Durée de vie prolongée des roulements grâce à une lubrification efficace à la graisse

Les efforts de recherche et développement de SKF visent à soutenir le développement de produits dans les roulements et les joints pour lesquels la compréhension de la lubrification à la graisse est cruciale, car la plupart des défaillances des roulements sont causées par une mauvaise lubrification.

SKF possède des compétences internes pour analyser les lubrifiants et l'impact de la lubrification sur les performances des roulements au moyen d'une large gamme d'équipements chimiques, de mesure et de test sophistiqués.

Le système de lubrification et de lubrification est souvent intégré au système de roulement où des graisses spécifiques sont choisies, dédiées à l'application. SKF ne fabrique pas de graisse mais, en partenariat avec des fournisseurs privilégiés, a développé une gamme de graisses, à la fois pour le remplissage initial et le marché secondaire.

Les connaissances en lubrification s'étendent également aux graisseurs automatiques, aux graisseurs multipoints et monopoints, aux systèmes de lubrification centralisée et aux systèmes de lubrification centralisée à perte totale et à circulation.

SKF propose également une formation sur la sélection des lubrifiants, la manipulation des lubrifiants, l'inspection, l'élimination et la maintenance de la fiabilité. Une unité commerciale SKF distincte, Engineering and Consultancy Services, aide à développer des produits liés aux arbres rotatifs ou aux applications de roulements. Évidemment, la lubrification (en particulier la lubrification à la graisse) est très importante ici. L'ingénierie d'application, les services de conseil, la formation, la gestion de la lubrification, la surveillance de l'état, la maintenance de la fiabilité, l'assistance technique, les outils, les produits et les systèmes forment ensemble la solution de lubrification SKF complète.

Lubrification à la graisse pour les applications de roulements
Le roulement parfait serait sans lubrifiant. Cependant, un lubrifiant est nécessaire pour séparer les éléments roulants des pistes afin d'éviter les dommages dus au (micro) glissement. Le milieu de séparation idéal est un liquide, qui est capable de supporter le cisaillement avec de faibles pertes par frottement et peut reconstituer les surfaces d'appui (action d'auto-cicatrisation).

La graisse lubrifiante est largement utilisée pour sa consistance, ce qui la rend facile à utiliser; il ne fuira pas facilement et offre une certaine action d'étanchéité. La graisse protège contre la corrosion et abaisse les valeurs de friction, par rapport à la lubrification à l'huile, à condition qu'une graisse de bonne qualité et taux de remplissage soit appliquée.

Une graisse lubrifiante a une durée de vie limitée [2,3], qui est généralement plus courte que la durée de vie en fatigue des roulements [1]. Des modèles avancés de durée de vie des roulements existent, et comme la durée de vie de la graisse domine souvent la durée de vie des roulements, un modèle de durée de vie de la graisse est hautement souhaitable. Malheureusement, la complexité de la lubrification à la graisse [2] signifie qu'aucun modèle physique pour la prédiction de la durée de vie de la graisse n'est disponible aujourd'hui. SKF a développé un modèle empirique où la durée de vie de la graisse (ou l'intervalle de relubrification) peut être calculée pour une « graisse de bonne qualité ».

Figure 1.

Pour les roulements rigides à billes, SKF a développé le concept Grease Performance Factor (GPF) [3] (fig.1) pour la prédiction de la durée de vie des graisses connues pour lesquelles des données sont disponibles. Un GPF=1 correspond aux performances d'une « graisse de bonne qualité ». De nombreux types de graisse surpassent la « bonne qualité » standard et auront un GPF supérieur à 1. La figure 1 montre la durée de vie de la graisse en fonction de la température, de la vitesse (n dm) et de la qualité de la graisse [3].

SKF recommande des limites de performance de température bien en deçà des limites de température standardisées (Figure 2). Entre les limites de performances recommandées, la « zone verte » du concept de feux de circulation SKF, la graisse fonctionnera de manière fiable et la durée de vie de la graisse (et l'intervalle de relubrification) peut être déterminée [8].

Figure 2.

Les températures dans la zone ambrée des deux côtés de la zone verte ne devraient se produire que pendant de très courtes périodes. Avec le temps, la température, le fonctionnement mécanique, le vieillissement et la pénétration possible de contaminants, la graisse dans un roulement se détériore et perd ses propriétés lubrifiantes. Après le remplissage initial de graisse lors de l'installation, une relubrification supplémentaire à la graisse peut atteindre la durée de vie souhaitée. Trois facteurs de relubrification sont importants pour atteindre la fiabilité :le type de graisse, la quantité de graisse et la fréquence d'application. La quantité fournie et la fréquence du graissage dépendent des conditions de fonctionnement et du mode d'alimentation :manuellement, ou par un graisseur automatique ou un système de graissage. Ces connaissances sont incorporées dans des systèmes experts :LubeSelect, LuBase et DialSet, disponibles sur Internet.

Physique de lubrification à la graisse
Comprendre la physique et la chimie de la lubrification à la graisse est essentiel pour prédire les performances de la graisse dans un roulement. Les tests de durée de vie de la graisse dans les conditions d'application sont généralement impossibles, car une application sera conçue pour une très longue endurance, ce qui conduirait à des temps de test inacceptablement longs. En pratique, les conditions d'essai sont choisies pour être plus sévères (par exemple, une température plus élevée et/ou des vitesses plus élevées) que dans l'application. De plus, les bancs d'essai de durée de vie des graisses fonctionnent parfois avec des roulements normalisés, qui diffèrent de l'application.

Les performances de la graisse lubrifiante dépendent non seulement des propriétés de la graisse, mais également de la géométrie interne du type de roulement particulier. Même au sein des types de roulements, les performances dépendent de la géométrie interne, où les dimensions internes, la solution d'étanchéité, la configuration de la cage et le matériau de la cage sont les plus importants.

En connaissant la physique et la chimie des graisses lubrifiantes, les résultats des tests peuvent être « extrapolés » à des conditions pour lesquelles les données de test ne sont pas disponibles. De plus, les données des tests de durée de vie de la graisse sont utilisées pour valider les modèles physiques développés pour la lubrification à la graisse. Le centre d'ingénierie et de recherche de SKF a développé des connaissances et des modèles de pointe en tribologie/lubrification et en physique/chimie, qui soutiennent la compréhension de la lubrification à la graisse. Les domaines scientifiques soutenant le développement de modèles de prédiction des graisses comprennent la rhéologie, la dynamique des fluides, la chimie, la lubrification élasto-hydrodynamique et les statistiques.

Au début du fonctionnement du roulement, la graisse s'écoulera. La majeure partie de la graisse se retrouve à côté des chemins de roulement et une partie reste à l'intérieur de la « zone balayée ». La distribution interne de la graisse à l'intérieur du roulement pendant et après cette phase nécessite une compréhension de la dynamique des fluides et des propriétés rhéologiques de la graisse. Appliquer la théorie de la dynamique des fluides à l'écoulement de la graisse n'est pas simple; après tout, une graisse lubrifiante n'est pas vraiment un fluide. La graisse vieillit par le travail mécanique et thermique, ce qui est sévère dans un roulement, ajoutant de la complexité au problème. La théorie de la dynamique des fluides/rhéologie est également utilisée pour prédire les propriétés de dégorgement d'huile de la graisse. Il est important de comprendre la chimie de la lubrification à la graisse pour prédire l'oxydation de l'huile de base et de l'épaississant [4]. De plus, la chimie de la graisse détermine les propriétés de lubrification limite.

La graisse lubrifiante est censée développer un film de séparation, qui peut être un film limite ou peut être formé par action hydrodynamique. Dans les roulements, la déformation élastique des corps en contact va générer une géométrie d'entrée favorable à la formation de film, et ce phénomène est appelé « lubrification élasto-hydrodynamique » (EHL). Cette théorie est bien développée pour la lubrification à l'huile mais pas encore pour la lubrification à la graisse, où l'épaisseur du film est dominée par la disponibilité de lubrifiant sur les pistes de roulement (généralement appelée « EHL affamée » [5]) et par des « particules » d'épaississant. La figure 3 montre une image d'interférométrie d'un contact lubrifié à la graisse. Le film n'est pas lisse, en raison des particules d'épaississant entrant dans le contact.

Enfin, le processus de lubrification à la graisse n'est pas déterministe. Il existe une distribution statistique des défaillances, ce qui complique encore la prédiction. SKF a développé une solide connaissance des statistiques de Weibull, qui sont utilisées pour évaluer la durée de vie des roulements et les données des tests de durée de vie de la graisse [6].

Test de graisse
Pour prévoir la durée de vie d'une graisse de lubrification dans un roulement, SKF a développé des machines d'essai qui sont utilisées dans l'ensemble de l'industrie. Traditionnellement, il s'agissait des bancs d'essais R0F (roulements à billes) et R2F (roulements à rotule sur rouleaux). Les bancs d'essai R0F ont été améliorés (R0F+), ce qui les rend très flexibles en termes de vitesse, de charge et de température. Un grand nombre de R0F et R0F+ sont disponibles au SKF Engineering &Research Center, permettant d'effectuer 140 tests simultanément (Figure 4).

Figure 4.

En plus des tests de durée de vie de la graisse, des tests fonctionnels sont effectués sur le couple de démarrage, le frottement, la résistance à la corrosion, les vibrations (V2F), le bruit de la graisse (BeQuiet+), etc. Un laboratoire chimique bien équipé prend en charge l'évaluation des résultats des tests.

Développement de produits et lubrification à la graisse
Plusieurs exemples montrent comment la compréhension de la lubrification à la graisse a influencé le développement de nouveaux produits, notamment une nouvelle génération de roulements SKF à haute efficacité énergétique. La Figure 5 montre un roulement rigide à billes SKF Energy Efficient (E2). Les roulements rigides à billes SKF E2 ont des pertes par friction d'au moins 30 % inférieures à celles des roulements SKF standard de même taille. Développés pour les applications lubrifiées à la graisse, les roulements SKF E2 consomment également moins de lubrifiant.

Figure 5.

La comparaison entre la durée de vie de la graisse dans un roulement rigide à billes standard et SKF E2 (Figure 6) montre que la durée de vie de la graisse est doublée, doublant ainsi la durée de vie du roulement. La réduction du frottement peut être attribuée à une meilleure lubrification à la graisse, c'est-à-dire une graisse unique associée à une géométrie interne améliorée et à une nouvelle conception de cage. C'est un bon exemple de la façon dont le développement de la graisse a été intégré dans la conception des roulements.

Figure 6.

Une nouvelle graisse dotée d'excellentes propriétés anti-faux brinelling pour les pales d'éoliennes et les paliers de lacet est apparue lorsque SKF a développé son propre banc d'essai et sa propre méthode pour le faux brinelling. La figure 7 trace les résultats du test avec une graisse standard et la nouvelle graisse pour pales et roulements de lacet, où le frottement est surveillé en fonction du nombre d'oscillations. Si la friction augmente continuellement avec le temps, alors l'échec est sur le point de se produire. Les lignes bleues représentent les mesures pour la graisse commerciale. Les lignes vertes sont les mesures avec la graisse SKF LGBB 2, qui forme une couche tribo protectrice et montre des valeurs de frottement très faibles pendant de nombreux cycles et conduira à une longue durée de vie des roulements.

Figure 7.

La figure 8 montre la fenêtre de fonctionnement pour diverses graisses dans des conditions semblables à celles d'un roulement de lame. En cas de glissement partiel, l'oscillation est si faible que le centre du contact hertzien va coller, et le glissement n'a lieu que sur les bords du contact. Le glissement brut se produit lorsque les oscillations sont si fortes que même le centre du contact glissera. Le fretting se produit généralement entre des surfaces destinées à être fixées, cependant soumises à de petites oscillations et se caractérise par des débris d'usure générés qui restent piégés à l'intérieur de la zone de contact. La graisse SKF LGBB 2 possède d'excellentes propriétés anti-frottement et peut également être utilisée pour de grandes oscillations. La graisse fonctionne bien à basse température et possède de bonnes propriétés anti-corrosion, ce qui la rend très appropriée pour les applications de pales d'éoliennes et de paliers de lacet.

Figure 8.

Pour les applications papetières, SKF a développé le « lubrifiant SKF polymère épaissi », ou graisse polymère, remplaçant l'épaississant de savon traditionnel par un polymère [7]. Le polymère est non polaire, c'est-à-dire que le savon n'entre pas en compétition avec la surface métallique pour attirer les additifs. La graisse conventionnelle contient 10 à 20 pour cent d'épaississant de savon à base de métal (polaire) et 80 à 90 pour cent d'huile de base, y compris l'ensemble d'additifs. Le lubrifiant épaissi aux polymères contient 10 à 13 pour cent de polypropylène (PP), un matériau non polaire, et 87 à 90 pour cent d'huile, y compris l'ensemble d'additifs. Le processus unique de formation de graisse épaissie par un polymère est l'opération innovante de chauffage et de trempe du polymère, qui est dissous dans l'huile. Il en résulte une structure de filet tridimensionnelle, qui fonctionne comme une graisse «normale» épaissie au savon de métal. La graisse donne une longue durée de vie sur le banc d'essai R0F, même en l'absence d'additifs, ce qui la rend plus respectueuse de l'environnement avec des intervalles de relubrification prolongés. Cela entraînera une réduction de la consommation de graisse. La nouvelle graisse polymère a d'excellentes performances à basse température et nécessite moins d'énergie pour sa production.

Les exigences en matière de graisse pour les roulements d'arbre principal dans les éoliennes se rapportent à l'environnement difficile où la graisse doit atteindre une fiabilité élevée sous une charge de contact élevée, de faibles vitesses et des conditions d'oscillation et d'arrêt. Des défis supplémentaires se posent pour les éoliennes installées dans des climats offshore et froids. SKF a développé trois graisses différentes pour les applications d'arbre principal d'éoliennes. Le tableau 1 montre les propriétés des graisses. Les trois graisses sont largement utilisées et approuvées par divers équipementiers d'éoliennes. Le choix de la graisse dépend du type de joint, des conditions de fonctionnement et de l'environnement.

Tableau 1.

SKF propose des solutions complètes à ses clients pour les applications d'arbre principal comprenant les graisses, les carters, les joints, les configurations de roulements, les systèmes de lubrification, les contre-écrous, les services de montage, les lubrifiants, les analyses et la surveillance de l'état.

Conclusion
SKF contribue à la durabilité et soutient des solutions respectueuses de l'environnement grâce au développement et à l'application de ses connaissances en matière de lubrification à la graisse, prolongeant ainsi la durée de vie des systèmes de roulements et réduisant la friction, entraînant une consommation d'énergie moindre. La durée de vie prolongée et les intervalles de relubrification permettent de réduire les besoins d'entretien et de réduire les déchets. Ceci est réalisé en utilisant les connaissances obtenues à partir de la R&D fondamentale et du développement de modèles en combinaison avec le développement de produits.

Références

[1] E. Ioannides, G. Bergling et A. Gabelli. Une formulation analytique pour la durée de vie des roulements. Acta Polytechnica Scandinavia, Série sur le génie mécanique, Académie finlandaise de technologie, (137), 1999.

[2] Après-midi Lugt. Une revue sur la lubrification à la graisse dans les roulements. Transactions de tribologie, 52(4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. Durée de vie de la graisse dans les roulements rigides à billes lubrifiés à vie. Évolution, 2:26-28, 2004.

[4] A. van den Kommer et J. Ameye. Prédiction de la durée de vie restante de la graisse - une nouvelle approche et méthode par voltamétrie à balayage linéaire. Actes de la conférence d'Esslingen, pages 891–896, 2001.

[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner et P.M. Lugt. Prédiction de la décroissance de l'épaisseur du film dans les contacts élasto-hydrodynamiquement lubrifiés à l'aide d'un modèle de couche mince. Actes de l'Institution des ingénieurs mécaniciens. Partie J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.

[6] T. Andersson. Test d'endurance en théorie. Journal des roulements à billes, 217:14-23, 1983.

[7] D. Meijer, D. Graisse lubrifiante épaissie polymère. Demande de brevet européen (EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] Catalogue général SKF, 6000/I (2008)