par Andy Page, GP Allied
L’état des roulements est indissociable de l’état général des machines et de celui de l’usine dans son ensemble. Les roulements pourraient être considérés comme les « agneaux sacrificiels » d’une machine tournante. Pour de nombreuses machines, leur relation avec les roulements s’apparente fortement à celle des piles avec une télécommande. Tant qu’ils sont remplacés avant de tomber en panne et/ou d’endommager d’autres pièces, la machine devrait bénéficier d’une durée de vie satisfaisante. Bien sûr, les roulements ne sont pas les seuls éléments à s’user, à se fatiguer et à tomber en panne, mais ils représentent la part du lion parmi les principales causes de défaillance de nombreuses machines tournantes.
Cependant, de nombreuses idées reçues — notamment des hypothèses erronées concernant la durée de vie d’un roulement et ce qui constitue une usure « normale » — entraînent une usure prématurée des roulements (ou, à l’inverse, leur remplacement alors qu’ils ne devraient pas l’être). Par exemple, certains techniciens de maintenance suivent un calendrier prédéfini prévoyant le remplacement des roulements tous les 1 ou 2 ans, ou bien ils estiment que les roulements qui ne durent qu’un à deux ans ont « fait leur temps ».
Il existe toutefois de bien meilleures façons de déterminer quand un roulement doit être remplacé, et l’une des méthodes les plus fiables consiste à détecter la présence de fatigue sous-jacente.
En comprenant les facteurs qui contribuent à ce processus et l’accélèrent, le personnel de l’usine aura une vision plus réaliste de l’état et du cycle de vie des roulements et sera bien préparé à passer d’une maintenance réactive à une maintenance conditionnelle, ce qui permettra d’améliorer la fiabilité.
Le rôle de la lubrification
Pour comprendre comment la fatigue sous-jacente entraîne des défaillances des roulements, il faut d’abord comprendre le rôle de la lubrification. Utilise-t-on le lubrifiant ou la graisse approprié(e) ? Est-il/elle stocké(e) correctement ? Le lubrifiant est-il exempt de toute contamination ? Si la réponse à l’une de ces questions est « non », le roulement risque alors de rencontrer des problèmes.
Lorsque l’on utilise le type et la quantité appropriés de lubrifiant, le rouleau n’entre jamais en contact avec la piste. En revanche, si l’on utilise un type ou une quantité inadaptés, cela entraînera des dommages au niveau du roulement. Voici pourquoi.
Les lubrifiants et les graisses ne sont pas compressibles, mais une augmentation de la pression entraîne une modification de l’une de leurs propriétés physiques… leur viscosité. Ainsi, pour tout lubrifiant, lorsque la pression augmente, la viscosité augmente : non pas légèrement, mais de manière exponentielle. Lorsque la pression atteint 200 000 psi, le lubrifiant devient en réalité plus dur que le métal du roulement. À mesure que la molécule de lubrifiant pénètre dans la zone de charge, la pression s’exerce sur elle. Comme elle résiste à la compression, un coin d’huile se forme.
Lorsque le coin d’huile traverse la zone de charge, la face de la piste, située sous le galet et en dessous du coin d’huile, est comprimée. À mesure que le coin d’huile s’éloigne de cet emplacement, la face de la piste se décompresse. La force exercée sous la bille ou le galet peut être représentée à l’aide du modèle de contrainte hertzien. (Figures 1 et 2) La force directement sous le rouleau est la plus élevée, tandis que celle située à gauche et à droite du rouleau est moins intense. Par conséquent, chaque rouleau entraîne avec lui un « cône de contrainte » lorsqu’il tourne autour de la bague intérieure et à l’intérieur de la bague extérieure, notamment lorsqu’il traverse la zone de charge.
À mesure que les rouleaux progressent dans la zone de charge, ils entraînent avec eux cette concentration de contraintes, et le cycle de compression et de relâchement se poursuit jusqu’à ce que le matériau atteigne ses limites de charge de fatigue. Imaginez que vous pliez à plusieurs reprises un cintre ou un peigne « incassable ». À terme, le cycle de compression et de relâchement finira par compromettre l’intégrité du matériau, qui finira par se briser.
En examinant les calculs ci-dessous, demandez-vous combien de fois ce cycle de compression et de relâchement se produit en une journée.
- Prenons un arbre tournant à 1 775 tr/min, soit environ 29,6 cycles de rotation par seconde.
- Par exemple, pour un roulement donné, au cours d’un tour complet de la bague intérieure, 8,193 billes ou rouleaux passeront devant un même point.
Par conséquent, sur une période de 24 heures, cet endroit de la zone de charge subit 21 millions de cycles de compression et de détente, et sur une année, il subit 7,6 milliards de cycles de compression et de détente.
Or, si l’on considère que les roulements ont une durée de vie de 8 à 12 ans, et que l’on multiplie 7,6 milliards par 8 (une estimation prudente de la durée de vie des roulements), le nombre de cycles de compression/décompression atteint des proportions astronomiques. À terme, le roulement atteint sa limite de charge de fatigue. La première manifestation de cette dégradation progressive est appelée « fatigue sous-superficielle ».
Le premier signe de problème
La fatigue sous-superficielle correspond exactement à ce que son nom indique : de petites fissures, d’une profondeur généralement comprise entre 5 et 6 microns, qui peuvent être observées à l’œil nu une fois le roulement démonté, démonté et nettoyé. Cette fatigue sous-superficielle se manifeste par une décoloration visible sur les chemins de roulement extérieur et intérieur. La fatigue sous-superficielle est le premier signe indiquant qu’un roulement est sur le point de subir une rupture par fatigue.
Au fil du temps, ces fissures microscopiques finiront par se relier entre elles, entraînant une fatigue « avancée » en profondeur.
Bien que cette usure ne soit encore ni visible ni perceptible, l’énergie dégagée par la fatigue est de très haute fréquence, ce qui permet aux appareils à ultrasons de la détecter très efficacement. L’analyse des vibrations s’avère également utile pour identifier ce phénomène, comme le montre cette analyse, qui illustre l’aggravation de la fatigue sur une période de trois mois.
À mesure que la fatigue sous-jacente s’aggrave, les fissures microscopiques finissent par se rejoindre, et de larges lambeaux de métal fins commencent à se détacher de la piste. À ce stade, les dommages deviennent perceptibles et audibles. C’est ce qu’on appelle l’écaillage.
Une fois que l’écaillage se produit, il s’accélère très rapidement. La surface de contact s’agrandit considérablement et la pression devient plus instable. En conséquence, le coin de lubrifiant a du mal à conserver sa forme et les surfaces ne peuvent plus rester séparées. L’écaillage s’accélère alors assez rapidement.
Tout ce qui influe sur les charges radiales et axiales de la chaîne cinématique accélère ce processus, notamment les éléments suivants :
- Déséquilibre
- Désalignement
- Courroies trapézoïdales trop tendues
- Boulons cassés
- Boulons desserrés
- Soudures défectueuses
- Surcharge des machines
- Machines en excès de vitesse
- Machines d’essai de chocs
Au vu de tous les problèmes causés par la fatigue sous-jacente, on comprend aisément l’intérêt économique de mettre en œuvre un plan visant à la détecter et à la prévenir. Les ultrasons, l’analyse d’huile, l’analyse des vibrations, l’infrarouge et l’analyse des circuits électriques des moteurs sont autant de techniques utiles à cette fin. Aucune méthode d’inspection ne permet à elle seule de tout détecter, mais, combinées, ces technologies s’avèrent très efficaces pour repérer les premiers signes avant-coureurs d’une défaillance des roulements.
Conclusion
Les roulements ne sont pas conçus pour durer éternellement, et la fatigue interne ainsi que d’autres mécanismes de défaillance sont inévitables. Cependant, en recourant à une combinaison appropriée de technologies permettant de détecter ces mécanismes de défaillance — et, surtout, en prenant conscience de l’importance de détecter les défauts à un stade précoce —, les usines peuvent bénéficier d’un programme de maintenance plus fiable et plus prévisible, et éviter ainsi le remplacement prématuré et coûteux des roulements.
Pour plus d’informations, de ressources et de solutions concernant la fatigue sous-jacente et les autres types de défaillance des roulements, rendez-vous sur www.uesystems.com et www.gpallied.com.
Alors, quelle est la durée de vie normale des roulements ?
Comme indiqué au début de cet article, il arrive que des roulements soient remplacés alors qu’ils sont encore parfaitement fonctionnels. Cela s’explique en partie par le fait que de nombreux techniciens de maintenance ne savent pas quelle durée de vie on peut raisonnablement attendre d’un roulement, ce qui constitue un obstacle majeur à la fiabilité et à l’optimisation. Si vous demandiez à une salle remplie de professionnels : « Quelle est la durée de vie des roulements ? », vous obtiendriez une grande variété de réponses, allant de quelques années à une durée indéterminée.
Lorsqu’ils sont correctement entretenus, la plupart des roulements devraient avoir une durée de vie d’environ 8 à 12 ans. La durée de vie des roulements est exprimée par un concept appelé « durée de vieL10 ».
La durée de vieL10 correspond à la durée pendant laquelle environ 90 % des roulements d’un échantillon suffisamment important, utilisés dans des conditions similaires, resteront en service. Le « 10 » dansL10 fait référence aux 10 % de roulements qui n’atteindront pas la durée de vieL10. La durée de vie d’un roulement devrait être d’environ 5 fois la durée de vieL10 calculée (là encore, à titre de règle générale, elle est généralement comprise entre 8 et 12 ans). Consultez les spécifications du fabricant pour obtenir de plus amples informations et vous faire une meilleure idée de la durée de vie raisonnable de vos roulements.