus facile ou meilleure protection du chargement, par exemple. Outre des wagons porte-conteneurs, des wagons de marchandises spéciaux, comme les wagons-poches améliorés, sont conçus pour acheminer des remorques routières dans le cadre d’un transport combiné rail-route.

Le transport de marchandises par rail nécessite des solutions techniques et économiques avec un faible coût du cycle de vie. La principale exigence concernant la conception des roulements pour les boîtes d’essieux porte sur une maintenance minimale voire supprimée. Les roulements pour boîtes d’essieux doivent pouvoir supporter des charges maximales et des conditions climatiques extrêmes. Même si les locomotives utilisées offrent une puissance nominale très élevée, le moment de frottement induit par les boîtes d’essieux doit être le plus faible possible pour limiter la consommation d’énergie.

En Europe, le transport ferroviaire des marchandises s’effectue dans des wagons à deux et quatre essieux. Pour des charges importantes, le modèle à quatre essieux est le plus adapté. Dans la plupart des cas, ces wagons sont équipés de deux bogies de type Y25. En principe, il est possible d’utiliser deux types de châssis de bogies différents selon la technique employée : moulé ou mécano-soudé. Ce type de bogie Y25 est également utilisé par certaines compagnies ferroviaires en Asie et représente depuis plus de trois décennies maintenant un modèle qui a fait ses preuves. Le nouveau bogie Y25 est doté de boîtes d’essieux guidées par des plaques d’usure spéciales et en appui de chaque côté sur des ressorts hélicoïdaux en acier.

Auparavant, des types différents de boîtes d’essieux étaient utilisés selon le roulement : à rouleaux cylindriques, coniques ou à rotule sur rouleaux. Ces roulements ouverts doivent être protégés contre la contamination et les pertes de graisse. Un corps de boîte à alésage intégral nécessite un système d’étanchéité à proximité de la roue. Du côté opposé, un couvercle est fixé au corps de la boîte d’essieu à l’aide de plusieurs vis. Ce principe est relativement complexe et les performances dépendent du montage. Les roulements doivent être graissés manuellement et montés dans un environnement extrêmement propre pour éviter toute contamination.

SKF a mis au point une nouvelle boîte d’essieu novatrice. Cette avancée a été possible par l’intégration de la TBU compacte de SKF. Cette boîte d’essieu possède les mêmes interfaces mécaniques avec le longeron et les ressorts hélicoïdaux. Il est ainsi possible d’équiper des bogies existants avec le nouveau modèle de boîte d’essieu SKF.

La clé de la diminution du coût du cycle de vie réside dans la conception. La conception compacte de la cartouche à rouleaux coniques offre de nouvelles opportunités pour allonger les intervalles de maintenance et améliorer les performances et la sécurité.

Elle est constituée d’un plus petit nombre d’éléments et permet de réduire le poids et l’encombrement, mais aussi de simplifier la conception du corps de boîte. Le nouveau modèle de boîte d’essieu pour bogies Y25 est basé sur la nouvelle CTBU 130 x 240. Cette cartouche est conforme à la norme européenne EN 12 080, qui porte sur le matériau et la qualité des roulements, ainsi qu’à la norme EN 12 081, relative aux spécifications portant sur la lubrification à la graisse des roulements. La CTBU 130 x 240 a satisfait aux exigences d’essais de performance conformes à la norme EN 12 082. Les méthodes d’essai de SKF sont basées sur des conditions beaucoup plus difficiles que les conditions réelles de fonctionnement sur le terrain (cf. Evolution 3.1997).

Par rapport auxprécédents modèles pour bogies Y25, les principaux avantages offerts à l’utilisateur par les cartouches compactes à rouleaux coniques sont les suivants :

• La conception compacte permet de réduire la longueur de la fusée pour les nouveaux modèles de bogies, donc limiter la flexion de l’essieu sous le roulement et d’abaisser la masse suspendue ;
• Amélioration de la sécurité et des performances grâce à l’utilisation de cages en polyamide au lieu des traditionnelles cages en acier, qui se traduit par une usure plus faible et une moindre contamination de la graisse ;
• Une entretoise en polymère empêche la formation de rouille au niveau de la zone de contact bague intérieure/bague d’appui ;
• Protection renforcée contre la contamination grâce à l’intégration d’un nouveau joint à faible frottement en appui sur l’épaulement de la bague intérieure ;
• Allongement des intervalles de lubrification grâce à une nouvelle graisse longue durée ;
• Montage simplifié et facilité.

La délicate étapedu graissage des roulements de boîtes d’essieux non étanches est réalisée par le fabricant des essieux montés ou par l’entreprise de maintenance. Cette opération nécessite obligatoirement un environnement de travail propre, ainsi qu’une juste quantité et une bonne répartition de la graisse. Dans le cas d’un ensemble roulement protégé et graissé comme la CTBU, cette étape est intégrée au processus de fabrication du roulement dans le cadre duquel ces exigences sont respectées avec une grande fiabilité.

SKF a entièrement redéfinile corps de boîte Y25 de manière à simplifier le montage et allonger les intervalles de maintenance dans le but final de réduire le coût du cycle de vie. Le principe de conception de la CTBU offre une alternative au traditionnel palier d’essieu intégral avec son dispositif d’étanchéité intégré et son couvercle avant. La conception du corps de boîte d’essieu est simplifiée avec un nombre d’éléments et un poids réduits.

Le travail de R&Da débuté par une complète revue de conception de la boîte d’essieu Y25 existante, puis d’autres tests de conception ont été réalisés par la suite au cours du processus de développement. Plusieurs calculs par éléments finis (FEM) ont été réalisés pour mettre au point une conception plus légère et limiter les opérations d’usinage. Dans la partie inférieure du corps de la boîte d’essieu, deux trous de grandes dimensions ont ainsi été aménagés pour diminuer le poids total sans augmenter les contraintes mécaniques. Le nouveau concept a été validé par le biais d’essais de fatigue suivis d’essais en ligne dans les conditions réelles d’exploitation.

Le corps monobloc de la boîte d’essieu transmet l’effort radial à la cartouche par la partie supérieure. Les efforts axiaux sont transmis dans les deux sens par l’intermédiaire des épaulements entièrement intégrés du corps de boîte d’essieu.

Aucune charge n’est transmise par la partie inférieure de la boîte d’essieu. SKF a saisi l’opportunité pour supprimer l’usinage de cette zone et concevoir un passage axial plus large pour permettre le montage de la cartouche entre les épaulements de la partie supérieure.

Une cale de blocage est prévue pour empêcher le roulement de sortir des épaulements de la boîte d’essieu lors de la manutention en atelier de l’essieu monté. Cet élément efficace comble l’espace radial entre la bague extérieure de la cartouche et la partie inférieure de la boîte et protège l’ensemble. La cale de blocage est fixée axialement sur le palier du corps de boîte.

Les CTBU sont fixées axialement sur les essieux à l’aide de chapeaux remodelés qui protègent les dispositifs d’étanchéité de la contamination et d’autres dommages.

Les principaux avantages offerts à l’utilisateur par ce nouveau modèle de boîte d’essieu Y25 de SKF sont les suivants :

• Une diminution du poids de 20 kg par boîte d’essieu, soit au total 160 kg pour un wagon à quatre essieux, par rapport aux précédents modèles. La masse non suspendue de l’essieu monté est réduit d’environ 4%, ce qui contribue à améliorer les performances en fonctionnement et à réduire l’usure de la roue et du rail.
• Assemblage simplifié de la boîte d’essieu, diminution du nombre d’éléments constitutifs des deux pièces principales – le roulement cartouche et le corps de boîte d’essieu ;
• Montage, démontage et maintenance simplifiés ;
• Diminution du coût du cycle de vie grâce à un allongement des intervalles de maintenance ;
• Amélioration de la sécurité et des performances.

Applications

Les essais sur le terrain ont confirmé les excellentes performances pour les applications de transport ferroviaire de passagers comme de marchandises (cf. Evolution 3.2004).

SKF a d’ores et déjà reçu plusieurs commandes de plusieurs constructeurs de wagons de marchandises et compagnies ferroviaires pour ce nouveau modèle de boîte d’essieu Y25. La plus importante d’entre elles porte sur 14 000 boîtes d’essieux et CTBU destinées à équiper des wagons de marchandises de AAE Ahaus Alstätter Eisenbahn AG. AAE est le leader européen de la location de wagons standard pour le transport de fret ferroviaire classique et combiné. Le contrat inclut également un ensemble de services axés sur la révision de l’équipement et l’inspection des roulements. Ce nouveau modèle de boîte d’essieu devrait progressivement équiper en standard tous les wagons de fret de AAE.