Les causes les plus courantes de défaillance des roulements et l'importance de la lubrification des roulements

- Jun 01, 2020-

Les causes les plus courantes de défaillance des roulements et l'importance de la lubrification des roulements


Abstrait:Les défaillances des roulements ont un impact important sur l'industrie et l'économie. Le but du
le travail actuel consiste à étudier et à repérer les principales causes qui limitent l'efficacité des roulements, conduisant ainsi à une défaillance des roulements. Cette étude montre que la principale cause de défaillance est la lubrification inappropriée des éléments roulants des roulements (environ 80% des cas), suivie d'une sélection inadéquate des roulements (10%), d'un montage incorrect ({{2 }}%), les défaillances indirectes (4%), les défauts de matériaux et les erreurs de fabrication (moins de 1%).

Mots clés:Défaillance des roulements, contamination, graisse, huile, lubrifiant, lubrification

1. Lubrification des roulements

Le roulement est un composant de la machine qui joue un rôle très important, car il domine les performances de la machine. Si l'un des roulements tombe en panne, non seulement la machine, mais aussi la chaîne de montage s'arrête et les coûts de dérivation peuvent être extrêmement élevés. Pour cette raison, chaque fabricant de roulements doit s'efforcer d'assurer la meilleure qualité pour chaque roulement ainsi que l'utilisation et l'entretien les plus soigneux au nom de l'utilisateur [10].

Des lubrifiants sont utilisés entre les surfaces de contact pour maintenir les pièces en mouvement continu. Le but principal de la lubrification des roulements est d'éviter ou de réduire la friction métal sur métal entre les surfaces de contact roulante et coulissante. Ce n'est pas la seule fonction de la lubrification des roulements. Les fonctions supplémentaires sont: dissipation thermique du roulement, élimination des particules d'usure solides et des contaminants des surfaces de contact roulantes, protection contre la corrosion, augmentation de l'effet d'étanchéité des joints de roulement [4].

La lubrification est cruciale pour la durée de vie des roulements. Dans les applications lourdes, telles que les laminoirs, les fours, les fours ou les ventilateurs à haute température, les roulements peuvent être exposés à des températures supérieures à la normale. Pour ces applications, une sélection appropriée du lubrifiant et de la méthode de lubrification est très importante [13]. Dans les applications industrielles, il existe deux types de lubrifiants adaptés à une utilisation à haute température: la graisse et l'huile. Dans des cas particuliers, les roulements sont lubrifiés avec des lubrifiants secs solides [4].

La graisse lubrifiante est utilisée pour 90% de tous les roulements. La quantité de graisse à utiliser dépendra de nombreux facteurs liés aux paramètres dimensionnels et géométriques du boîtier, aux limitations d'espace, à la vitesse de roulement et au type de graisse utilisé. En règle générale, les roulements et leurs logements doivent être remplis de 30 à 60% de leur capacité totale. Si la vitesse de travail et la température augmentent, une quantité réduite de graisse doit être utilisée. Si la quantité de graisse est excessive, la température augmente, ce qui peut ramollir la graisse et des fuites locales peuvent apparaître. Avec le temps, la graisse perd ses propriétés et la graisse fraîche doit être réapprovisionnée à intervalles appropriés. L'intervalle de relubrification dépend du type de roulement, des paramètres dimensionnels, de la vitesse de travail du roulement et de la température [10].

Dans les applications industrielles, la lubrification à l'huile est utilisée si les composants adjacents de la machine sont également alimentés en huile, ou si la chaleur générée doit être dissipée par le lubrifiant. La dissipation thermique est nécessaire si des vitesses de rotation élevées et / ou des charges élevées sont impliquées ou si le roulement est exposé à des températures élevées [4]. Dans ce cas, l'intervalle de relubrification dépend des conditions de fonctionnement du roulement (température, vitesse, charge, etc.), de la quantité d'huile et du type d'huile utilisée. Si une méthode de lubrification à bain d'huile est utilisée lorsque les températures de fonctionnement sont d'environ 50 ° C, l'intervalle de relubrification doit être d'un an. Pour des conditions de fonctionnement de 70 à 100 ° C, l'huile doit être remplacée tous les trois mois. Quoi qu'il en soit, il est important que le système de lubrification et la détérioration soient vérifiés régulièrement pour déterminer le remplacement de l'huile [10].

Un autre type de lubrification des roulements est la lubrification solide ou sèche. Cette méthode est utilisée dans les applications industrielles, où les roulements sont soumis à de fortes charges, à des mouvements relatifs lents et à des températures de fonctionnement élevées. La lubrification solide est très efficace et donne des temps de fonctionnement relativement longs. Les lubrifiants solides les plus couramment utilisés sont le graphite et le bisulfure de molybdène. Ces lubrifiants solides sont appliqués sur les surfaces du chemin de roulement sous forme de poudre, de laque ou de pâte coulissante. Les lubrifiants au graphite et au bisulfure de molybdène peuvent être utilisés pour des températures de fonctionnement élevées pouvant atteindre 450 ° C [4].

2. Les causes les plus courantes de défaillance des roulements

En pratique, l'endommagement ou la défaillance d'un roulement est souvent le résultat de plusieurs mécanismes fonctionnant simultanément. La défaillance peut résulter d'un montage ou d'un entretien incorrect ou d'une fabrication défectueuse du roulement ou de ses pièces adjacentes [3].

Fig. 1 - Causes courantes de défaillance des roulements

Dans certains cas, l'échec est dû à un compromis de conception réalisé dans l'intérêt de l'économie ou à des conditions de fonctionnement imprévues. C'est la combinaison complexe de la conception, de la fabrication, de l'assemblage, de l'exploitation et de la maintenance qui entraîne souvent des difficultés à établir la cause principale de la défaillance. La prise en compte de chaque caractéristique est nécessaire pour une détermination fiable de la cause de la défaillance du roulement. Étant donné que plusieurs processus peuvent provoquer des effets similaires sur ces surfaces, une simple description de l'apparence est généralement inadéquate pour déterminer la raison de l'échec [7].

En cas de dommages importants ou de défaillance catastrophique du roulement, les preuves sont susceptibles d'être perdues et il sera alors impossible d'identifier la cause principale de la défaillance. Dans tous les cas, la connaissance des conditions réelles de fonctionnement de l'ensemble et de l'historique de maintenance est de la plus haute importance. En règle générale, les causes de défaillance des roulements peuvent être classées en cinq groupes et divers sous-groupes, comme le montre la figure 1.

L'évolution de la recherche tribologique au cours des dernières décennies a conduit à une augmentation remarquable de nouvelles connaissances décrivant les mécanismes de défaillance [7]. Les données de ce domaine de recherche montrent qu'une mauvaise lubrification est la cause la plus fréquemment citée de défaillance des roulements et représente environ 80% des pannes [12] (figure 2). Naturellement, ces pourcentages peuvent varier d'une application à l'autre selon les conditions de fonctionnement et les pratiques de maintenance.

Fig. 2 - Causes courantes de défaillance des roulements en%


2. 1. Lubrification incorrecte

La sélection de lubrifiants adéquats pour les roulements est basée sur les décisions concernant le choix de l'huile ou de la graisse et la détermination du type d'additif requis [1]. Cette décision dépend de certains facteurs, tels que la charge de fonctionnement, la vitesse et la température.

La lubrification est un facteur clé qui peut faire ou défaire la durée de vie des roulements. Certaines recherches dans l'industrie des roulements ont indiqué qu'une mauvaise lubrification peut représenter environ 80% des défaillances des roulements [8]. La défaillance peut être le résultat d'une lubrification trop longue sans renouvellement, d'une lubrification inappropriée et d'une contamination par la lubrification [12].

La lubrification excessivement longue sans renouvellement et la lubrification inadéquate des roulements représentent un pourcentage élevé de défaillances prématurées des roulements (environ 20% chacune), et dans la plupart des cas, elles peuvent être évitées [{{1 1}}]. Un lubrifiant inapproprié est un lubrifiant qui ne contient pas les bons additifs, qui n'a pas la viscosité appropriée ou qui peut ne pas être conçu pour être utilisé dans une telle application ou plage de températures [9].

L'usure abrasive peut être le résultat d'une lubrification inadéquate. Les surfaces deviennent ternes à un degré qui varie en fonction de la grossièreté et de la nature des particules abrasives (figure 3). Ces particules augmentent progressivement en nombre à mesure que le matériau s'use des surfaces de roulement et de la cage. Enfin, l'usure devient un processus d'accélération qui se traduit par la rupture du roulement [7].

Fig. 3 - Usure abrasive sur le chemin de roulement de la bague extérieure

Une viscosité incorrecte du lubrifiant est l'une des principales causes de défaillance des roulements. Quant aux huiles lubrifiantes, la viscosité est l'une des propriétés les plus importantes et détermine l'efficacité de lubrification de l'huile [8].

Selon la norme ISO 281: {{1}} (E), l'efficacité du lubrifiant est principalement déterminée par le degré de séparation de surface entre les surfaces de contact roulantes. Si un film de séparation de lubrifiant adéquat doit être formé, le lubrifiant doit avoir une viscosité minimale donnée lorsque l'application a atteint sa température de fonctionnement. L'état de la séparation du lubrifiant est décrit par le rapport de viscosité, κ, comme le rapport de la viscosité cinématique réelle, v, à la viscosité cinématique de référence, v 1 (1) [{{4} }]:

Afin de former un film lubrifiant adéquat entre les surfaces de contact roulantes, le lubrifiant doit conserver une certaine viscosité minimale à température de fonctionnement. La durée de vie du roulement peut être prolongée en augmentant la viscosité de fonctionnement, . La viscosité cinématique de référence,  1, peut être estimée au moyen du diagramme de la figure 4, en fonction de la vitesse de roulement et du diamètre primitif, Dpw, ou calculée avec les équations (2) et (3) [6]:

Fig. 4 - Viscosité cinématique de référence, v 1, à la vitesse de référence et au diamètre primitif
Fig. 5 - Viscosité cinématique requise, v, à la température de référence

Le calcul de κ est basé sur les huiles minérales et sur les surfaces des chemins de roulement usinées avec une bonne qualité de fabrication. Le diagramme de la figure 4 et les équations (2) et ({{2}}) peuvent également être approximativement utilisés pour des huiles synthétiques comme l'hydrocarbure synthétique (SHC), pour lesquelles la plus grande viscosité L'indice (moins de changement de viscosité avec la température) est compensé par un coefficient pression-viscosité plus élevé pour les huiles minérales, et par cela, le même film d'huile est accumulé à différentes températures de fonctionnement si les deux types d'huile ont la même viscosité à {{4 }} ° C. Le diagramme de la figure 4 et les équations (2) et ({{2}}) s'appliquent également à la viscosité de l'huile de base des graisses. Avec une lubrification à la graisse, les contacts peuvent fonctionner dans un état de famine sévère en raison de la faible capacité de purge de la graisse conduisant à une mauvaise lubrification et à une réduction possible de la durée de vie [7].

La viscosité cinématique de l'huile dépend de la température de fonctionnement du roulement. La figure 5 représente un tableau de comparaison de la température de fonctionnement de la viscosité cinématique de l'huile dans le but de sélectionner une huile de lubrification avec des caractéristiques de viscosité adaptées à une application.

Plus l'écoulement est rapide, plus la viscosité est faible et vice versa. Si la viscosité est trop faible, le film d'huile ne se formera pas et les surfaces de contact des roulements seront endommagées. Au contraire, lorsque la viscosité est trop élevée, la résistance visqueuse sera également grande et la température due au frottement sera élevée. Dans les deux cas, les aspérités (points hauts usinés microscopiques) des surfaces des composants de palier peuvent entrer en contact les unes avec les autres, provoquant initialement un état givré ou maculé, suivi d'une adhérence aux points de contact [9]. La défaillance du roulement sera inévitable (figure 6).

Fig. 6 - a) L'aspect givré de ce chemin de roulement de palier illustre ce qui se produit lorsque la viscosité de l'huile est trop faible et qu'un contact métal sur métal se produit. b) Défaillance du roulement due au contact de soudage continu entre les aspérités sur les surfaces métalliques

La contamination par l'eau, les produits chimiques et les particules est particulièrement nocive pour les roulements et représente 25% des défaillances prématurées [14].

Lorsque le lubrifiant est contaminé par des particules solides d'usure, des microfissures permanentes sur le chemin de roulement des roulements peuvent être générées lorsque ces particules sont enroulées. L'apparition de ces microfissures peut générer des contraintes locales, ce qui entraînera une durée de vie réduite du roulement [7].

La réduction de la durée de vie causée par les particules solides dans le film lubrifiant dépend de [6]:

1. type, taille, dureté et quantité de particules;
2. épaisseur du film lubrifiant;
3. taille du roulement.

Dans le cas d'un rapport de viscosité κ< 1="" et="" d'un="" facteur="" de="" contamination="" ec="" pour="" ce="" rapport="" de="" viscosité,="" une="" valeur="" de="" κ="1" peut="" être="" utilisée="" dans="" le="" calcul="" du="" facteur="" de="" contamination,="" ec.="" pour="" les="" valeurs="" de="" κ=""> {{2}}, la valeur κ={{2}} doit être utilisée. L'augmentation de la valeur is est motivée par le fait qu'un effet de lissage favorable des surfaces en contact peut être attendu lorsqu'un additif EP efficace (additif extrême pression) est utilisé. En cas de contamination sévère (facteur de contamination eC< 0,="" 2),="" l'efficacité="" des="" additifs="" ep="" doit="" être="" prouvée="" sous="" une="" contamination="" réelle="" du="" lubrifiant.="" l'efficacité="" des="" additifs="" ep="" doit="" être="" prouvée="" dans="" l'application="" réelle="" ou="" dans="" un="" essai="" de="" roulement="" approprié="">

Le facteur de contamination, eC, est fonction du rapport de viscosité, κ et du diamètre primitif, Dpw [6]:

Lorsque l'acier, utilisé pour le roulement de composants de roulements, est en contact avec de l'humidité, par exemple de l'eau ou de l'acide, l'oxydation des surfaces a lieu. Par la suite, la formation de trous de corrosion se produit et finalement l'écaillage de la surface. Une forme spécifique de corrosion par l'humidité peut être observée dans les zones de contact entre les éléments roulants et les bagues de roulement, où la teneur en eau du lubrifiant ou du lubrifiant dégradé réagit avec les surfaces des éléments de roulement adjacents [7] (figure { {0}}).

Fig. 7 - Défaillance du roulement due à une contamination par l'eau

Les problèmes de contamination des roulements peuvent être facilement évités si une conception appropriée et un entretien adéquat du système d'étanchéité et de lubrification sont utilisés.

Les pratiques d'entretien inadéquates associées au désalignement et au basculement de l'arbre influencent les défaillances liées à la contamination, en raison des grandes orbites de l'arbre qui se développent. Une tendance majeure des inspecteurs qui effectuent les analyses de rupture de roulement est de conclure qu'il existe un problème d'étanchéité, lorsque le mécanisme endommagé semble contaminé. Après un examen détaillé, il est probable que le vrai problème soit dû à un désalignement excessif entre les composants, ce qui a créé le problème du joint secondaire. La résolution du problème d'étanchéité ne résoudra pas le désalignement entre les composants; en fait, le remplacement du joint peut avoir une capacité d'étanchéité supérieure mais une tolérance de désalignement encore plus faible [3; 14].

De nombreux roulements sont simplement mis en panne et reçoivent une quantité insuffisante de lubrifiant ou aucune lubrification tout au long de leur courte durée de vie. Entre autres, les causes les plus courantes sont la simple négligence, des intervalles de lubrification incorrects et un système de lubrification défaillant. Pour une application correcte, les roulements doivent être surveillés pour s'assurer que les intervalles de lubrifiant ne sont pas trop fréquents, provoquant une sur-lubrification, et pas trop rares, provoquant une sous-lubrification [13].

Des bavures peuvent se produire sur les faces de la bride de guidage et sur les extrémités des rouleaux en raison d'une lubrification insuffisante (figure 8). Dans les roulements à complément complet (sans cage), des bavures peuvent également se produire dans les contacts entre les éléments roulants en fonction des conditions de lubrification et de rotation [7].

Fig. 8 - Tache de l'extrémité du rouleau porteur

La surlubrification se produit lorsqu'un roulement est graissé excessivement ou lorsque trop d'huile est ajoutée au carter. Une quantité excessive de graisse ou d'huile peut provoquer un frottement interne entre les pièces roulantes, ce qui génère une température excessive qui peut créer une contrainte et une déformation du roulement [9].

L'augmentation des quantités d'huile et de graisse dans les roulements n'est pas une bonne solution, car cette pratique peut provoquer une action de barattage entre les éléments roulants, et le résultat sera toujours une augmentation de la température. Une huile à viscosité élevée ou une graisse à consistance élevée augmentera également la température [2].

2. 2. Sélection inadéquate des roulements

Habituellement, la sélection de roulements effectuée par le fabricant d'équipement d'origine est la bonne sélection pour l'application. Bien sûr, il y a quelques exceptions et il y a toujours la possibilité qu'un mauvais roulement soit utilisé pour l'application. Cette possibilité doit être envisagée après avoir étudié toutes les autres sources de défaillance. S'il y a des changements dans le processus de travail, ceux-ci peuvent nécessiter la possibilité d'utiliser un nouveau roulement, mais ce n'est pas toujours une bonne solution [14].

Une autre erreur courante est l'utilisation d'un roulement plus grand ou plus solide, pensant que cette disposition augmentera la capacité de charge radiale. Le roulement plus grand ou plus fort ne résoudra pas les vrais problèmes de cause profonde. Au contraire, cette nouvelle configuration peut créer des problèmes supplémentaires car, par exemple, le roulement sélectionné peut avoir une vitesse inférieure à celle nominale et peut ne pas fonctionner correctement dans un environnement avec une confiance relativement élevée. Dans certains cas, les roulements doivent être préchargés pour faciliter le mouvement de roulement et empêcher le patinage des rouleaux. Le remplacement du roulement d'origine par un nouveau peut entraîner des défaillances plus rapides s'il n'est pas correctement chargé. En règle générale, pour une application industrielle, le remplacement d'un roulement doit être effectué avec le même type de roulement, sélectionné par le fabricant de l'équipement d'origine [5; 14].

Une sélection inadéquate des roulements représente environ 10% de toutes les défaillances prématurées des roulements.

2. 3. Montage incorrect

Un montage incorrect représente environ 5% de toutes les défaillances prématurées des roulements. Une mauvaise installation peut entraîner une défaillance des roulements en raison d'un déséquilibre de charge, d'un désalignement ou de distributions de charge incorrectes. Un changement de désalignement de 0, 01 / 10 mm est suffisant pour provoquer une énorme augmentation des vibrations et de la température dans le roulement. Ces changements brusques peuvent introduire une forte usure dans les poches à billes ou à rouleaux où ils courent. Ces problèmes peuvent être détectés comme une marque de course non parallèle de la balle sur le chemin de roulement extérieur et comme un moyen de chemin de balle ou de rouleau extra large sur le chemin de roulement intérieur [11].

Un montage incorrect peut également entraîner une défaillance en raison d'un échauffement excessif ou inégal du roulement, lorsqu'il est monté sur un arbre ou un logement. Lorsqu'une chaleur est nécessaire pour dilater un anneau intérieur, la température ne doit pas dépasser 125 ° C. De plus, si pour la technique de montage des radiateurs à induction sont utilisés, il est important de démagnétiser le roulement avant l'installation. En cas de magnétisation, le roulement à rouleaux peut tomber très rapidement en raison de son attraction de particules de métaux ferreux (figure 9) [9].

Fig. 9 - Défaillance du roulement due à un montage incorrect. Le roulement a été installé magnétisé

2. 4. Échecs indirects

Les défaillances indirectes, telles que des conditions de fonctionnement inacceptables, le transport, le stockage et la manutention représentent 4% des défaillances prématurées des roulements.

Parmi les autres causes indirectes, les pires conditions de fonctionnement sont la surcharge, la survitesse, les vibrations excessives, les températures élevées et les décharges électriques [9].

«La surcharge d'un roulement fixe par une charge statique ou une charge de choc entraîne une déformation plastique au niveau des contacts élément roulant / chemin de roulement, c'est-à-dire la formation de creux ou de cannelures peu profondes sur les chemins de roulement dans des positions correspondant au pas des éléments roulants» [{{{ 0}}] (figure 10). De plus, une surcharge peut survenir en raison d'un préchargement excessif ou d'une manipulation incorrecte lors du montage [7].

Si la charge et la vitesse nominale typiques du roulement sont doublées, la durée de vie du roulement peut être réduite jusqu'à respectivement 90 et 50% [9].

La décharge électrique devient un problème sérieux pour les roulements. Pendant le fonctionnement de l'équipement, les systèmes d'entraînement par courroie trapézoïdale peuvent produire un niveau élevé d'électricité statique, qui peut être dissipé à travers les roulements à la terre, provoquant des piqûres ou des cannelures sur le roulement [9]. Initialement, les dégâts de surface prennent la forme de cratères peu profonds, qui sont étroitement positionnés les uns aux autres et de petite taille. Cela se produit même si l'intensité du courant est relativement faible. Les flûtes se développeront à partir des cratères avec le temps, comme le montre la figure 11. Ils peuvent être trouvés sur les surfaces de contact des chemins de roulement à rouleaux et à anneaux, mais pas sur les billes, qui ont une coloration foncée uniquement [7].

Les champs magnétiques parasites dans les moteurs électriques, à la fois en courant alternatif et en courant continu, peuvent générer des courants électriques élevés qui passeront à travers les roulements et causeront des dommages. Pour éliminer ces problèmes, des brosses de mise à la terre doivent être utilisées [9].

Fig. 10 - Déformation plastique sur un chemin de roulement de la bague intérieure produite par surcharge
Fig. 11 - Cratères formés par une fuite de courant entraînant des cannelures
Fig. 12 - Faux brinelling. Cannelure sur roulement bague extérieure

La vibration représente un énorme problème pour les défaillances de roulements. En fait, les vibrations dans un roulement à l'arrêt peuvent provoquer des dommages, appelés faux brinelling. Les dommages peuvent être identifiés comme des dépressions polies brillantes ou des taches rougeâtres communes aux frottements. Ces marques laissées par le faux brinellage seront égales à la distance entre les éléments roulants, comme c'est le cas dans le cas du vrai brinellage, donc ces deux conditions sont souvent difficiles à distinguer [9] (figure {{1 }}).

Des températures plus élevées que celles recommandées par le fabricant représentent un facteur de risque pour la durée de vie des roulements, quels que soient le type, la qualité ou la quantité de lubrifiant utilisé. Pour souligner l'importance de ce point, considérons le fait qu'une huile minérale de bonne qualité commence à s'oxyder à 71 ° C. Le même résultat se produira dans les graisses où de telles huiles sont utilisées comme agent lubrifiant [9].

La manutention commence lorsqu'un roulement roule quitte l'usine au point où il est installé sur une machine et continue si la machine doit être transportée après son installation. Un transport et un stockage appropriés sont essentiels pour éviter que des dommages ne se produisent avant même que la machine ne soit mise en service [9].

2. 5. Défauts de matériau et erreurs de fabrication

Les causes de défaillance ultimes d'un roulement sont les défauts de matériau et les erreurs de fabrication. Les défaillances des roulements à rouleaux dues à des défauts de fabrication représentent moins d'un pour cent des défaillances globales des roulements dans le monde. Ce pourcentage est continuellement réduit par des améliorations des procédés de fabrication et de la technologie des matériaux. Aujourd'hui, les fabricants de roulements utilisent des instruments sophistiqués pour détecter les défauts des matériaux des roulements de surface et de sous-surface, éliminant ainsi les produits de mauvaise qualité pendant le processus de fabrication [9].

3. Conclusions

Compte tenu des faits mentionnés ci-dessus, la cause la plus courante de défaillance des roulements est la lubrification, qu'il s'agisse d'un mauvais choix de lubrifiant, d'une mauvaise application, d'une contamination du lubrifiant ou d'une dégradation du lubrifiant. Il faut comprendre qu'une lubrification correcte et précise offre des opportunités de réduction des coûts, en éliminant non seulement les défaillances catastrophiques mais aussi fonctionnelles qui affectent la production et prolonge la durée de vie de nombreux composants mouillés d'huile et de graisse.

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