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Nouveau modèle de joint

L’introduction de joints dans la conception des roulements a considérablement augmenté leur fiabilité, notamment dans les environnements contaminés. Les avancées actuelles relatives aux joints qui équipent les roulements à rotule sur rouleaux étanches SKF Explorer de petites dimensions visent à améliorer encore les performances pour une grande variété d’applications.

Author : Henrik Wickberg, project manager self-aligning bearings, AB SKF, Gothenburg, Sweden

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Résumé

La réflexion menée sur l’amélioration de la fabrication des joints de roulements a permis de mettre au point un joint plus performant pour les roulements à rotule sur rouleaux de petites dimensions. Le nouveau modèle universel remplace trois anciennes solutions d’étanchéité différentes. Destiné à équiper la gamme de roulements à rotule sur rouleaux jusqu’à environ 180 mm de diamètre extérieur, il s’avère économique puisqu’il réduit les besoins de maintenance, allonge les intervalles de relubrification et offre des performances globales améliorées pour une grande variété d’applications.

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Des ingénieurs SKF ont décidé de remettre à plat la conception des joints SKF utilisés sur les roulements à rotule sur rouleaux avec deux objectifs principaux : améliorer encore les performances de ces joints et améliorer également les procédés de fabrication au sein de l’entreprise (Fig. 1).

Avant de se lancer dans la phase de développement du projet, les ingénieurs ont défini les exigences fonctionnelles à satisfaire, notamment en ce qui concerne le fonctionnement du roulement et son interaction avec le joint. Des spécialistes de la conception et du fonctionnement des roulements à rotule sur rouleaux, d’une part, et des solutions d’étanchéité, d’autre part, ont travaillé ensemble à améliorer la solution d’étanchéité à l’aide d’outils tels que la simulation informatique, la construction de prototypes et des méthodes d’essai.

C’est au début des années 1990 que SKF intègre, pour la première fois, des joints à ses roulements à rotule sur rouleaux. Le succès est tel que la gamme compte plus de 100 produits standard. Suite aux résultats positifs de son programme d’amélioration, SKF étend le nouveau modèle de joint en standard à la plupart des roulements à rotule sur rouleaux de petites dimensions. Les roulements étanches conviennent à une grande variété d’applications, des ascenseurs et grues aux équipements de production de l’industrie agroalimentaire en passant par les ventilateurs. Les systèmes de manutention des bagages dans les aéroports sont une application typique.

Sur le plan des performances, la réduction du frottement au niveau du nouveau joint peut atteindre jusqu’à 50 % et se traduit par une réduction du frottement total du roulement de pas moins de 20 %. En ce qui concerne la température de fonctionnement, la diminution peut atteindre jusqu’à 20 °C. Les roulements dotés du nouveau modèle de joint peuvent tourner à des vitesses environ deux fois supérieures à la vitesse limite des précédents roulements SKF étanches de dimensions équivalentes. De plus, ces joints contribuent à réduire les besoins de maintenance en allongeant la durée de vie du lubrifiant. Dans de nombreuses applications, on peut même considérer que le roulement ne nécessite aucune relubrification.

Jusqu’à une date récente, SKF proposait trois principaux types de joints dans sa gamme de roulements à rotule sur rouleaux de petites dimensions. Ils sont désormais remplacés par des joints de nouvelle conception identifiés dans la désignation par le suffixe RS. Des roulements de 37 tailles différentes, jusqu’à environ 180 mm de diamètre extérieur, pourront tirer profit de la nouvelle solution d’étanchéité (Fig. 2).

Caractéristiques du nouveau modèle de joint
Deux matériaux d’étanchéité, basés sur deux composés élastomères différents, sont proposés : le caoutchouc acrylonitrile-butadiène (NBR) et le caoutchouc nitrile butadiène hydrogéné (HNBR). Le NBR, qui possède de très bonnes propriétés mécaniques, est un matériau universel pour les lèvres d’étanchéité. Ce copolymère, composé d’acrylonitrile et de butadiène, offre une bonne résistance à la plupart des huiles minérales et graisses à base d’huile minérale, aux carburants comme l’essence, le gasoil et les mazouts légers, aux huiles et graisses animales et végétales et à l’eau chaude. Le HNBR est un copolymère acrylonitrile-butadiène saturé adapté aux applications dans lesquelles des hydrocarbures et huiles minérales aliphatiques sont utilisés. Ses propriétés physiques et chimiques varient avec sa composition.

Concrètement, trois caractéristiques de conception contribuent aux performances supérieures du joint (Fig. 3). Une nouvelle rainure dans la bague extérieure améliore l’ancrage du joint pour un meilleur ajustement et un montage plus facile. Elle permet tout d’abord d’atteindre un couple de retenue élevé, ce qui réduit le risque de rotation du joint dans la rainure. Deuxièmement, la face d’étanchéité caoutchoutée du nouveau joint est plus résistante à la corrosion et aux rayures. Enfin, une nouvelle lèvre d’étanchéité, exerçant une pression de contact optimisée, a été mise au point pour réduire le moment de frottement du joint. SKF Seal Designer a été utilisé pour standardiser la solution.

La réduction du couple de frottement permet d’atteindre des vitesses supérieures sans endommager la lèvre d’étanchéité. La nouvelle limite est donnée par la vitesse maximale de la lèvre d’étanchéité, à savoir 10 m/s, contre environ 20 % de la vitesse limite pour le roulement ouvert auparavant. Pour la plupart des roulements, la vitesse limite est ainsi environ deux fois plus élevée que précédemment.

Lors de la sélection de roulements à rotule sur rouleaux étanches pour des vitesses de fonctionnement élevées, il est important de veiller à ce que la température de service ne soit pas supérieure à la température maximale recommandée pour le matériau du joint. Celle-ci est de 90 °C pour le matériau NBR standard (suffixe RS) et de 150 °C pour le matériau HNBR (suffixe RS5). La réduction du couple de frottement apportée par le nouveau joint se traduit par un échauffement moindre et, par conséquent, une température de service moins élevée. Des essais réalisés dans des conditions de service typiques montrent une réduction de la température du roulement d’environ 15 à 20 °C (Fig. 4). Dans la pratique, cette température de fonctionnement inférieure peut se traduire par un processus de dégradation de la graisse plus lent et contribuer ainsi à un allongement des intervalles de relubrification. Lorsque la température de fonctionnement est réduite de 15 °C, l’intervalle de relubrification est doublé. Autre avantage d’un intervalle de relubrification plus long : un plus grand nombre de roulements peuvent fonctionner sans aucune relubrification.

Un programme d’essais rigoureux
SKF a mené un programme d’essais stricts pour confirmer les performances du nouveau modèle de joint. Le couple de frottement du joint a notamment été mesuré à différentes vitesses de fonctionnement sur des roulements de trois tailles différentes (Fig. 5). La réduction moyenne du frottement du joint observée est d’environ 50 %. Le test de poussière fine type sable « Arizona » est un test reconnu pour évaluer les performances d’un joint sur le plan de l’exclusion des impuretés. Réalisé dans une chambre à poussière et basé sur la mesure de la quantité d’impuretés à l’intérieur du roulement, cet essai montre que la nouvelle lèvre d’étanchéité est aussi efficace, voire plus, que le modèle précédent, contre la contamination sèche.

Trois tests destinés à contrôler l’ancrage du joint dans la bague extérieure montrent que celui-ci a été renforcé (Fig. 6).

Les roulements à rotule sur rouleaux étanches sont livrés prélubrifiés et prêts au montage. Des joints en caoutchouc exigent d’être lubrifiés. Dans un roulement à rotule sur rouleaux étanche, le joint est lubrifié avec la graisse du roulement. Il faut, par conséquent, s’attendre à une petite fuite de lubrifiant. La vitesse, la température, le défaut d’alignement et le sens du montage influent sur la fuite de graisse qui est, par conséquent, difficile à quantifier à l’avance.

Le nouveau joint a été testé dans des conditions typiques des applications d’ascenseurs. Les résultats montrent que la capacité de rétention de la graisse est identique à celle du modèle actuel.

Une multitude d’avantages
En conclusion, le nouveau modèle de joint permet d’élargir les possibilités et le nombre d’applications sans lubrification grâce à des performances d’étanchéité supérieures. En plus de répondre aux attentes de SKF concernant la rationalisation de ses propres procédés de fabrication, ce joint offre, en outre, à l’utilisateur des avantages significatifs en termes d’amélioration des performances et d’allongement de la durée de service.

Les convoyeurs de bagages dans les aéroports sont une application typique des roulements à rotule sur rouleaux étanches SKF Explorer de petites dimensions. Fig. 1. Nouveau modèle de joint pour roulements à rotule sur rouleaux de petites dimensions.Fig. 2. Des roulements à rotule sur rouleaux équipés du nouveau modèle de joint RS, indiqués en bleu, remplacent les roulements existants équipés du modèle de joint CS.Fig. 3. Aperçu des caractéristiques de roulements à rotule sur rouleaux étanches SKF Explorer de petites dimensions équipés du nouveau modèle de joint.Fig. 4. Température de fonctionnement d’un roulement 23022 étanche à différentes vitesses.  Fig. 5. La conception améliorée de la lèvre d’étanchéité se traduit par un frottement réduit pour des performances d’étanchéité identiques. Fig. 6. La conception de la lèvre en trois parties améliore l’ancrage du joint dans la bague extérieure. En outre, le joint facilite l’assemblage.

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