Lubrification des roulements : graisse contre huile, intervalles de renouvellement et systèmes automatisés

1. Introduction

Les études des indicateurs de fiabilité des équipements industriels sur les entreprises ukrainiennes des secteurs de la mécanique et des mines montrent que jusqu'à 36 % des pannes prématurées des roulements à rouleaux sont causées par des problèmes d'huilage. Une quantité insuffisante de lubrifiant, sa dégradation, son contamination par des particules étrangères ou l'utilisation d'une viscosité inadaptée entraînent un frottement sec, un micro-soudage des surfaces de roulement et un blocage thermique. Les conditions d'exploitation sur les combinaisons métallurgiques ou les usines de ciment exigent des connaissances approfondies en tribologie des ingénieurs mécaniciens pour atteindre l'indicateur cible de fiabilité MTBF (Mean Time Between Failures) supérieur à 50 000 heures.

Les spécialistes de la société UNITEC-D GmbH s'heurtent quotidiennement à des tâches de sélection de composants et de rédaction de réglementations d'entretien technique pour des conditions de production complexes. Dans cet article technique, nous examinerons les bases physiques du choix entre les graisses et les huiles liquides, nous fournirons des formules de calcul pour déterminer les intervalles de renouvellement conformément aux normes en vigueur et nous analyserons l'efficacité des systèmes d'huilage automatique (Centalized Lubrication Systems).

2. Principes fondamentaux de la tribologie des roulements

L'objectif principal de graissage dans les roulements à rouleaux est la création d'une couche huileuse séparatrice entre les corps de roulement (boules ou rouleaux), les courses de roulement des anneaux et le séparateur. L'épaisseur de cette couche est déterminée par le paramètre d'épaisseur spécifique de la couche $\\lambda$:

\\lambda = \frac{h_{min}}{\\sqrt{R_{q1}^2 + R_{q2}^2}}

$ h_{min} $ — épaisseur minimale de la couche d'huile (µm), et $ R_{q1}, R_{q2} $ — rugosité quadratique moyenne des surfaces de contact (µm). La valeur $ \lambda $ détermine le mode de friction dans l'articulation :

• $\\lambda > 3$: Film hydraulique complète ou élastohydraulique (EHD). Aucun contact métallique direct, l'usure est pratiquement nulle.
• $1 < \\lambda \\le 3$ : Frottement mixte. Contact microlocal partiel des rugosités. Nécessite des additifs EP (Extreme Pressure) et AW (Anti-Wear).
• $\\lambda \\le 1$: Friction limite. Risque élevé de débris, déformation plastique et fatigue de la surface (micropitting).

La viscosité de base du matériau lubrifiant ($\ u_1$) à la température de fonctionnement est un paramètre critique pour obtenir $\\lambda > 2$. Selon ISO 15312, elle est calculée sur la base du diamètre moyen du roulement $d_m = (d+D)/2$ et de la fréquence de rotation $n$. Si la température de fonctionnement du roulement est de +70 °C, et que la viscosité cinématique calculée est de 30 mm²/s, l'application de graisse de classe NLGI 2 à base d'huile minérale ISO VG 100 assurera une fonctionnement stable jusqu'à $n \\cdot d_m = 300 000$ mm·tr/min.

3. Spécifications techniques et normes

Le projet et la maintenance des éléments de frottement sont réglementés par un ensemble d'normes internationales et nationales. Le respect de ces normes garantit la sécurité d'exploitation et la compatibilité des pièces de rechange fournies par UNITEC-D GmbH :

• ISO 281: Paliers à roulement. Calcul de la capacité de charge dynamique et de la durée de vie nominale (en tenant compte du facteur de résistance à la fatigue modifié $a_{ISO}$ pour les conditions de lubrification).
• DIN 51825: Graisses à base de soufre, type K. Classification des graisses selon leur application (par exemple, KP2K-30 pour des charges élevées).
• ISO 6743-9: Matériaux lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification des systèmes et des lubrifiants (groupe X pour les graisses).
• DSTU GOST 21150:2009 : Graisses à usage général (exigences techniques, harmonisées avec les normes européennes).
• IEC 60034-9 / DIN 51818: Classification des graisses à base de soufre selon le degré de pénétration NLGI (National Lubricating Grease Institute) de 000 à 6.

4. Choix et calcul : graisse ou huile

Le choix entre un lubrifiant et un huile dépend de la vitesse de rotation ($n$), du chargement ($P$), de la température de travail et des particularités constructives du boîtier. Voici une matrice comparative pour prendre des décisions techniques.

Calcul de l'intervalle d'approvisionnement en graisse (tₕ) :
Pour les roulements à billes radiaux standards, la formule empirique SKF pour déterminer l'intervalle d'approvisionnement (en heures) est la suivante :

\\log t_f = 6,54 - 2,6 \\cdot \frac{n}{N_{F}} - 0,03 \\cdot d

De:
- $n$ — fréquence de rotation nominale (tr/min)
- $N_{F}$ — vitesse limite pour le lubrifiant (tr/min)
- $d$ — diamètre intérieur du roulement (mm)

Exemple : Pour le roulement 6312 ($d = 60$ mm, $D = 130$ mm) à une vitesse de fonctionnement de 2000 tr/min et à une vitesse limite du lubrifiant de 6300 tr/min, l'intervalle de renouvellement calculé sera d'environ 3800 heures sous conditions normales (température jusqu'à +70 °C, absence de vibrations).

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

Un remplissage initial incorrect du roulement avec de la graisse est souvent la cause de pannes dès les premières semaines de fonctionnement. Respectez les normes techniques suivantes :

1. Volume de graissage du carter : Le roulement à rouleaux doit être graissé jusqu'à 30-50 % de l'espace libre dans le carter. Un graissage excessif (plus de 70 %) entraîne un mélange intensif de graisse, une augmentation brutale des pertes hydrauliques, un surchauffage et un écoulement de graisse à travers les joints.
2. Compatibilité des graisseurs : Il est formellement interdit de mélanger des graisses de différents types de graisseurs. Par exemple, le mélange d'un complexe lithium avec un sulfonate de calcium ou bentonite peut entraîner la destruction de la structure de la graisse (épaississement et fuite) en raison d'une incompatibilité des bases savonneuses. Veuillez consulter les fiches techniques des fabricants avant le ravitaillement.
3. Nettoyage lors de l'assemblage : Conservez les matières grasses dans des cartouches hermétiques ou des emballages en sacs. Utilisez des seringues et des pompes destinées exclusivement à un type spécifique de graisse, afin d'éviter la contamination croisée par des particules abrasives.

6. Types de défaillances typiques et analyse des causes premières (RCA)

L'analyse des pannes effectuée dans les laboratoires UNITEC-D permet d'identifier trois scénarios principaux de dégradation des roulements dus à des problèmes d'huilage :

• Âge thermique (carbonisation) : Le lubrifiant perd son huile de base, se transformant en une masse dense, résineuse ou noire solide. La cause est un dépassement de la température de fonctionnement limite (par exemple, au-delà de +120 °C pour les graisses lithium standard) ou un fonctionnement prolongé en mode de charge élevée sans refroidissement.
• Briquetage et faux briquetage (False Brinell) : Apparition de cratères sur les courses de roulement sous forme de traces de billes ou de rouleaux dus à la vibration d'appareils inactifs (par exemple, pompes de secours). La couche de graisse est expulsée par la vibration, provoquant un usinage micro. Solution : utilisation d'additifs anti-usure EP et rotation périodique de l'arbre.
• Usure abrasive (Usure par contamination) : Présence de poussière, de scories ou de boue de procédé à travers les joints usés. Le lubrifiant agit comme une pâte d'usinage, usant les corps roulants et augmentant l'espacement radial du roulement.

7. Maintenance prédictive et surveillance de l'état

Pour prévenir les arrêts d'urgence sur les nœuds critiques (ventilateurs principaux, broyeurs, extrudeurs), l'industrie moderne applique un ensemble de méthodes de monitoring :

• Analyse de vibration (Accélération à haute fréquence / SPM - Méthode du puls d'impact) : La méthode des impulsions d'impact permet de détecter les dommages à la couche huileuse et le début des microfissures superficielles avant que le niveau général de vibration ne s'élève. L'augmentation de l'indicateur dBm indique un frottement sec.
• Émission acoustique et thermographie : Mesure sans contact de la température du corps du roulement à l'aide de pyromètres infrarouges et de caméras thermiques, détectant des pics locaux de chauffage indiquant un manque ou un excès de graisse.
• Analyse tribologique d'huile (surveillance de l'état de l'huile) : Pour les systèmes de lubrification liquide, un analyse spectroscopique d'usure (détermination de la concentration en Fe, Cu, Cr en ppm) ainsi qu'une détermination de la baisse de viscosité supérieure à 10 % de la valeur initiale conformément à ISO 3104.

8. Matrice de comparaison des systèmes d’alimentation en graisse modernes

Pour optimiser les coûts d'entretien des grandes entreprises, il est pertinent de passer du pompage manuel aux systèmes automatisés. La comparaison des principaux scénarios est présentée ci-dessous :

9. Conclusion

Le choix correct du matériau lubrifiant et le respect des réglementations de renouvellement assurent le fonctionnement sans interruption des équipements industriels. Les ingénieurs de l'UNITEC-D GmbH sont prêts à fournir un soutien expert dans le choix des roulements, des graisses à haute température et des composants des systèmes d'huilage automatique répondant aux strictes normes européennes de qualité.

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10. Références

• ISO 281: Paliers à roulement — Charges dynamiques et durée de vie. Organisation internationale de normalisation.
• DIN 51825: Lubrifiants — Graisses K — Spécifications des graisses pour roulements et paliers à roulement.
• Catalogue général SKF : Lignes directrices pour la lubrification et la maintenance des roulements, Publication 10000 EN.
• ISO 15312 : Paliers à roulement — Résistance à la vitesse thermique — Calcul et coefficients.
• IEV (Vocabulaire électrotechnique international) - IEC 60050 : Tribologie industrielle et terminologie de maintenance.