L’utilisation de l’aluminium dans le transport sur rail a commencé à la fin du 19e siècle. L’entreprise de New York, New Haven & Hartford Railroad, a commencé à fabriquer des wagons de passagers superlégers avec des sièges en aluminium. [1] Les premiers wagons destinés au transport de marchandises en vrac et entièrement fabriqués en aluminium, le sont aux États-Unis, dès 1931. Ce sont des wagons-trémies à déchargement ventral.
Aujourd’hui, les wagons-trémies en aluminium sont fabriqués principalement à partir d’alliages des séries 5xxx et 6xxx qui ont une meilleure résistance à la corrosion. [2] L’aluminium permet de réduire le poids des trains, ce qui permet d’augmenter la charge utile transportée et, conséquemment, d’augmenter l’efficacité de ce mode de transport. L’aluminium est aussi largement utilisé dans la fabrication de trains de passagers modernes, notamment le Shinkansen.
Types de transport sur rail
Train de fret (marchandises)
L’aluminium a été introduit, aux États-Unis, dans la fabrication de wagons destinés au transport en vrac du charbon dès 1931. Généralement, le coût initial d’achat d’un wagon d’aluminium est plus élevé que celui d’un wagon d’acier, mais la période de retour sur l’investissement est de moins de deux ans. En ce qui concerne le recyclage en fin de vie, des centaines de tonnes de wagons-trémies construits en 1967 ont récemment été vendues pour près de 90 % du coût original fabrication. [3]
Train de passagers et train à haute vitesse
On compte plusieurs exemples d’utilisation de l’aluminium dans la fabrication de trains dont le LRC au Canada, le TGV en France, le Hikari Rail Star et le Shinkansen au Japon, le Transrapid en Allemagne, etc. L’aluminium dans les voitures de trains offre un poids léger et une surface uniforme et lisse. Cela signifie qu’il y a moins de travaux de finition après l’assemblage et un temps de production réduit. Les trains modernes contribuent à la réduction des émissions de dioxyde de carbone causées par le transport de passagers. L’aluminium permet de réduire leur masse et contribue encore davantage à l’environnement.
Les trains de passagers vont des trains légers, de banlieue, de métros, de tramways aux trains interurbains et express. L’aluminium y est fortement utilisé dans la fabrication des parois latérales, le toit et le plancher. Bien que l’aluminium soit environ 1/3 du poids de l’acier, la plupart des pièces en aluminium utilisées dans l’industrie du transport représentent environ la moitié du poids des pièces en acier en raison des exigences de résistance.
Dans les systèmes ferroviaires longue distance, l'aluminium est largement utilisé dans les systèmes ferroviaires à grande vitesse, qui ont commencé à être introduits en masse dans les années 1980. Les trains à grande vitesse voyagent à des vitesses de 360 km / h et plus. Les nouvelles technologies ferroviaires à grande vitesse promettent des vitesses supérieures à 600 km / h. [4]
Principales applications de l’aluminium dans l’industrie ferroviaire
Les sièges, les portes et les structures pour wagons consomment la majorité de l’aluminium, avec une croissance modérée attendue. Le renouvèlement des réseaux sera un moteur important de croissance de l’aluminium.
Application |
Type d'aluminium |
| Panneaux de carrosserie | Feuilles laminées, plaques |
| Sièges et grille pour valises | Extrusions |
| Portes | Feuilles, profilés |
| Rails sur mesure1 | Extrusions |
1-Les rails ne sont habituellement pas en aluminium, mais plusieurs applications sur mesure telles que des camps miniers et de petites usines utilisent de l’aluminium pour des rails.
Source : Analyse strategy& (PwC), Fournisseurs de pièces d’aluminium, 2016
Alliages d’aluminium utilisés dans le transport ferroviaire
Les alliages d’aluminium utilisés dans les wagons à grande vitesse proviennent principalement des séries 5xxx et 6xxx, comme dans l’industrie automobile. Des alliages dela série 7xxx sont aussi utilisés pour répondre aux exigences élevées de certaines applications. Ces alliages ont tous une densité inférieure à celle de l’acier sans compromettre la résistance, une excellente formabilité et une bonne résistance à la corrosion. Les alliages les plus communs pour les trains sont 5083-H111, 5059, 5383, 6060 et 6082. Le Shinkansen, au Japon, contient principalement les alliages 5083 et 7075, qui sont plus fréquemment utilisés dans l’industrie aérospatiale, tandis que le Transrapid, en Allemagne, utilise principalement les alliages 5005 en feuille pour les panneaux et 6061, 6063 et 6005 pour les extrusions. [5]
Exemples d’utilisation de l’aluminium dans l’industrie ferroviaire
Zefiro : cette famille de trains de Bombardier peut aller de 250 km/h à 380 km/h. Ces trains peuvent avoir quatre différentes tensions d’alimentation (courant continu de 1,5 et de 3 kV, courant alternatif de 15 et de 25 kV). De plus, la longueur du train est variable et peut atteindre 428 m (16 voitures). D’ailleurs, en 2010, l’exploitant ferroviaire italien Trenitalia a commandé 50 rames V300ZEFIRO, soit 400 voitures. [6]
LRC : ce train de passagers au Canada est léger, rapide et confortable. Il est conçu par Montreal Locomotive Works, Dofasco et Alcan, soit un fabricant de matériel ferroviaire, un fabricant d’acier et un fabricant d’aluminium. Les voitures sont construites par Bombardier et VIA Rail acquiert et opère les voitures. [7]
TGV Duplex : Véritable défi, le respect d’une charge à l’essieu de 17 tonnes a été obtenu par le recours à des alliages de métaux plus légers, et notamment de l’aluminium, tant dans la structure de caisse que sur l’ensemble des équipements constituant la rame, y compris évidemment l'aménagement intérieur. Pour moins de 10 tonnes supplémentaires, le TGV Duplex peut ainsi transporter 40 % plus de voyageurs qu’un TGV classique. [8]
Shinkansen : train japonais aussi appelé « bullet train ». Ces trains transportent des passagers à 320 km/h. [9] La lévitation magnétique constitue la prochaine étape des trains à grande vitesse. De nos jours, ces nouveaux trains (maglev) sont capables de dépasser 600 km/h et de parcourir la distance de 286 km entre Tokyo et Nagoya en seulement 40 minutes. Cela représente moins de la moitié du temps que prennent les « bullet trains » actuellement utilisés. [10]
Harmony CRH3: : fabriqué en Chine, le train à grande vitesse Harmony CRH3 est équipé d’un corps en aluminium léger et peut aller à une vitesse maximale de 380 km/h. [11]
Corrosion
La corrosion représente un défi pour tous les secteurs du transport et le ferroviaire n’y fait pas exception. Considérant que les trains sont des véhicules conçus pour une vie utile dépassant 30 ans, la protection contre la corrosion mérite une grande attention. Les mécanismes de corrosion de l’aluminium faisant partie d’un véhicule demeurent toutefois les mêmes, ainsi que les principes pour la prévenir. À l’instar des automobiles, les joints sont conçus de façon à éviter l’accumulation de liquides, les métaux différents sont sélectionnés adéquatement ou, si nécessaire, isolés électriquement l’un de l’autre.
Fatigue
La fatigue est cette propriété par laquelle un matériau s’endommage progressivement et en arrive à se rompre à la suite d’efforts cycliques qui génèrent des contraintes pourtant inférieures à sa limite ultime. L’aluminium est sensible à la fatigue, le phénomène est connu, et les fabricants en tiennent compte afin d’éviter des défaillances précoces. Généralement, il sera avisé d’éviter les géométries formant des concentrateurs de contraintes et d’élaborer une stratégie d’assemblage adéquate. Ainsi, les joints seront positionnés aux endroits les moins sollicités ou, à défaut de pouvoir le faire, ils seront conçus de façon à offrir la résistance voulue. L’élément crucial est de bien connaître la nature de l’utilisation du wagon et l’ensemble des efforts cycliques auquel il sera exposé.
Références :
[1] Aluminium Leader. (2017). Aluminium in transport. En ligne. Repéré à http://www.aluminiumleader.com/application/transport/
[2] Aluminium Leader. (2017). Aluminium in transport. En ligne. Repéré à http://www.aluminiumleader.com/application/transport/
[3] Aluminium Leader. (2017). Aluminium in transport. Rail Transport. En ligne. Repéré à http://www.aluminiumleader.com/application/transport/
[4] Aluminium Leader. (2017). Aluminium in transport. Rail Transport. En ligne. Repéré à http://www.aluminiumleader.com/application/transport/
[5] DJUKANOVIC (2017). Aluminium use in the production of trains steams ahead. En ligne. Repéré à http://aluminiuminsider.com/aluminium-use-production-trains-steams-ahead/
[6] Bombardier. (2010). Zefiro. En ligne. Repéré à https://bombardier.com/fr/medias/nouvelles/bombardier-decroche-un-contrat-portant-sur-50-trains-tres-grande-vitesse
[7] VIA Rail Canada. (2017). Voitures voyageurs – Voiture-Classe économie LRC. En ligne. Repéré à http://www.viarail.ca/fr/a-propos-de-via/parc-ferroviaire/voiture-coach-lrc
[8] Le Webmagazine des idées ferroviaires. TGV Duplex : le nouveau standard français. http://transportrail.canalblog.com/pages/tgv-duplex---le-nouveau-standard-francais/36599026.html
[9] ACP Raio International. Bullet Train. En ligne. Repéré à http://www.acprail.com/rail-passes/japan-rail/bullet-train
[10] Tokyo CNN. (2016). Japan maglev train sets world record. En ligne. Repéré à http://www.cnn.com/2015/04/21/asia/japan-maglev-train-world-record/index.html
[11] G. Djukanovic. (2017). Aluminium use in the production of trains steams ahead. En ligne. Repéré à http://aluminiuminsider.com/aluminium-use-production-trains-steams-ahead/