Roulement (mécanique)

De nombreux roulements nécessitent un entretien périodique pour éviter une défaillance prématurée, mais beaucoup d’autres nécessitent peu d’entretien. Ces derniers comprennent divers types de roulements polymères, fluides et magnétiques, ainsi que des roulements à éléments roulants qui sont décrits par des termes tels que roulement étanche et étanche à vie. Ces derniers contiennent des joints qui empêchent la saleté d’entrer et la graisse de sortir. Ils fonctionnent avec succès dans de nombreuses applications, offrant un fonctionnement sans entretien. Certaines applications ne peuvent pas les utiliser efficacement.

Les roulements non étanches ont souvent un raccord de graissage, pour une lubrification périodique avec un pistolet à graisse, ou un godet d’huile pour un remplissage périodique d’huile. Avant les années 1970, les roulements étanches n’étaient pas rencontrés sur la plupart des machines, et l’huilage et le graissage étaient une activité plus courante qu’aujourd’hui. Par exemple, les châssis d’automobiles nécessitaient des  » travaux de lubrification  » presque aussi souvent que les vidanges d’huile moteur, mais aujourd’hui, les châssis de voitures sont pour la plupart scellés à vie. De la fin des années 1700 jusqu’au milieu des années 1900, l’industrie s’est appuyée sur de nombreux travailleurs appelés huileurs pour lubrifier les machines fréquemment avec des bidons d’huile.

Les machines d’usine d’aujourd’hui ont généralement des systèmes de lubrification, dans lesquels une pompe centrale sert des charges périodiques d’huile ou de graisse à partir d’un réservoir à travers les lignes de lubrification aux différents points de lubrification dans les surfaces de roulement de la machine, les tourillons, les blocs de palier, et ainsi de suite. La fréquence et le nombre de ces cycles de lubrification sont contrôlés par le système de commande informatisé de la machine, tel qu’un automate programmable ou une commande numérique par ordinateur (CNC), ainsi que par des fonctions de commande manuelle lorsque cela s’avère nécessaire. Ce processus automatisé est le mode de lubrification de toutes les machines-outils CNC modernes et de nombreuses autres machines d’usine modernes. Des systèmes de lubrification similaires sont également utilisés sur les machines non automatisées. Dans ce cas, il existe une pompe manuelle que l’opérateur est censé actionner une fois par jour (pour les machines utilisées en permanence) ou une fois par semaine. Ces systèmes sont appelés one-shot du fait de leur principal argument de vente : une seule traction sur une poignée pour lubrifier toute la machine, au lieu d’une douzaine de pompes d’un pistolet à alemite ou d’un bidon d’huile dans une douzaine de positions différentes autour de la machine.

Le système de lubrification à l’intérieur d’un moteur d’automobile ou de camion moderne est similaire dans son concept aux systèmes de lubrification mentionnés ci-dessus, sauf que l’huile est pompée en continu. Une grande partie de cette huile circule dans des passages percés ou moulés dans le bloc moteur et les culasses, s’échappant par des orifices directement sur les roulements, et giclant ailleurs pour fournir un bain d’huile. La pompe à huile pompe simplement en permanence, et tout excès d’huile pompée s’échappe continuellement par une soupape de décharge pour retourner dans le carter.

De nombreux roulements dans les opérations industrielles à cycle élevé ont besoin d’une lubrification et d’un nettoyage périodiques, et beaucoup nécessitent un ajustement occasionnel, comme l’ajustement de la précharge, pour minimiser les effets de l’usure.

La durée de vie des roulements est souvent bien meilleure lorsque le roulement est maintenu propre et bien lubrifié. Cependant, de nombreuses applications rendent difficile un bon entretien. Par exemple, les roulements du convoyeur d’un concasseur de roches sont exposés continuellement à des particules abrasives dures. Le nettoyage ne sert pas à grand-chose car il est coûteux et le roulement est à nouveau contaminé dès que le convoyeur reprend du service. Ainsi, un bon programme d’entretien pourrait lubrifier fréquemment les roulements mais ne pas prévoir de démontage pour le nettoyage. La lubrification fréquente, de par sa nature, fournit un type limité d’action de nettoyage, en remplaçant l’huile ou la graisse ancienne (remplie de gravillons) par une charge fraîche, qui recueille elle-même les gravillons avant d’être déplacée par le cycle suivant. Un autre exemple est celui des roulements des éoliennes, qui rendent la maintenance difficile car la nacelle est placée en hauteur dans des zones de vent fort. De plus, l’éolienne ne fonctionne pas toujours et est soumise à un comportement de fonctionnement différent selon les conditions météorologiques, ce qui fait de la lubrification appropriée un défi.

Détection des défauts de la bague extérieure des roulements à éléments roulantsModifier

Les roulements sont largement utilisés dans les industries aujourd’hui, et donc la maintenance de ces roulements devient une tâche importante pour les professionnels de la maintenance. Les roulements à éléments roulants s’usent facilement en raison du contact métal sur métal, ce qui crée des défauts dans la bague extérieure, la bague intérieure et la bille. C’est également le composant le plus vulnérable d’une machine car il est souvent soumis à des conditions de charge et de vitesse de fonctionnement élevées. Un diagnostic régulier des défauts des roulements est essentiel pour la sécurité industrielle et le fonctionnement des machines, ainsi que pour réduire les coûts de maintenance ou éviter les temps d’arrêt. Parmi la bague extérieure, la bague intérieure et la bille, la bague extérieure a tendance à être plus vulnérable aux pannes et aux défauts.

Il y a encore matière à discussion pour savoir si l’élément roulant excite les fréquences naturelles du composant du roulement lorsqu’il passe le défaut sur la bague extérieure. D’où la nécessité d’identifier la fréquence naturelle de la bague extérieure du roulement et ses harmoniques. Les défauts des roulements créent des impulsions qui se traduisent par de fortes harmoniques des fréquences de défaut dans le spectre des signaux de vibration. Ces fréquences de défaut sont parfois masquées par des fréquences adjacentes dans le spectre en raison de leur faible énergie. Par conséquent, une résolution spectrale très élevée est souvent nécessaire pour identifier ces fréquences lors d’une analyse FFT. Les fréquences naturelles d’un roulement à éléments roulants avec les conditions de frontière libre sont de 3 kHz. Par conséquent, afin d’utiliser la méthode de largeur de bande de résonance des composants du roulement pour détecter le défaut du roulement à un stade initial, un accéléromètre à haute gamme de fréquences doit être adopté, et des données obtenues sur une longue durée doivent être acquises. Une fréquence caractéristique de défaut ne peut être identifiée que lorsque l’étendue du défaut est sévère, comme celle de la présence d’un trou dans la bague extérieure. Les harmoniques de la fréquence du défaut sont un indicateur plus sensible d’un défaut de la bague extérieure du roulement. Pour une détection plus sérieuse des défauts de roulement défectueux, les techniques de forme d’onde, de spectre et d’enveloppe aideront à révéler ces défauts. Cependant, si une démodulation à haute fréquence est utilisée dans l’analyse de l’enveloppe afin de détecter les fréquences caractéristiques des défauts de roulements, les professionnels de la maintenance doivent être plus prudents dans l’analyse en raison de la résonance, car elle peut ou non contenir des composants de fréquence de défaut.

L’utilisation de l’analyse spectrale comme outil pour identifier les défauts dans les roulements fait face à des défis en raison de problèmes tels que la faible énergie, le maculage du signal, la cyclostationnarité, etc. Une haute résolution est souvent souhaitée pour différencier les composantes de fréquence de défaut des autres fréquences adjacentes de haute amplitude. Par conséquent, lorsque le signal est échantillonné pour une analyse FFT, la longueur de l’échantillon doit être suffisamment grande pour donner une résolution de fréquence adéquate dans le spectre. En outre, il peut s’avérer difficile de maintenir le temps de calcul et la mémoire dans certaines limites et d’éviter le crénelage indésirable. Cependant, une résolution de fréquence minimale requise peut être obtenue en estimant les fréquences de défaut du roulement et d’autres composantes de fréquence de vibration et ses harmoniques dues à la vitesse de l’arbre, au désalignement, à la fréquence de ligne, à la boîte de vitesses, etc.

PaquetageEdit

Certains roulements utilisent une graisse épaisse pour la lubrification, qui est poussée dans les espaces entre les surfaces de roulement, également appelés  » paquets « . La graisse est maintenue en place par un joint en plastique, en cuir ou en caoutchouc (également appelé presse-étoupe) qui recouvre les bords intérieurs et extérieurs du chemin de roulement pour empêcher la graisse de s’échapper.

Les roulements peuvent également être emballés avec d’autres matériaux. Historiquement, les roues des wagons de chemin de fer utilisaient des roulements à manchon emballés avec des déchets ou des chutes libres de coton ou de fibres de laine imbibés d’huile, puis plus tard des tampons solides de coton.

Huilier à bagueEdit

Les roulements peuvent être lubrifiés par un anneau métallique qui se déplace librement sur l’arbre central rotatif du roulement. L’anneau pend vers le bas dans une chambre contenant de l’huile lubrifiante. Lorsque le roulement tourne, l’adhérence visqueuse attire l’huile vers le haut de la bague et sur l’arbre, où l’huile migre dans le roulement pour le lubrifier. L’excès d’huile est projeté et s’accumule à nouveau dans le pool.

Lubrification par barbotageModifié

Une forme rudimentaire de lubrification est la lubrification par barbotage. Certaines machines contiennent une piscine de lubrifiant dans le fond, avec des engrenages partiellement immergés dans le liquide, ou des bielles qui peuvent se balancer vers le bas dans la piscine lorsque le dispositif fonctionne. Les roues qui tournent projettent de l’huile dans l’air qui les entoure, tandis que les manivelles frappent la surface de l’huile, l’éclaboussant de manière aléatoire sur les surfaces intérieures du moteur. Certains petits moteurs à combustion interne contiennent spécifiquement des roues à ailettes en plastique qui dispersent l’huile de façon aléatoire à l’intérieur du mécanisme.

Lubrification sous pressionEdit

Pour les machines à haute vitesse et à haute puissance, une perte de lubrifiant peut entraîner un échauffement rapide des roulements et des dommages dus à la friction. De plus, dans les environnements sales, l’huile peut être contaminée par de la poussière ou des débris qui augmentent le frottement. Dans ces applications, le roulement et toutes les autres surfaces de contact peuvent être alimentés en permanence en lubrifiant frais, et l’excédent peut être collecté pour être filtré, refroidi et éventuellement réutilisé. Le graissage sous pression est couramment utilisé dans les moteurs à combustion interne complexes et de grande taille, dans les parties du moteur où l’huile projetée directement ne peut pas atteindre, comme dans les assemblages de soupapes en tête. Les turbocompresseurs à haute vitesse nécessitent aussi généralement un système d’huile sous pression pour refroidir les roulements et les empêcher de brûler à cause de la chaleur de la turbine.

Roulements compositesModifier

Les roulements composites sont conçus avec un revêtement autolubrifiant en polytétrafluoréthylène (PTFE) avec un support métallique laminé. Le revêtement en PTFE offre un frottement constant et contrôlé ainsi qu’une grande durabilité, tandis que le support métallique garantit la robustesse du roulement composite et sa capacité à supporter des charges et des contraintes élevées pendant toute sa durée de vie. Sa conception le rend également léger – un dixième du poids d’un roulement à éléments roulants traditionnel.