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Le défaut d'alignement des roulements expliqué
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Le défaut d’alignement des roulements expliqué

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Pompe centrifuge avec roulements à billes et à rouleauxLe défaut d’alignement des roulements est une cause fréquente de défaillance d’une pompe. Il peut causer une fracture de la cage, ce qui entraînera la casse du roulement, et une défaillance de la pompe centrifuge. Il peut aussi provoquer une charge de bord excessive, ce qui entraînera une défaillance prématurée du roulement. Les outils de calcul de la durée de vie d’un roulement supposent que les bagues intérieures et extérieures du roulement sont bien alignées. Un défaut d’alignement généralement acceptable est moins de 0,003 radian (10 minutes d’arc) pour les roulements à billes et 0,0012 radian (4 minutes d’arc) pour les roulements à rouleaux. Les roulements sont fabriqués avec une grande précision, un grand soin doit être donc pris avec les pratiques d’usinage et d’assemblage de l’arbre et du logement sur lequel le roulement va être assemblé, afin de maintenir cette précision. En pratique, cependant, la précision d’usinage des pièces qui entourent le roulement doit être considérée. Les sources de défaut d’alignement comprennent :

  • Alésages de logement non concentriques
  • Épaulements non perpendiculaires sur les éléments d’accouplement
  • Arbre courbé
  • Erreurs pendant l’assemblage
  • Irrégularités sur le socle
  • Surface de montage non plane
  • Rigidité insuffisante de la surface de montage

Diagnostiquer le défaut d’alignement des roulements

Le mauvais alignement d’un roulement défectueux peut généralement être diagnostiqué par l’examen de la voie de roulement à l’intérieur du roulement. Comme les roulements tournent, les éléments de roulement suivent une trajectoire d’usure sur les chemins de roulement internes et externes. Un roulement bien aligné présentera un chemin d’usure qui passe au centre des bagues intérieures et extérieures, tandis qu’un roulement mal aligné arborera des chemins d’usure de roulement inégaux.Chemins d'usure de roulement à billes à gorges profondes

Prévenir le défaut d’alignement des roulements

Un mauvais alignement peut être évité en étant attentif au cours du processus d’installation du roulement. La première étape est la bonne conception et l’usinage des éléments du logement et de l’arbre qui vont être en contact avec le roulement. Le logement doit être rigide pour supporter le roulement de manière robuste. Dans les cas où deux roulements sont montés dans un même logement, les surfaces d’appui de l’alésage du logement doivent être conçues de sorte qu’elles puissent être finies en une seule opération d’alésage, tel que l’alésage en ligne. La précision et la finition de surface recommandée des arbres et des logements sont listées dans le Tableau 1 pour des conditions normales de fonctionnement. Les épaulements de l’arbre ou du logement qui sont en contact avec la face d’un roulement doivent être orthogonaux à l’axe de l’arbre.Tableau 1 : Précision et rugosité recommandées pour l'arbre et le logement

Le diamètre de l’épaulement qui soutient le roulement doit être assez grand pour soutenir pleinement la face du roulement. Lors de l’installation, toutes les surfaces de contact doivent être nettoyées et la surface de l’arbre et des épaules doivent être exempts de bavures. Les méthodes de montage des roulements peuvent varier en fonction du type de support et du type d’ajustement. Comme les roulements sont habituellement utilisés avec des arbres tournants, les bagues intérieures nécessitent un ajustement serré. Les roulements à alésage cylindriques sont généralement montés par pressage de la bague intérieure sur l’arbre ou en la chauffant pour augmenter son diamètre (frettage). Les roulements avec alésage conique peuvent être montés directement sur ​​des arbres coniques ou cylindriques à l’aide de manchons coniques.

Les roulements sont généralement montés dans des boîtiers avec un ajustement lâche. Toutefois, si la bague extérieure a un ajustement serré, une presse peut être utilisée. Les utilisateurs finaux doivent toujours appliquer un léger film d’huile sur les surfaces de contact afin d’éviter leur dégradation lors de l’assemblage. Lorsqu’un roulement est pressé dans un logement, l’effort de la presse doit être appliqué à la bague extérieure du roulement. Lorsqu’un roulement est pressé sur un arbre, l’effort de la presse doit être appliqué à la bague intérieure. Par ailleurs, les cages de nylon sont plus souples que des cages en acier et peuvent accueillir un défaut d’alignement plus important que les cages en acier. L’augmentation du jeu interne du roulement va augmenter sa capacité de désalignement. Des roulements à billes auto-alignant peuvent également être utilisés. Ces roulements ont une voie de roulement sphérique ayant un centre de courbure qui coïncide avec celle des billes. Cela permet à l’axe de la bague intérieure, aux billes et à la cage de dévier dans une certaine mesure autour du centre du roulement. Toutefois, cette conception peut créer un angle de contact inférieur entre la bille et le chemin de roulement, ce qui se traduit par une capacité de charge plus faible par rapport à un roulement à bille à gorge profonde de taille similaire.

Le défaut d’alignement statique admissible dans ce type de roulement est d’environ 0,07 à 0,12 radian (4 à 7 degrés) sous des charges normales. En fonction de la structure environnante, cet angle n’est pas toujours admissible. Les calculs de durée de vie L10 standards supposent que le roulement est bien aligné, donc des calculs supplémentaires doivent être faits pour déterminer l’effet d’un défaut d’alignement sur la fatigue du roulement. Le désalignement maximal admissible d’un roulement varie selon la taille et le type de roulement, le jeu intérieur en cours de fonctionnement, et selon la charge appliquée. Supposons que la résistance à la fatigue sans avoir à supporter un défaut d’alignement soit Lθ 0, et que la résistance à la fatigue de roulement avec un défaut d’alignement soit Lθ. L’effet de l’alignement sur ​​la résistance à la fatigue peut être trouvé par le calcul Lθ / Lθ = 0.Effet du défaut d'alignement sur le ratio de durée de vie d'un roulement à billes à gorges profondes

Sur cette figure, l’axe horizontal représente le désalignement des bagues extérieures/intérieures (rad), tandis que l’axe vertical indique le rapport de fatigue Lθ/Lθ = 0. Comme exemple de conditions de fonctionnement ordinaires, la charge radiale Fr (N) pour les deux figures est supposée être approximativement 10 pour cent de la valeur nominale de la charge dynamique Cr (N), et l’ajustement de l’arbre a été usiné à la valeur recommandée.

La diminution du jeu interne à cause de la dilatation de la bague intérieure a également été examinée. Les trois jeux distincts représentent un jeu effectif maximum, minimum et moyen. La réduction de la résistance à la fatigue est limitée à 5 à 10 pour cent avec un défaut d’alignement de 0,004 radian ce qui, par conséquent, ne réduit pas de manière significative la durée de vie du roulement. Toutefois, lorsque le défaut d’alignement est supérieur à cette limite, la durée de vie est considérablement réduite. Dans ce scénario, une augmentation de 11μm du jeu interne provoque une augmentation du défaut d’alignement de ~ 0,0015 radian.Effet du défaut d'alignement sur le ratio de durée de vie d'un roulement à rouleaux

La figure ci-dessus présente trois classes de jeu distinctes pour un roulement à rouleaux cylindriques : jeu normal, C3 et C4. Par rapport à un roulement à billes à gorge profonde, le ratio de durée de vie est réduit de plus de 10 pour cent avec un défaut d’alignement de seulement 0,001 radian. Peu de variations existent entre les différentes classes de jeu, malgré une différence totale de 50 microns.

Il est clair que les roulements à rouleaux sont plus sensibles aux effets d’un défaut d’alignement que les roulements à billes, ce qui doit être considéré lors de la sélection d’un type de roulement pour une nouvelle conception de pompe. Ces chiffres ont été générés pour des conditions d’exploitation typiques, mais ne sont pas applicables à toutes les applications de pompe. Réduire ou éliminer désalignement d’un roulement est essentiel pour une longue durée de vie de la pompe. Les tolérances de montage recommandées et les processus d’installation doivent être respectés pour éviter un défaut d’alignement. S’il ne peut pas être complètement évité, des calculs supplémentaires sont nécessaires pour déterminer l’effet que cela aura sur la durée de vie.

Source : NSK
L’avis de Romain :
Le choix d’un type de roulement est souvent fait par expérience ou historiquement. Malheureusement, ce n’est pas toujours suffisant pour assurer une longue durée de vie du produit. Pensez-vous que les fournisseurs de roulement comme NSK ou SKF sont impliqués dans le choix et la conception des roulements pour un assemblage donné ou qu’ils ne fournissent qu’un catalogue ?

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