cause et analyse des dÉfaillances de paliers …

Cette Fiche technique apparaît aussi dans le Manuel technique de l ’EASA, Édition 1996, Section 9.1, pages 9-22 à 9-32 FT 20-1

CAUSE ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE PALIERS ANTIFRICTION DANS LES MOTEURS À INDUCTION CA Par : Austin H. Bonnet, U.S Electrical Motors Publié par : Comité de mécanique de l’EASA

1. INTRODUCTION L’analyse exacte d’une défaillance d’équipement

comme la machinerie rotative électrique repose sur une méthodologie rigoureuse. La défaillance d’un roulement est d’abord classée selon des modes et des caractéristiques de manifestation que nous définirons plus loin. Ces renseignements seront ensuite combinés à l’apparence générale de l’appareil, aux pièces d’équipement menées, au milieu de fonctionnement, aux particularités d’application et à l’historique d’entretien.

Cette méthodologie vise à faciliter le processus d’identification des causes de pannes, en plus de fournir une analyse des correctifs à apporter pour minimiser le problème ou pour en prévenir la répétition.

Ce système a d’abord été proposé par l’auteur dans le but d’analyser les causes de défaillances des stators pour s’étendre par la suite aux défaillances des rotors2. Une liste complète de ces ouvrages paraît dans la bibliographie.

CONTRAINTES EXERCÉES SUR LES ROULEMENTS Pour les besoins de l’analyse, il s’avère utile de

regrouper en diverses catégories les contraintes connues que subissent les roulements :

1. Charges dynamiques et statiques 2. Chaleur 3. Vibrations et chocs 4. Milieu de fonctionnement 5. Courant électrique 6. Contrainte de cisaillement 7. Mécanique.

Noter que, tant et aussi longtemps que ces contraintes demeurent dans les limites des capacités prévues du système de roulement, aucune défaillance prématurée ne devrait survenir. Toutefois, lorsqu’une combinaison de celles-ci excède la capacité d’un roulement, la longévité de ce dernier peut se voir considérablement réduite et une défaillance majeure pourrait survenir.

PRINCIPES FONDAMENTAUX DES ROULEMENTS Dans cet article, on présume que le lecteur est déjà

familier avec la nomenclature de base des roulements et les types de roulements utilisés dans les moteurs électriques. Cependant, un bref survol des effets de la

charge et de la vitesse sur la durée de vie utile des roulements pourrait se révéler utile.

La prédiction de la durée de vie, communément désignée sous l’appellation « L10 », se fonde sur la supposition que la cause première d’une défaillance est la fatigue des matériaux. Le « L10 » représente le temps estimé que mettra 10 % d’un grand nombre «d’individus» à tomber en panne. Cette relation est démontrée dans la Figure 1. La durée de vie utile dans ce schéma se veut directement reliée à la charge. Si « L10 » équivaut à un an, donc « L50 » ou la durée de vie moyenne (autant ont survécu que ceux qui ont défailli) est égale à cinq fois cette période, soit cinq ans. Ce qui signifie que pour une application d’une durée de vie « L10 » d’un an, 10 % des roulements pourraient présenter une défaillance dans la première année et la moitié des roulements pourraient tomber en panne après cinq ans.

La durée de vie des roulements à billes est presque inversement proportionnelle à la charge élevée à la puissance (3) et inversement proportionnelle à la vitesse. Ces relations ne sont valides qu’à l’intérieur de certaines contraintes relatives à la dimension du roulement, la lubrification recommandée, la température, la charge et la vitesse.

IMAGE 1 : LA RELATION ENTRE LA DÉFAILLANCE DE ROULEMENT ET LA DURÉE DE VIE AVEC L10 ET VIE MOYENNE

20

15

10 L50 est égal à la durée de vie où la

des roulements ont flanchés

0 10 20 40 50 60 80

DÉFAILLANCES DE ROULEMENT (Pourcentage)

5 ANS 5 L

1 AN 0 L10

Cause et analyse des défaillances de paliers antifriction Fiche technique no. 20

FT 20-2 Cette Fiche technique apparaît aussi dans le Manuel technique de l ’EASA, Édition 1996, Section 9.2, pages 9-22 à 9-32

a = 3 Pour roulement à billes n = Vitesse (tr/min)

a =

10

3 Pour roulement à rouleaux

C = Charge dynamique de roulement

P = Charge équivalente de roulement

Chaque roulement a une vitesse limite qui est déterminée par ses caractéristiques physiques (en relation avec la dimension de base, le type et la configuration) et le type de lubrification utilisé. Dépasser la limite de vitesse du roulement peut se solder par une température excessive, une détérioration du lubrifiant, des vibrations et une perte de dégagement interne efficace; donc, une réduction de la durée de vie du roulement.

La majorité des fabricants de roulements précisent habituellement des limites de vitesse basées sur un « DN » déterminé par des tests. Le facteur « DN » est le produit du diamètre d’alésage du roulement et de la vitesse. Une bonne pratique consiste à ne pas dépasser ces limites sans consulter le fabricant.

Signalons également que les roulements lubrifiés par graisse ont une limite de vitesse plus basse que celle des roulements lubrifiés par huile, spécialement sur les moteurs plus imposants.

Les matériaux et la qualité de la cage du roulement influeront eux aussi sur la limite de vitesse du roulement. La géométrie améliorée du roulement permettra une vitesse accrue et des niveaux de bruit plus bas.

Les figures 2 et 3 présentent des schémas de charge des paliers typiquement observé sur des moteurs horizontaux et verticaux.

ÉTAPES DANS LE PROCESSUS DE FATIGUE DU ROULEMENT 1. Des fissures de métal microscopiques sous la surface

et dues aux contraintes cycliques de chargement produisent de minces couches de surface qui s’effritent; c’est le début de l’écaillage.

2. Une augmentation de bruit et de vibrations se produira.

3. Un changement dans les dimensions critiques s’enclenchera.

4. Bruit, vibrations, chaleur et usure accompagnés d’un écaillage encore plus avancé rendent l’utilisation d’un appareil non sécuritaire ou imprudente.

5. L’écaillage avancé, étape finale, est habituellement suivi par une défaillance de grande ampleur.

LIMITES THERMIQUES Quant aux paliers antifriction généralement utilisés

dans les moteurs électriques, la température de fonctionnement ne devrait normalement pas excéder 100° C, à condition que ces roulements soient installés et lubrifiés de façon appropriée. Dépasser cette limite peut engendrer un changement permanent dans la dimension du palier et ce, en raison des transformations métallurgiques de l’acier et à l’expansion thermique. Ces deux conditions peuvent entraîner une perte ou une réduction des dégagements radiaux internes, ce qui peut produire des températures

(Mise-à -jour – 3/97)

a 10

60N L10 =

IMAGE 2 : PRINCIPES DE CHARGE POUR PALIER HORIZONTAL (ANTIFRICTION)

Pour roulement d’entraînement menant:

Réaction radiale = OHL (A+B) + SP&W(A) A

2

a = 3 pour roulements à billes

L10 DURÉE DE VIE (Hres) - 1X106 C a

60n P n = Vitesse (RPM) C = Charge de roulement dynamique de base Y = Facteur de conversion axial à radial X = Facteur de conversion radial

a = 3 pour roulements à billes n = Vitesse (RPM) C = Charge de roulement dynamique de base Y = Facteur de conversion axial à radial X = Facteur de conversion radial

La poussée est maintenant un plus grand pourcentage de la charge totale.

IMAGE 3 : PRINCIPES DE CHARGE POUR PALIER VERTICAL (ANTIFRICTION)

Réaction de roulemen Extrémité opposée

Pour roulement d’entraînement menant:

Réaction radiale = OHL (A+B) + SP(A) A 2

Réaction axiale = Poussée + W

P = Charge totale = X(Radiale) + Y(Axiale)

L10 DURÉE DE VIE (Hres) - 1X106 C a

60n P

Fiche technique no. 20 Cause et analyse de défaillances de roulements antifriction

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excessives et une longévité réduite. À des températures excessives, précipitées par une oxydation rapide du lubrifiant, l’amollissement de l’acier diminuera la limite de fatigue du palier et en réduira la durée de vie utile.

TEMPÉRATURE DU PALIER

Les facteurs qui influent sur la température d’un palier comprennent : 1. La température du bobinage. 2. La température du lubrifiant. 3. Le circuit thermique du moteur (chemin et méthode

de refroidissement). 4. La viscosité de l’huile et de la graisse. 5. Les joints d’étanchéité, les éléments de protection et

le type de lubrifiant. 6. La quantité de graisse dans le roulement et la cavité. 7. Le dégagement radial interne. 8. Les conditions ambiantes, y compris la contamination. 9. La charge du palier et sa vitesse. 10. Le type et la dimension du système de roulement.

2. LUBRIFICATION DE PALIERS ANTIFRICTION Une lubrification appropriée des paliers antifriction se

veut essentielle à un bon fonctionnement. Les fonctions principales du lubrifiant sont les suivantes : 1. Fournir une couche lubrifiante aux diverses surfaces

de contact par glissement ou par roulement. 2. Protéger les éléments et les chemins de roulement

de la corrosion et de la rouille. 3. Assurer l’étanchéité du palier contre les particules

étrangères. 4. Aider à dissiper la chaleur hors du palier.

La méthode de lubrification par graisse s’avère la plus répandue pour les petits et moyens moteurs électriques dont la puissance varie entre 1 à 500 HP pour les versions horizontales. Les paliers à coussinet peuvent être utilisés dans les moteurs plus puissants ou bipolaires et même pour des applications à haute vitesse. Les moteurs à pompes verticales commencent à utiliser des roulements lubrifiés par huile à environ 50 HP. Aucune de ces utilisations n’est traitée dans cet article. Le lubrifiant utilisé pour les applications par graisse se compose généralement d’un mélange d’imprégnation d’huile dans une solution de savon. La raison d’être du savon est de maintenir l’huile en suspension à la surface, jusqu’à ce qu’elle soit soulevée par les pièces mobiles du palier et lui permettre ainsi d’adhérer aux surfaces. Il est évident que la quantité d’huile diminue avec le temps, puisqu’elle se désintègre progressivement par oxydation. Ce processus est une question de temps, de température, de vitesse, de charge et de milieu d'utilisation.

Le choix d’une graisse appropriée et l’utilisation des méthodes de « relubrification » adéquate sont primordiales afin d’optimiser la durée de vie d’un palier. (Mise-à-jour – 3/97)

Les graisses sont généralement composées d’une combinaison de substances épaississantes avec ou sans savon mélangé avec de l’huile minérale et des additifs. Des savons comme le sodium, le calcium, l’aluminium, le lithium et le baryum sont le plus souvent utilisés. La polyurée est un épaississeur organique synthétique qui a été largement utilisé dans les paliers de moteurs électriques en raison de ses propriétés thermiques élevées. Cette substance peut normalement être utilisée à des températures supérieures à 120°C, pourvu que le matériau et le dégagement du palier aient été dimensionnés convenablement. Des restrictifs de rouille et d’oxydation ainsi que des additifs de viscosité se voient ajoutés en vue d’accroître la performance.

La recherche actuelle permet d’évaluer la durée de vie d’un palier de façon plus précise. La théorie de Lubrification Elasto-Hydrodynamique (EHL), présentée dans les années 1960 pour calculer l’épaisseur du film et les profils de pression, a joué un rôle clé dans plusieurs enquêtes et la base de compréhension des modes de défaillances. Depuis le début des années 1970, la lubrification et l’épaisseur du film ont été reconnues comme des facteurs importants dans les équations de durée de vie. Les normes ABMA Standard 9/ANSI 83.15 et ISO 281 ont été modifiées, en 1972 et 1977 respectivement, afin d’inclure cet effet par l’addition de « matériel » et « condition de fonctionnement » comme facteurs d’ajustement de durée de vie 3. Les facteurs types qui ont été utilisés sont représentés dans la figure 4. Les efforts récents ont été concentrés dans le domaine de la contamination et de la propreté du lubrifiant. Ces nouvelles études tendent à reformuler les équations d’évaluation de durée de vie. Selon un fabricant de roulement4, la vraie nature du mécanisme de défaillance était cachée et incompréhensible jusqu’à récemment et ce, pour les raisons suivantes : 1. Les charges élevées utilisées pour accélérer les tests

se sont soldées par un temps insuffisant pour permettre à l’usure par abrasion de se manifester.

2. Les fissures en surface provenant de particules d’empreinte par déformation, pénétrant plus profondément dans les secteurs de haute contrainte et menant à l’écaillage de fatigue, ne pouvaient se distinguer de l’écaillage causé par les fissures formées sous la surface.

Basée sur ces dernières études5, la théorie de durée de vie d’un roulement a été améliorée de manière à utiliser une famille de courbes pour établir un facteur d’ajustement à la durée de vie non modifiée. Le facteur N utilisé pour corriger la contamination est d’une importance capitale. Une évaluation précise du facteur N nécessite une analyse par ordinateur muni d’une connaissance exacte de l’application. La figure 5 est typique des courbes utilisées pour déterminer le facteur d’ajustement de durée de vie quant à la contamination. Ces améliorations, conjointement à des initiatives similaires prises par d’autres fabricants, ne peuvent que mener à une détermination plus précise de la durée de vie utile d’un palier.

Cause et analyse de défaillances de roulements antifriction Fiche technique no. 20


En plus de nouvelles théories d’évaluation de durée de vie, des nouveautés côté lubrifiants et méthodes de lubrification ont été élaborées dans le but de prolonger la durée de fonctionnement. Les graisses synthétiques sont capables de prolonger considérablement la vie utile de la graisse, tel qu’indiqué par les caractéristiques d’oxydation représentées dans la figure 6. Bien que la durée de la graisse soit bien plus qu’une simple fonction de durée d’oxydation, cette dernière constitue bonne indication du type de gain qui peut être réalisé en utilisant de la graisse synthétique. Les graisses synthétiques peuvent être préparées pour se montrer moins sensibles aux variations de température et, par conséquent, supporter de grands écarts de température et offrir un potentiel à réduire les pertes.

La question fréquemment posée au sujet des graisses porte sur leur compatibilité lorsqu’elles se trouvent mélangées durant le processus de « relubrification ». Le tableau 1 est un guide de référence à consulter pour ce processus. En cas de doute, ne pas mélanger les graisses sans avoir vérifié auprès du ou des fabricant(s).

TABLEAU 1 RÉSULTATS DE L’ÉTUDE SUR L’INCOMPATIBILITÉ

DES GRAISSES

PRÉCAUTIONS RELATIVES À LA LUBRIFICATION DES PALIERS DE MOTEURS 1. Tous les bâtis de moteurs, arbres, joints et chemins de

relubrification doivent être maintenus complètement propres durant toute la vie utile du moteur.

2. S’assurer que ni saleté, ni humidité ou particules étrangères ne viennent contaminer la graisse.

3. Identifier l’intervalle de température pertinent à l’application et choisir une graisse qui offrira une performance satisfaisante.

4. Un graissage excessif peut provoquer une hausse de température du palier et du bobinage, ce

qui peut mener à des défaillances prématurées.

0.1

FIGURE 4 : FACTEUR D’AJUSTEMENT DE VIE CONTRE LE RAPPORT DE VISCOSITÉ

LES VALEURS AU-DESSUS DE LA LIGNE REQUIÈRENT DE PETITES CHARGES ET DES CONDITIONS ULTRA-PROPRES

ADD IT IF EP R E QU IS

COUCH E DE LUB RIF ICA T ION FLU ID E

FR ICT ION MÉ LAN GÉE

PR OP RET É ST AND ARD

CONDITIONS DÉFAVORABLES CONTAMINANTS DE LUBRIFICATION INADÉQUAT

0.1 1 10

RATIO DE VISCOSITÉ

10

400

FIGURE 6 : PROPRIÉTÉS TEMPÉRATURE DE GRAISSE (TEMPÉRATURE VS TEMPS D’OXYDATION)

600 500 GRAISSE SYNTHÉTIQUE

OXYGÈNE ILLIMITÉ

1 2 3 4 5

300 GRAISSE MINÉRALE OXYGÈNE ILLIMITÉ

0_______________________________________________________________________________

1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06

DURÉE DE VIE -HEURES

200

100

6206 / 1500N / 6000 RP M / L50

1. LITH IU M MINÉR AL 2. P OLY URÉ E MINÉ RAL 3. P OLY URÉ E MIN /P A O 4. P OLY URÉ E PA O 5. P OLY URÉ E ES TER



S’assurer de se débarrasser correctement de tout excès de graisse.

5. Lors d’un nouveau graissage, s’assurer que la nouvelle graisse soit compatible avec celle déjà en place et qu’elle présente les caractéristiques de performance désirées.

6. Garder à l’esprit que, pour les applications à haute vitesse, la graisse synthétique n’est peut-être pas aussi bien adaptée que celle à base de pétrole. Certaines utilisations peuvent exiger une graisse pour pression extrême (PE).

7. Être conscient que certaines graisses communes ne sont pas recommandées pour des applications de moteurs. Si elles sont trop molles, un phénomène de fouettage pourrait se manifester. Si elles sont trop dures, il pourrait y avoir production de bruit et un écoulement insuffisant. CAUSE DE DÉFAILLANCE La liste qui suit contient les causes les plus

fréquentes de défaillances d’un palier. 1. Surcharge thermique. 2. Lubrification inadéquate ou excessive. 3. Contamination. 4. Charge excessive (axiale et radiale combinées). 5. Vibrations. 6. Mauvais alignement. 7. Ajustement inapproprié du corps et de l’arbre. 8. Défectuosités de la machine. 9. Courants d’arbre à la terre. 10. Montage ou manipulation incorrects. 11. Facteurs de charge, de durée de vie et de fatigue. 12. Application inappropriée. 13. Dommages pendant le transport ou l’entreposage.

Le défi consiste à apprendre comment identifier chaque type de défaillance avec certitude et à maintes reprises.

MÉTHODES D’ANALYSE Cinq points clés doivent être pris en considération et reliés entre eux afin de diagnostiquer la source d’une défaillance. Ils sont : 1. Mode de défaillance. 2. Scénario de défaillance. 3. Apparence. 4. Application. 5. Historique d’entretien.

Ce qui suit est un bref survol de ces points.

MODE DE DÉFAILLANCE

Les modes de défaillances (qui sont généralement une combinaison de contraintes qui agissent sur le palier jusqu’à causer un dommage ou une défaillance) peuvent être divisés en douze catégories : 1. Écaillage superficiel et écaillage de fatigue

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2. Corrosion de contact 3. Bavures 4. Glissement 5. Entaillage 6. Abrasion, usure anormale 7. Corrosion 8. Manque de lubrification 9. Véritable ou faux effet Brinell. 10. Piqûres et rainurage électrique 11. Fissures 12. Grippages

Les modes de défaillances ne représentent pas la cause du problème du palier. Ils sont plutôt le résultat ou la façon dont le problème se manifeste.

MODÈLES DE DÉFAILLANCES DES PALIERS Étroitement associé au mode de défaillance, bien que

différent, il s’agit du modèle spécifique de chaque défaillance. De tels modèles peuvent être groupés par quelques combinaisons des catégories suivantes : 1. Niveaux de température (décoloration) 2. Niveaux de bruit 3. Niveaux de vibration 4. Qualité de lubrification 5. L’état des ajustements des supports 6. Dégagements internes 7. Contamination 8. Dommage mécanique ou électrique 9 . Modèles et chemins de charge (alignement)

APPARENCE DU MOTEUR ET DU ROULEMENT

Lorsque regroupé avec le mode et modèle de défaillance, le moteur, le roulement et l’apparence de la charge donnent habituellement un bon indice de la cause possible de défaillance. La liste de contrôle suivante sera utile lors de l’évaluation : 1. Y a t-il des signes de contamination autour du

roulement? De récentes soudures? 2. Y a t-il des signes de températures excessives

quelque part dans le moteur ou dans les pièces d’équipement menées?

3. Quelle est la qualité du lubrifiant? 4. Y a t-il des signes d’humidité ou de rouille? 5. Quelle est l’état du dispositif d’accouplement utilisé

pour le connecter le moteur et la charge? 6. Quel était le niveau de bruit ou de vibrations avant la

défaillance? 7. Y a t-il des pièces manquantes sur les éléments

rotatifs? 8. Dans quel état se trouvent les éléments suivants :

Alésage du palier, portée de l’arbre, joints d’étanchéité, extension de l’arbre et chapeau de palier?



9. Quelle était la direction de rotation, de la charge en porte-à-faux et de la poussée axiale? Sont-ils corroborés par les modèles d’usures du roulement?

10. Est-ce que les faces internes ou externes présentent des signes de corrosion de contacts?

11. Est-ce que le moteur est correctement monté, aligné et accouplé?

Ne détruisez pas le roulement défaillant avant qu’il ne soit convenablement inspecté. Il est important aussi de garder un échantillon du lubrifiant de roulement.

DONNÉE APPLICATIVE Il est habituellement difficile de recréer les conditions

d’opérations au moment où la défaillance est survenue. Toutefois, une connaissance des conditions d’opérations générales sera utile. Les éléments suivants devraient être pris en considération. 1. Quels étaient les caractéristiques de charge du

matériel commandé et la charge au moment de la défaillance?

2. Est-ce que la charge est cyclique ou pulsée? 3. Combien d’autres unités fonctionnent bien? 4. À quel rythme l’unité est démarrée? 5. Quel est le genre de protection de roulement fourni? 6. Où est située l’unité et quelles sont les conditions

environnementales normales? 7. La cage du moteur est-elle adéquate pour

l’application? 8. Quelles étaient les conditions environnementales au

moment de la défaillance? 9. Est-ce que la base de montage offre un support

adéquat au moteur? 10. La courroie ou la méthode de connexion à la charge

est-elle appropriée à l’application?

REGISTRE D’ENTRETIEN Une compréhension de la performance passée du

moteur peut donner une bonne indication de la cause de problèmes. Encore une fois, une liste de contrôle peut être utile. 1. Depuis quand le moteur est en service? 2. A-t-on observé d’autres défaillances de moteurs? Si

oui, quelle étaient la nature de ces défaillances? 3. Quelles sont les défaillances survenues au matériel

commandé? Y a t-il eu des soudures? 4. À quand remonte le dernier dépannage ou entretien? 5. Quels étaient les niveaux d’opération (température,

vibration, bruit, etc.) observés avant la défaillance? Qu’est-ce qui a déclenché la défaillance du moteur?

6. Quels étaient les commentaires de l’opérateur d’équipement au sujet de la défaillance ou des défaillances antérieures?

7. Depuis quand l’unité était remisé ou en mode ralenti avant le démarrage?

8. Quelles étaient les conditions de remisage?

9.

À quelle rythme l’unité est démarrée? Y a-t-il eu des arrêts complets?

10. A-t-on utilisé les procédures de lubrification appropriées?

11. Y a-t-il eu des changements faits à l’équipement environnant?

12. Quelles procédures ont été utilisées pour l’ajustement de la tension des courroies?

13. Les poulies sont-elles bien positionnées sur l’arbre et aussi proche que possible du roulement de moteur?

SOMMAIRE ET CONCLUSIONS Il y a plusieurs façon d’analyser les défaillances. La

procédure mentionnée plus haut en est une qui est simple et qui peut facilement être enseignée aux employés ayant un large éventail de compétences et d’expérience. Habituellement, ce type d’analyse conduit à une élimination rapide des facteurs qui ne contr ibuent pas à la défaillance. Quand le problème est réduit à une ou deux causes probables, une analyse réfléchie mènera à une bonne conclusion. Ce n’est pas l’intelligence de l’individu qui conduit à la vérité, mais plutôt sa capacité de séparer ce qui est important de ce qui ne l’est pas, compte tenu de toute l’information disponible.

3. PROTECTION DE ROULEMENT Une augmentation de température d’opération du

roulement, les niveaux de vibration ou de bruit sont des indicateurs possibles de problèmes imminents ou de défaillance.

Il pourrait être souhaitable de mesurer ces variables sur une base régulière. Si l’équipement fait partie du moteur, il pourrait avoir des jauges, indicateurs, alarme ou dispositifs d’arrêt.

Ce qui suit est un bref exposé des méthodes couramment utilisées pour fournir cette protection.

PROTECTION DE TEMPÉRATURE DU ROULEMENT À titre de guide, les limites de température pour les

roulements sont : Lubrifiants

Standard Synthétique

Normal 80oC (176 oF) ou inférieur 110 oC (230 oF)

Alarme 90 oC (194 oF) 120 oC (248 oF)

Arrêt 100 oC (212 oF) 130 oC (266 oF)

Des applications spécifiques pourraient exiger des limites quelque peu différentes.

Pour la plupart des applications, les températures réelles seront habituellement plus basses que celles mentionnées plus haut. Pour une protection maximale, l’usager devrait déterminer la température « normale » d’opération pour l’application et ajuster le point de consigne de « l’alarme » à 10 degrés Celsius plus haut.




(Ne jamais dépasser la température « critique » indiquée plus haut, sauf en extrême urgence.)

Les détecteurs sont normalement installés avec la sonde thermique en contact avec la bague extérieure pour les roulements lubrifiés à la graisse ou les roulements lubrifiés à l’huile. Là où des détecteurs à ampoule capillaire sont employés, l’ampoule est placé en contact ou à proximité de la bague du roulement dans l’huile. La sonde est en contact avec la coquille du pallier pour des roulements à plaque Kingsbury ou coussinet.

La sélection d’un type particulier d’équipement afin d’indiquer et de surveiller la température des roulements, dépend de la fonction que l’instrument aura à effectuer. Le tableau 2 résume quelques-uns des instruments les plus souvent utilisés.

TABLEAU 2 MOYENS DE PROTECTION

DES TEMPÉRATURES COMMUNES

Typ e de détecteur Alarme

Arrêts complets

Lecture de temp.

Opérer de l’équipement auxiliaire

Interrupteur Oui Oui (1) Non Oui

Indicateur et interrupteur Oui Oui (1) Oui Oui

Thermomètre Non Non Oui Non

« RTD » Oui (2) Oui (2,1) Oui (2) Oui (2)

Thermocouple Oui (2) Oui (1,2) Oui (2) Oui (2)

Thermistor Oui Oui (1) Oui (2) Oui (2)

(1) Requiert une connexion au relais de contrôle du moteur.

(2) Requiert le contrôleur auxiliaire qui n’est pas normalement fourni avec le moteur.

PROTECTION DE LA VIBRATION Les limites de vibration pour les moteurs électriques

sont habituellement exprimées en niveaux de décalage ou de vélocité, et à quelques occasions, des niveaux d’accélération sont utilisés. Le tableau 3 indique les niveaux établis par « NEMA MG 1 » pour la machinerie neuve et non chargée.

TABLEAU 3* DES LIMITES DE VIBRATIONS NON FILTRÉES

POUR DES APPAREILS MONTÉS AVEC RÉSILIENCE

Vitesse 60 hz rpm

Vélocité pointe en po/s

Vélocité pointe en mm/sec

3600 0.15 3.8

1800 0.15 3.8

1200 0.15 3.8

900 0.12 3.0

720 0.09 2.3

600 0.08 2.0

Notes : 1. Par NEMA MG 1, Tableau 7-1 (1993)

2. Pour des machines à montage rigide, multiplier les valeurs limites par 0.8 (quelques utilisateurs peuvent requérir des valeurs moindres, dépendant de l’application.)

Il y a plusieurs instruments disponibles pour mesurer, soit mécaniquement ou électroniquement, les niveaux de vibration et procurer des capacités d’arrêts complets. La dimension, l’application et l’emplacement sont des facteurs déterminant de la meilleure approche pour contrôler et protéger le moteur.

LES STANDARDS NEMA POUR LA VIBRATION MÉCANIQUE

L’énergie de vibration qui cause une contrainte à une machine est mieux exprimée en terme de vélocité de vibration. Une vélocité de vibration à une seule valeur reflète une contrainte similaire sur des machines de géométrie similaire et elle est indépendante de la vitesse.

La vibration mécanique pour des machines CA et CC à chevaux-vapeur moyens, construites sur des châssis de 143 et plus gros, lorsque mesurée en accord avec MG 1-7.08.1, ne devrait pas excéder une vélocité de vibration maximale de 0.15 pouces/seconde. Les limites de vibration à une vitesse d’opération sont présentées dans le tableau 3.

ANALYSE DE BRUIT ET D’ANOMALIE Il y a des méthodes pour analyser les émissions

acoustiques de bruit à haute fréquence et qui pourraient être imperceptibles à l’oreille humaine.

Ces méthodes mesurent généralement les dommages aux billes et chemins de roulement, tel l’écaillage superficiel et les piqûres (cratérisation). Ceci est habituellement fait dans le cadre d’un programme d’entretien préventif. Avec cette méthode, quelques-unes des clés du succès incluent la sélection appropriée des intervalles de temps entre les tests ainsi que les bonnes méthodes de mesure et de localisation. S’ils sont fait correctement, une faille peut être détectée avant que ne survienne un changement dans la vibration ou la température.

*Mise à jour avec les standards NEMA, édition 1993.

Il y a plusieurs autres méthodes disponibles pour la détection d’une faille de roulement, tel l’émission acoustique, l’énergie d’ondes de contrainte, les fibres optiques, la déviation de la bague de refoulement extérieure, l’analyse spectrale et celle de l’huile de lubrification.

Si faites correctement, certaines de ces méthodes peuvent déceler les failles à des stades précoces. Pour plus de détails, voir la note de pied de page 7.

DÉFAILLANCES INHABITUELLES—INSTABILITÉ DE LA CAGE

L’instabilité de la cage se manifeste par le bruit audible émis, généralement, des grincements ou des gémissements. Les cages instables causent habituellement des couples de torsion transitoires intermittents. Le modèle d’usure de ces couples peut être vu comme étant un modèle d’usure circulaire à l’intérieur de l’élément rotatif.

J.W. Kammel et S.S. Bupara8 ont les observations suivantes concernant l’instabilité de la cage :



1. Les conditions pour un mouvement de cage stable peuvent être améliorées en réduisant, autant que possible, le coefficient de friction de la cage à billes.

2. Un mouvement stable de cage est primordialement dépendant de l’étendue de la lubrification au contact des bagues à billes, donc, à la qualité de la lubrification dans le roulement.

3. Les instabilités de mouvement de la cage peuvent survenir si la viscosité du lubrifiant est trop élevée.

4. Les mouvements instables de cage peuvent survenir aussi bien dans des cages guidées par les billes ou guidées par la bague.

« Il a été avancé que des mouvements instables de cage peuvent survenir en raison d’interactions entre une cage non contrainte (c.a.d. libre de bouger à l’intérieur des restrictions imposées par les jeux internes) et les éléments roulants du roulement. L’énergie est fournie à la cage par la force de friction générée aux contacts de la cage à billes. Les mouvements de la cage peuvent être stabilisés si la cage devient contrainte (c.a.d. par des espacements inégaux des billes, des charges inégales, etc.) ou si elle se dissipe, une portion suffisante de son énergie à la bille-bague connecte durant l’impact des billes.9 »

NOUVELLES TECHNOLOGIES Un des nouveaux systèmes de lubrification est la

méthode huile/air. La méthode de lubrification huile/air a été développé pour les axes à vitesses élevés où l’augmentation de température devait être tenue au minimum. Elle est utilisée à la place de la graisse, de la pulvérisation ou de la brumisation d’huile et requiert la moindre quantité de lubrifiant.10 La lubrification huile/air consiste à fournir 0.01-0.06 ml d’huile par unité de temps fixé, à l’aide d’air comprimé au roulement. Elle gagne en popularité parce que plus stable et requérant moins d’huile que la méthode de brumisation d’huile. La lubrification huile/air a une vitesse maximum limite qui est considérablement plus élevée que la graisse. Audessus de cette limite, la lubrification par pulvérisation est utilisée afin de minimiser l’augmentation de température et acheminer la chaleur générée loin du roulement. La lubrification par pulvérisation requiert environ 3-4 litres/minute de lubrifiant par roulement.

Pour ceux qui veulent être à la fine pointe, les billes de céramique peuvent être la solution afin d’augmenter la vitesse et réduire les pertes. Les billes de céramique pèsent approximativement 60% moins que les billes de métal, et par conséquent, la force centrifuge est réduite significativement. La force réduite modifie les caractéristiques de perte de roulement et résulte en de moindres pertes et augmentation de température. De plus, les pièces de roulement à céramique sont résistantes à la corrosion, ont une gamme thermique plus élevée, un indice de dureté plus élevé (78 Rockwell C), et une rigidité plus élevée. En respectant les limites d’opération, la Figure 7 illustre le présent statut des roulements d’axes à haute vitesse.11

4. BIBLIOTHÈQUE DE RÉFÉRENCE Une des meilleures méthodes d’aider à l’analyse des

défaillances de roulement est de développer une bibliothèque de référence avec photos de causes connues de défaillances de roulement. Quelques-uns des types de défaillance les plus typiques sont énumérés plus bas. Défaillances dues à la fatigue

1. Débutantes 2. Avancées 3. Extrêmes

Désalignement 1. Chemins de charge 2. Excentré 3. Chemins obliques 4. Charge d’extrémité 5. Grippage

Ajustements/assises défectueux 1. Perte de dégagement interne 2. Ajustements desserrés 3. Enrayage 4. Fluage 5. Corrosion de contacts

Contamination 1. Copeaux dans le chemin de billes 2. Joints défectueux/endommagés 3. Abrasion

Mécanique 1. Montage 2. Poussée de parasite 3. Faux brinnellage 4. Brinnellage 5. Cannelures provenant d’une vibration rotative

Température excessive Lubrification inappropriée Excès de vitesse Courants dans l’arbre

1. Piqûres 2. Cannelures 3. Soudure


1 HUILE/AIR

IMAGE 7 : DÉVELOPPEMENT DES LIMITES DE LU BRIF ICATION/ROU LEM ENT 3.5 ARBRE HAUTE VITESSE

3

2.5

2

1.5

BILLES E N 0.5 G RAISSE CÉRAMIQ UE AVEC

G RAISS E

80 82 84 86 88 90

ANNÉE

Cette Fiche technique apparaît aussi dans le Manuel technique de l ’EASA, Édition 1996, Section 9.15, pages 9-22 à 9-32


EXEMPLES La section qui suit offre des photos des défaillances de

roulement les plus communes.

AJUSTEMENTS/ASSISES DÉFECTUEUX

Cette Fiche technique apparaît aussi dans le Manuel technique de l ’EASA, Édition 1996, Section 9.16, pages 9-22 à 9-32

FT 20-11


NOTES DE BAS DE PAGE

1 A.H. Bonnett, ”Analysis of Winding Failures in Three Phase Squirrel Cage Induction Motors,“ PCI-77-4.

2 A.H. Bonnett and G.C. Soukup, “Analysis Rotor Failures in Squirrel Cage Induction Motors,“ PCI87 CH 2495-0/87.

3 « New Life Handbook, » Catalogue SKF 140-410, juin 1989.

4 FAG Kugelfisher George Schafer KGaA, “Research: A Basis for Products of the Future,” Public. No. WL 40 205 EA.

5 J. Goodall Wuttkowski and E. Loannides, “The Effect of Contaminants on Bearing Life,” Les Industrie de Roulement SKF.

6 E.H. Mayers, “Incompatibility of Grease,” porte-parole NLGI, avril 1983, pp. 24-28

7 J. Charles Bergreen, “Diagnosing Faults in Rolling Element Bearings, Part II: Alternative Analytical Methods,” Vibrations, Vol. 4, No 2, juin 1988.

8 J.W. Kammel and S.S. Bupara, “Journal of Lubrication Technology,” juillet 1978, Vol. 100, p. 395.

9 J.W. Kammel and S.S. Bupara, p. 395

10 Satoru Aihara, “Recent Research Trends in High Performance, High Speed, and Long-Life Rolling Bearing,” Tribology R & D, NSK Limité.

11 Ai hara

BIBLIOGRAPHIE

Aihara, Satoru. "Recent Research Trends in High Performance, High Speed, and Long-Life Rolling Bearing." Tribology R & D, NSK Limited.

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Wuttkowski, J. Goodall and E. Loannides. The Effect of Contaminants on Bearing Life. SKF Bearing Industries.

NOTES DE L’ÉDITEUR

1. Droits d’auteur déposés par l’Institute of Electrical and

Electronics Engineers.

2. Cet article a été réimprimé (avec quelques modifications) du bulletin de Septembre/Octobre 1993, Vol. XXIX, No. 5, de l’IEEE Industry Applications Society. Cet article a été présenté à la conférence de l’IEEE Pulp & Paper Industry Technical. tenu du 21 au 25 juin à Hyannis, Massachusetts.

3. Première publication de l’article: Octobre 1994 avec l’autorisation de l’IEEE.

cause et analyse des dÉfaillances de paliers …

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