Des efforts de développement intenses menés au sein de SKF ont donné naissance à une nouvelle famille de roulements offrant une diminution significative de la consommation d’énergie par rapport à des roulements traditionnels. La fabrication de cette nouvelle famille de roulements, baptisés Roulements « Energy Efficient », (Roulements « éco-énergétiques ») a démarré courant 2007.

Avec le concours du programme communautaire LIFE, L’Instrument Financier pour l’Environnement.

Les travaux de développementont porté principalement sur les deux types de roulements les plus couramment utilisés : le roulement rigide à billes et le roulement à rouleaux coniques. Les deux nouveaux modèles de roulements permettent de réduire la consommation d’énergie de près d’un tiers dans la plupart des applications (se bild . 1) grâce à de nouvelles solutions techniques qui contribuent à réduire la consommation d’énergie à travers toute l’industrie. En outre, les ingénieurs SKF ont cherché à ce que ces économies d’énergie puissent être réalisées sans diminution de la durée de service ni de la capacité de charge par rapport à des roulements standard.

Ces résultats ont pu être atteints grâce à l’expertise unique de SKF en modélisation et conception. Les ingénieurs SKF ont mis en pratique leurs compétences pointues concernant la méthode par éléments finis (MEF), les simulations dynamiques (SKF BEAST) et les simulations du moment de frottement (SKF Bfree). Les résultats ont été vérifiés et démontrés par des essais approfondis dans les différents centres de développement (France, Allemagne et Italie) et au sein du Centre de recherche SKF basé à Nieuwegein, aux Pays-Bas.

 

Roulements à rouleaux coniques « Energy Efficient »
Utilisés dans un multiplicateur d’éolienne par exemple, les nouveaux roulements à rouleaux coniques mis au point par SKF présentent une consommation d’énergie inférieure de 30 % par rapport à des roulements standard (se bild . 2). Les premiers produits liés à ce type de roulements visent des segments industriels où les applications s’avèrent les plus gourmandes en énergie, comme les éoliennes, les réducteurs industriels de grande puissance, les applications ferroviaires, ainsi que les unités d’entraînement des équipements de manutention, extrudeuses et bateaux. Il s’agit souvent d’applications industrielles caractérisées par de fortes charges et qui utilisent des roulements de 200 à 600 millimètres de diamètre extérieur. En règle générale, plus le diamètre est grand, plus les économies d’énergie potentielles sont importantes – jusqu’à 50 % dans le meilleur des cas.

 

Du côté de la conception
Les améliorations suivantes ont été apportées à la conception des roulements à rouleaux coniques : modification de la géométrie des épaulements, réduction de l’embrèvement et élargissement de la piste de la bague intérieure. Les profils des pistes et la topographie des rouleaux ont également été modifiés et la rugosité de surface des pistes et épaulements des bagues abaissée. Parmi les nouvelles caractéristiques de conception se bild ure également une cage spéciale avec un diamètre d’alésage réduit – fabriquée en PEEK (polyétheréthercétone) ou, pour des exigences particulières, en tôle d’acier.

Le PEEK est un matériau extrêmement intéressant pour les cages car il offre d’excellentes propriétés de formage et une stabilité formelle et dimensionnelle remarquable. Il présente une stabilité thermique exceptionnelle sur une plage de températures très étendue qui lui permet de supporter aussi bien des températures négatives qu’une température de service permanente de 160°C avec des pics jusqu’à 200°C.

Toujours dans un souci d’économie d’énergie, le nombre de rouleaux coniques a été réduit. Dans le cas du roulement 32230, la réduction du nombre de rouleaux et le remplacement de la cage en acier par une cage en PEEK a diminué d’environ 10 % la masse centrifuge, avec l’effet positif que cela sous-entend sur les énergies motrices requises (se bild . 3). Cette modification allège le roulement et favorise un meilleur rendement énergétique. Les éléments roulants nécessitent moins de puissance pour leur déplacement. Les pièces en mouvement présentent une inertie plus faible, le risque de patinage et de grippage est réduit, pour des performances et une durée de service optimales.

 

Avantages en termes d’applications
Le rendement des machines et des usines est amélioré avec, soit des moteurs et boîtes à engrenages moins gourmands en énergie, soit des vitesses supérieures pour des performances d’entraînement similaires. Le frottement inférieur à l’intérieur du roulement se traduit par des températures de service inférieures et permettent la formation d’un film lubrifiant de meilleure qualité et une meilleure séparation des surfaces en contact dans le roulement. Un faible frottement contribue, en outre, à l’allongement de la durée de service du lubrifiant.

Dans le cas des éoliennes, l’un des principaux domaines d’application, l’utilisation de roulements à rouleaux coniques « Energy Efficient » dans les multiplicateurs et les génératrices permet d’augmenter la production d’énergie de manière significative. Si les roulements des multiplicateurs de toutes les éoliennes dans le monde pouvaient être remplacés par des roulements à rouleaux « Energy Efficient » la production annuelle pourrait être augmentée de 770 millions de kWh, soit l’équivalent de la consommation totale mensuelle d’énergie de 1 million de ménages européens. Les dimensions des nouveaux roulements à rouleaux coniques, conformes aux normes ISO, s’intègrent facilement dans des solutions existantes. La substitution par le nouveau modèle peut contribuer à des économies d’énergie substantielles dans tous les secteurs industriels, des pâtes et papiers au traitement des eaux usées en passant par la métallurgie, l’exploitation minière, le traitement des hydrocarbures, l’agroalimentaire et l’industrie textile.

 

Roulements à billes « Energy Efficient »
Les roulements rigides à billes peuvent supporter des charges radiales et axiales dans des conditions de vitesse variées.

Concernant les nouveaux modèles de roulements rigides à billes, on a cherché à développer des produits adaptés aux charges légères à modérées caractéristiques des moteurs électriques industriels utilisés pour l’entraînement de machines telles que des pompes, compresseurs, ventilateurs et convoyeurs dans une grande variété d’applications. Les premiers produits lancés furent des roulements rigides à billes avec flasques de 52 à 130 mm de diamètre extérieur.

 

Du côté de la conception
Pour parvenir à des économies d’énergie d’au moins 30 % avec les roulements rigides à billes, les ingénieurs SKF ont apporté des améliorations dans trois domaines : la géométrie interne, la cage et la graisse (se bild . 6). Ils ont optimisé la géométrie interne des roulements, mis au point une nouvelle cage en polymère et introduit une graisse à faible frottement. Ces améliorations ont permis de réduire les pertes par frottement de 30 % minimum et d’allonger la durée de service. Seule la combinaison de ces trois paramètres de construction, parfaitement optimisés pour les conditions de l’application, a permis d’atteindre une telle performance (se bild . 4).

 

Avantages en termes d’applications
Ce type de roulements offre de nombreux avantages aux utilisateurs : consommation d’énergie et coût total d’utilisation inférieurs, durée de service accrue, plus de possibilités pour concevoir des machines offrant un rendement énergétique supérieur.

Les avantages se situent à deux niveaux :

Pour le fabricant de moteurs industriels, l’utilisation de ces roulements l’aide à améliorer le rendement de ses moteurs. L’utilisation de roulements « Energy Efficient » permettra par ailleurs de satisfaire aux nouvelles exigences induites par le durcissement des réglementations américaines et européennes relatives aux rendements énergétiques attendu pour les années à venir.

Pour le client final, l’avantage direct est bien sûr la diminution de la consommation d’énergie et, par conséquent, du coût total de possession. Les dépenses d’énergie représentent 95 à 99 % du coût total de possession sur une période de 10-15 ans selon la taille du moteur (le reste correspondant aux coûts d’achat et de maintenance) (se bild . 5). De plus, les améliorations apportées aux roulements rigides à billes « Energy Efficient » ont montré qu’il est possible d’atteindre une durée de service plus longue grâce à une utilisation optimale du lubrifiant et une température de service inférieure. Les roulements rigides à billes « Energy Efficient » sont alors encore plus attractifs dans la mesure où ils contribuent à l’allongement de la durée de service des machines.

Les équipements entraînés par un moteur comme les pompes, compresseurs et ventilateurs représentent environ 16 % de l’énergie totale consommée dans des applications industrielles aux États-Unis et il en va de même dans la plupart des pays industrialisés. Compte tenu de la hausse constante des coûts énergétiques, tous les moyens qui permettent d’économiser l’énergie sont importants. Bien que les roulements ne représentent que 0,6 % de la consommation d’énergie estimative dans un moteur électrique, une amélioration de leurs performances peut contribuer de façon significative aux économies d’énergie (se bild . 7 et 8).

Si les nouveaux roulements rigides à billes « Energy Efficient » étaient utilisés sur tous les moteurs industriels en service aux États-Unis et en Europe, sur la base d’une diminution des pertes d’énergie de 30 % minimum, les économies engendrées seraient de l’ordre de 2,460 milliards de kWh par an. Cela représente 420 000 barils de pétrole – et cette estimation ne tient pas compte des millions d’autres moteurs utilisés à travers le monde.