La clé consiste à abaisser la température de fonctionnement des roulements pour une durée de service accrue, des coûts de maintenance réduits et un impact environnemental moindre.

Les ventilateurs et soufflantesindustriels font partie des éléments critiques dans de nombreux processus industriels. En associant des connaissances dans plusieurs domaines clés (roulements et paliers, lubrification, joints et services), SKF est parvenu à mettre au point une solution standardisée pour améliorer les performances des ventilateurs.

Les défaillances des roulements de ventilateurs industriels s’avèrent généralement coûteuses. Une panne est susceptible d’entraîner un arrêt total de la production et, par conséquent, des pertes de plusieurs milliers d’euros. C’est pourquoi l’allongement de la durée de service des roulements de ventilateurs et soufflantes industriels fait partie des préoccupations prioritaires.

Auparavant, chaque opération d’amélioration de ventilateur était effectuée sur mesure en fonction de chaque application. Une solution SKF a été spécialement conçue pour réduire la température de fonctionnement et se compose de roulements et paliers optimisés, ainsi que d’un nouveau système de lubrification par circulation d’huile. L’abaissement des températures de fonctionnement se traduit par une fiabilité accrue, des coûts de maintenance inférieurs et une durée de service plus longue.

 

Des conditions exigeantes
Les ventilateurs et soufflantes doivent fonctionner au maximum de leurs possibilités. Des vitesses de rotation supérieures induisent des températures de fonctionnement supérieures. En outre, de nombreux ventilateurs sont utilisés pour évacuer des gaz chauds dont la température peut atteindre 100 à 600°C. Une partie de cette chaleur est transmise aux roulements par rayonnement et par conduction via l’arbre du ventilateur.

Des températures élevées ont également un effet négatif sur la lubrification des roulements car elles diminuent la durée de service de l’huile de base. La dégradation de la lubrification entraîne une augmentation du frottement à l’intérieur des roulements. Les défaillances prématurées de roulements sont dues, dans plus d’un tiers des cas, à des problèmes de lubrification.

 

Des composants capables d’abaisser la température
Une opération d’amélioration d’un ventilateur débute par une évaluation (analyse fonctionnelle de l’équipement visant à identifier les problèmes) qui permet de déterminer la manière de procéder.

La solution SKF d’amélioration des ventilateurs est composée d’un certain nombre d’éléments, chacun apportant sa propre contribution à l’abaissement de la température de fonctionnement des roulements. Un nouveau système de lubrification par circulation d’huile réduit les températures de fonctionnement et les besoins de maintenance, le système de roulements à alignement automatique SKF génère moins de frottement et la conception spéciale des paliers a été optimisée pour la lubrification par circulation d’huile. Un système de maintenance conditionnelle fait également partie de l’offre globale et permet d’être averti à un stade précoce d’une défaillance éventuelle d’un roulement.

 

Système de lubrification automatique
La lubrification est un élément essentiel de la maintenance préventive et peut être gérée de différentes manières en fonction de l’application. La lubrification manuelle à la graisse, la lubrification centralisée à la graisse, la lubrification par bain d’huile et circulation d’huile sont quelques exemples de méthodes parmi les plus courantes. Compte tenu des températures élevées auxquelles ils sont soumis, les roulements utilisés dans les ventilateurs d’évacuation des gaz chauds nécessitent généralement un système de lubrification par circulation d’huile. Dans ce type d’application, le système de lubrification joue un rôle important en termes de dissipation thermique. Des années d’expérience ont permis de mettre au point une nouvelle solution standard pour les systèmes de lubrification par circulation d’huile destinées aux ventilateurs industriels (se bild . 1).

Le système de lubrification par circulation d’huile apporte à chaque roulement une huile propre et fraîche, constituant ainsi l’élément majeur de la solution d’abaissement de la température. (se bild . 2).

Un réservoir de grande contenance laisse à l’huile suffisamment de temps de repos et de désaération. En service, il offre également l’avantage de permettre à l’huile de refroidir avant d’être à nouveau utilisée. Le réservoir est par ailleurs doté d’une résistance qui réchauffe l’huile au démarrage pour garantir une viscosité adéquate à tout moment. Une cartouche filtrante de grande capacité débarrasse l’huile des impuretés éventuelles. L’unité de lubrification par circulation d’huile intègre également des capteurs de pression qui donnent l’alerte en cas de pression excessive et lorsque les filtres doivent être remplacés. Si la pression dépasse un niveau donné, un circuit de dérivation s’ouvre automatiquement. Une soupape de décharge manuelle permet de changer les filtres en fonctionnement.

Le retour d’un flux excessif d’huile vers le réservoir pose fréquemment problème avec ce type d’unité. Une soupape de décharge est généralement employée pour résoudre ce problème, mais il en résulte des pertes d’énergie, une augmentation de la température de l’huile, ainsi qu’une accélération de l’usure des composants et de la dégradation de l’huile. Dans le système SKF, la solution consiste à minimiser le flux d’huile retournant vers le réservoir en optimisant la quantité globale d’huile en circulation. Cette méthode permet d’économiser l’énergie et l’huile et, par conséquent, de réduire l’impact sur l’environnement. Certaines variantes sont disponibles : chaque unité de lubrification à l’huile standardisée peut être équipée, par exemple, d’un refroidisseur et d’une unité de contrôle à des fins de surveillance et d’alarmes ou encore d’une pompe de secours pour les applications critiques. L’huile étant contenue dans un système parfaitement clos et sous contrôle, le risque de fuite de lubrifiant et, de ce fait, l’impact sur l’environnement sont minimisés. Pour les ventilateurs de très grandes dimensions, SKF propose la solution Flowline (cf. Evolution n° 4.2007), une gamme complète de systèmes de circulation d’huile conçus pour répondre à des exigences diverses.

 

Viscosité de l’huile
La fonction élémentaire d’un système de lubrification est de générer une pellicule d’huile très mince mais suffisante entre les éléments roulants, les pistes et la(les) cage(s) pour éviter en permanence tout contact métal sur métal. Cette pellicule d’huile doit présenter une épaisseur appropriée. L’épaisseur dépend de la température de service du roulement et de la viscosité de l’huile sélectionnée. Or, la viscosité varie en fonction de la température : plus la température est élevée, plus la viscosité sera faible. Par conséquent, le paramètre le plus important à prendre en compte lors de la sélection d’un lubrifiant est sa viscosité à la température de service du roulement.

L’efficacité de la lubrification dépend surtout de l’épaisseur du film séparant les surfaces de contact de roulement. Pour former un film adapté, le lubrifiant doit présenter une viscosité minimale donnée à la température de fonctionnement de l’application. L’état du film d’huile est indiqué par le ratio de viscosité, k :
k = v/v₁
avec
k = ratio de viscosité
v = viscosité du lubrifiant à la température de service, [en mm²/s]
v₁ = viscosité nominale à la température de service, en fonction du diamètre moyen et de la vitesse de rotation du roulement, [mm²/s].
(Concernant les recommandations relatives aux calculs, veuillez consulter le Catalogue général SKF)

Une valeur k comprise entre 1 et 4 à la température de service du roulement est recommandée. Cela correspond généralement à une viscosité de l’huile comprise entre 68 et 220mm²/s (ISO VG 68 à 220) à une température de référence de 40°C (100°F). Une valeur k inférieure à 1 révèle que les surfaces ne sont pas totalement séparées et qu’il existe un risque de contact métal sur métal. Une valeur k supérieure à 5 induit une augmentation du frottement à l’intérieur du roulement et, par conséquent, de la température de service.

 

Systèmes de roulements à alignement automatique
Dans les ventilateurs industriels, le système de roulements doit pouvoir supporter un défaut d’alignement, des flexions et une dilatation de l’arbre. Dans les applications conventionnelles, on utilise un montage de roulements à alignement automatique (se bild . 3) constitué de deux roulements à billes ou de deux roulements à rotule sur rouleaux. Ce système doit être spécialement conçu pour accompagner la dilatation thermique de l’arbre. L’un des roulements est monté en position de palier fixe et l’autre, en position de palier libre. Le roulement en position de palier libre se déplace axialement sur sa portée dans le palier. Ce déplacement génère un frottement considérable qui, à son tour, induit des vibrations, des efforts axiaux dans le montage et un dégagement de chaleur. Tous ces effets sont de nature à réduire la durée de service du roulement de manière significative.

Le système de roulements à alignement automatique de SKF (se bild . 4) apporte une solution à ce problème. Il se compose d’un roulement à alignement automatique en position de palier fixe et d’un roulement à rouleaux toroïdaux CARB en position de palier libre. Le roulement CARB est un roulement radial à alignement automatique dont la bague intérieure se déplace indépendamment de la bague extérieure, comme dans un roulement à rouleaux cylindriques. L’ensemble du système de roulements est capable de supporter un défaut d’alignement et des flexions de l’arbre. Le roulement CARB accompagne par ailleurs la dilatation de l’arbre sans pratiquement aucun frottement et sans induire de charge axiale interne.

En l’absence de charge axiale interne, la solution génère un faible frottement et les températures de service restent ainsi relativement faibles. Le système de roulements à alignement automatique SKF fonctionne par ailleurs avec des niveaux vibratoire et sonore réduits et permet d’obtenir des conceptions plus sûres et mieux optimisées. Les intervalles de relubrification et la durée de service des roulements s’en trouvent allongés.

Dans un système de roulements à alignement automatique SKF constitué d’un roulement à rotule sur rouleaux et d’un roulement CARB, les deux roulements appartiennent à la classe de performance SKF Explorer.

 

Palier
La gamme de paliers standard de SKF inclut des modèles spécialement conçus pour les problèmes de température. Les plus adaptés pour les ventilateurs industriels sont les paliers à semelle standard SONL (se bild . 6) et SAF. Ils conviennent pour des vitesses et des températures élevées.

Le palier SONL présente un réservoir profond capable de contenir un grand volume d’huile pour évacuer efficacement l’énergie thermique. Il convient aussi bien pour une lubrification par bain d’huile que par circulation d’huile et est équipé, pour éviter les fuites, d’un joint spécialement conçu et éprouvé.

Les paliers à semelle SAF sont disponibles dans des variantes standard pour lubrification par circulation d’huile. Ces dernières sont équipées de grands orifices de vidange pour recevoir de plus grands flux d’huile et contribuer à la dissipation thermique. Utilisés conjointement avec un système de lubrification à huile, les paliers à semelle SAF doivent être équipés d’un joint à huile à frottement LER pour éviter les fuites.

Des paliers à semelle SNL modifiés pour la lubrification à huile constituent une autre excellente alternative grâce à leurs joints à huile haute performance et à leurs excellentes propriétés de transfert de chaleur.

L’utilisation de l’un de ces paliers SKF en association avec le système de roulements à alignement automatique SKF réduit considérablement les températures de service des roulements.

 

Conclusion
Les roulements des ventilateurs installés dans des environnements chauds atteignent souvent la limite de température de service spécifiée. Grâce à des connaissances spécialisées, SKF est en mesure d’offrir une solution complète pour l’amélioration des ventilateurs industriels. Les résultats sont bénéfiques pour l’entreprise mais, surtout, pour l’environnement.