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Les nouveaux trains de Deutsche Bahn fonctionnent plus efficacement et plus longtemps grâce aux avancées technologiques de SKF

2017 juillet 13, 10:00 CEST

Grâce à son expertise en matière de conception et d'intégration des roulements, SKF a aidé Siemens et Bombardier à créer une nouvelle génération de trains hautement efficaces pour Deutsche Bahn - l'opérateur ferroviaire en Allemagne.

Montigny, le 13 juillet 2017 
Le train ICE-4 deviendra bientôt la colonne vertébrale du réseau longue distance de Deutsche Bahn (DB). Ce nouveau train a été développé à partir d'un concept modulaire permettant de s’adapter à de nombreuses applications différentes sur le réseau ferroviaire allemand. Ce projet de 6 milliards d'euros depuis 2012, intègre SKF et Siemens, le constructeur du nouveau train Deutsche Bahn et Bombardier, qui fournit les bogies porteurs et les voitures.
Répondre aux exigences et spécifications de performance et de fiabilité pour l'ICE-4 a posé de nombreux défis techniques car le nouveau train roulera à une vitesse commerciale de 250 km/h. Naturellement, tous les composants utilisés dans le train doivent être conformes à des critères stricts de sécurité, tout en gardant la maîtrise des coûts d'exploitation pour la Deutsche Bahn. Les concepteurs ont dû trouver le meilleur compromis entre l'efficacité énergétique et les besoins de maintenance.
Intégration de capteurs intelligents
Les bogies porteurs fournis par Bombardier, du type BOMBARDIER FLEXX Eco, sont équipés de roulements d’essieux internes permettant de réduire le poids et la consommation énergétique.
Pour cette application, SKF a développé un roulement cartouche à rouleaux coniques de type TBU spécifique, avec des capteurs intégrés pour contrôler la vitesse et le sens de rotation de chaque essieu. L'intégration des capteurs dans le roulement à cartouche optimise les espaces disponibles, caractéristique importante dans la configuration interne. Les signaux émis par les capteurs pour la commande du système de freinage ont été adaptés aux besoins du client. La nature critique de l'application du point de vue de la sécurité requiert des niveaux de redondance. Pour cette raison, les roulements cartouches de chaque essieux sont équipés de capteurs doubles. Un capteur supplémentaire dans chaque roulement contrôle la température de fonctionnement et permet la détection précoce d’élévation de la température.
« La configuration interne des roulements d’essieux est relativement nouvelle dans les applications ferroviaires à grande vitesse et nécessite une nouvelle technologie », explique Wolfgang Schatzer, Responsable grands comptes stratégiques pour l'industrie ferroviaire chez SKF.  « La dimension de l’essieu et les charges présentes nécessitent un roulement particulièrement grand. Le diamètre intérieur est de l'ordre de 180 mm, à comparer au diamètre de 150 mm normalement utilisé dans les montages de roulements externes, mais c'est un domaine dans lequel SKF a beaucoup d'expérience et d'expertise. » 
Des intervalles de maintenance accrus
Les trains interurbains modernes doivent répondre à des critères de fiabilité extrêmement exigeants et présenter de longs intervalles de maintenance. Les spécifications du client nécessitaient que le roulement présente une durée de service calculée de 3,3 millions de km.
« La durée de service totale des roulements est importante, mais la période entre les opérations de maintenance est un facteur encore plus décisif pour réduire le coût du cycle de vie », déclare M. Schatzer. « Ces dernières années, SKF a effectué un important travail de recherche et de développement visant à prolonger les intervalles de maintenance des roulements ferroviaires. » 
Pour prolonger les intervalles de maintenance d'un roulement cartouche à rouleaux coniques (TBU), la clé est de minimiser le frottement et ainsi de réduire les températures de fonctionnement, ce qui permet au lubrifiant à l'intérieur des roulements d'être efficace plus longtemps avant de devoir être remplacé.
L’utilisation de roulement cartouche étanche avec capteurs intégrés offre de nombreux avantages pour le client, pour le développement comme pour la production, avec un nombre réduit d'interfaces plus clairement définies entre les roulements, les capteurs et d'autres composants du train.
Les bogies moteurs, développés par Siemens, utilisent un montage de roulements d’essieu externe plus classique, un domaine dans lequel SKF dispose également d'une expérience approfondie, acquise dans certaines des applications à grande vitesse les plus exigeantes au monde. Ici aussi, l'entreprise a choisi une solution de roulement cartouche à rouleaux cylindriques. Les bogies moteurs présentent des exigences de durée de service encore plus rigoureuses, le client demandant une distance de 1,65 million de km avant la maintenance des roulements.
Un programme d’essai bien coordonné
Pour prouver leur fiabilité et leurs performances, tous les nouveaux roulements d’essieu ont été soumis à un processus d’essai et de validation en plusieurs étapes, qui a duré deux ans. La validation a commencé dans un environnement virtuel, à l'aide d'une simulation de la conception sur ordinateur. SKF a ensuite fait appel à son centre d’essais interne aux Pays-Bas, la plus grande installation de ce type en Europe, pour tester les roulements dans des conditions réelles de fonctionnement. Des roulements d’essieu prototypes ont été montés sur de réelles boîtes d'essieu d'ICE-4 et ont fonctionné pendant l'équivalent de 800 000 km, durant lesquels la température et les performances des roulements ont été surveillés de près. Ce test a pris environ quatre mois et a été conçu pour simuler une large plage de conditions de fonctionnement.
D'autres essais de roulements montés sur des trains prototypes ont été réalisés par Siemens dans son centre d’essais et de validation, à Wegberg-Wildenrath en Allemagne, suivis de tests en service sur le réseau DB.
Composants de transmission haute efficacité
Dans les transmissions, SKF a également été choisi pour fournir des roulements à rouleaux coniques éco-énergétiques pour les arbres de sortie des réducteurs principaux, avec un diamètre d'alésage de 240 mm. « L'efficacité énergétique est un aspect de plus en plus critique pour les opérateurs ferroviaires qui cherchent à maîtriser les coûts de cycle de vie de leurs trains », dit Jochen Baum, directeur du centre de compétence pour les systèmes de traction de l'industrie ferroviaire chez SKF. « La solution SKF utilise un roulement à faible frottement et c'est la première fois qu'un roulement de ce type est utilisé dans une application ferroviaire. » Il explique que l'utilisation d'un roulement à faible frottement contribue à améliorer la durée de service du roulement.
« Un frottement moindre réduit la température de fonctionnement. Pendant la campagne d’essais du client, nous avons pu montrer que notre roulement à faible frottement fonctionnait à une température inférieure de presque 30 degrés à celle d'un roulement conventionnel. Les températures de fonctionnement inférieures permettent d'obtenir une « marge de température », qui permet au roulement de mieux supporter des conditions de fonctionnement sévères, générant des élévations de température, par exemple des fluctuations du couple/vitesse, des températures ambiantes élevées et une lubrification défaillante. » SKF a également développé un roulement rigide à billes spécialement modifié, conçu pour résister aux importants chocs axiaux, et fournit des roulements à rouleaux cylindriques pour équiper les moteurs de traction du train.
Mise en service sur l'ensemble du réseau
Siemens a livré les premiers trains prototypes à DB en 2014. Des tests opérationnels sur le réseau public ont commencé en 2016 et l'ICE-4 sera formellement mis en service courant 2017. SKF travaillera en étroite collaboration avec Siemens et DB pour surveiller les performances des roulements pendant les premières centaines de milliers de kilomètres de fonctionnement et, si ces performances sont aussi satisfaisantes sur le terrain que pendant la période d'essai, les intervalles de maintenance seront progressivement étendus au fil du temps.
« Dans ce type d'applications, il est très important d'être impliqué dès les premières étapes », explique M. Schatzer. « Ceci nous a permis de donner notre avis non seulement sur la conception des roulements, mais également sur les éléments environnants, qui ont souvent un impact considérable sur les performances globales du système. »
Pour commencer, l'ICE-4 remplacera les flottes Intercity et Eurocity existantes de DB, dont certaines sont en utilisation depuis les années 1970. À terme, le train remplacera également les unités ICE1 et ICE2 de la société, représentant ainsi environ 70% des revenus liés à ce service, issus de ses services interurbains. DB a passé une commande initiale de 130 nouveaux trains et a conclu un accord cadre avec le fournisseur Siemens mobility pour la livraison éventuelle de 300 trains.

SKF figure parmi les premiers fournisseurs mondiaux de roulements, joints, composants mécatroniques, systèmes de lubrification et services incluant l’assistance technique, les services de maintenance et de fiabilité, le conseil technique et la formation. SKF est représenté dans plus de 130 pays et dispose d’un réseau d'environ 15 000 distributeurs à travers le monde. En 2016, SKF a réalisé en France un chiffre d’affaires de 1 milliard d’euros avec un effectif de plus de 3 000 collaborateurs en France. www.skf.fr 
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