Le système de roulements auto-aligneurs SKF

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1 Le système de roulements auto-aligneurs SKF

2 Sommaire La marque SKF acquiert une nouvelle dimension et apporte encore plus à ses clients. Tout en continuant à s imposer comme référence mondiale en matière de roulements haute qualité, SKF s est progressivement orienté vers la fourniture de solutions complètes, en axant ses efforts sur les avancées technologiques, le support technique et les services, afin d offrir une plus grande valeur ajoutée à ses clients. Ces solutions sont conçues pour procurer au client des moyens d optimiser sa productivité : outre des produits de pointe adaptés aux différentes applications, SKF propose désormais des outils performants de simulation et d aide à la conception, des conseils, des programmes efficaces de maintenance des machines et les techniques les plus modernes de gestion des approvisionnements. Aujourd hui, la marque SKF représente bien plus qu un simple gage de qualité en matière de roulements. SKF the knowledge engineering company 3 Résumé 4 Le système de roulements autoaligneurs classique 4 Roulements dans un équipement en rotation 4 Le système de roulements autoaligneurs classique 5 Cause de défaillance des roulements 6 Influence du frottement 6 Répartition instable de la charge 7 Un exemple type de dilatation de l arbre et ses effets 8 Force axiale au fil du temps exemples caractéristiques 9 Le système de roulements autoaligneurs SKF 10 Roulement à rouleaux toroïdaux SKF 10 Faibles performances de charge 12 Amélioration de la fiabilité et des conditions de fonctionnement 14 Réduction des coûts grâce à la réduction de la taille 14 Charges légères, vitesses élevées 15 Élimination du risque de mauvaises conditions de fonctionnement 15 La solution sans compromis 16 Améliorations permises par le système de roulements auto-aligneurs SKF 18 Influence du système de roulements auto-aligneurs SKF sur différents types de machines 20 SKF the knowledge engineering company 2

3 Résumé Le problème Dans une application industrielle type, le système de roulements doit pouvoir supporter le désalignement, les flexions et la dilatation thermique de l arbre. Pour compenser le désalignement et les flexions de l arbre, les ingénieurs de bureaux d études utilisent en général un système de roulements auto-aligneurs constitué de deux roulements à rotule sur billes ou à rotule sur rouleaux. Cependant, la dilatation thermique de l arbre est un problème plus complexe qui nécessite que l un des roulements soit en position de palier fixe et l autre en position de palier libre. Dans la plupart des cas, le roulement de palier fixe doit être maintenu en place dans le palier et sur l arbre. Le roulement de palier libre est conçu pour se déplacer axialement sur sa portée dans le palier. Lorsque ce roulement de palier libre bouge dans le palier, il génère une grande quantité de frottements, ce qui entraîne des vibrations, des forces axiales dans le système de roulements et de la chaleur des facteurs qui risquent de réduire considérablement la durée de service des roulements. La solution Pour éviter les problèmes apparaissant dans un système de roulements de palier fixe/palier libre classique, la solution est d utiliser un roulement auto-aligneur en position de palier fixe et un roulement CARB en position de palier libre. Le roulement CARB est un roulement radial auto-aligneur comportant une bague intérieure qui se déplace indépendamment de la bague extérieure comme un roulement à rouleaux cylindriques permettant la dilatation et la contraction thermiques de l arbre ou de la structure en raison de variations de température, sans entraîner de charges axiales internes. Les bagues intérieure et extérieure d un roulement CARB peuvent être montées avec un ajustement serré, ce qui permet d éviter les problèmes liés à une bague extérieure lâche, par exemple la corrosion de contact et la déformation de la bague. Le système de roulements auto-aligneurs SKF est constitué d un roulement à rouleaux toroïdaux CARB en position de palier libre et d un roulement à rotule sur billes ou à rotule sur rouleaux en position de palier fixe. Ce système de roulements supporte le désalignement ainsi que le déplacement axial, pratiquement sans frottement, et permet donc d éliminer les problèmes causés par les charges axiales induites. Le système de roulements auto-aligneurs SKF sans compromis permet aux ingénieurs de réduire considérablement les coûts grâce à la réduction de la taille, l élimination de composants et la simplification de l assemblage, tout en améliorant la fiabilité et les performances. En fonction de la machine et de l application, le système de roulements auto-aligneurs SKF peut offrir les avantages suivants conceptions optimisées plus sûres meilleure durée de service des roulements allongement des intervalles de maintenance diminution de la température de fonctionnement diminution du niveau sonore et des vibrations amélioration du débit de la machine même débit avec une machine plus légère ou plus simple meilleure qualité des produits/moins de rebuts. 3

4 Le système de roulements auto-aligneurs classique Roulements dans un équipement en rotation Dans un équipement industriel type, des arbres en rotation sont en général soutenus par deux roulements, un à chaque extrémité de l arbre. En plus de supporter des charges radiales, l un des roulements doit fixer l arbre par rapport à son palier et supporter les charges axiales pesant sur l arbre. Ce roulement est appelé roulement de palier fixe. L autre roulement, appelé roulement de palier libre, doit également supporter des charges radiales mais il doit aussi pouvoir se déplacer axialement afin de s adapter aux conditions suivantes dilatation et contraction thermiques de l arbre ou de la structure en raison de variations de température tolérances de fabrication de la structure accumulation de tolérance. Ce deuxième roulement est appelé roulement non fixe, flottant ou libre. Le système de roulements auto-aligneurs classique Le système de roulements auto-aligneurs classique, composé de deux roulements à rotule sur billes ou à rotule sur rouleaux, a longtemps constitué la base de nombreux systèmes de roulements auto-aligneurs industriels. Capable de résister à des charges radiales et axiales élevées, ce système de roulements supporte également bien le désalignement, la déformation thermique et les flexions de l arbre sous la charge. Cependant, l utilisation de roulements à rotule sur billes ou à rotule sur rouleaux en position de palier libre entraîne des effets négatifs ( fig. 1). Le roulement en position de palier libre doit pouvoir glisser axialement, généralement sur sa portée dans le palier, afin de compenser la dilatation ou la contraction thermiques de l arbre. Pour permettre ce mouvement, la bague extérieure du roulement doit être montée avec un ajustement lâche et disposer de suffisamment d espace pour se déplacer dans le sens axial. Cet ajustement lâche, qui compromet la conception de la machine, peut, dans certaines conditions de charge, provoquer le glissement de la bague qui risque alors d endommager la portée du palier. Ceci accélère l usure, augmente les vibrations et procure un support d arbre moins rigide dans le sens radial. Ces effets secondaires négatifs entraînent des coûts de réparation et besoins de maintenance supplémentaires. Système de roulements auto-aligneurs classique avec deux roulements à rotule sur rouleaux. Le roulement de droite est axialement libre Fig. 1 4

5 Cause de défaillance des roulements Le roulement de palier libre doit être monté de manière lâche sur sa portée afin de compenser la dilatation et la contraction axiales de l arbre et cet ajustement libre doit être maintenu pendant le fonctionnement. Cette opération n est pas aussi simple qu il semblerait et peut être entravée par les causes suivantes : Pendant le démarrage, lorsque les composants de la machine chauffent, la bague extérieure du roulement se dilate en général plus rapidement que l alésage du palier. Cette différence du taux de dilatation peut faire disparaître l ajustement libre entre le roulement et sa portée et ainsi restreindre le mouvement axial. Si la forme de la portée du roulement dans le palier n est pas conforme aux spécifications, la bague du roulement sera maintenue en place et ne pourra pas bouger axialement. Ceci peut être dû à une portée ovale ou conique ou, le plus souvent, une portée déformée en raison d une surface d appui pas assez plane ou rigide. Dans des conditions de charge défavorables, une bague libre peut créer un problème appelé corrosion de contact et la bague du roulement peut littéralement rouiller sur place. L usure de la portée peut également entraîner la fixation du roulement. Si le roulement en position de palier libre ne peut pas se déplacer régulièrement ou ne peut pas bouger sur sa portée pour compenser la dilatation et la contraction thermiques de l arbre, les deux roulements seront soumis à de fortes charges axiales ( fig. 2). Ces charges axiales induites supplémentaires se traduiront par une température élevée du roulement, des vibrations excessives, une augmentation de la consommation de lubrifiant et, pour finir, une défaillance prématurée du roulement. Des contraintes et charges axiales élevées sont induites dans le système de roulements si le roulement de palier libre ne peut pas se déplacer axialement Fig. 2 F r 5

6 Influence du frottement Une conséquence plus générale, mais moins connue, d un ajustement libre du roulement est l apparition d une certaine quantité de frottement entre la bague de roulement libre et sa portée dans le palier (ou sur l arbre). Dans un système de roulements classique, l arbre doit surmonter cette résistance de frottement avant que le roulement puisse bouger sur sa portée. Cette résistance présente une ampleur F a = F r m, où F a est la force axiale, F r la charge radiale supportée par le roulement en position de palier libre et m le coefficient de frottement entre la bague de roulement libre et le palier ou l arbre. (Pour les interfaces acier-acier et acier-fonte, les valeurs de m sont en général de l ordre de 0,12 0,16 pour les surfaces en bon état et sont beaucoup plus élevées si l une des surfaces de contact est usée ou endommagée). Avant que l arbre ne surmonte la résistance de frottement, les deux roulements sur l arbre sont soumis à une charge axiale supplémentaire équivalente à plusieurs pour-cent de la charge radiale ( fig. 3). Ces charges axiales induites internes affectent négativement la répartition de la charge sur les roulements et chaque rangée de roulements supporte une charge différente ( fig. 4). Répartition instable de la charge Dans les applications présentant des vitesses relativement élevées, la répartition de la charge sur les roulements peut être variable et instable. Pour visualiser ceci, imaginez que la bague intérieure de l un des roulements est légèrement de travers sur l arbre par rapport à l axe de rotation réel. Ceci est un problème courant qui est dû en général à un usinage incorrect de l arbre, des flexions de l arbre, une accumulation de tolérance de l arbre, du manchon de serrage et de la bague de roulement et des erreurs de montage. Lorsque l une de ces conditions est présente, la bague intérieure tremble légèrement en tournant, entraînant l oscillation de l arbre dans le sens axial. Ces oscillations sont ensuite transmises à la bague intérieure du deuxième roulement de l ensemble. Les bagues intérieures oscillent selon une fréquence égale à la vitesse de l arbre et les deux rangées de rouleaux alternent entre un état chargé et non chargé (ou en tout cas sont soumis à une quantité de charge variable). Dans certains cas, le mouvement axial est transmis à la bague extérieure du roulement en position de palier libre, ce qui entraîne une corrosion de frottement dans le palier. Les résultats caractéristiques d une répartition inégale de la charge peuvent être résumés comme suit dans les applications à charges élevées fortes contraintes internes, température élevée, mauvaise lubrification, usure accélérée des roulements, durée de vie des roulements (la réduction de durée de vie peut être calculée) dans les applications à vitesses élevées température de fonctionnement élevée, accélération et décélération en alternance des jeux de rouleaux en fonction des fluctuations de la répartition de la charge, forces élevées sur la cage, taux d usure accru, vibrations et niveaux sonores élevés, détérioration rapide de la graisse, problèmes de fiabilité généraux. (Il est impossible de calculer l ampleur de ces effets). Ces facteurs se produisent à un degré plus ou moins important dans tous les systèmes de roulements classiques, même lorsque les composants sont neufs et les tolérances conformes aux spécifications. Si un problème autre que le frottement normal empêche le déplacement axial du roulement en position de palier libre, cet état est similaire à la présence d un coefficient de frottement (m) très élevé entre le roulement et sa portée et les effets négatifs pendant le fonctionnement sont donc très importants. Le frottement entre la bague extérieure et le palier entraîne une charge axiale Fig. 3 Une répartition inégale de la charge est causée par des forces émanant du frottement dans le sens axial Fig. 4 F r F a = F r µ F a F r 6

7 Un exemple type de dilatation de l arbre et ses effets Le diagramme 1 montre les valeurs de température relevées au niveau de la bague extérieure d un roulement à rotule sur rouleaux lubrifié à l huile en position de palier libre sur un rouleau de machine à papier, pendant la période de démarrage de la machine. Il apparaît clairement sur le diagramme qu il existe un frottement entre la bague extérieure du roulement et la portée du palier et que ceci affecte considérablement la quantité de chaleur générée par le roulement. À mesure que la température de fonctionnement augmente et que l arbre se dilate, la température à l intérieur du roulement augmente également jusqu à ce que la résistance de frottement soit surmontée. Le roulement se déplace alors soudainement, provoquant une diminution visible de la température. Ce phénomène de saccades se poursuit jusqu à ce que l arbre atteigne la température de fonctionnement normale. Même lorsque la machine a atteint sa température de fonctionnement normale, il est probable qu il reste une certaine charge axiale induite sur les roulements, causant une répartition inégale de la charge entre les jeux de rouleaux. Ce processus se répètera (en sens inverse) en cas de diminution de la température de l arbre ou de la structure due à un changement dans les paramètres du procédé, par exemple le fonctionnement au ralenti. Notez que pour les roulements à rotule sur rouleaux SKF de type CC et E, le rapport charge axiale/charge radiale doit être élevé (15 % ou plus) avant que ne se produise une augmentation significative du frottement total à l intérieur du roulement (frottement total = frottement dépendant de la charge + frottement de viscosité créé par le lubrifiant). Pour les roulements soumis à une charge purement radiale, il doit donc y avoir une force axiale considérable due au frottement entre la bague extérieure du roulement et la portée du palier pour créer des variations de température perceptibles telles que celles indiquées dans le diagramme. Le fait qu un changement de température se mesure facilement indique que le coefficient de frottement actif est > 0,1. Diagramme 1 Position axiale de la bague extérieure et température de roulement correspondante pendant le démarrage Température Position axiale de la bague extérieure Temps 7

8 Force axiale au fil du temps exemples caractéristiques L ampleur des charges axiales induites dans un système de roulements auto-aligneurs classique peut varier en fonction de plusieurs paramètres souvent imprévisibles. Ces paramètres, qui déterminent la force moyenne et le coefficient de frottement équivalent moyen au cours de la durée de vie du système de roulements, incluent le jeu radial initial dans chaque roulement après le montage le décalage axial des bagues intérieure et extérieure de chaque roulement après le montage l ampleur de la charge radiale sur le roulement en position de palier libre la nature de la charge radiale sur le roulement en position de palier libre (stable ou variable, unidirectionnelle ou aléatoire) les niveaux de vibrations en provenance de sources externes le fini des surfaces de contact du roulement et de la portée de palier (position de palier libre uniquement) les conditions de lubrification entre la zone de contact du roulement en position de palier libre et sa portée dans le palier le relâchement de l ajustement (tolérances diamétrales individuelles du roulement en position de palier libre et de sa portée dans le palier) la tolérance de forme de la portée du roulement en position de palier libre (ovalisation et conicité) la déformation de la portée libre sous la charge la déformation de la portée du roulement en position de palier libre en fonction des variations thermiques le taux relatif de dilatation axiale thermique (contraction) des composants mobiles et fixes (arbre et structure) le taux relatif de dilatation (contraction) radiale thermique de la bague extérieure du roulement de palier libre et de sa portée la rigidité axiale de la structure de support. Un jeu interne plus important à l intérieur du roulement réduira l impact des lourdes charges axiales induites. Cependant, un jeu excessif signifie également que la charge est supportée par moins d éléments roulants. Ceci provoque en général une diminution de la durée en fatigue du roulement et une augmentation du risque de mauvaises conditions de fonctionnement à l intérieur des roulements. Dans les exemples ci-dessous, on suppose que l arbre se dilate par rapport à la structure. Sans des tolérances très précises et des mesures laborieuses durant l assemblage, il est impossible de déterminer ce qui va réellement se produire dans une machine spécifique. Petit jeu axial initial (bagues centrées au montage) période de démarrage Charge axiale/radiale induite Diagramme 2 Roulement bloqué dans le palier Charge axiale/radiale induite 1,5 Diagramme 3 Fonctionnement en état stable avec des charges axiales élevées 0,2 0,1 État stable 1 0,5 Roulement de palier libre bloqué dans le palier 0 0 Temps Jeu axial initial Temps 8

9 Le système de roulements auto-aligneurs SKF Il n y a pas si longtemps, les compromis faisaient partie intégrante de tous les systèmes de roulements devant supporter une dilatation axiale de l arbre. Le roulement à rouleaux toroïdaux développé par SKF a changé les choses. Aujourd hui, avec un roulement à rouleaux toroïdaux en position de palier libre et un roulement à rotule sur billes ou à rotule sur rouleaux en position de palier fixe, les ingénieurs de bureaux d études peuvent optimiser leur application et offrir une valeur ajoutée aux clients grâce à une meilleure fiabilité et une durée de service supérieure. Le roulement à rouleaux toroïdaux tire son nom de la forme de la courbe au niveau des surfaces de contact à l intérieur du roulement. Le roulement à rouleaux toroïdaux comporte une seule rangée de longs rouleaux au profil légèrement courbe. La conception interne permet au roulement de compenser le déplacement axial à l intérieur du roulement, comme un roulement à rouleaux cylindriques ou à aiguilles, pratiquement sans frottement, évitant ainsi le problème des charges axiales induites. Ceci élimine le besoin d un ajustement libre pour l une ou l autre des bagues de roulement ( fig. 1). En plus d éliminer l interaction axiale entre les roulements, les rouleaux et les pistes du roulement à rouleaux toroïdaux sont conçus pour ajuster automatiquement la position des rouleaux à l intérieur du roulement,de manière à ce que le charge soit répartie uniformément sur la longueur de contact du rouleau, quel que soit le désalignement éventuel. Ceci permet également d éviter les contraintes de bord élevées. Le roulement fonctionne donc à un niveau de contrainte optimal et atteint sa durée en fatigue théorique dans toutes les conditions ( fig. 2). L association des propriétés d auto-alignement et du déplacement axial pratiquement sans frottement à l intérieur du roulement permet une répartition uniforme et constante de la charge entre les rangées d éléments roulants dans les deux roulements du système. La répartition réelle de la charge dépend des charges radiales et axiales externes. Une répartition optimale de la charge permet de réduire les contraintes, de minimiser la température, d obtenir une durée en fatigue maximale et de réduire les risques de vibrations et d endommagement de la cage. De plus, des ajustements serrés peuvent être utilisés pour toutes les bagues de roulement du système, ce qui élimine le risque d endommagement des paliers en raison du glissement des bagues ( fig. 3). La position des rouleaux dans un roulement à rouleaux toroïdaux est ajustée automatiquement et la charge est répartie uniformément sur toute la longueur du rouleau Aucune charge axiale n est induite, ce qui garantit une répartition uniforme de la charge dans les deux roulements Lors de l utilisation d un roulement à rouleaux toroïdaux, aucune charge axiale n est induite Veuillez noter que lors de l utilisation d un roulement CARB, la bague extérieure du roulement de palier libre doit également être fixée! F r F r Fig. 1 Fig. 2 état normal bague tordue désalignement déplacement axial Fig. 3 9

10 Roulement à rouleaux toroïdaux SKF Le roulement à rouleaux toroïdaux a été introduit par SKF en Appelé roulement CARB, il est disponible dans une plage de séries de dimensions ISO équivalente aux roulements à rotule sur billes et à rotule sur rouleaux utilisés dans les paliers standard et autres types courants de montages de roulements. La gamme couvre également des séries à petite et large section équivalentes aux roulements à aiguilles ( fig. 4). Un roulement CARB permet aux constructeurs et utilisateurs de machines d optimiser leurs systèmes de roulements, en remplaçant tout simplement le roulement en position de palier libre par un roulement à rouleaux toroïdaux de dimension équivalente. Le roulement en position de palier fixe reste inchangé, ainsi que les autres composants standard, tels que les paliers, les manchons de serrage, etc. Faibles performances de charge En plus d offrir un fonctionnement optimal sous de lourdes charges radiales, les roulements à rouleaux toroïdaux CARB présentent également d excellentes performances lorsqu ils sont soumis à des charges légères. La charge radiale minimale est importante car elle permet aux rouleaux de fonctionner régulièrement et minimise la fatigue. Une charge minimale réduit également le risque de grippage des rouleaux et pistes, martèlement de la cage, vibrations, dégradation de la graisse et température excessive. Les exigences de charge minimale requises peuvent être prédéterminées en fonction de la taille des éléments roulants, des vitesses de rotation et de la viscosité du lubrifiant. Dans un roulement à rotule sur rouleaux fonctionnant sous une charge purement radiale, la charge est répartie uniformément sur les deux rangées de rouleaux. (coefficient de charge radiale nécessaire = 1 sur le diagramme 1). Dans les applications où les charges radiales sont accompagnées de charges axiales qui modifient la position de l une des bagues de roulement par rapport à l autre, la répartition de la charge change et la charge sur l une des rangées de rouleaux diminue. Par conséquent, pour maintenir une charge minimale suffisante sur la rangée de rouleaux la moins chargée, la charge radiale totale sur le roulement doit être augmentée (c est-à-dire multipliée par un coefficient de charge radiale, diagramme 1) pour un coefficient de frottement μ donné entre la bague extérieure et le palier lorsqu un déplacement axial se produit (rapport charge axiale/charge radiale donné). Le diagramme 1 montre le coefficient de calcul e pour les roulements à rotule sur rouleaux indiqués dans les tableaux du Catalogue général SKF. Le coefficient e varie entre 0,15 et 0,40, en fonction de l angle de contact du roulement. Dans un système de roulements autoaligneurs classique contenant deux roulements à rotule sur rouleaux, le frottement entre la bague de roulement en position de palier libre et sa portée sur le palier entraîne une répartition insatisfaisante de la charge. Par conséquent, la charge radiale requise pour un fonctionnement optimal doit être augmentée considérablement pour compenser le frottement supplémentaire. Il y a cependant des limites. Lorsque le coefficient de frottement équivalent du roulement en position de palier libre approche 0,89, il est impossible de charger correctement les roulements. Lorsque des charges radiales externes pèsent sur un roulement à rouleaux toroïdaux, les deux rangées de rouleaux dans le roulement de palier fixe doivent toujours supporter une charge égale. C est pourquoi le coefficient de charge radiale à utiliser pour déterminer la charge appliquée pour un fonctionnement optimal est toujours égal à 1, comme décrit dans le diagramme 1. Fig. 4 Les roulements CARB sont disponibles en différentes séries de dimensions ISO 10

11 Diagramme 1 Coefficient de charge radiale Système de roulements auto-aligneurs classique 2 1 Système de roulements auto-aligneurs SKF Charge radiale requise pour le fonctionnement en souplesse d un système de roulements auto-aligneurs classique avec deux roulements à rotule sur rouleaux, en fonction du frottement du palier 0 0 0,25 0,5 0,75 0,89 1 m e 11

12 Amélioration de la fiabilité et des conditions de fonctionnement Les trois exemples ci-dessous montrent les bénéfices opérationnels immédiats apportés par le système de roulements auto-aligneurs SKF, grâce à l amélioration de la répartition de la charge interne entre les roulements de palier fixe et de palier libre. Le premier cas ( diagrammes 2 et 3) est un ventilateur à débit axial de très grande taille équipé à l origine de roulements à rotule sur rouleaux 22244/C3W33 sur les deux positions ( diagramme 2). Le roulement en position de palier libre a été remplacé par un roulement à rouleaux toroïdaux (C 2244/C3) de même dimension. Ce remplacement a permis l élimination des hauts pics de vibrations et la stabilisation quasi-immédiate des températures du roulement à environ 20 C au-dessus de la température ambiante ( diagramme 3). Vibrations, mm/s 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 Vibrations 2,0 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Heures Diagramme 2 Ventilateur avec un roulement à rotule sur rouleaux CC/C3W33 dans les deux positions Température Augmentation de la température au-dessus de la température ambiante, C Le même ventilateur avec un roulement à rouleaux toroïdaux C 2244/C3 en position libre Diagramme 3 Vibrations, mm/s Augmentation de la température au-dessus de la température ambiante, C Temperature 20,0 0 0,6 0,4 0,2 Vibrations 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Heures 12

13 Augmentation de la température du roulement au-dessus de la température ambiante 12 C 16 C 9 C 4 C Diagramme 4 Ventilateur industriel modifié avec un roulement à rouleaux toroïdaux C 2216 K. Lubrification à la graisse, tr/min Deux autres cas de modifications de ventilateurs industriels sont présentés dans les diagrammes 4 et 5. Les deux exemples sont des ventilateurs centrifuges classiques dans lesquels le roulement à rotule sur rouleaux en position de palier libre a été remplacé par un roulement à rouleaux toroïdaux de même taille. Dans les deux ventilateurs, la température de fonctionnement du roulement en position de palier libre a chuté de manière dramatique. La température du roulement en position de palier fixe a également diminué mais à un degré moindre. Ceci est normal car le roulement en position de palier fixe doit supporter une certaine charge axiale provenant du rotor du ventilateur et donc chauffe plus que le roulement en position de palier libre EK EK EK + C 2216 K Diagramme 5 Ventilateur industriel modifié avec un roulement à rouleaux toroïdaux C Lubrification à l huile, tr/min Augmentation de la température du roulement au-dessus de la température ambiante 26 C 26 C 18 C 12 C E E E + C

14 Réduction des coûts grâce à la réduction de la taille Les améliorations de performances et de productivité ne sont pas les seuls avantages offerts par le système de roulements autoaligneurs SKF. Lorsqu un roulement à rouleaux toroïdaux CARB est utilisé en position libre, la charge axiale induite, F a, est égale à zéro pour les deux roulements. Dans un système de roulements auto-aligneurs classique, les charges axiales induites à l intérieur des deux roulements doivent être calculées à l aide de la formule (F a = F r m). Une fois ces forces identifiées, on peut facilement calculer la différence de durée en fatigue obtenue dans chaque système de roulements. Dans des applications où la durée de vie d un système de roulements auto-aligneurs classique entrave les performances, l utilisation d un roulement à rouleaux toroïdaux en position de palier libre peut prolonger considérablement la durée de service. Dans les cas où un système de roulements auto-aligneurs classique fournit une durée de service adéquate, il est souvent possible de réduire la taille de l application en utilisant le système de roulements auto-aligneurs SKF tout en obtenant la durée de vie requise ( diagramme 6). Ceci permet aux ingénieurs de bureaux d études d utiliser des montages de roulements plus petits et plus rentables tout en évitant les risques liés à des charges axiales induites. Ce système de roulements, comportant un roulement sur rouleaux toroïdaux CARB, permet également aux concepteurs de réduire la taille et le poids des composants structurels associés. Le système de roulements auto-aligneurs SKF offre notamment les avantages suivants réduction du coût et du poids du montage de roulements réduction de la taille, de la longueur, du coût et du poids de l arbre réduction de la taille et du poids de la structure de support 1) tolérances d usinage et d assemblage moins strictes 1) réduction des coûts de transport grâce à la réduction du poids de la machine. Charges légères, vitesses élevées Dans des applications à vitesses élevées, à charges légères et où un désalignement est probable, des roulements à rotule sur billes sur les positions de palier fixe et palier libre ont constitué la solution standard. Cependant, un grand nombre de ces applications à vitesses élevées génèrent une quantité de chaleur telle que la dilatation et la contraction axiales de l arbre peuvent poser un problème majeur. Pour ces applications, des roulements à rouleaux toroïdaux peuvent apporter de gros avantages, pour les raisons décrites précédemment. Les roulements à rotule sur billes sont beaucoup plus susceptibles que les roulements à rotule sur rouleaux d être endommagés par la précharge axiale. Le risque d une défaillance prématurée du roulement due à des charges axiales induites par frottement peut donc être pratiquement éliminé lorsque des roulements à rouleaux toroïdaux sont utilisés en position libre ( diagramme 7). 1 1,20 0,70 0,37 C 3148 C 3144 Diagramme 6 Le système de roulements auto-aligneurs SKF peut améliorer la durée de vie des roulements, même de petites tailles Durée de vie L 10 relative du système de roulements réduction de la taille CC/W CC/W CC/W CC/W33 1) Étant donné qu il n existe aucun risque de montage croisé des roulements en raison du déplacement axial interne sans frottement dans un roulement CARB, la forme et la rigidité de la structure de support des roulements sont moins importantes, ce qui signifie que des composants plus légers, plus flexibles et moins précis sont acceptables sans entraîner une réduction des performances des roulements 0 0 0,05 0,1 0,15*) 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Coefficient de frottement µ *) µ = 0,15 pour acier contre fonte 14

15 Élimination du risque de mauvaises conditions de fonctionnement Les diagrammes indiquant la durée de vie de systèmes de roulements comparatifs ( diagrammes 6 et 7) sont des simplifications. Les calculs supposent que le système d arbre n est soumis à aucune charge axiale externe et que les deux roulements supportent des charges radiales nominales (par exemple poulie de convoyeur à courroie, rouleau de machine à papier, de machine de coulée continue ou de pontuseau). Les forces axiales utilisées pour déterminer la durée en fatigue L 10 sont donc uniquement celles générées à l intérieur du système de roulements luimême. En cas de présence de forces axiales externes (ce qui est souvent le cas), la différence entre la durée de vie calculée pour les deux types de systèmes de roulements sera, l inclinaison de la courbe du système classique sera moindre, parfois à un degré appréciable. Néanmoins, le même principe est applicable : dans le système de montage de roulements conventionnels se produit toujours une certaine variation de la répartition de la charge interne en raison de forces induites internes, en plus des forces externes nominales, tandis que ce problème est éliminé dans le système de roulements auto-aligneurs SKF. Pour tout cas spécifique, il est pratiquement impossible de savoir quelle sera la valeur moyenne équivalente de m au cours de la durée de vie du système de roulements (c està-dire quelle position sur l axe x du graphique est applicable). Comme mentionné plus haut, il existe un nombre infini de combinaisons en fonction du jeu des roulements, du décalage initial, de l état et des tolérances de l alésage des paliers, etc. Certaines machines peuvent fonctionner avec une valeur m moyenne faible, mais il existe toujours un risque considérable qu une machine spécifique présente une valeur m Diagramme 7 moyenne élevée pour de nombreuses raisons impossibles à quantifier. Le système de roulements auto-aligneurs SKF, avec un roulement à rouleaux toroïdaux en position de palier libre, élimine la possibilité d un coefficient m élevé, car, par définition, m est toujours égal à zéro. La solution sans compromis Grâce au système de roulements auto-aligneurs SKF avec un roulement à rouleaux toroïdaux CARB en position de palier libre, les utilisateurs peuvent maintenant profiter pleinement des nombreuses qualités de conception et de capacité de fonctionnement des roulements à rotule sur rouleaux et roulements à rotule sur billes SKF. Grâce à ce système de roulements, les ingénieurs de bureaux d études pourront optimiser leurs designs et proposer aux clients des solutions à la fiabilité optimale. Comparaison de la durée de vie du système pour roulements à rotule sur billes 6 Durée de vie L 10 relative du système de roulements ,9 2, M 2220 M C 2222 C 2220 Remarque Durée en fatigue du système de roulements = L 10, sys 1 0, = + (L 10, sys ) e (L 10, loc ) e (L 10, non-loc ) e M 2222 M 0,05 0,1 0,15 *) 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Coefficient de frottement µ Pour les roulements à rouleaux, e = 9/8 Pour les roulements à billes, e = 10/9 *) µ = 0,15 pour acier contre fonte 15

16 Moins de risque de sous-charge Répartition uniforme et régulière de la charge Faibles forces sur la cage Moins de défaillances de cage Pas de vibrations axiales Meilleure durée de vie de la graisse Pas de vibrations Améliorations permises par le système de roulements auto-aligneurs SKF (liberté axiale) Ajustement serré possible Coûts de maintenance réduits Pas d usure du palier Coûts de composants réduits Frottement réduit Productivité accrue Élimination des forces axiales Répartition uniforme de la charge Faibles niveaux de contrainte Meilleure durée en fatigue Maintenance Taille des roulements 16

17 Maintenance Meilleure durée de vie de la graisse Productivité accrue Moins de risque de grippage Meilleure fiabilité des roulements Coûts de graisse réduits Coûts de graisse réduits Faible niveau sonore Maintenance Productivité accrue Vibrations s Amélioration générale de la machine Coûts de rebuts réduits Meilleure qualité des produits Productivité accrue Température Meilleure épaisseur de la pellicule de lubrifiant Coûts de graisse réduits Meilleure durée de vie de la graisse Maintenance Moins de risque de défaillances de cage Productivité accrue Consommation de puissance Moins de risque de grippage Meilleure fiabilité des roulements Productivité accrue Meilleure durée de vie de la graisse Maintenance Prix réduit Vibrations s Niveau sonore réduit Meilleure qualité des produits Amélioration générale de la machine Coûts de rebuts réduits Maintenance Usure Pas de risque de souscharge Température Meilleure durée de vie de la graisse Coûts de graisse réduits Faible frottement Consommation de puissance Meilleure épaisseur de la pellicule de lubrifiant Améliorations permises par le système de roulements auto-aligneurs SKF 17

18 Conditions de fonctionnement Applications types Réduction de la température Réduction des vibrations et du niveau sonore Réduction de l usure du palier ou de l arbre Meilleure fiabilité pour éliminer les défaillances catastrophiques Charge élevée Vitesse faible Roue Machines de coulée continue Transporteurs à vis Broyeurs Rouleaux presseurs Arbres de transmissions Charge moyenne à élevée Vitesse moyenne à élevée Cylindres sécheurs Poulies de transporteur Tables à rouleaux Calandres Concasseurs Équipement de propulsion Minoteries Arbres de transmission Rouleaux de feutre Rouleaux de toile Charge légère Vitesse élevée Ventilateurs industriels Soufflantes Machines agricoles Arbres de transmission Cylindres aspirants Mouvement excentrique Charges centrifuges Tamis vibrants Lave-linge Presses à vilebrequin Charges indéterminées Vitesse moyenne à élevée Rotors chauffés Large dilatation thermique Déchiqueteurs Déchiqueteuses Tondeuses à gazon industrielles Grands moteurs électriques Concasseurs Soufflantes Mélangeurs Moissonneuses Pompes Séchoirs à papier Calandres chauffées Cuiseurs Mélangeurs Cylindres sécheurs Yankee Échangeurs thermiques Aucune influence : Peu d influence : Certaine influence : Forte influence : 18

19 Maintenance Augmentation de la production Réduction des temps d arrêt Augmentation de la vie L 10 ou réduction de la taille Structure plus simple et moins chère Procédure d installation plus simple Influence du système de roulements auto-aligneurs SKF sur différents types de machines 19

20 SKF the knowledge engineering company Inventeur du roulement à rotule sur billes mis au point il y a un siècle, SKF n a dès lors cessé d évoluer pour s imposer aujourd hui comme une véritable entreprise d ingénierie capable de créer des solutions uniques pour ses clients à partir de cinq plates-formes technologiques. Ces plates-formes couvrent bien sûr les roulements, les ensembles-roulements et les solutions d étanchéité, mais aussi d autres domaines : les lubrifiants et systèmes de lubrification, d une importance déterminante pour la durée de vie des roulements dans de nombreuses applications, la mécatronique qui combine connaissances mécaniques et électroniques pour obtenir une plus grande efficacité des systèmes de mouvement linéaire et des solutions instrumentées, et toute une gamme de services, depuis l aide à la conception et la logistique jusqu à la maintenance conditionnelle et aux systèmes de fiabilité. Même si ses activités se sont diversifiées, SKF conserve sa position de leader mondial en matière de conception, fabrication et commercialisation des roulements mais aussi d autres produits complémentaires comme les joints radiaux. SKF occupe, par ailleurs, une place de plus en plus importante sur le marché des produits pour mouvement linéaire, roulements de précision pour applications aéronautiques, broches de machines-outils et services de maintenance d installations de production. Le Groupe SKF est certifié pour l ensemble des sites dans le monde par la norme environnementale internationale ISO ainsi que par OHSAS 18001, référentiel international de la gestion de la santé et de la sécurité. Les différentes Divisions ont également obtenu une certification qualité en accord avec les normes ISO 9001 et d autres exigences spécifiques du client. Avec plus de 100 sites de production à l échelle mondiale et des unités commerciales dans 70 pays, SKF est véritablement une organisation internationale. De plus, la présence de SKF sur le marché électronique et distributeurs et partenaires commerciaux répartis à travers le monde contribuent à rapprocher le Groupe de ses clients pour la fourniture tant de produits que de services. Concrètement, les solutions SKF sont toujours disponibles là où nos clients en ont besoin, quand ils en ont besoin. Dans l ensemble, la marque et l entreprise SKF affichent une santé plus florissante que jamais. En tant qu entreprise d ingénierie, nous mettons à votre disposition des compétences de niveau international en matière de produits, des ressources intellectuelles et une vision particulière pour vous guider vers la réussite. Airbus photo: e x m company, H. Goussé L avènement de la technologie by-wire Du fly-by-wire au work-by-wire en passant par le drive-by-wire, SKF dispose de compétences uniques concernant la technologie by-wire actuellement en plein essor. SKF a été le premier à exploiter la technologie fly-by-wire (commandes de vol électriques) et travaille en collaboration étroite avec tous les leaders de l industrie aéronautique. A titre d exemple, pratiquement tous les avions Airbus sont équipés de systèmes SKF by-wire en ce qui concerne les commandes de vol. SKF est également leader de la technologie by-wire dans le domaine de l automobile. En partenariat avec des ingénieurs de l industrie automobile, le Groupe a mis au point deux concept-cars dont les systèmes de direction et de freinage reposent sur des composants mécatroniques SKF. D autres recherches menées dans le secteur de la technologie by-wire ont conduit à la production d un chariot élévateur dont la totalité des commandes repose sur des systèmes mécatroniques en remplacement des systèmes hydrauliques classiques. Solutions d étanchéité Roulements et ensemblesroulements Systèmes de lubrification Mécatronique Services 20

21 Exploitation de l énergie éolienne Le secteur de l énergie éolienne actuellement en plein essor apporte des solutions écologiques aux besoins d électricité. SKF travaille en partenariat avec les leaders mondiaux du secteur pour développer des turbines performantes et fiables à partir d une large gamme de roulements de grandes dimensions hautement spécialisés et de systèmes de maintenance conditionnelle qui permettent d allonger la durée de vie des équipements de parcs éoliens, y compris dans les environnements les plus éloignés et les plus hostiles. Fiabilité en environnements extrêmes Au cours des hivers rigoureux, notamment dans les pays nordiques, des températures négatives extrêmes peuvent provoquer un grippage des roulements de boîtes d essieu ferroviaires lié à une lubrification insuffisante. SKF a donc mis au point une nouvelle famille de lubrifiants synthétiques formulés pour conserver une viscosité constante, y compris en cas de températures extrêmes. Les connaissances de SKF permettent aux fabricants et aux utilisateurs finaux de surmonter les problèmes de performances liés aux températures extrêmes, négatives ou positives. Des produits SKF sont ainsi à l œuvre dans des environnements aussi variés que les fours et les installations de surgélation d usines de transformation des aliments. Un aspirateur plus propre Le moteur électrique et ses roulements sont des éléments clés de la plupart des appareils électroménagers. SKF travaille au côté des fabricants d électroménager pour les aider à améliorer les performances et réduire les coûts, l encombrement et la consommation d énergie de leurs produits. Récemment, cette collaboration a par exemple permis de mettre au point une nouvelle génération d aspirateurs offrant une puissance d aspiration décuplée. Les connaissances de SKF concernant la technologie des roulements de petite taille sont également mises en application au profit des fabricants d outils électriques et d équipements de bureau. La R&D à 350 km/h Parallèlement aux très réputées installations de recherche et développement de SKF basées en Europe et aux États-Unis, les courses de Formule 1 offrent une opportunité unique de repousser les limites de la technologie des roulements. Depuis plus de 50 ans, 0les produits, techniques et connaissances de SKF contribuent à la renommée de la Scuderia Ferrari dans le monde de la F1. (Une Ferrari de compétition typique compte plus de 150 composants SKF.) Les enseignements tirés sur ce terrain sont ensuite appliqués aux produits proposés aux constructeurs automobiles et au secteur des pièces de rechange au niveau mondial. Optimiser l efficacité de l outil de production Par l intermédiaire de sa division SKF Reliability Systems, SKF offre une gamme complète de produits et services d optimisation de l efficacité de l outil de production, depuis le matériel et les logiciels de maintenance conditionnelle jusqu aux stratégies de maintenance, en passant par l assistance technique et des programmes de fiabilité machine. Pour optimiser leur efficacité et dynamiser leur productivité, certaines entreprises industrielles optent pour une Solution de maintenance intégrée : tous les services fournis par SKF sont inclus dans un seul contrat forfaitaire basé sur les performances. Planifier une croissance durable Par nature, les roulements contribuent à préserver l environnement dans la mesure où ils permettent aux machines de fonctionner de manière plus efficace, en consommant moins d énergie et de lubrifiant. En améliorant la performance de ses propres produits, SKF contribue à l avènement d une nouvelle génération de produits et d équipements haute performance. Dans l optique de préparer l avenir et le monde que nous laisserons à nos enfants, la politique Environnement, santé et sécurité du Groupe SKF et les techniques de fabrication sont développées et mises en œuvre de manière à protéger et à préserver les ressources naturelles limitées de la terre. Nous oeuvrons pour une croissance durable et respectueuse de l environnement. 21

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24 SKF et CARB sont des marques déposées du Groupe SKF. Groupe SKF 2008 Le contenu de cette publication est soumis au copyright de l éditeur et sa reproduction, même partielle, est interdite sans autorisation. Le plus grand soin a été apporté à l exactitude des informations données dans cette publication mais SKF décline toute responsabilité pour les pertes ou dommages directs ou indirects découlant de l utilisation du contenu du présent document. Publication 6121 FR Août 2008 Cette publication remplace la publication 4417 F. Imprimé en Suède sur papier respectueux de l environnement. skf.com