Analyse des défaillances de roulements : un guide technique pour l'identification diagnostique et l'atténuation

1. Introduction

Les roulements sont des composants essentiels des équipements rotatifs industriels, car ils facilitent le mouvement tout en supportant la charge. Malgré leur ingénierie de précision, les roulements représentent un pourcentage important des pannes de machines dans le secteur manufacturier. Les temps d'arrêt imprévus résultant d'une défaillance des roulements entraînent des coûts opérationnels importants et réduisent le débit. Ce guide examine le mécanisme de défaillance des roulements sur la base des normes ISO 15243, fournissant aux ingénieurs de maintenance les outils nécessaires à l'identification du diagnostic, à l'analyse des causes profondes et à l'atténuation.

2. Principes fondamentaux

Les roulements fonctionnent sur le principe de la contrainte de contact hertzienne, où la charge est transmise par des éléments roulants (billes ou rouleaux) entre les chemins de roulement. La durée de vie en fatigue d'un roulement, définie comme le nombre de tours qu'il peut supporter avant l'apparition de la fatigue souterraine du métal, est régie par le calcul de la durée de vie L10, établi dans ISO 281. Dans des conditions de fonctionnement normales, la défaillance se produit en raison d'une fatigue progressive. Cependant, les écarts opérationnels, notamment la contamination, les défauts de lubrification, un montage incorrect ou une décharge électrique, accélèrent considérablement ce processus.

3. Spécifications techniques et normes

Le respect des normes internationales est obligatoire pour l’ingénierie de fiabilité. Les normes clés comprennent :

• ISO 281 : Roulements – Charges dynamiques et durée de vie nominale.
• ISO 15243 : Roulements – Dommages et pannes – Conditions, caractéristiques et causes.
• ISO 10816 : Vibrations mécaniques – Évaluation des vibrations de la machine par des mesures sur des pièces non rotatives.
• IEC 60034-25 : Conseils pour la conception et les performances des moteurs à courant alternatif spécialement conçus pour l'alimentation par convertisseur, essentiels pour lutter contre l'érosion électrique.

Les équipes d'ingénierie doivent utiliser des classifications de jeu de roulement (par exemple, C2, Normal, C3, C4) appropriées à la température de fonctionnement et aux exigences d'ajustement définies par ISO 286..

4. Guide de sélection et de dimensionnement

La sélection appropriée des roulements nécessite un équilibre entre la capacité de charge, la vitesse, la température et l'environnement. La matrice suivante présente les critères de décision fondamentaux pour les ingénieurs.

Pour déterminer la durée de vie nécessaire des roulements, utilisez la formule L10 = (C/P)^p, où C est la charge dynamique de base, P est la charge dynamique équivalente et p est 3 pour les roulements à billes ou 10/3 pour les roulements à rouleaux.

5. Meilleures pratiques d'installation et de mise en service

La défaillance des roulements est souvent provoquée pendant la phase d'installation. Les meilleures pratiques incluent :

• Ajustements avec interférence : Utilisez un chauffage par induction ou des presses hydrauliques. Ne frappez jamais directement le roulement avec un marteau.
• Propreté : Maintenir les normes de salle blanche dans l'environnement d'assemblage. La contamination est l’une des principales causes de défaillance prématurée.
• Lubrification : Utilisez des lubrifiants répondant aux normes DIN 51825. Respecter strictement les spécifications de volume du fabricant ; une surlubrification peut provoquer un emballement thermique dû au barattage.
• Alignement : Garantissez l'alignement laser des arbres à 0,05 mm ou mieux pour éviter les concentrations de contraintes localisées.

6. Modes de défaillance et analyse des causes profondes

L'identification des pannes nécessite une analyse visuelle précise telle que définie par ISO 15243.

6.1 Écaillage (fatigue par contact par roulement)

L’écaillage se présente sous la forme d’un écaillage localisé ou de piqûres de la surface du chemin de roulement. La fatigue souterraine commence sous la surface et se propage vers le haut ; il est considéré comme le mode de défaillance limite de conception. La fatigue de surface résulte d'une contamination ou d'une rupture du film lubrifiant, entraînant des indentations microscopiques et une dégradation accélérée.

6.2 Brinell

Le véritable Brinelling est une déformation plastique provoquée par des charges statiques dépassant la limite élastique du matériau du chemin de roulement, souvent due à un montage incorrect ou à un impact. Le faux Brinelling se produit en raison de vibrations pendant le transport ou le stockage à vide, se manifestant par des dépressions d'usure localisées correspondant à l'espacement des éléments roulants sans présence de charge importante.

6.3 Frettage

Le fretting (corrosion par contact) se produit en raison d'un micro-mouvement entre les pièces accouplées, telles que la bague intérieure du roulement et l'arbre. Il se présente sous forme de particules oxydées (de couleur rouille) à l'interface, indiquant un ajustement serré ou une déflexion de l'arbre inadéquate.

6.4 Érosion électrique

Courant dans les applications de variateur de fréquence (VFD). Le passage du courant à travers le roulement génère un échauffement localisé et une fonte de la surface du chemin de roulement. Les indicateurs visuels comprennent des cannelures (motifs de planche à laver) sur le chemin de roulement et des piqûres sur les éléments roulants. L'atténuation nécessite des brosses de mise à la terre ou des roulements isolés.

7. Maintenance prédictive et surveillance de l'état

Les programmes de fiabilité doivent intégrer des techniques de surveillance proactives :

• Analyse des vibrations : ISO 10816 les normes fournissent des limites de vitesse pour l'évaluation des machines. L'analyse spectrale identifie des fréquences spécifiques correspondant aux défauts de la bague intérieure, de la bague extérieure et du passage de la bille.
• Échographie : L'analyse haute fréquence détecte la dégradation précoce du film lubrifiant avant l'augmentation détectable des vibrations.
• Analyse de l'huile : surveille le nombre de particules et les débris d'usure métalliques, essentiels pour suivre la progression de la fatigue.

8. Matrice de comparaison

9. Résumé

La fiabilité des roulements est essentielle à la disponibilité de l’usine. En appliquant une analyse systématique des pannes via ISO 15243, les ingénieurs de maintenance peuvent passer d'un remplacement réactif à des stratégies de fiabilité proactives. Pour des composants de remplacement conçus avec précision, des lubrifiants fiables et une assistance au diagnostic, visitez le catalogue électronique UNITEC-D. Explorez le catalogue électronique UNITEC-D ici.

10. Références

1. Organisation internationale de normalisation, ISO 281 : Roulements — Charges dynamiques et durée de vie nominale.
2. Organisation internationale de normalisation, ISO 15243 : Roulements — Dommages et pannes — Termes, caractéristiques et causes.
3. Commission électrotechnique internationale, IEC 60034-25 : Guide pour la conception et les performances des moteurs à courant alternatif spécialement conçus pour l'alimentation par convertisseur.
4. American Society of Mechanical Engineers, ASME/ANSI B3.15 : Normes pour les roulements industriels.