La demande croissante d'amélioration de la fiabilité dans l'ensemble de l'industrie signifie que les ingénieurs doivent prendre en compte tous les composants de leur équipement.Les systèmes de roulements sont des pièces critiques d'une machine et leur défaillance pourrait avoir des conséquences catastrophiques et coûteuses.La conception des roulements a un impact majeur sur la fiabilité, en particulier dans des conditions de fonctionnement extrêmes, notamment des températures élevées ou basses, le vide et des atmosphères corrosives.Cet article décrit les considérations à prendre lors de la spécification de roulements pour des environnements difficiles, afin que les ingénieurs puissent garantir une fiabilité élevée et d'excellentes performances de longue durée de leur équipement.

Un système de roulement comprend de nombreux éléments dont des billes, des bagues, des cages et un graissage par exemple.Les roulements standard ne résistent généralement pas aux rigueurs des environnements difficiles et une attention particulière doit donc être accordée aux pièces individuelles.Les éléments les plus importants sont la lubrification, les matériaux et le traitement thermique ou les revêtements spéciaux. En examinant chaque facteur, les roulements peuvent être configurés au mieux pour l'application.

Fonctionnement à haute température

Les applications à haute température, telles que celles utilisées dans les systèmes d'actionnement de l'industrie aérospatiale, peuvent présenter des défis pour les roulements standard.De plus, les températures augmentent dans les équipements à mesure que les unités deviennent de plus en plus petites et ont une densité de puissance accrue, ce qui pose un problème pour le roulement moyen.

Lubrification

La lubrification est une considération importante ici.Les huiles et les graisses ont des températures de fonctionnement maximales auxquelles elles commenceront à se dégrader et à s'évaporer rapidement, entraînant une défaillance des roulements.Les graisses standards sont souvent limitées à une température maximale d'environ 120°C et certaines graisses conventionnelles haute température sont capables de résister à des températures allant jusqu'à 180°C.

Cependant, pour les applications qui nécessitent des températures encore plus élevées, des graisses lubrifiantes fluorées spéciales sont disponibles et des températures supérieures à 250°C peuvent être atteintes.Là où la lubrification liquide n'est pas possible, la lubrification solide est une option qui permet un fonctionnement fiable à basse vitesse à des températures encore plus élevées.Dans ce cas, le bisulfure de molybdène (MOS2), le bisulfure de tungstène (WS2), le graphite ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE) sont recommandés comme lubrifiants solides car ils peuvent tolérer des températures très élevées pendant de longues périodes.

Matériaux

Lorsqu'il s'agit de températures supérieures à 300°C, des matériaux spéciaux pour les anneaux et les billes sont nécessaires.AISI M50 est un acier haute température généralement recommandé car il présente une résistance élevée à l'usure et à la fatigue à haute température.Le BG42 est un autre acier à haute température qui a une bonne dureté à chaud à 300 ° C et est couramment spécifié car il a des niveaux élevés de résistance à la corrosion et est également moins sensible à la fatigue et à l'usure à des températures extrêmes.

Des cages haute température sont également nécessaires et peuvent être fournies dans des matériaux polymères spéciaux, notamment le PTFE, le polyimide, le polyamide-imide (PAI) et le polyéther-éther-cétone (PEEK).Pour les systèmes lubrifiés à l'huile à haute température, les cages de roulement peuvent également être fabriquées en bronze, en laiton ou en acier argenté.

Revêtements et traitement thermique

Des revêtements et des traitements de surface avancés peuvent être appliqués aux roulements pour lutter contre le frottement, prévenir la corrosion et réduire l'usure, améliorant ainsi les performances des roulements à haute température.Par exemple, les cages en acier peuvent être recouvertes d'argent pour améliorer les performances et la fiabilité.En cas de panne/de manque de lubrifiant, le placage d'argent agit comme un lubrifiant solide, permettant au roulement de continuer à fonctionner pendant une courte période ou en cas d'urgence.

Fiabilité à basse température

À l'autre extrémité de l'échelle, les basses températures peuvent être problématiques pour les roulements standard.

Lubrification

Dans les applications à basse température, par exemple les applications de pompage cryogénique avec des températures de l'ordre de -190°C, les lubrifications à l'huile deviennent cireuses, ce qui entraîne une défaillance des roulements.Les lubrifications solides telles que MOS2 ou WS2 sont idéales pour améliorer la fiabilité.De plus, dans ces applications, le fluide pompé peut agir comme lubrifiant, de sorte que les roulements doivent être spécialement configurés pour fonctionner à ces basses températures en utilisant des matériaux qui fonctionnent bien avec le fluide.

Matériaux

Un matériau qui peut être utilisé pour améliorer la durée de vie et la résistance à l'usure d'un roulement est le SV30®, un acier martensitique trempé à cœur, à haute teneur en azote et résistant à la corrosion.Les billes en céramique sont également recommandées car elles offrent des performances supérieures.Les propriétés mécaniques inhérentes du matériau signifient qu'il offre un excellent fonctionnement dans de mauvaises conditions de lubrification, et il est bien mieux adapté pour fonctionner de manière fiable à basse température.

Le matériau de la cage doit également être choisi pour être aussi résistant à l'usure que possible et les bonnes options incluent ici les plastiques PEEK, polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) et PAI.

Traitement thermique

Les anneaux doivent être spécialement traités thermiquement pour améliorer la stabilité dimensionnelle à basse température.

Conception interne

Une autre considération pour travailler à basse température est la conception interne du roulement.Les roulements sont conçus avec un niveau de jeu radial, mais à mesure que la température diminue, les composants du roulement subissent une contraction thermique et la quantité de jeu radial est donc réduite.Si le niveau de jeu radial est réduit à zéro pendant le fonctionnement, cela entraînera une défaillance du roulement.Les roulements destinés aux applications à basse température doivent être conçus avec plus de jeu radial à température ambiante pour permettre un niveau acceptable de jeu radial de fonctionnement à basse température.

Gérer la pression du vide

Dans les environnements à ultra-vide tels que ceux qui sont présents dans la fabrication d'électronique, de semi-conducteurs et d'écrans LCD, la pression peut être inférieure à 10-7 mbar.Les roulements à ultra-vide sont généralement utilisés dans les équipements d'actionnement dans l'environnement de fabrication.Une autre application de vide typique est celle des pompes turbomoléculaires (TMP) qui génèrent le vide pour les environnements de fabrication.Dans cette dernière application, les roulements doivent souvent travailler à grande vitesse.

Lubrification

La lubrification dans ces conditions est essentielle.À des vides aussi poussés, les graisses de lubrification standard s'évaporent et dégagent également des gaz, et le manque de lubrification efficace peut entraîner une défaillance des roulements.Une lubrification spéciale doit donc être utilisée.Pour les environnements de vide poussé (jusqu'à environ 10-7 mbar), les graisses PFPE peuvent être utilisées car elles ont une résistance à l'évaporation beaucoup plus élevée.Pour les environnements à ultra-vide (10-9 mbar et moins), des lubrifiants solides et des revêtements doivent être utilisés.

Pour les environnements de vide moyen (environ 10-2 mbar), avec une conception soignée et une sélection de graisse spéciale pour vide, des systèmes de roulements qui offrent une longue durée de vie de plus de 40 000 heures (environ 5 ans) d'utilisation continue et fonctionnent à des vitesses élevées, peuvent être atteint.

Résistance à la corrosion

Les roulements destinés à être utilisés dans un environnement corrosif doivent être spécialement configurés car ils peuvent potentiellement être exposés à des acides, des alcalis et de l'eau salée, entre autres produits chimiques corrosifs.

Matériaux

Les matériaux sont une considération vitale pour les environnements corrosifs.Les aciers à roulements standard se corrodent facilement, entraînant une défaillance précoce des roulements.Dans ce cas, le matériau de l'anneau SV30 avec des billes en céramique doit être considéré car il est très résistant à la corrosion.En fait, des études ont montré que le matériau SV30 peut durer plusieurs fois plus longtemps que les autres aciers résistants à la corrosion dans un environnement de brouillard salin.Dans les tests contrôlés au brouillard salin, l'acier SV30 ne montre que de légers signes de corrosion après 1 000 heures de test au brouillard salin (voir graphique 1) et la haute résistance à la corrosion du SV30 est clairement visible sur les anneaux de test.Des matériaux de billes en céramique spéciaux tels que la zircone et le carbure de silicium peuvent également être utilisés pour augmenter encore la résistance d'un roulement aux substances corrosives.

Tirer le meilleur parti de la lubrification des médias

Le dernier environnement difficile concerne les applications où le fluide agit comme un lubrifiant, par exemple les réfrigérants, l'eau ou les fluides hydrauliques.Dans toutes ces applications, le matériau est la considération la plus importante, et les roulements hybrides SV30 - céramique se sont souvent avérés fournir la solution la plus pratique et la plus fiable.

Conclusion

Les environnements extrêmes présentent de nombreux défis opérationnels pour les roulements standard, provoquant ainsi leur défaillance prématurée.Dans ces applications, les roulements doivent être configurés avec soin afin qu'ils soient adaptés à l'usage et offrent d'excellentes performances durables.Pour garantir une grande fiabilité des roulements, une attention particulière doit être accordée à la lubrification, aux matériaux, aux revêtements de surface et au traitement thermique.