L'analyse des forces exercées sur les rails du pont roulant est essentielle pour garantir la sécurité de son utilisation. Les charges se transmettent du crochet au pont, aux roues, aux rails et au système de fixation.
Les ponts roulants subissent des forces verticales, longitudinales et latérales qui varient en fonction du levage, du déplacement, du vent et de la température. En conditions dynamiques, le rail subit des chocs et des vibrations dus aux variations de charge, aux accélérations et aux irrégularités de la surface.
Ce guide examine les 7 charges critiques dans l'analyse des forces sur les rails de grue et les exigences relatives au système de fixation pour chacune d'elles.
1. Charge verticale sur roue : L'élément central de l'analyse des forces sur les rails de grue
Les charges verticales comprennent le poids du pont roulant U, le poids du chariot G0 et la capacité de levage nominale Q. Elles agissent directement sur les roues de roulement et le rail.
Lorsque le poids exact du chariot est inconnu lors de la conception préliminaire, il peut être estimé à partir des courbes caractéristiques de la grue : G0 = (25 + Q) / 5. Pour la conception formelle, utilisez toujours le poids réel du chariot indiqué par le fabricant.
Les charges importantes des roues créent un moment de renversement significatif sur le rail. Lorsque le rail fléchit comme une vague sous le passage d'une grue, les fixations rigides classiques en acier se desserrent.
Solution technique : un nez en caoutchouc vulcanisé fait office de ressort robuste, maintenant une force de serrage dynamique vers le bas et absorbant les chocs verticaux.
2. Frottement de roulement : un facteur persistant dans l’analyse des forces sur les rails de grue
La résistance au roulement provient de la déformation locale au niveau du contact roue-rail. Pour un contact acier sur acier, le coefficient de frottement de roulement f est généralement compris entre 0,02 et 0,04.
Frottement de roulement longitudinal : F_R = (0,02–0,04)(U + G0 + Q).
Solution technique : les fixations de rail doivent équilibrer les charges longitudinales sans bloquer complètement le rail. Un blocage complet empêche les mouvements thermiques et provoque le flambage du rail.
3. Résistance au vent : Variable d'analyse des forces exercées sur le rail de la grue extérieure
Pour les grues extérieures telles que les grues portuaires STS (navire-terre), la charge due au vent est un facteur critique. La formule est F_W = C_W × q_W × A_W.
C_W est le coefficient de force du vent, pouvant atteindre 1,6 pour les structures à treillis. q_W est la pression du vent et A_W est la surface totale exposée au vent.
Solution technique : les fortes charges dues au vent sont transmises par le rail aux fixations. Un fort maintien latéral empêche le dérapage du rail en cas de tempête.
La charge due au vent constitue une charge latérale importante agissant sur les rails de la grue. Le graphique par éléments finis suivant illustre la distribution du coefficient de traînée du vent sur l'ensemble de la structure quai-grue pour le calcul de la charge due au vent.
4. Forces d'inertie : Composante d'analyse des forces dynamiques sur les rails de la grue
Lors des cycles de démarrage-arrêt, la masse de la grue produit une force d'inertie : F_a = (U + G0 + Q) × a / g, où a est l'accélération et g est l'accélération gravitationnelle.
Solution technique : le système de fixation doit résister à des charges dynamiques répétées sans se desserrer progressivement, un mode de défaillance courant pour les clips soudés.
5. Composante de gravité liée à l'inclinaison : Analyse détaillée des forces exercées sur les rails d'une grue
Si la poutre de la grue a une inclinaison longitudinale θ1, la charge de la roue génère une composante le long du rail : F_G = Pmax × sinθ1.
Une différence de hauteur entre les deux poutres crée une inclinaison latérale θ2 : F_G = Pmax × sinθ2. Ceci produit une forte poussée latérale contre le rail.
Solution technique : un alignement précis des rails et un réglage latéral adéquat des clips réduisent la charge due à l'inclinaison.
6. Forces de déviation latérale : le résultat le plus dangereux de l’analyse des forces sur les rails de grue
Les forces latérales sont la principale cause du déséquilibre des grues et de l'usure importante des boudins de roues. Elles comprennent le frottement latéral de roulement, le vent transversal, les forces d'inertie et les composantes latérales de la gravité.
Frottement latéral au roulement : F_Rx = (0,02–0,04)(G0 + Q). Remarque : cette valeur simplifiée tient compte du chariot et de la charge ; l’inertie du pont est évaluée séparément dans le calcul complet.
La résistance latérale au vent utilise la surface de projection latérale A_x plus la projection de la poutre A_l : F_W = C_W × q_W × (A_x + A_l).
Résultante latérale : F_X = F_Rx + F_W + F_a + Pmax × sinθ2.
Solution technique : les clips classiques en fonte avec jeu de fixation arrière peuvent se rompre sous l’effet d’un choc latéral important. Les clips en acier forgé à chaud offrent une limite d’élasticité supérieure et une porosité quasi nulle, ce qui leur permet de résister aux forces de cisaillement sans se fissurer.
7. Dilatation thermique : un facteur souvent négligé dans l’analyse des efforts sur les rails de grue
Les rails en acier se dilatent et se contractent en fonction de la température. Un rail complètement bloqué est immobile et se déformera sous l'effet de fortes variations de température.
Solution technique : le système de fixation doit permettre une dilatation thermique contrôlée tout en assurant un maintien latéral et vertical. Des clips de rail réglables permettent d’atteindre cet équilibre.
Conclusion
L'analyse des efforts sur les rails de la grue montre que ces derniers supportent une combinaison complexe de charges verticales, longitudinales et latérales. Leur amplitude dépend de la capacité de la grue, de l'exposition au vent, de l'accélération et de l'amplitude thermique.
Les ingénieurs des voies ferrées doivent choisir un système de fixation capable de résister aux contraintes multidirectionnelles. En combinant acier forgé à chaud et embout en caoutchouc vulcanisé, les attaches de rail ForgeSail offrent une solution réglable et autobloquante pour les projets portuaires et industriels exigeants.
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Références
- GB/T 3811-2008 — Spécifications de conception des grues (norme nationale chinoise)
- FEM 1.001 — Règles de conception des appareils de levage
- ISO 12488-1:2012 — Grues, tolérances pour les roues et le déplacement, et rails de grue
- Manuels techniques des fournisseurs de consommables et de fixations
