Une bonne connaissance de la lubrification à la graisse est essentielle pour un fabricant de roulements. SKF met à profit ses connaissances en la matière pour créer de nouveaux produits et services qui contribuent au développement durable, à un meilleur rendement énergétique et à une durée de service accrue des roulements.

 

 

Les efforts de R&D déployés par SKF sont axés sur le développement de produits dans les domaines des roulements et des joints pour lesquels la maîtrise de la lubrification à la graisse est essentielle, étant donné que les défaillances des roulements sont dues, pour la plupart, à une lubrification incorrecte.

SKF dispose, en interne, des compétences requises pour analyser les lubrifiants et l’impact de la lubrification sur les performances des roulements au moyen d’une large gamme d’équipements sophistiqués d’analyse chimique, de mesure et d’essai.

Le lubrifiant et le système de lubrification font souvent partie intégrante du système de roulements pour lequel des graisses spécifiques sont sélectionnées en fonction de l’application. SKF ne fabrique pas proprement dit de graisse, mais a développé en partenariat avec des fournisseurs privilégiés une gamme de graisses destinées aussi bien au graissage initial de ses produits qu’à la relubrification.

L’expertise en matière de lubrification englobe également les graisseurs automatiques, mono-points ou multipoints, les systèmes de lubrification centralisée à lubrifiant perdu ou par circulation d’huile.

SKF propose également des formations consacrées à la sélection, la manipulation, l’inspection et la mise au rebut des lubrifiants et, plus généralement, à la maintenance axée sur la fiabilité. Une unité SKF spécifique, Engineering and Consultancy Services, aide au développement de produits en lien avec les applications d’arbres tournants ou de roulements.

LUBRIFICATION À LA GRAISSE POUR APPLICATIONS DE ROULEMENTS
Le roulement parfait serait un roulement sans lubrifiant. Cependant, le lubrifiant est nécessaire pour séparer les éléments roulants des pistes afin de prévenir les dommages pouvant résulter du (micro)glissement. L’agent de séparation idéal est un liquide capable de supporter le cisaillement avec de faibles pertes par frottement et de regarnir les surfaces des roulements (action auto-réparatrice).

L’utilisation de la graisse lubrifiante est très répandue en raison de sa consistance qui la rend facile d’emploi ; le risque de fuite est faible et elle procure également une action d’étanchéité. Par rapport à l’huile, la graisse protège de la corrosion et réduit le frottement, à condition d’appliquer une graisse de qualité dans des quantités suffisantes.

Une graisse lubrifiante a une durée de vie limitée [2, 3], généralement plus courte que celle du roulement [1]. Il existe des modèles perfectionnés pour calculer la durée de service des roulements et, dans la mesure où la durée de vie de la graisse influe souvent sur la durée de service du roulement, un modèle pour le calcul de la durée de vie de la graisse est plus que souhaitable. Malheureusement, la lubrification à la graisse [2] est un mécanisme si complexe qu’aucun modèle physique n’est actuellement disponible pour prédire la durée de vie des graisses. SKF a élaboré un modèle empirique qui permet de calculer la durée de vie de la graisse (ou l’intervalle de relubrification) pour une « graisse de bonne qualité ».

Pour les roulements rigides à billes, SKF a élaboré le concept de Facteur de performance des graisses (GPF – Grease Performance Factor) [3] (se bild . 1) pour prédire la durée de vie des graisses les plus connues et pour lesquelles des données sont disponibles. GPF = 1 correspond à la performance d’une « graisse de bonne qualité ». De nombreux types de graisses dépassent le niveau standard de « bonne qualité » et se caractérisent ainsi par un GPF>1. Sur la se bild . 1, la durée de vie de la graisse est représentée graphiquement en fonction de la température, de la vitesse (n d_m) et de la qualité de la graisse [3].

SKF recommande des limites de performances thermiques largement comprises dans les limites de température normalisées (se bild . 2). À l’intérieur des limites de performances recommandées, autrement dit la « zone verte » du concept de feux tricolores de SKF, la graisse présente un fonctionnement fiable et sa durée de vie (et l’intervalle de relubrification) peut être déterminée [8]. Les températures situées dans la zone orange de chaque côté de la zone verte sont acceptables uniquement pour de courtes périodes. Sous l’effet du temps, de la température, du pétrissage mécanique, du vieillissement et des risques de contamination, la graisse présente à l’intérieur d’un roulement se détériore et perd ses propriétés lubrifiantes. Après le remplissage initial réalisé lors de l’installation, des appoints en graisse permettent d’atteindre la durée de service escomptée. Concernant la relubrification, trois facteurs sont déterminants pour un fonctionnement fiable : le type de graisse, la quantité et la fréquence d’application. La quantité appliquée et la fréquence du graissage dépendent des conditions de service et de la méthode employée : graissage manuel, utilisation d’un graisseur automatique ou d’un système de lubrification. Ces connaissances sont réunies au sein de systèmes experts : LubeSelect, LuBase et DialSet, disponibles via Internet.

PHYSIQUE DE LA LUBRIFICATION À LA GRAISSE
La compréhension de la physique et de la chimie de la lubrification à la graisse est essentielle pour pouvoir prédire les performances de la graisse à l’intérieur d’un roulement. Des essais d’endurance de la graisse dans les conditions d’application ne sont généralement pas réalisables puisqu’une application est conçue pour une durée très longue. Dans la pratique, les conditions établies pour les essais sont plus sévères (températures et/ou vitesses supérieures) que les conditions réelles de l’application. En outre, les bancs d’essai de durée de vie des graisses fonctionnent parfois avec des roulements normalisés qui diffèrent de ceux de l’application.

Les performances des graisses lubrifiantes dépendent non seulement de leurs propriétés, mais aussi de la géométrie interne du type de roulement en question.

La connaissance de la physique et de la chimie des graisses lubrifiantes permet « d’extrapoler » les résultats des essais aux conditions pour lesquelles aucune donnée d’essai n’est disponible. Les résultats des tests de durée des graisses sont utilisés par ailleurs pour valider des modèles physiques élaborés pour la lubrification à la graisse. Le Centre d’ingénierie et de recherche SKF a approfondie ses connaissances et développé des modèles en tribologie/lubrification et physique/chimie pour une meilleure compréhension de la lubrification à la graisse. Parmi les domaines scientifiques sur lesquels s’appuie le développement des modèles de prédiction de la durée de vie des graisses, citons la rhéologie, la dynamique des fluides, la chimie, la lubrification élastohydrodynamique et la statistique.

Dans la première phase de fonctionnement du roulement, la graisse s’écoule. La majeure partie termine sur le côté des pistes et une certaine quantité reste à l’intérieur de la « zone de balayage ». La répartition de la graisse à l’intérieur du roulement pendant et après cette phase relève de la dynamique des fluides et des propriétés rhéologiques de la graisse. Appliquer la théorie de la dynamique des fluides à l’écoulement de la graisse n’est pas simple ; en effet, une graisse lubrifiante n’est pas véritablement un fluide. La graisse vieillit sous l’effet de la température et du pétrissage mécanique, un phénomène très marqué à l’intérieur d’un roulement, ce qui ajoute à la complexité du problème. La théorie de la dynamique des fluides/rhéologie est utilisée pour prédire les propriétés de ressuage d’une graisse. La compréhension de la chimie de la lubrification à la graisse est importante pour prédire l’oxydation de l’huile de base et de l’épaississant [4]. La chimie de la graisse permet par ailleurs de déterminer les propriétés de la lubrification limite.

La graisse lubrifiante est supposée former un film de séparation qui peut être un film limite ou résulter de l’action hydrodynamique. Dans les roulements, la déformation élastique des corps en contact produit une géométrie d’entrée favorable à la formation du film, ce phénomène est appelé « lubrification élastohydrodynamique » (EHD). Cette technologie est bien implantée pour la lubrification à l’huile mais pas encore pour la lubrification à la graisse pour laquelle l’épaisseur de film est dépendante de la disponibilité du lubrifiant sur les chemins (on parle généralement de
« contact EHD sous-alimenté ») et des « particules » d’épaississant. La se bild . 3 est une image par interferométrie d’un contact lubrifié à la graisse. Le film n’est pas lisse, compte tenu des particules d’épaississant qui pénètrent dans la zone de contact.

Enfin, la lubrification à la graisse n’est pas un processus déterministique. La répartition statistique concernant les défaillances vient compliquer encore plus la prédiction. SKF a développé de solides connaissances concernant les statistiques Weibull qui sont mises à profit pour évaluer la durée de service des roulements et les résultats d’essais de durée des graisses [6].

ESSAIS SUR LES GRAISSES
Pour prédire la durée de vie des graisses lubrifiantes à l’intérieur d’un roulement, SKF a mis au point des machines d’essai qui sont utilisées à travers toute l’industrie. Il s’agit des bancs d’essai R0F (roulements à billes) et R2F (roulements à rotule sur rouleaux). Les bancs d’essai R0F ont été modernisés (R0F+) pour plus de flexibilité en termes de vitesse, de charges et de température. Le Centre d’ingénierie et de recherche SKF compte un grand nombre de bancs R0F et R0F+ qui permettent de réaliser 140 tests simultanément (se bild . 4).

Outre les tests d’endurance des graisses, des essais fonctionnels sont réalisés sur le couple au démarrage, le frottement, la résistance à la corrosion, les vibrations (V2F), le bruit associé à la graisse (BeQuiet+), etc.. Un laboratoire chimique très bien équipé est utilisé pour évaluer les résultats d’essais.

DÉVELOPPEMENT DE PRODUITS ET LUBRIFICATION À LA GRAISSE
Plusieurs exemples montrent à quel point une bonne connaissance de la lubrification à la graisse peut influencer le développement de nouveaux produits, comme la nouvelle génération de roulements éco-énergétiques SKF. Sur la se bild . 5 est représenté un roulement rigide à billes éco-énergétique (E2) SKF. Les roulements rigides à billes SKF E2 présentent des pertes par frottement inférieures d’au moins 30 % par rapport à des roulements SKF standard de même taille. Développés pour les applications lubrifiées à la graisse, les roulements SKF E2 consomment en outre moins de lubrifiant.

Dans un roulement rigide à billes SKF E2 (se bild . 6), la durée de la graisse est deux fois plus longue que dans un roulement standard, ce qui contribue en fait à doubler la durée de service du roulement. La réduction du frottement peut être attribuée à l’amélioration de la lubrification à la graisse : une graisse unique associée à une géométrie interne améliorée et à un nouveau modèle de cage.

Une nouvelle graisse aux excellentes propriétés contre le faux effet Brinell pour les paliers de pales et de mouvements de lacet des éoliennes a pu être mise au point suite au développement par SKF de son propre banc d’essai interne et d’une méthode relative au faux effet Brinell. Les résultats d’essais de la nouvelle graisse pour paliers de pales et de mouvements de lacet, par rapport à une graisse standard, sont représentés graphiquement sur la se bild . 7 où le frottement est exprimé en fonction du nombre d’oscillations. Si le frottement continue d’augmenter au fil du temps, la défaillance est alors proche. Les courbes en bleu correspondent aux mesures relatives à une graisse du commerce. Les courbes en vert correspondent aux données relatives à la graisse SKF LGBB 2 qui forme une couche tribologique de protection. Cette graisse présente des valeurs de frottement très faibles sur un nombre de cycles important, qui se traduisent par une longue durée de service à l’intérieur des paliers.

La se bild . 8 montre la plage de fonctionnement de plusieurs graisses dans des conditions similaires à celles d’un palier de pale en service. En cas de glissement partiel, l’oscillation est si faible que le glissement n’a lieu que sur les bords du contact, tandis qu’une adhérence se produit au centre du contact hertzien. Un glissement total se produit lorsque les oscillations sont si élevées que même le centre du contact se met à glisser. L’usure de contact apparaît généralement lorsque les oscillations sont faibles, trop faibles pour chasser des particules d’usure dures hors du contact. La graisse SKF LGBB2 présente d’excellentes propriétés anti-fretting et peut également être utilisée en présence d’oscillations importantes. La graisse offre d’excellentes performances à basse température et de bonnes propriétés anticorrosion qui en font un produit parfaitement adapté pour les applications de paliers de pales et de mouvements de lacet d’éoliennes.

Pour des applications de machines à papier, SKF a mis au point le « lubrifiant à épaississant polymère SKF », ou graisse polymère, en remplaçant le traditionnel savon épaississant par un polymère [7]. Le polymère est apolaire, autrement dit, il ne fait pas concurrence à la surface métallique pour attirer les additifs. Une graisse conventionnelle contient 10 à 20 % de savon épaississant métallique (polaire) et 80 à 90 % d’huile de base incluant les additifs. Le lubrifiant à épaississant polymère contient quant à lui 10 à 13 % de polypropylène (PP), un matériau apolaire, et 87 à 90 % d’huile incluant les additifs. Le processus unique d’élaboration de la graisse à épaississant polymère repose sur une opération innovante de chauffage et refroidissement rapide du polymère en vue de sa dissolution dans l’huile. Il en résulte une structure à maillage tridimensionnelle qui agit comme une graisse à savon épaississant métallique « normale ». La graisse fait preuve d’une grande endurance sur le banc d’essai R0F, même en l’absence d’additifs, et se révèle donc plus écologique avec des intervalles de relubrification plus longs. La consommation de graisse s’en trouve réduite. La nouvelle graisse polymère offre d’excellentes performances à basse température et sa fabrication nécessite moins d’énergie.

Les exigences auxquelles doit répondre une graisse destinée aux paliers des arbres principaux dans les éoliennes sont liées aux conditions de service difficiles : la graisse doit offrir une grande fiabilité malgré des charges élevées au niveau du contact, des vitesses faibles et une alternance d’oscillations et de repos. Des difficultés supplémentaires se posent dans le cas des éoliennes installées en mer ou sous des climats froids. SKF a mis au point trois graisses différentes pour les applications d’arbres principaux d’éoliennes. Le Tableau 1 présente les propriétés de ces graisses. Les trois graisses sont largement utilisées et approuvées par plusieurs constructeurs d’éoliennes. Le choix de la graisse dépend du type de joint, ainsi que des conditions et de l’environnement de service.

SKF offre à ses clients pour les applications d’arbres principaux des solutions complètes qui englobent graisses, paliers, joints, conse bild urations de roulements, systèmes de lubrification, écrous de serrage, services de montage, lubrifiants, analyses et maintenance conditionnelle.

CONCLUSION
SKF contribue au développement durable et favorise les solutions respectueuses de l’environnement à travers la recherche et la mise en pratique de ses connaissances en matière de lubrification à la graisse. Une durée de service et des intervalles de relubrification plus longs se traduisent par une diminution des besoins de maintenance et une réduction des déchets.

Références
[1] E. Ioannides, G. Bergling, et A. Gabelli.
An analytical formulation for the life of rolling bearings. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.
[2] P.M. Lugt. A review on grease lubrication in rolling bearings. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.
[3] B. Huiskamp. Durée de la graisse dans les roulements rigides à billes graissés à vie. Evolution, 2:26–28, 2004.
[4] A. van den Kommer et J. Ameye. Prediction of remaining grease life- a new approach and method by linear sweep voltammetry. Proceedings Esslingen Conference, pages 891–896, 2001.
[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner, et P.M. Lugt. Prediction of film thickness decay in starved elasto-hydrodynamically lubricated contacts using a thin-film layer model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.
[6] T. Andersson. Endurance testing in theory. Ball Bearing Journal, 217:14–23,1983.
[7] D. Meijer, D. Polymer thickened lubricating grease. European Patent Application,(EP 0 700 986 A3), 1996.
[8] Catalogue général SKF.