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Comment la tribologie fait tourner le monde

Parrainée par SKF, la cinquième édition du Congrès mondial de tribologie, organisée à Turin, en Italie, reflète l’importance de cette science pour le monde des roulements et autres systèmes basés sur les principes du frottement, de la lubrification et de l’usure. Le Congrès 2013 est une vitrine du vaste travail mené par SKF en collaboration avec les clients et des universités pour approfondir la connaissance des roulements et améliorer ainsi leurs performances dans des applications réelles chez les clients.

  Auteurs : Elaine McClarence et Walter Verhaert, rédacteurs Technologie

Lubrifiants Machines et matériel Maintenance Fiabilité Recherche et théorie Roulements

Résumé

Le cinquième Congrès de tribologie mondial parrainé par SKF est une vitrine des avancées de la science et de la technologie des surfaces interactives en mouvement relatif. Ce grand rassemblement de chercheurs de renom permet d’aborder des questions qui ont un impact important sur notre quotidien puisqu’elles touchent aux véhicules que nous conduisons, aux transports que nous utilisons et aux machines et équipements de la vie moderne. Les roulements se faisant omniprésents, les performances toujours supérieures exigées par l’industrie ne sont pas sans conséquences. Des vitesses supérieures, des températures supérieures, des densités de puissance accrues, des films lubrifiants plus minces, des dimensions de roulements supérieures, des conditions environnementales ou des additifs plus agressifs nécessitent de la part des ingénieurs une meilleure connaissance de la tribologie appliquée aux roulements pour que les modèles actuels et futurs satisfassent aux attentes.

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INSA LYON

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Discipline scientifique essentielle pour les roulements et systèmes associés, la tribologie peut apporter une précieuse contribution à travers une réduction du frottement et de l’usure, une meilleure maîtrise de l’énergie, la préservation de l’environnement, l’allongement de la durée de service des équipements et la réduction des coûts du cycle de vie des roulements.

Les connaissances en tribologie relatives aux roulements sont utiles pour la sélection des lubrifiants (huiles et graisses) en fonction de l’application, la conception du roulement, de ses surfaces et des matériaux, la réduction des pertes par frottement et de l’échauffement et, enfin, pour l’optimisation de la durée de service du roulement lui-même, du lubrifiant et du dispositif d’étanchéité.

Les articles présentés lors du Congrès mondial de tribologie reflètent toute l’étendue de la recherche pratique et empirique dans laquelle SKF s’investit. Cela s’étend de la résolution de problématiques particulières de clients à l’utilisation d’outils de modélisation de pointe en passant par la recherche collaborative avec des universités pour développer des techniques dans le but de comprendre les mécanismes qui régissent la formation du film lubrifiant et l’apparition de dommages, sans oublier les recherches scientifiques menées par SKF.

La recherche ciblée sur les problématiques des clients
L’article Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor (Analyse par simulation des facteurs influant sur les conditions de lubrification dans un jeu de roulements destiné à un démarreur de turbine à gaz) (1) présente un exemple de recherche axée sur les clients. Les chercheurs SKF ont mis au point une méthode de simulation pour analyser les effets de la géométrie de la surface réelle sur l’épaisseur du film lubrifiant dans les roulements. Le modèle de simulation BEAST (BEAring Simulation Tool, voir page 21) a permis de simuler et d’évaluer les effets de la macro-géométrie et de la micro-géométrie (ondulation, ovalisation, rugosité et topographie réelle de la surface) des différents éléments sur les paramètres tribologiques du roulement. Des modèles de simulation multi-corps détaillés ont été créés pour évaluer les effets engendrés par une variation des caractéristiques du roulement dans les limites définies. L’effet de la topographie réelle de la surface a été calculé à travers la modification des conditions locales du contact, en attribuant des mesures interférométriques de surface au corps correspondant dans le modèle virtuel. Les résultats de ces recherches permettent désormais aux concepteurs de pouvoir tenir compte des propriétés de surface à un stade précoce du processus de conception.

Un autre projet de recherche axée sur les clients est présenté dans l’article Grease lubrication in super-precision bearings operating at hight speed (Lubrification à la graisse dans les roulements de super précision fonctionnant à des vitesses élevées) (2), dans lequel les auteurs expliquent leur travail mené pour améliorer les connaissances sur la lubrification à la graisse dans les roulements soumis à des vitesses de rotation élevées dans le but d’allonger la durée de service de la graisse dans ces conditions de service.

Si la lubrification à la graisse est l’une des méthodes les plus employées pour lubrifier les roulements de super précision dans les broches de machines-outils caractérisées par des vitesses de rotation élevées, son utilisation est limitée du fait de la courte durée de vie du lubrifiant lorsque les valeurs de vitesse n x dm avoisinent les deux millions. L’allongement de la durée de vie des graisses à de telles valeurs de vitesse éviterait de devoir recourir à des modèles de broches plus complexes et supporter les coûts d’une lubrification huile-air.

Collaboration avec des universités
L’Imperial College London et l’INSA de Lyon collaborent de longue date avec SKF et trois articles (3) (4) et (5) présentent les fruits de cette collaboration.

Dans Smearing damage in rolling element bearings (Dommages par grippage dans les roulements) (3), les recherches ont été focalisées sur le grippage, qui est un type de dommage par abrasion pouvant apparaître dans les roulements lorsque la vitesse des éléments roulants diffère de leur vitesse théorique du fait des conditions de service du roulement. L’apparition d’un dommage par grippage est extrêmement difficile à prédire car les connaissances sur les mécanismes précis à l’œuvre restent incomplètes. Cet article tente par conséquent d’apporter un éclairage plus complet sur ces mécanismes fondamentaux. Il reprend les résultats obtenus sur un banc d’essai unique, capable de reproduire les dommages par grippage dans des conditions contrôlées, et les confronte avec les résultats numériques issus d’un modèle dynamique transitoire du même contact. Un modèle dynamique transitoire du banc d’essai complet a été créé dans BEAST (voir page 21).

Les auteurs expliquent que les données expérimentales combinées aux prédictions numériques correspondantes fournissent une analyse précise des conditions conduisant à l’apparition du grippage, analyse qui permet d’établir des postulats concernant les causes possibles des dommages par grippage observés.

Dans Multi-scale modelling in lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface (Modélisation multi-échelle des contacts lubrifiés : étude sur la condition limite de vitesse à l’interface paroi-fluide) (4), les chercheurs expliquent comment ils ont appliqué une approche multi-échelle pour intégrer des phénomènes à l’échelle nanométrique dans des modèles de lubrification macroscopiques. Plus particulièrement, la condition limite de glissement qui apparaît dans les films lubrifiants extrêmement confinés a été caractérisée à l’aide de simulations dynamiques moléculaires. Son évolution en fonction des conditions de fonctionnement et du matériau de la surface peut être décrite par le biais de lois semi-analytiques. Ces lois sont exprimées sous forme d’une équation de Reynolds modifiée qui tient compte des effets du glissement aux parois. Le modèle nano-EHL montre que l’épaisseur du film en son centre diminue de façon significative pour compenser une accélération de l’écoulement du lubrifiant causée par un glissement aux parois à l’échelle moléculaire.

Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant (Modélisation de la propagation de fissures en fatigue de contact roulant en présence de lubrifiant) (5) traite d’une problématique qui comporte des implications industrielles.

La fatigue de contact roulant (FCR) affecte la durée de service de toute une série de pièces, des engrenages, roulements et cylindres industriels utilisés en sidérurgie aux roues de véhicules ferroviaires et rails. Elle peut apparaître aussi bien dans les contacts lubrifiés que les contacts secs, où un fluide peut être présent par intermittence.

On estime que la propagation des fissures en FCR repose sur un mécanisme de fatigue induit par des contraintes cycliques dues à des charges exercées sur les contacts de façon répétée sous l’effet du roulement et du glissement.

Les auteurs présentent une étude réalisée sur un modèle unidimensionnel qui intègre la déformation de la surface, l’écoulement du lubrifiant dans le film en surface et dans la fissure, ainsi que la propagation des fissures basée sur le champ de contraintes internes. Ils suggèrent que le couplage du film fluide en surface avec le film fluide dans la fissure est important pour saisir le comportement physique réel d’une fissure en FCR. Par conséquent, tout modèle utilisé dans l’analyse de fissures en FCR dans des contacts EHL doit prendre ce comportement en compte de manière précise pour éviter que des écarts importants ne soient introduits dans la prédiction de la fatigue résultante initiée en surface à la pointe de la fissure. Ces erreurs deviennent encore plus significatives lorsque la propagation est prise en compte puisque, dans ce cas, il est essentiel d’inclure l’effet de la pression du lubrifiant si l’on cherche à prédire avec exactitude la vitesse de propagation des fissures dans des conditions de fatigue de contact roulant. Ce travail représente l’une des premières tentatives de création d’un modèle fluide-solide entièrement couplé incluant le développement des fissures.

Pour la science
Le troisième type de recherche présenté par SKF et ses collaborateurs représente une démarche purement scientifique visant à faire progresser la connaissance des questions de tribologie.

L’article Detailed contacts in dynamique simulations – A contradiction? (Des contacts détaillés dans les simulations dynamiques – Une contraction ?) (6) traite de la simulation dynamique des roulements comme outil puissant pour l’étude d’une variété de phénomènes liés aux performances et à la durée de service des roulements. Toutefois, la nature des simulations dynamiques, notamment le nombre important d’intervalles à calculer, est un obstacle à l’utilisation de modèles physiques très détaillés. Des modèles détaillés des conditions de contact, par exemple, peuvent fournir des données précieuses sur des situations critiques liées à la durée de service des roulements. L’article présente une manière conviviale de combiner les simulations dynamiques avec des simulations de contacts très détaillées.

L’article Prediction of micropitting performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts (Prédire les performances des solutions d’huile-additifs contre les micropiqûres dans les contacts de roulement et de glissement) (7) traite du développement d’un modèle décrivant les interactions entre frottement, usure et micropiqûres (altération de la surface). Suite au développement récent d’un modèle de micropiqûres intégrant les conditions de fonctionnement, l’état de surface et les propriétés des matériaux des surfaces en contact, qui a montré que l’usure et les micropiqûres sont deux phénomènes en concurrence sur des surfaces exposées à une lubrification minime, les auteurs ont cherché à approfondir ce modèle. Leur objectif était que ce modèle puisse permettre de prédire le degré de dommage par micropiqûre après un certain nombre de cycles pour différentes solutions huile/additifs et différents niveaux d’humidité relative ambiante. Les effets tribochimiques éventuels des additifs et/ou de l’eau dans l’huile sont censés se manifester mécaniquement et ont été modélisés en utilisant comme données d’entrée les coefficients d’usure et de frottement limite mesurés. Une série de tests de micropiqûres ont été réalisés avec différentes solutions d’huile/additifs et à différents niveaux d’humidité relative de l’air. Le modèle a montré une bonne concordance avec les résultats des tests.

Tribo-Lyon
Parallèlement au Congrès mondial de tribologie, une autre conférence, Tribo-Lyon 2013, a également eu lieu cette année.

Conclusion
En 2012, SKF a investi 180 millions d’euros en recherche et développement, soit 2,5 % de son chiffre d’affaires annuel. Ses activités de développement ont donné lieu au dépôt de 660 exposés d’inventions et 421 nouveaux brevets en 2012. Des innovations importantes ont pu être mises au point au sein de SKF grâce aux progrès des connaissances en tribologie, comme par exemple les roulements éco-énergétiques SKF, le revêtement NoWear, les roulements hybrides, les cages en laiton et polymère, les roulements avec superfinition pour applications spéciales, la texturation de surface, les spécifications des graisses et lubrifiants et les joints à faible frottement.

Sa collaboration avec des universités de renom expertes en tribologie lui vaut de disposer désormais d’un Centre universitaire technologique (SKF UTC) au sein de l’Imperial College London. Ouvert en janvier 2010, ce centre est notamment dédié à la modélisation et la simulation des systèmes tribologiques. Le Professeur Hugh Spikes (cf. Evolution n°2-2013, page 18) dirige l’équipe de l’UTC de l’Imperial College constituée de trois étudiants de troisième cycle et de deux titulaires d’une bourse de recherche postdoctorale. Le Pr. Spikes a publié plus de 200 articles académiques sur la tribologie et obtenu plusieurs brevets dans ce domaine. L’UTC de l’Imperial College officialise par ailleurs une coopération de plus de 30 ans avec SKF ; l’ancien directeur technique de SKF, Stathis Ioannides, jouit en effet depuis 30 ans du statut d’enseignant invité auprès de l’Imperial College.

SKF et l’INSA de Lyon ont renforcé leur coopération à travers la création, au profit de SKF, d’une chaire à l’INSA de Lyon consacrée aux « Interfaces lubrifiées pour demain ». D’une durée de six ans, cette chaire a pour objet une étude amont pluridisciplinaire portant sur l’identification, la compréhension et la modélisation du comportement des lubrifiants dans des conditions extrêmes imposées par les interfaces lubrifiées.

SKF livre également ses connaissances en tribologie à travers de nombreux outils et logiciels de prédiction (BEAST, SKF Bearing Beacon et les modèles des catalogues papier et en ligne). Parmi ces modèles, citons par exemple le modèle de frottement SKF pour roulements, le modèle SKF de durée de vie des roulements (qui intègre notamment les facteurs de la lubrification et de la contamination), le modèle SKF de durée de vie des graisses et le modèle SKF d’altération de surface, qui constituent tous des outils importants dans le développement d’innovations et dans la prédiction des performances des roulements dans des conditions où la surface joue un rôle important.

Références
[1] F. Mandrile, G. Moschetto, S. Vasconi et F. Caprioli :
« Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor ».
[2] F. Greco, J. Wangand, A. van den Kommer : « Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed ».
[3] M.T.Fowell, A.Kadiric, G. Morales-Espejel, L-E. Stacke et S. Ioannides : « Smearing damage in rolling element bearings ».
[4] D. Savio, N. Fillot, P. Vergne, R. Pasaribuand, G. Morales-Espejel : « Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface ».
[5] R. Balcombe, M.T.Fowell, A.Kadiric, D. Dini, A.V.Olver : « Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant ».
[6] L-E. Stacke, D. Fritzson, G. Morales-Espejel : « Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction? ».
[7] V. Brizmer, H.R. Pasaribu, G. Morales-Espejel : « Prediction of micropitting performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts ».

Autres articles présentés lors du Congrès mondial de tribologie auxquels ont contribué SKF et ses universités partenaires :

  • Hajishafiee, D. Dini, A. Kadiric, S. Ioannides : « A fully-coupled finite volume solver for elasto-hydrodynamic lubrication problems with particular application to rolling element bearings ».
  • J. Guégan, A. Kadiric, T. Reddyhoff, G. Morales-Espejel, H. Spikes : « Friction and lubrication of textured surfaces in elasto-hydrodynamic contacts ».
  • J. T. Nyqvist, A.Kadiric, R. S. Sayles et E. Ioannides : « Three-dimensional analysis of multi-layered rough surface contacts ».
  • V. Brizmer, A. Rychahivskyy, B. Han : « Study on anti-micropitting performance of black oxide coating ».
    J. Wang : « CFD analysis of drag loss in high-speed bearings ».
  • A. W. Awan, M. Hadfield, B. Thomas, C.Vieillard, R. Cundill : « An experimental investigation of rolling contact failure within silicon nitride subject to micro surface defects ».
  • P. Tesini et T. Adane : « Computing structural fatigue damage in rolling bearing cages ».
  • D. Fritzson et L-E. Stacke : « Advances in Transient Rolling Bearing Simulation – BEAST ».

Et à Tribo-Lyon 2013 :

  • G.E. Morales-Espejel : « Surface roughness effects in elasto-hydrodynamic lubrication – A review with contributions ».

 

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