Transport ferroviaire
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 super légers avec des sièges en aluminium. [1] Les premiers wagons destinés au transport de marchandises en vrac sont entièrement fabriqués en aluminium, 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 de la série 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.
Les types de transport sur rail
Train de fret (marchandise)
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 passager 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. [4]
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. Cette réduction de poids est particulièrement importante pour les trains de banlieue avec des arrêts fréquents, car il permet des économies d’énergie lors des départs. Les trains à haute vitesse utilisent la technologie de la lévitation magnétique. Ils peuvent atteindre jusqu’à 550 km/h.
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L’électrification des transports
De plus en plus, le souci écologique transparaît dans les transports. L’électrification est l’un de moyen pour y arriver. Pour l’instant, les autobus électriques sont encore des projets pilotes au Québec, mais les voitures électriques immergent le marché. Le Québec possède une source d’énergie propre et renouvelable. L’hydroélectricité, qui fournira l’énergie d’alimentation des trains de banlieue, les tramways, les trolleybus et éventuellement les aérotrains.[6]
Les alliages d’aluminium 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 de la 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 l’alliage 5083 et 7075, qui est plus fréquemment utilisé 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. [7]
Quelques exemples intéressants
• 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. [8]
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. [10]
TGV : le train à grande vitesse en France a introduit le train duplex à deux étages en 1996. Le duplex a pu transporter 40 % plus de passagers que son prédécesseur et pourtant la structure en aluminium du train pesait 12 % de moins que son prédécesseur. [11]
Crossrail Londres: c’est en Angleterre, à Londres, que ce train est progressivement introduit sur la route Liverpool Street à Shenfield depuis juin 2017. Le corps est construit en aluminium. Il mesure plus de 200 m de long et peut accueillir jusqu’à 1 500 passagers. [12]
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. [13]
Shinkansen, train japonais aussi appelé “bullet train” Ces trains transportent des passagers à 320 km/h. [14] 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. [15]
La corrosion dans l’industrie ferroviaire
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 [15], 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. [16]
La fatigue dans l’industrie ferroviaire
La fatigue est cette propriété par laquelle un matériau s’endommage progressivement et en arrive à se rupturer 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.