Développement de bogies et d'essieux au cours des 20 dernières années

Publié : 24 mai 2023 | Kurt Strommer, Martin Rosenberger, Thomas Moshammer | aucun commentaire pour l'instant

Kurt Strommer, Thomas Moshammer et Martin Rosenberger, collègues de Siemens Mobility Autriche, expliquent comment la conception des bogies et des essieux a changé au cours des 20 dernières années, en se concentrant sur certains des problèmes les plus importants concernant la sécurité, le bruit, l'usure et la réduction du poids, et ils offrent une perspective sur les défis et les opportunités d'amélioration de ces composantes au cours des années à venir.

Crédit : Siemens Mobilité

L'unité de bogies du matériel roulant de Siemens Mobility à Graz, en Autriche, fait partie de MoComp - la famille de composants ferroviaires et le centre de compétence mondial pour les bogies au sein de Siemens Mobility, ce qui signifie que tous les développements de bogies (pour les projets européens et internationaux) sont achevés à Graz et toutes les activités de bogies dans les unités de production satellites sont gérées par Graz.

Bien que la conception des produits soit, bien sûr, toujours principalement guidée par les exigences des clients pour les paramètres clés, plusieurs changements et développements ont eu un impact énorme sur la conception des bogies et des essieux modernes.

Outre les exigences croissantes en matière de précision dans la conception de la résistance au cours des dernières années, les défis en termes de degré d'automatisation de la production ont également augmenté. Déjà dans la phase de développement précoce, il est analysé si les cadres peuvent être soudés sur des lignes robotisées hautement automatisées. A cet effet, des investigations concernant l'accessibilité des cordons de soudure doivent être réalisées dans une phase de développement précoce. C'est la base de la fabrication efficace des châssis de bogie avec une qualité optimale.

Comme la réduction de poids est l'une des exigences les plus importantes pour un bogie moderne, de nouveaux matériaux pour les châssis de bogie ont été étudiés ces dernières années. Certains de nos concurrents ont présenté plusieurs conceptions en plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) pour différentes applications. Au sein de Siemens Mobility Graz, la stratégie consiste à construire des châssis de bogie légers en acier à haute résistance (voir Figure 1). L'économie de poids annoncée pour le CFRP ainsi que pour l'acier à haute résistance est de l'ordre de 40 à 50 %.

Le processus de calcul de la résistance à la fatigue est illustré à la figure 2.

Une conception légère soutenue par de nouvelles méthodes d'évaluation de la fatigue - méthodes avancées d'hypothèse de charge, modèles FEA plus détaillés et méthodes avancées d'évaluation de la fatigue (par exemple, contrainte d'entaille) - permet des structures légères tout en permettant à la robustesse de rester la priorité absolue.

La précision de la modélisation FEA a augmenté ici au fil des ans. Aujourd'hui, un modèle d'éléments finis se compose d'environ 700 000 à 1 400 000 éléments. Dans la simulation du système multicorps, il est nécessaire de prendre en compte les corps élastiques des composants structuraux pour pouvoir décrire le comportement correct de l'opération.

En somme, la conception légère stratégique est devenue très importante sous divers aspects, notamment l'efficacité énergétique, l'utilisation efficace des ressources et la réduction des frais d'accès aux voies.

Pour le développement de bogies ferroviaires, la méthodologie de simulation de systèmes multi-corps (simulation MBS) est utilisée pour les simulations de dynamique de véhicule afin d'évaluer et de répondre aux exigences en matière de sécurité contre le déraillement et de comportement de roulement depuis plus de 30 ans. Cependant, en raison du développement de sous-modèles et de modules plus détaillés pour différents composants tels que les pièces en caoutchouc-métal, ou de processus avancés pour incorporer des structures élastiques dans les simulations MBS, non seulement la qualité des prévisions a augmenté, mais également le domaine d'application s'est étendu pour charger hypothèses ainsi que pour le confort de conduite et l'acoustique. Cela a été possible parce qu'au cours des 20 dernières années, d'énormes efforts ont été déployés pour rapprocher la simulation et les tests des composants, des sous-systèmes et des véhicules.

Aujourd'hui, les modèles de simulation répondent déjà aux exigences les plus élevées en matière de validation, de sorte qu'ils sont déjà utilisés pour l'homologation virtuelle de paramètres critiques pour la sécurité tels que la sécurité en cas de déraillement et le comportement de circulation.

Depuis le début du transport ferroviaire, l'usure des roues et des rails est un facteur de coût énorme dans le système ferroviaire. Les modèles de simulation MBS haute fidélité, ainsi que les données opérationnelles sur le terrain des phénomènes d'usure, ont conduit au développement de modèles d'usure et de détérioration plus précis des roues et des rails. Ces approches sont maintenant déjà utilisées pour optimiser les profils de roue et l'interface roue-rail en général, par exemple en utilisant un système intelligent de gestion du frottement. Par conséquent, la fiabilité et la disponibilité peuvent s'accompagner d'une réduction des coûts du cycle de vie du système ferroviaire.

Essieux

Dans le développement des roues, des essieux et des roulements, la normalisation a une grande influence sur la conception des produits, car ces composants ont le plus grand impact à la fois sur la sécurité et sur les coûts du cycle de vie des systèmes roue-rail. Le triangle de sécurité avec la conception, la fabrication et la maintenance en service est profondément réglementé. Dans ce qui suit, quelques exemples de changements de normes et de procédures et leur impact sur la conception des essieux seront expliqués.

Dans le développement des roues, des essieux et des roulements, la normalisation a une grande influence sur la conception des produits, car ces composants ont le plus grand impact à la fois sur la sécurité et sur les coûts du cycle de vie des systèmes roue-rail.

Les normes pour les essieux ont obtenu de nouvelles approbations avec une nouvelle procédure pour l'application de nouveaux matériaux d'essieu comme l'acier à haute résistance 34CrNoMo6 prenant en compte les effets du fretting. Les définitions supplémentaires ont été motivées par des problèmes en service et basées sur les résultats de projets de recherche européens tels que ModBogie, Euraxles et Widem. Comme l'expérience du service joue un rôle majeur dans la validation des composants existants, la publication des enquêtes sur les incidents a amélioré la possibilité de transfert de savoir-faire du terrain vers de nouvelles conceptions au cours des 20 dernières années.

La norme de conception de roue dans les procédures de calcul pour la conception de la résistance et pour l'émission sonore, donne maintenant une chance d'optimiser la roue en ce qui concerne les exigences contradictoires de réduction de poids et de réduction de bruit. Si la conception n'est pas apte à être acceptée par simulation, la norme propose une deuxième étape, basée sur les résultats des tests de résistance expérimentaux et les mesures de bruit.

Actuellement, la procédure d'acceptation thermomécanique des roues à bande de roulement freinée est limitée à des essais sur bancs dynamométriques, cependant la possibilité de simulation pour la résistance multiaxiale et pour l'évaluation de la fatigue oligocyclique, ainsi que pour le calcul du transfert de chaleur, sera incluse dans un avenir proche. Ceci est très important car les freins à bande de roulement connaissaient un renouveau au cours des dernières années.

Comportement de course

Dans le domaine du comportement de course, les normes telles que la EN14363 ont été considérablement étendues. Sur la base d'efforts sectoriels financés par l'Union européenne, des méthodes et des processus ont été établis ainsi que des mesures d'évaluation permettant d'évaluer la validité du modèle pour différents domaines d'application de l'évaluation du comportement de course. Parallèlement à l'amélioration de la qualité des prévisions des modèles de simulation MBS, les possibilités d'utilisation de l'homologation virtuelle augmentent en conséquence. Des métriques ont été développées pour permettre l'évaluation de la validité du modèle pour différents domaines d'application.

Outre les améliorations basées sur de nouvelles normes, méthodes et processus, le bogie du système mécanique a été fondamentalement élargi par le développement de nouvelles solutions électroniques de diagnostic et de surveillance qui sont déjà utilisées dans plusieurs flottes de véhicules ferroviaires pour optimiser la maintenance des bogies et des véhicules ferroviaires. Sur la base de capteurs sur le bogie et la caisse de chemin de fer, ainsi que sur des dispositifs informatiques de pointe et des algorithmes intelligents allant d'approches simples de traitement du signal à l'apprentissage automatique et à l'intelligence artificielle, les états de santé et les informations de durée de vie utiles restantes des composants du bogie et du sous-système de bogie sont fournis. Ces informations sont ensuite utilisées dans le dépôt de maintenance pour établir des processus de maintenance basés sur l'état, afin de réduire les coûts du cycle de vie et d'augmenter la disponibilité.

Il existe plusieurs opportunités qui contribueront à d'autres améliorations à l'avenir, notamment :

La conception et les performances des bogies ont radicalement changé au cours des 20 dernières années en raison de plusieurs problèmes. Néanmoins, l'intensification de l'utilisation des méthodes numériques facilitera de nouvelles améliorations au cours des 20 prochaines années.

Dipl.-Ing. Kurt Strommer est responsable de la gestion du portefeuille de produits et du développement avancé pour les bogies chez Siemens Mobility Austria GmbH à Graz depuis 2009. Il a étudié l'ingénierie mécanique à la Montanuniversität Leoben. Il travaille pour Siemens Mobility depuis 26 ans. Kurt a débuté en tant que chef de projet pour les bogies de véhicules légers sur rail et de métro et occupe son poste actuel depuis 2009.

Dr. Thomas Moshammer est responsable de Structure-Simulation-Validation pour Bogies chez Siemens Mobility Austria GmbH à Graz depuis 2016. Il a étudié l'ingénierie mécanique à l'Université technique de Vienne et une thèse de doctorat à l'Université technique de Graz. Il travaille pour AVL depuis six ans, MAGNA STEYR depuis huit ans et Siemens Mobility depuis 16 ans. Il a débuté chez Siemens Mobility en tant que responsable du département simulation et test. En outre, Thomas assume le rôle de responsable du domaine de l'innovation pour les méthodes avancées, les jumeaux numériques et l'analyse des données EN, le développement Lean.

AT Dr. techn. Martin Rosenberger a étudié la mécatronique en génie mécanique à l'Université de technologie de Graz, suivi d'un doctorat sur la dynamique des véhicules, l'usure roue-rail et le guidage actif roue-rail. Il a travaillé pendant 13 ans dans la recherche et le développement, avant de rejoindre Siemens Mobility en 2016. Il occupe actuellement le poste de chef du département Vehicle Dynamics, Acoustics and Analytics dans le segment Bogie Engineering de Siemens Mobility Austria GmbH à Graz.

Numéro 1 2023

Bogies et essieux

Siemens Mobilité

Kurt Strommer, Martin Rosenberger et Thomas Moshammer