Compétences en ingénierie

Nouvelle solution de roulements pour compresseurs et pompes à vide

SKF propose désormais une gamme élargie et améliorée de roulements à billes à contact oblique à une rangée destinés aux applications de compresseurs à vis et pompes incluant notamment les applications de pompes industrielles à vide. Ces roulements contribuent à augmenter les densités de puissance et améliorent les performances de l'équipement considéré. Grâce à des vitesses admissibles plus importantes en fonctionnement, couplées à une réduction significative des pertes par frottement, les rendements de votre application s’en trouveront considérablement accrus. Cette nouvelle offre, disponible à un prix compétitif, s’inscrit pleinement dans une démarche de gestion durable, ayant pour principal objectif la réduction de notre empreinte environnementale.

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Compresseur ou pompe à vide type reposant sur la technologie bi-vis.

On considère souvent l’air comprimé comme le « quatrième fluide ». Nombreuses sont les installations de production dont le bon fonctionnement dépend de la fiabilité et de l’efficacité de systèmes de compresseurs. Le compresseur bi-vis est très couramment utilisé dans l’industrie. Outre l’air comprimé, un nombre croissant de processus de production modernes nécessite la création et le maintien d’une certaine qualité de vide désirée. Les pompes à vide – généralement très similaires aux compresseurs à air – sont courantes dans de nombreux secteurs industriels. On les retrouve, entre autres, dans l’industrie agroalimentaire, les emballages, l’optique, l’électronique, l’industrie chimique ou encore la pharmaceutique, dans lesquels elles sont utilisées pour la mise en œuvre de technologies de revêtement PVD (Physical Vapour Deposition ou dépôt physique en phase vapeur) et CVD (Chemical Vapour Deposition ou dépôt chimique en phase vapeur), par exemple. En outre, des installations d’expérimentation scientifique à grande échelle, telles que les détecteurs d’onde gravitationnelle, utilisent également des pompes à vide.

Comme les compresseurs bi-vis, le principe de fonctionnement des pompes à vide repose sur deux axes filetés qui s’engrènent et tournent dans des directions opposées. Par succion, le fluide pompé est emprisonné entre les deux vis d’aspiration. Celui-ci est ainsi progressivement comprimé puis relâché dans une zone de décharge. À travers ce phénomène d’aspiration et compression de fluide, on parvient à créer, dans un espace clos, le niveau de vide recherché.

Au sein d’un compresseur bi-vis, les rotors sont des composants critiques. Ces derniers supportent les charges induites par la pression du gaz tout en assurant un positionnement radial et axial précis des vis de compression. Dans cette optique, les pleines performances d’un compresseur à vis reposent sur la réduction de jeu entre les vis de compression et la réduction de jeu (axial et radial) entre les vis de compression et leur logement.

Les marchés des pompes et compresseurs nourrissent de grandes attentes : vitesses supérieures, modèles plus compacts, positionnement axial de l’arbre encore plus précis et performances robustes des roulements-supports. Les roulements ainsi dénommés, qui absorbent les charges contraires et ont une influence directe sur le réglage de l’espace entre les rotors et leurs paliers, peuvent être mis à rude épreuve lorsque des vitesses élevées sont combinées à de faibles charges. Sur des applications de pompes à vide, l’obtention de performances optimales repose sur une plage étendue de vitesse de fonctionnement et le rendement (par des espaces d’étanchéité serrés) tout en limitant le dégagement de chaleur.

Compresseur à vis équipé de roulements à billes à contact oblique dont l’angle de contact est de 25°.

Conception améliorée

SKF répond déjà à ces attentes. Le fabricant a introduit plusieurs améliorations dans la conception de ses roulements et développé une nouvelle gamme afin que le roulement à billes à contact oblique à une rangée SKF Explorer réponde aux demandes de performances actuelles et à venir. La première de ces innovations concerne une nouvelle cage dotée d’une géométrie optimisée et fabriquée dans un tout nouveau laiton pour garantir des vitesses de fonctionnement supérieures associées à une réduction des frottements générés.

SKF a, par ailleurs, complété sa gamme standard de roulements à billes à contact oblique avec une variante qui présente un angle de contact de 25°. Comme les roulements standard, cette variante intègre la nouvelle cage optimisée. Par rapport à un angle de contact de 40°, l’angle de contact plus faible de 25° permet au roulement d’atteindre des vitesses supérieures tout en offrant de meilleures performances dans les applications de roulements-supports soumis à des charges légères. Véritable compromis technologique, les roulements avec un angle de contact de 25° présentent en outre une capacité de charge radiale supérieure, particulièrement intéressante lorsqu’il s’agit de supporter principalement des charges radiales. Ils permettent alors de réduire l’encombrement de la machine. Figurant dans le catalogue Roulements, leur disponibilité sous des délais de livraison courts est garantie partout dans le monde.

L’avantage supplémentaire de cette série comportant un angle de contact de 25° est son interchangeabilité. Ils peuvent en effet remplacer d’autres roulements ayant également un angle de contact de 25° ou de 40°. Cette dernière caractéristique les rend privilégiés dans des montages en duplex ou triplex sans qu’une opération de mesure complémentaire ne soit nécessaire.

Une variante de roulement à billes à contact oblique, dont l’angle de contact est de 25°, vient compléter la gamme standard.
Résultats de calculs comparatifs sur roulements disposant d’un angle de contact de 25° et de 40°.
Valeurs de vitesses limites sur roulements à billes à contact oblique à une rangée dotée d'une cage usinée en laiton.
Mesure de températures de fonctionnement sur roulements à billes à contact oblique à une rangée dotés d'une cage usinée en laiton, lubrifiés à la graisse.

Exemple de réalisation

Un client a sollicité l’assistance technique SKF pour valider la conception d’une nouvelle génération de pompes à vide. Les équipes techniques SKF ont réalisé une analyse complète du montage de roulements à l’aide de l’outil de simulation interne SimPro Expert. Cette modélisation a notamment mis en lumière quelques limites de performance des roulements à billes à contact oblique dont l’angle de contact est de 40°. Ces derniers présentaient notamment des inconvénients majeurs en termes de durée de vie limitée, des variations importantes de la cinématique de l’angle de contact, ainsi que des pertes par frottement élevées.

Aussi, à des vitesses très élevées, les forces centrifuges exercées sur les billes induisent des concentrations de contraintes plus importantes. Dans ces conditions, un angle de contact plus faible, de l’ordre de 25°, offre une meilleure cinématique des éléments roulants.

Le post-traitement des données de modélisation a également révélé des vitesses admissibles supérieures à la normale pour des conditions de charges axiales légèrement inférieures aux standards. L’interprétation des simulations a mis en lumière un montage de roulement optimisé à travers une configuration en duplex intégrant les nouveaux roulements SKF Explorer à billes à contact oblique d’angle 25° montés avec un faible jeu.

Les résultats de calcul visibles sur les graphiques ci-dessous mettent en évidence les écarts de performances au niveau de la durée de vie théorique calculée et de l’estimation des pertes de puissance.

Une étude dynamique non-linéaire des roulements sur une pompe à vide a été réalisée avec l'outil de simulation SKF SimPro Expert.

Des améliorations avantageuses

Les dernières améliorations apportées à la gamme de roulements à billes à contact oblique SKF Explorer offrent de nombreux avantages aux clients, notamment en termes de coût et de disponibilité de cette solution technique. En matière de performances, les roulements à billes à contact oblique avec un angle de contact de 25° atteignent des vitesses supérieures. Utilisés comme roulements-supports, ils offrent également de meilleures performances lorsqu’ils sont soumis à des charges légères.
La capacité de charge radiale peut également être exploitée pour réduire l’encombrement des machines. En outre, le nouveau design de la cage usinée en laiton contribue à garantir un fonctionnement plus silencieux et des pertes par frottement réduites. Les options de conception offrent une grande flexibilité avec trois classes de jeu et trois classes de précharge. L’appariement universel des roulements à contact oblique d’angle de 40° ou 25° simplifie la logistique, la gestion des stocks et l’assemblage des machines. À tous ces avantages viennent s’ajouter la disponibilité mondiale et des délais de livraisons rapides garantis par SKF.