Usure et fatigue de surface dans les roulements

- May 27, 2020-

Usure et fatigue de surface des roulements


Dans certaines applications, les roulements peuvent subir une perte substantielle de matériau (usure) en raison d'un manque de lubrification, de la présence de particules abrasives, de la corrosion, de la rotation oscillante et d'autres causes. Une telle usure peut à son tour avoir un effet néfaste sur le fonctionnement du roulement, de la réduction de la précharge à des effets potentiellement catastrophiques. Une conséquence courante et peut-être inattendue d'une usure inégale dans les chemins de roulement des roulements est la possibilité croissante de fatigue de surface. Dans certaines applications, il n'est pas rare de voir des bandes de détresse ou d'écaillage de surface le long des chemins de roulement. Ceci est associé à la possibilité de modification du profil du chemin de roulement à cause d'une usure inégale, ce qui peut entraîner une concentration de contraintes dans les lignes de haute pression et une épaisseur de film inférieure.

Figure 1: Exemple d'usure abrasive dans une bague intérieure d'un roulement à rouleaux sphériques causée par de mauvaises conditions de lubrification et la présence de particules abrasives

Les roulements à billes fonctionnant dans des conditions de lubrification médiocres dans des situations de glissement irrégulier ou avec la présence de particules abrasives ou de contamination par des liquides peuvent subir des modifications substantielles dans les profils du chemin de roulement (fig. 1). Avec le temps, ces modifications peuvent développer des concentrations de contraintes dans les zones les plus chargées (fig. 2), ce qui peut potentiellement entraîner une augmentation de la fatigue de surface localisée, produisant des bandes de micro-écaillage ou d'écaillage le long des chemins de roulement dans les zones de stress plus élevé (fig. 3). Ce mode d'endommagement potentiel peut affecter n'importe quel roulement, mais les applications avec la présence d'une forte contamination, la corrosion, une mauvaise lubrification et un glissement inégal ou une charge variable seront les plus affectées. En règle générale, des exemples se trouvent dans l'industrie minière, les pâtes et papiers, les applications éoliennes et d'autres domaines.

Figure 2: Exemple de profil de chemin de roulement de roulement et de 3 rugosité D modifiée après une usure inégale.

Figure 3: Exemple de détresse superficielle: bandes d'écaillage le long du chemin de roulement, causées par une usure inégale dans une bague intérieure de roulement à rouleaux cylindriques.

L'usure des roulements est un phénomène non linéaire, et même des observations et des mesures de l'usure des roulements à intervalles réguliers montrent qu'une simple intuition n'est pas suffisante pour prédire l'évolution de l'usure dans le temps. Cela est dû à diverses raisons; l'usure dépend principalement du glissement local et de la charge locale, et l'usure elle-même modifie ces deux facteurs, de sorte qu'une extrapolation simple n'est pas possible. Une analyse plus rigoureuse est alors nécessaire, c'est pourquoi SKF a consacré des efforts à la recherche sur le glissement et l'usure des roulements et leurs effets sur la durée de vie des roulements [1].

Tout roulement a un certain degré de glissement; c'est normal. Il est produit par la géométrie interne du roulement et / ou les conditions de chargement. Par exemple, un roulement à billes ou à rouleaux radial, parfaitement chargé radialement, aura également un glissement (glissement de Heathcote) en raison de la géométrie de contact élément roulant / anneau et de la déformation élastique de la charge (fig. 4 a et {{0} } b). Étant donné que l'usure dépend du glissement, dans le temps (si les conditions sont réunies), il est probable que les bandes de roulement pures (A et A1) seront les seules zones où l'usure ne se produira pas et donc les seules zones qui porteront toute la charge au contact.

Figure 4 a: Contact du chemin de roulement de l'élément roulant avec une surface de contact incurvée et l'influence de la déformation élastique. Cela montre comment le glissement est produit.
Figure 4 b: Influence de la déformation élastique sur la bague intérieure d'un roulement à billes à gorge profonde.

Heureusement, cela ne peut se produire que dans des situations d'usure importante, telles que la présence de particules abrasives, une forte corrosion ou un glissement anormal dû à un chargement ou un montage inapproprié du roulement. Dans la plupart des cas, les roulements fonctionnent correctement, et ce glissement sera l'environnement de travail normal d'un roulement sans problème.

Le document actuel approfondira un peu les principaux mécanismes du mode de détérioration de la combinaison usure-fatigue potentielle. La modélisation et les expériences ont été menées pour mieux la comprendre et éclairer les moyens de prévention.

La modélisation

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Dans [2], différents modèles d'usure dans des conditions lubrifiées sont discutés, et il est conclu que dans tous les cas, ils peuvent être représentés par un modèle Archard [3], parfois avec un modèle de coefficient d'usure sophistiqué. Dans la plupart des cas, le coefficient d'usure est un facteur empirique basé sur des expériences. Ainsi, l'équation d'usure la plus générale est:

Formule 1

Où:
V= volume d'usure [m3] dans un certain temps,
k= coefficient d'usure Archard sans dimension [-],
F= force de contact [N],
H= dureté actuelle du matériau de surface [Pa],
s= distance de glissement [m] dans un certain temps.

Le volume d'usure peut être exprimé comme:

Formule 2

Où:
h= épaisseur de couche superficielle supprimée [m] dans un certain temps,
As= zone de glissement [m2] dans un certain temps.

Ainsi, en remplaçant (2) par (1) et en considérant que la pression moyenne de contactp=F/A

Formule 3 ligne 1
Formule 3 ligne 2

Maintenant, en considérant le temps de contact total cycle de charge tper, qui représente le temps de passage des deux surfaces de glissement à travers la zone de contact avec la vitesse de glissement, alors la zone de glissement est simplement la zone de contact, ainsiAs= A. L'épaisseur de couche supprimée par nombre de sur-laminages (N) peut être calculé en suivant [2] comme:

Formule 4

Où:
us= la vitesse de glissement locale [m / s]
u1= la vitesse moyenne de la surface analysée [m / s]
l= la longueur de contact le long de la direction de glissement [m].

Notez que presque toutes les quantités sont locales (x,y.) Ici aussi, la dureté de l'acier dans les chemins de roulement et les éléments roulants sera supposée constante. L'équation (4) donne l'épaisseur locale de la couche usée retirée à chaque sur-roulement dans un contact de palier.

Modélisation de l'interaction usure-fatigue

Pour modéliser l'interaction usure / fatigue dans les roulements, un modèle de fatigue par contact de roulement (RCF) doit être appliqué à chaque roulement du chemin de roulement avec un profil précédemment modifié (sur les deux surfaces) en raison de l'usure; de cette manière, les deux phénomènes (usure et fatigue) interagissent. Chaque fois que l'usure modifie le profil, une nouvelle distribution de pression dans le contact doit être calculée pour le modèle de fatigue. Ce processus reflète ce qui se passe dans la vraie vie. Cependant, c'est un ampli computa&très coûteux; timide; au niveau national, étant donné que les vies RCF typiques peuvent couvrir des millions de survols. Ainsi, il existe des simplifications qui réduisent considérablement le coût de calcul:

  1. Un calcul de contact sec est appliqué plutôt qu'une solution de lubrification élastohydrodynamique complète (EHL), évitant dans ce cas la solution du problème de lubrification en considérant simplement un coefficient de frottement fixe (mesuré).

  2. Mettre à jour le profil résultant de l'usure à chaque certain nombre de sur-roulages, au lieu de le mettre à jour à chaque sur-roulement.

  3. Le nombre de points (2) a également pour conséquence que la mise à jour du calcul des contacts et du calcul des dommages (fatigue) peut également se faire en même temps que la mise à jour du profil par usure, au lieu de chaque sur-roulement.

L'organigramme de la figure 5 montre un résumé de la procédure de calcul. Notez que dans ce cas, le critère de fatigue de Dang Van [4] est utilisé et l'accumulation de dommages se fait via la loi linéaire de Palmgren-Miner [5, 6]. Mais tout autre critère de fatigue et charge d'accumulation de dommages aurait pu être utilisé, si les expériences le suggéraient.

Figure 5: Modèle de fatigue par contact roulant avec possibilité d'inclure l'usure sur le chemin de roulement.


Expériences

Pour valider le modèle de fatigue, un test d'endurance a été réalisé à l'aide d'un roulement à rouleaux de poussée cylindrique 81107 TN (fig. 6 a), chargé axialement avec C / P= 6. {{3 }} et les conditions de lubrification données par ak ≈ 0. 5.

Avant les essais, un profilage artificiel (fig. 6 b) a été réalisé dans les nouveaux roulements, comme s'ils fonctionnaient dans des conditions d'usure importantes. Pendant les tests, certains roulements sont tombés en panne, principalement en raison de dommages aux rouleaux (fig. 6 c), de sorte que le modèle de durée de vie a pu être comparé aux résultats du test court. Exactement les mêmes rouleaux usés et rondelles neuves ont été pris en compte dans le modèle de la figure 5; les résultats montrent un très bon accord avec la limite inférieure du L mesuré10la vie, compte tenu des statistiques de Weibull.

Figure 6: a) Schémas des roulements à rouleaux cylindriques de poussée b) Profil modifié artificiellement des roulements testés c) Élément de roulement endommagé d'un roulement après l'essai.

En parallèle, des tests d'usure et d'ampli Gea mea; timide; des mesures en roulements complets ont également été effectuées pour calculer le coefficient d'usure puis valider le modèle à l'aide de différents ensembles d'expériences. L'accord entre le modèle et les expériences était également satisfaisant.

Résultats

Dans les roulements à rouleaux cylindriques de poussée, le glissement varie linéairement (diminue) des deux bords du rouleau vers la ligne primitive, où le glissement est nul (fig. 7). Vers le diamètre extérieur du roulement, le rouleau sera la surface la plus rapide, et vers le diamètre intérieur, ce sera la plus lente. Pour illustrer les effets simultanés de l'usure et de la fatigue dans un roulement à glissement variable sur le chemin de roulement, un autre boîtier de roulement à rouleaux de poussée est considéré avec un roulement plus grand (81212 TN), comme décrit dans les données du tableau {{2 }}.

Figure 7: Représentation schématique des paramètres géométriques pour le calcul du glissement dans un roulement à rouleaux de poussée cylindrique. Le rayon P / 2 représente l'emplacement du diamètre primitif où le glissement est nul.
Tableau 1: Principaux paramètres de géométrie du roulement 81212 TN et de la charge appliquée.

Une simulation a été lancée permettant au modèle de modifier le profil résultant de l'usure avec un coefficient d'usure dimensionnel (défini commeFormula 6) avec les conditions de charge indiquées dans le tableau 1 et la simulation destinée à atteindre nominalement 300 millions de survols.

Au lieu de mettre à jour les profils d'usure à chaque survol, pour gagner du temps de calcul sans perdre en précision, il a été constaté que les mises à jour pouvaient être effectuées tous les 15. 5 millions de survols sur le rouleau. Pour la simulation, le même modèle représenté que sur la fig. 5 est appliqué, y compris le modèle d'équation d'usure Archard (4).

Les résultats de la simulation sont présentés sur la figure 8. La figure affiche:

  1. les pressions sans dimension,

  2. contraintes de cisaillement de von Mises,

  3. la carte des dégâts,

  4. les profils de rouleaux et rondelles d'origine,

  5. les profils de rouleaux et de rondelles usés, correspondant au pas de temps de fin des simulations.

Il convient de noter que la carte des dégâts a atteint une valeur de dégâts totale supérieure à 1 (seuil d'initiation de la fissure) après seulement 31 millions de survols. Les résultats affichés sur la figure 8 sont liés aux étapes de simulation initiale et finale. La pression initiale (fig. 8 a) lors du premier roulage semble plus ou moins hertzienne, mais montre un certain effet de contrainte de bord, car un simple profil de rouleau droit a été utilisé, au lieu d'un rouleau profilé approprié qui évite ceux contraintes de bord. D'après les résultats, il est évident que le glissement est nul dans la ligne de tangage; de plus, la partie du modèle d'usure Archard de la simulation indique une usure nulle à cet endroit.

En effet, l'usure est liée à la répartition des glissements sur le chemin de roulement. Ainsi, l'usure aura lieu à un rythme accru à mesure que l'on s'éloignera de la ligne de terrain du chemin de roulement. Notez qu'à l'origine, la pression de contact était presque rectangulaire (fig. 8 a), mais lorsque le matériau est retiré des deux côtés du contact de roulement, la pression est réduite dans les zones de glissement élevé et est fortement augmentée et concentrée dans la zone de glissement nul (ligne de tangage), (fig. 8 b). Cette pression accrue produit des contraintes élevées et de la fatigue à un rythme plus rapide jusqu'à ce qu'une défaillance se développe au milieu du rouleau (fig. 8 c). L'effet simultané et simultané de l'usure et de la fatigue peut en effet accélérer l'écaillage RCF du contact. Cet écaillage accéléré par fatigue n'est pas lié à la contrainte de frottement induite par le glissement, mais résulte plutôt de la modification du profil d'origine des corps roulants (fig. 8 d et 8 e) conduisant à un forte augmentation de la contrainte de contact et épaisseur de film inférieure localisée.

Figure 8: a) Pressions sans dimension initiales, contraintes de cisaillement de von Mises
Figure 8: b) Pressions sans dimension finales, contraintes de cisaillement de von Mises
Carte des dégâts de Palmgren-Miner après simulation pour le même exemple du tableau 1 avec un coefficient d'usure de=0. 5 × 10-11 [s]
Figure 8: d) Profils originaux et usés pour la rondelle inférieure
Figure 8: e) Profils originaux et usés pour la fin de vie du rouleau après 31 millions de sur-roulages avec défaillance du rouleau.


Conclusions

À partir de la modélisation des effets simultanés de l'usure abrasive et du FCR, on constate que le glissement pourrait devenir un élément important pour augmenter les dommages de fatigue d'un roulement. Cela nécessite la présence de particules abrasives et / ou de très mauvaises conditions de lubrification dans le roulement. La répartition non uniforme du glissement au sein du contact hertzien contribue également au développement d'élévateurs de contraintes qui raccourcissent de manière significative la durée de vie en fatigue du roulement. En effet, cela semble être le mécanisme le plus important par lequel le glissement hertzien pourrait éventuellement réduire la durée de vie du roulement du FCR.

Pour réduire ce risque, les recommandations suivantes sont données:

  1. Assurez-vous qu'il y a toujours une lubrification adéquate dans le roulement, en particulier dans les roulements de grande taille avec une vitesse de rotation ou d'oscillation lente, des roulements en présence de grandes quantités de particules abrasives ou des roulements exposés à la corrosion.

  2. Optimiser les solutions d'étanchéité; éventuellement utiliser des roulements scellés / blindés.

  3. Réduisez autant que possible la contamination solide et liquide.

  4. Évitez les chocs et les vibrations qui peuvent augmenter considérablement les conditions de glissement nominales dans le roulement.

  5. Dans le cas de roulements de grande taille, si une usure inégale est détectée à temps, la remise à neuf peut être un aspect de réduction des coûts à considérer.

  6. Pour en savoir plus sur nos produits et devis, veuillez envoyer un courrier électronique à:info@jxtcbearing.com