Analyse des défaillances des roulements à rouleaux : identification visuelle de la fissuration, du brinelling, du fretting et de l'érosion électrique

1. Introduction

Les roulements à rouleaux sont des éléments critiques de presque tout équipement industriel dans les usines ukrainiennes de l'industrie lourde, de la mécanique et de l'énergie. Selon les données d'audit technique de l'entreprise UNITEC-D GmbH, près de 35 % des arrêts non planifiés des équipements tournants sont liés à la défaillance prématurée des unités de roulements. La durée de vie calculée d'un roulement selon la norme ISO 281 ($L_{10h}$) est rarement atteinte en pratique en raison de la violation des conditions d'exploitation, d'installation ou de lubrification. La principale tâche de l'ingénieur en fiabilité est de ne pas simplement remplacer le composant défectueux, mais de déterminer précisément la cause racine (Root Cause Analysis). L'analyse visuelle et microscopique des traces de roulement et des éléments roulants permet de détecter les mécanismes de destruction du métal avant même que ne survienne une arrêt catastrophique de l'ensemble.

2. Principes fondamentaux

Le mécanisme de fonctionnement d'un roulement à rouleaux repose sur la transmission des charges radiales et axiales par déformation élastique des surfaces de contact des éléments roulants et des bagues. Les contraintes de contact de Hertz dans les zones de contact atteignent 1500–2500 MPa pour les aciers de marque 100Cr6 (ШХ15 conformément au ГОСТ / EN ISO 683-17). Sous l'effet des charges cycliques, des contraintes de cisaillement apparaissent dans les couches superficielles du métal. Après $10^6 - 10^9$ cycles, cela entraîne l'accumulation de lésions de fatigue, la formation de microfissures et un ultérieur écaillage du matériau (spalling).

La violation des conditions de séparation des surfaces par une couche de lubrifiant (viscosité calculée du lubrifiant inférieure à la valeur minimale selon ISO/TR 28168) entraîne un contact métallique, un usure par frottement, un microsoudage et une destruction de la structure cristalline de la couche superficielle. Tout écart par rapport aux paramètres calculés de fonctionnement modifie l'état de contrainte-déformation du noeud, laissant des traces visuelles spécifiques sur le métal.

3. Spécifications techniques et normes

Classification des pannes, méthodes de mesure et d'évaluation sont réglementées par les normes internationales et nationales harmonisées en Ukraine :

• ISO 15243:2017 — Roullements à rouleaux. Dictionnaire, terminologie et classification des défauts et des défaillances des roullements. Ce standard est de base pour définir les six groupes principaux de défaillances.
• ISO 281:2007/Amd 2:2019 — Roullements à rouleaux. Charge dynamique et durée de vie calculée.
• ISO 10816 / ISO 14819 — Contrôle vibratoire de l'état des machines industrielles.
• DSTU GOST 520:2014 — Roulements à roulement. Conditions techniques générales.
• DIN 51825 — Graisses lubrifiantes. Classification et exigences.

4. Choix et sélection des roulements

Un choix correct du roulement en fonction de la charge statique ($C_0$) et de la charge dynamique ($C$) évite les surcharges. Le chargement dynamique équivalent $P$ est calculé selon la formule :

P = X * F_r + Y * F_a

Où $F_r$ est la charge radiale, $F_a$ est la charge axiale, et $X$ et $Y$ sont les coefficients de charge radiale et axiale respectivement conformément au catalogue du fabricant.

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

Environ 16 % des pannes prématurées proviennent d'erreurs lors de l'installation. Le respect du programme d'installation est obligatoire :

• Montage à serrage : Interdiction de transmettre la force de serrage via les roulements (pour éviter le brinellage). Le montage est réalisé exclusivement sur l'anneau intérieur à l'aide de chauffeurs inductifs (température de chauffage ne dépassant pas +110°C conformément aux recommandations SKF/FAG) ou de clés hydrauliques.
• Purité de l'environnement : L'installation doit être effectuée dans des conditions exemptes de poussière et d'humidité. L'utilisation d'un graisse sale provoque un usure abrasive dans les premières heures de fonctionnement.
• Contrôle des jeux : Le jeu radial intérieur après montage est vérifié à l'aide d'un comparateur ou d'un micromètre conformément aux normes ISO 5753.

6. Modes de défaillance et analyse des causes premières (Root Cause Analysis)

Conformément à ISO 15243, les défauts sont classés selon les signes visuels. En dessous se trouve une description détaillée de quatre types critiques de défaillances, que l'ingénieur UNITEC-D rencontre le plus souvent sur les usines ukrainiennes.

6.1. L'écaillage (Spalling / Fatigue)

Définition : Érosion de la surface de travail de l'anneau ou du corps de roulement, suivie de la formation de cavités (cavités).

Indicateurs visuels : Bords aigus des cavités, fond rugueux de la cavité, couleur gris mat dans la zone de dégradation. Des microfissures sont observées à proximité.

Cause principale : Épuisement du calcul de la durée de vie du roulement ($L_{10h}$), surcharge chronique, serrage excessif ou viscosité insuffisante du lubrifiant (facteur EXD-liquide $\kappa < 1$).

6.2. Brinelling réel et brinelling faux (Brinelling)

Bruit de roulement réel : Apparaît sous l'effet de charges statiques dépassant la limite d'élasticité du matériau, ou d'efforts de percussion lors d'une arrêt. Visuellement : des creux sur la course de roulement qui reproduisent exactement le pas des éléments de roulement. Au fond des creux, on observe des traces de déformation plastique et un écrasement du métal.

Fretting corrosion / Fausses brinellures : Apparaît en raison des micro-vibrations des équipements inutilisés (par exemple, pompes de secours ou équipement lors du transport par rail). Visuellement : des creux ressemblant à des brinellures avec formation de produits d'oxydation (poudre rouilleuse de fer $ ext{Fe}_2 ext{O}_3$, « dépôt sanglant »). Un éclat métallique reste sur le fond des creux, contrairement aux vraies brinellures.

6.3. Fretting (Fretting / Glissement axial)

Définition : Détérioration des surfaces de montage due aux minimes déplacements relatifs microscopiques des pièces sous l'effet des vibrations.

Indicateurs visuels : Des taches de rouille apparaissent sur les surfaces de montage de l'arbre ou du carter, usure du matériau (écart augmentant), destruction de la couche d'oxyde.

Cause principale : Tension insuffisante de montage du roulement sur l'arbre ou sur le carter, desserrage des écrous de fixation, charges vibratoires en état non opérationnel.

6.4. Électro-érosion (Érosion électrique / Courants parasites)

Définition : Passage du courant électrique à travers les éléments internes du roulement, accompagné de décharges arcuelles microscopiques.

Indicateurs visuels : Surface mate des voies de roulement, fortement recouverte de microcratères (diamètre de 10 à 100 micromètres). Dans les cas avancés, on observe un effet de « relief » ou de « repoussage » (fluting) — des rainures sombres parallèles dont le pas correspond au passage des éléments de roulement. Le métal dans les zones des cratères présente des signes de recuit (transformations martensitiques dans les micro-volumes).

Cause principale : Courants de Foucault dus aux travaux de soudage sur le châssis de l'unité, asymétrie du champ magnétique du moteur électrique, fonctionnement du moteur à partir d'un variateur de fréquence (Inverter) sans utilisation d'paliers isolés (par exemple, avec des bagues en céramique hybrid bearings) ou des balais pour déposer le potentiel de l'arbre.

7. Prévision de l'état technique et monitoring

Pour prévenir les accidents soudains sur les usines ukrainiennes, on applique un complexe de méthodes de diagnostic :

• Analyse vibratoire : Mesure du spectre de vibration (FFT) et méthodes à haute fréquence (démodulation, méthode du choc pulsé - SPM). L'apparition d'harmoniques des fréquences de défaut du anneau externe ($BPFO$), de l'anneau interne ($BPFI$), des éléments roulants ($BSF$) et du séparateur ($FTF$) indique le développement de défauts locaux.
• Analyse d'huile (Analyse d'huile / Ferrographie) : Détermination de la concentration des produits de l'usure dans l'huile (spectrométrie), présence de particules métalliques supérieures à 20 µm indique une usure active des chemins.
• Thermométrie : Contrôle de la température du corps du roulement. Une survenue au-delà du seuil de +75°C... +95°C (selon le type de graisse) indique des problèmes d'huilage ou de surcharge.

8. Matrice comparée des défauts des roulements

9. Conclusion

Une identification précise des défauts des roulements à rouleaux est la clé pour réduire les coûts d'entretien des équipements industriels. L'ignorance des premiers signes visuels d'érosion électrique, de fretting ou de fissuration par fatigue entraîne inévitablement des défaillances catastrophiques des unités. Les ingénieurs UNITEC-D GmbH assurent la fourniture de roulements certifiés (selon les normes européennes de qualité), ainsi qu'une assistance experte pour le choix des composants pour les entreprises industrielles ukrainiennes.

Pour le choix de systèmes d'embrayage fiables, de graisses industrielles et d'outils d'assemblage, consultez notre catalogue électronique : UNITEC-D E-Catalogue.

10. Références

1. ISO 15243:2017. Paliers à roulement — Vocabulaire, et classification des dommages et des pannes dans les paliers.
2. ISO 281:2007. Paliers à roulement — Charges dynamiques de base et durée de vie de base.
3. Catalogue général SKF. Lignes directrices d'analyse des dommages et des pannes des roulements. Publication 10000 EN.
4. DIN 51825 : Graisses lubrifiantes K — Classification et exigences.
5. GOST 520-2014 / DSTU GOST 520:2014. Paliers à roulement. Conditions techniques générales.