Comprendre les besoins en lubrification des accouplements

Dans un monde idéal, plusieurs composants pourraient être produits en une seule pièce, ou couplés et installés dans un alignement parfait. Cependant, dans le monde réel, des composants séparés doivent être réunis et connectés sur site.

Les accouplements sont nécessaires pour transmettre les forces de rotation (couple) entre deux longueurs d'arbre, et malgré les tentatives les plus rigoureuses, l'alignement n'est jamais parfait. Pour maximiser la durée de vie des composants tels que les roulements et les arbres, une flexibilité doit être intégrée pour absorber le défaut d'alignement résiduel qui subsiste après tous les ajustements possibles. Une bonne lubrification des accouplements est essentielle à leur performance.

Figure 1. Types de désalignement

DÉSALIGNEMENT
Le désalignement peut se produire sous la forme d'un décalage ou d'un déplacement angulaire sur deux des trois axes possibles (Figure 1). Le troisième axe, dans la direction longitudinale, n'est pas couramment mesuré, bien que des erreurs dans cette direction puissent entraîner des charges de poussée excessives dans un système. Pour les grandes installations, telles que les gros compresseurs, des méthodes d'alignement des fils sont utilisées. Les petites applications ont traditionnellement utilisé des lectures d'indicateurs à cadran pour quantifier et corriger le désalignement, bien que les indicateurs laser optiques aient gagné en popularité en raison de leur facilité d'utilisation et de leur précision.

Dans les organisations de maintenance à l'avant-garde, des efforts sont également déployés pour compenser la croissance thermique qui se produit dans l'équipement pendant le fonctionnement. Tous les matériaux (à l'exception de l'eau) se dilatent légèrement lorsqu'ils sont chauffés ; la quantité par laquelle ils le font est régie par le coefficient de dilatation thermique du matériau et le degré auquel il est chauffé. Une machine qui est alignée à température ambiante se glissera dans une position de désalignement lorsque les matériaux de la machine grimperont ou descendront à la température de fonctionnement.

Des tentatives sont faites pour préchauffer ou refroidir l'équipement dans des conditions de fonctionnement normales avant d'effectuer des vérifications d'alignement. Alternativement, les calculs de la croissance thermique anticipée peuvent être utilisés pour désaligner intentionnellement la transmission à température ambiante afin qu'elle puisse s'aligner. Quelles que soient les précautions prises pour rendre les alignements aussi précis que possible, une certaine quantité de défaut d'alignement résiduel restera inévitablement. Le désalignement force les composants rigides de la machine tels que les arbres à se déformer afin de s'aligner efficacement. Cette déflexion sollicite les composants, provoque des vibrations et répartit des charges plus élevées et inégales sur les structures qui supportent ces éléments, comme les roulements. Ces contraintes gaspillent de l'énergie et peuvent réduire considérablement la durée de vie et la fiabilité de l'équipement.

Conçus correctement, les accouplements peuvent absorber les forces de désalignement, ce qui permet d'économiser des composants plus coûteux, critiques et sensibles. Alors que les arbres rotatifs semblent robustes, les roulements qui les soutiennent sont parmi les composants de précision les plus sensibles de la transmission.

Figure 2. Accouplements à engrenages

TYPES DE RACCORDS
Les conceptions d'accouplement peuvent être divisées en quatre catégories principales, chacune ayant plusieurs conceptions spécifiques. Les accouplements solides et magnétiques ne nécessitent pas de lubrification, mais sont inclus ici par souci d'exhaustivité. Les accouplements solides sont des structures fondamentalement rigides qui ne compensent pas le désalignement, mais permettent à deux arbres d'être joints dans le but de transmettre le couple. Les moyeux boulonnés clavetés sur les arbres sont un exemple de machine avec des accouplements magnétiques. Les accouplements magnétiques permettent d'entraîner ensemble des arbres sans contact direct à l'aide de puissants aimants permanents ou électriques. Une pompe à entraînement magnétique sans joint est un exemple courant.

Les autres types d'accouplement sont les accouplements flexibles et les accouplements hydrauliques. De nombreux accouplements flexibles utilisent des éléments métalliques, en caoutchouc ou en plastique flexibles à position fixe, tels que des disques ou des bagues, qui tournent avec les arbres et absorbent le désalignement. Les conceptions de ce type ne nécessitent pas de lubrification. D'autres tels que les engrenages, les chaînes, les grilles et les joints universels nécessitent une lubrification pour la performance et la longévité. Les accouplements hydrauliques comprennent des convertisseurs de couple et des multiplicateurs de couple. Ces accouplements sont remplis de fluides lubrifiants qui dépendent du fluide pour transmettre le couple.

Figure 3. Accouplements de chaîne

RACCORDS FLEXIBLES
Les accouplements à engrenages (Figure 2) compensent le désalignement via le jeu entre les dents des engrenages. Les dents d'engrenage externes montées sur l'arbre sur les deux arbres s'accouplent avec les dents d'engrenage internes sur un boîtier qui contient un lubrifiant. D'autres conceptions montent des dents externes sur un seul arbre, s'accouplant avec des dents internes montées sur l'autre arbre. L'accélération ou la décélération peut entraîner des impacts entre les dents de l'engrenage en raison du jeu dû au jeu pris sur les côtés opposés des dents de l'engrenage. Un désalignement entraînera un mouvement relatif de glissement sur les dents correspondantes lors de chaque révolution.

Les accouplements à chaîne (Figure 3) fonctionnent de la même manière que les accouplements à engrenages. Les pignons à chaque bout d'arbre sont reliés par une chaîne à rouleaux. Le jeu entre les composants et le jeu lors de l'accouplement de la chaîne aux pignons compensent le désalignement. La charge est similaire à celle des accouplements à engrenages.

Les couplages de grille externes (Figure 4) utilisent une grille en acier ondulé qui se plie pour compenser la charge induite par un désalignement. Des disques rainurés fixés aux extrémités de chaque arbre abritent la grille, qui transmet le couple entre eux. Un mouvement de glissement de faible amplitude se développe entre la grille et les rainures à mesure que la grille se déforme sous la charge, s'élargissant à certains endroits et se rétrécissant à d'autres à chaque révolution.

Les joints universels sont utilisés pour un désalignement maximal admissible jusqu'à 20 à 30 degrés, selon la conception. Ils sont largement utilisés pour les arbres de transmission des véhicules afin de permettre aux roues de se déplacer avec le système de suspension. Les joints universels utilisent un composant à quatre broches appelé l'araignée pour connecter deux arbres se terminant par des fourches ou des articulations à angle droit (Figure 5). Chacun des quatre tourillons d'araignée est soutenu par un roulement ou une bague contenue dans l'un des charnons, qui permettent l'articulation.

Figure 4. Couplage de grille

LUBRIFIANTS D'ACCOUPLEMENT FLEXIBLE
Les huiles lubrifiantes et les graisses peuvent être sélectionnées pour lubrifier les accouplements flexibles. Sauf indication contraire du concepteur de l'accouplement, les accouplements de la majorité des composants industriels sont lubrifiés à la graisse. Les composants de l'accouplement sont principalement protégés par un film d'huile qui s'écoule de l'épaississant de graisse et s'infiltre dans la zone de chargement.

Les accouplements flexibles lubrifiés nécessitent une protection contre le mouvement relatif de faible amplitude qui se développe entre les composants. D'autres problèmes incluent la contrainte centrifuge sur le lubrifiant (en particulier la graisse), qui provoque une séparation prématurée de l'huile de l'épaississant, une mauvaise répartition de l'huile dans le boîtier et des fuites d'huile du boîtier.

La faible amplitude du mouvement, sa vitesse d'articulation et sa tendance à une action de glissement plutôt que de roulement inhibent le développement d'une lubrification hydrodynamique (film complet). Les graisses à base d'huiles de base à haute viscosité, d'agents anti-rayures (EP) et de mouillage des métaux sont recommandées pour surmonter les conditions limites (film mixte) qui existent souvent dans les accouplements flexibles. Une viscosité élevée de l'huile ralentit également les taux de fuite.

Les forces centrifuges dans les accouplements flexibles peuvent être extrêmes, devenant plus grandes avec une distance accrue par rapport à l'axe de rotation. Même les accouplements de taille moyenne peuvent générer des forces des milliers de fois supérieures à la gravité (appelées Gs). Les fabricants de graisse accordent une grande priorité aux formulations qui résistent à la séparation prématurée de l'huile et de l'épaississant en raison des forces G élevées.

Figure 5. Joint universel

RACCORDS DE FLUIDE
Les accouplements hydrauliques transfèrent la quantité de mouvement de l'arbre d'entrée à un fluide, puis à l'arbre de sortie lors de la transmission du couple. Le désalignement est compensé uniquement par les jeux entre les pièces mobiles. Les petits jeux ne laissent pas beaucoup de place aux erreurs d'alignement. Cependant, il est possible de compenser efficacement les charges de choc et les charges de démarrage à couple élevé car il n'y a pas de connexion solide entre les arbres d'entrée et de sortie.

Dans les accouplements hydrauliques, une roue fixée à l'arbre d'entrée accélère le fluide dans l'accouplement lorsqu'il tourne, un peu comme dans une pompe centrifuge. Ce fluide frappe ensuite les aubes de la roue de l'arbre de sortie, transférant son élan à mesure que la roue accélère. Il accélérera jusqu'à ce qu'il s'approche de la vitesse de l'arbre d'entrée, mais ne l'atteindra jamais réellement. La différence de vitesse entre les arbres d'entrée et de sortie est appelée glissement. Bien entendu, la traînée de friction et visqueuse doit être surmontée avant que l'arbre de sortie puisse tourner. La vitesse d'entrée minimale requise pour cette condition est connue sous le nom de vitesse de décrochage. L'équipement avec de grandes charges statiques, comme une turbine à vapeur ou à gaz, utiliserait un coupleur hydraulique pour minimiser la contrainte initiale sur l'arbre d'entraînement.

Les charges de choc côté entrée, telles que le couple de démarrage, ne sont jamais créées. La vitesse de l'arbre d'entrée n'est jamais limitée. Lorsque la vitesse de décrochage est dépassée, l'arbre de sortie commencera à accélérer, mais le fera à un rythme contraint en raison de son moment d'inertie (résistance à l'accélération angulaire). Un glissement est créé lorsque le coureur accélère à la vitesse de l'entrée, dissipant l'excès d'énergie grâce à la génération de chaleur visqueuse dans le fluide. Les charges de choc côté sortie seront dissipées de la même manière, même si l'arbre de sortie cale complètement.

Les convertisseurs et multiplicateurs de couple sont des applications spéciales des coupleurs hydrauliques qui permettent de modifier le couple d'entrée avant la transmission. Ces conceptions fonctionnent fondamentalement selon les mêmes principes, mais sont mécaniquement beaucoup plus complexes.

LUBRIFIANTS DE RACCORD FLUIDE
La dissipation d'énergie qui rend les couplages fluides si tolérants aux charges de choc crée un potentiel d'augmentation rapide et extrême de la température du fluide. L'énergie dissipée lors du décrochage et du glissement est convertie en chaleur par le cisaillement visqueux du fluide (frottement interne du fluide). Dans les applications extrêmes, la température du fluide peut dépasser la température de fonctionnement normale de 200 degrés Fahrenheit en moins d'une minute.

La résistance à l'oxydation et à la dégradation thermique sont des qualités importantes de l'huile utilisée pour les couplages fluides en raison du potentiel d'augmentations drastiques de la température. De même, un indice de viscosité (VI) élevé est également utile pour empêcher de fortes diminutions de la viscosité de fonctionnement aux pics de température et une viscosité de fonctionnement excessivement élevée dans des conditions de basse température.

Des fluides à faible viscosité sont généralement utilisés dans ces applications pour réduire la puissance perdue en chaleur due à la friction des fluides. Les viscosités de couplage fluide peuvent se situer entre 2,5 et 72 centistokes (cSt) à 40 degrés Celsius. Pour les coupleurs hydrauliques conçus pour fonctionner à des températures élevées, les limites de viscosité peuvent être données à 100 C.

Ces fluides doivent également résister au moussage dû à la forte agitation provoquée par le mouvement de la roue et son impact sur les aubes mobiles. Les propriétés antirouille aident à préserver les composants métalliques de l'accouplement. Les fluides à base d'hydrocarbures sont supérieurs à cet égard aux autres fluides, mais leurs performances peuvent être améliorées grâce à des additifs antirouille. La compatibilité des joints est également importante pour une longue durée de vie.

RECOMMANDATIONS
Une durée de vie acceptable peut être attendue de l'un de ces appareils uniquement si un entretien approprié est effectué. Les niveaux et la qualité des lubrifiants doivent être vérifiés par des contrôles périodiques. Un lubrifiant supplémentaire peut être nécessaire pour compenser les fuites. Rincez et changez périodiquement le lubrifiant pour éliminer les sous-produits nocifs de la dégradation du lubrifiant, pour remplacer la graisse appauvrie en huile ou pour rafraîchir la population d'additifs. Les accouplements à engrenages nécessitent peut-être le plus d'entretien. Les intervalles de relubrification typiques sont de six mois à un an, selon la sévérité de l'application et l'expérience.

Toutes les tâches de maintenance doivent être effectuées avec une attention particulière au contrôle de la contamination. Le contact glissant subi par de nombreux accouplements indique que l'usure abrasive à trois corps causée par la contamination particulaire pourrait être particulièrement dommageable. Une élimination incorrecte des solvants utilisés pour nettoyer les raccords lors des inspections et des opérations de rinçage peut entraîner un amincissement visqueux important du lubrifiant en fonctionnement ou des réactions néfastes avec les matériaux épaississant la graisse.

Les couplages dureront lorsque les exigences qui leur sont imposées seront réduites. Considérez que la première ligne de défense consiste à minimiser les charges de choc, y compris les démarrages difficiles et les inversions de charge soudaines. Parfois, les exigences opérationnelles rendent cela impossible. Cependant, la principale source de charge dans les systèmes d'accouplement peut être contrôlée dans une large mesure. Un alignement correct est considéré comme une fonction de maintenance de précision de haute priorité. Utilisez l'analyse des vibrations ou la thermographie pendant le fonctionnement pour identifier les accouplements qui ne sont pas alignés, car même les fondations les plus robustes se déplacent avec le temps. Bien sûr, vérifiez le bon alignement chaque fois qu'une maintenance ou des réparations intrusives sont effectuées sur les composants couplés.