Quelle est la principale cause de défaillance des roulements ?

La cause numéro un de Roulement L'échec est lié à la lubrification

Si vous voulez une réponse directe : une lubrification inadéquate ou inappropriée est la principale cause de défaillance des roulements, responsable d'environ 36 à 54 % de toutes les défaillances prématurées des roulements. , en fonction du secteur et de l'application. Certaines études menées par de grands fabricants de roulements, notamment SKF et NSK, placent ce chiffre encore plus haut si l'on prend en compte les cas de contamination qui sont eux-mêmes liés à des défaillances de gestion de la lubrification.

Les roulements sont des composants conçus avec précision. Les éléments roulants, les chemins de roulement et les cages fonctionnent sous d'énormes contraintes, souvent à des vitesses et des températures élevées. Sans un film lubrifiant approprié séparant les surfaces métalliques, un contact direct se produit, entraînant une usure rapide, une génération de chaleur, une fatigue de la surface et, finalement, une défaillance catastrophique. La physique est simple : métal sur métal à grande vitesse génère de la chaleur, la chaleur dégrade le matériau et le matériau dégradé échoue.

Cela dit, la défaillance des roulements est rarement causée par un seul facteur isolé. Les problèmes de lubrification déclenchent ou accélèrent souvent d’autres modes de défaillance. Comprendre l’ensemble des causes – et la manière dont elles interagissent – ​​est essentiel pour quiconque gère des équipements rotatifs, que ce soit dans une usine de fabrication, une éolienne, une transmission automobile ou une chaîne de transformation alimentaire.

Pourquoi les défauts de lubrification dominent les statistiques sur les dommages aux roulements

Un échec de lubrification n’est pas simplement une question de manque de graisse ou d’huile. Cela englobe un large éventail de conditions qui empêchent le lubrifiant de faire son travail. Chacune de ces conditions produit des types de dommages distincts sur les surfaces d'appui.

Volume de lubrification insuffisant

Lorsqu'un roulement ne reçoit pas suffisamment de lubrifiant, le film élastohydrodynamique qui sépare les éléments roulants des chemins de roulement devient trop fin pour empêcher le contact métal sur métal. Cela entraîne une usure de l'adhésif, des bavures et des pics de chaleur localisés. Dans les moteurs électriques fonctionnant à 1 500 tr/min ou plus, les surfaces métalliques peuvent atteindre des températures destructrices quelques minutes après un manque de lubrifiant.

Mauvais type de lubrifiant ou viscosité

L’utilisation d’un lubrifiant dont le degré de viscosité n’est pas adapté à la vitesse et à la température d’application est l’une des erreurs de maintenance les plus courantes. Un lubrifiant trop fin ne peut pas maintenir un film adéquat sous charge ; celui qui est trop épais génère une chaleur excessive à cause du barattage et de la traînée. Pour les roulements de broche à grande vitesse, par exemple, l'utilisation d'une graisse standard NLGI 2 au lieu d'une huile à faible viscosité ou d'une graisse NLGI 1 augmente considérablement la température de fonctionnement et réduit la durée de vie des roulements.

Surgraissage

Contre-intuitivement, une trop grande quantité de lubrifiant constitue également un problème important. Les roulements surgraissés subissent des températures internes élevées en raison du barattage, qui décompose l'huile de base de la graisse et l'épaississant, entraînant des fuites et un durcissement. Le surgraissage est responsable d'une part substantielle des défaillances de roulements dans les moteurs électriques , où les techniciens appliquent souvent de la graisse sans purger les anciens matériaux, ce qui aggrave le problème au fil du temps.

Dégradation des lubrifiants

La graisse et l’huile ont une durée de vie limitée. Les cycles thermiques, l’oxydation, la pénétration d’eau et le cisaillement mécanique dégradent tous les performances du lubrifiant au fil du temps. Une graisse parfaitement testée lors de la mise en service peut avoir perdu la majeure partie de sa capacité de protection après 4 000 à 8 000 heures de service, selon les conditions de fonctionnement. De nombreux intervalles de maintenance sont définis en fonction du calendrier plutôt que de l'état réel, ce qui conduit les roulements à fonctionner avec du lubrifiant usé bien au-delà de leur durée de vie effective.

La répartition complète : principales causes de défaillance des roulements, par pourcentage

Différentes sources catégorisent les causes de défaillance des roulements de manière légèrement différente, mais les principaux facteurs contributifs sont les mêmes dans toutes les études industrielles. Le tableau ci-dessous reflète les données compilées à partir de recherches publiées par les fabricants de roulements et les organismes d'ingénierie de fiabilité.

Ces chiffres varient selon les secteurs. Dans les aciéries et les mines, la contamination joue un rôle plus important en raison de l’exposition environnementale rigoureuse. Dans le secteur pharmaceutique et alimentaire, les infiltrations d’eau et les processus de nettoyage agressifs sont plus importants. Dans les éoliennes, le passage du courant électrique à travers les roulements – un mode de défaillance propre aux entraînements à vitesse variable – est de plus en plus important. Comprendre les facteurs de défaillance spécifiques à votre application est plus important que suivre aveuglément les conseils moyens du secteur.

Contamination : la deuxième force la plus destructrice agissant sur les roulements

La contamination est la présence de tout corps étranger (particules solides, eau, produits chimiques de traitement) à l'intérieur du roulement. Même les particules invisibles à l’œil nu peuvent causer des dégâts importants. Une particule d'acier d'à peine 10 microns (plus petite qu'un cheveu humain à environ 70 microns) est suffisamment grosse pour créer une augmentation de contrainte sur la surface d'un chemin de roulement lorsqu'elle est roulée par une bille ou un rouleau de roulement.

Contamination par des particules solides

La saleté, les débris métalliques et les particules d'usinage qui pénètrent dans le boîtier de roulement provoquent une usure abrasive et des piqûres de surface. Dans les systèmes hydrauliques, le maintien d'une propreté de l'huile conforme à la norme ISO 4406 Code 16/14/11 ou supérieure peut prolonger la durée de vie des roulements et des composants plusieurs fois par rapport au fonctionnement selon le code 20/18/15. La différence entre un système de lubrification propre et contaminé est souvent la différence entre une durée de vie d'un roulement de 20 000 heures et une autre de 5 000 heures.

Contamination de l'eau

L'eau est particulièrement destructrice. Selon une étude publiée dans la littérature tribologique, une teneur en eau d'à peine 0,1 % dans un lubrifiant pour roulements peut réduire la durée de vie des roulements jusqu'à 48 %. L'eau provoque une fragilisation par l'hydrogène de l'acier des roulements, favorise la corrosion des chemins de roulement et des éléments roulants et dégrade la capacité filmogène du lubrifiant. La condensation pendant les cycles thermiques (équipement qui chauffe pendant le fonctionnement et refroidit pendant la nuit) est une voie fréquente de pénétration d'humidité dans les roulements étanches.

Contamination chimique

Dans les usines de transformation alimentaire et chimiques, les agents de nettoyage et les fluides de traitement agressifs peuvent contourner les joints et attaquer directement l’acier des roulements. Même les acides doux ou les composés alcalins modifient la chimie de la surface des chemins de roulement, créant des micropiqûres qui évoluent vers l'écaillage. La sélection de roulements dotés de conceptions de joints appropriées et de lubrifiants chimiquement compatibles est essentielle dans ces environnements.

Une mauvaise installation : une cause de défaillance des roulements entièrement évitable

Les erreurs de montage représentent une proportion importante des défaillances prématurées des roulements : les estimations la situent entre 16 % et 21 % de tous les cas. Ce qui rend cette situation particulièrement frustrante est que les dommages lors de l'installation se produisent avant que le roulement n'ait effectué un seul tour en service. Un roulement correctement installé avec le bon lubrifiant, fonctionnant dans un système bien aligné, atteindra ou dépassera sa durée de vie nominale L10. Un roulement qui a été martelé sur un arbre ne le sera pas.

Force appliquée via le mauvais anneau

L'une des erreurs d'installation les plus courantes consiste à appliquer une force d'ajustement à la presse à travers la mauvaise bague de roulement. Lors de la pression d'un roulement à billes à gorge profonde sur un arbre, la force doit être appliquée uniquement sur la bague intérieure, la bague étant ajustée par force. La force motrice à travers les billes et la bague extérieure provoque un effet Brinell : des indentations permanentes dans les chemins de roulement à chaque position de bille. Le roulement peut sembler intact à l'extérieur, mais ses surfaces de chemin de roulement sont déjà marquées, et il générera du bruit et tombera en panne prématurément dès sa première rotation.

Ajustements incorrects de l'arbre et du boîtier

Les roulements sont conçus pour être montés avec des ajustements serrés spécifiques sur les arbres et dans les boîtiers. Un arbre sous-dimensionné permet à la bague intérieure du roulement de fluer ou de tourner : la bague tourne par rapport à l'arbre, générant une chaleur de friction intense et éventuellement une soudure ou un grippage. Un alésage du boîtier trop serré peut déformer la bague extérieure, réduisant le jeu interne et provoquant un fonctionnement chaud et préchargé du roulement même à température ambiante.

Désalignement pendant le montage

Un désalignement angulaire entre l'axe de l'arbre et l'alésage du roulement – même quelques dixièmes de degré au-delà de la tolérance de désalignement conçue pour le roulement – crée une répartition inégale de la charge sur les éléments roulants. Les roulements à rouleaux cylindriques et coniques sont particulièrement sensibles au désalignement. Faire fonctionner un roulement à rouleaux cylindriques avec seulement 0,05° de désalignement au-delà de sa tolérance peut réduire sa durée de vie calculée de 50 % ou plus.

Fatigue au contact du roulement : la fin naturelle de la durée de vie des roulements

La fatigue par contact de roulement est le seul mode de défaillance des roulements qui n'est pas causé par une erreur de maintenance ou de conception. Il s'agit du mécanisme de fin de vie attendu pour un roulement qui a été correctement installé, correctement lubrifié et utilisé dans ses paramètres de charge et de vitesse nominales. La mesure standard de la durée de vie des roulements – la durée de vie L10 – est définie comme le nombre de tours (ou d’heures de fonctionnement à une vitesse donnée) que 90 % d’un groupe de roulements identiques effectueront avant de développer un écaillage par fatigue.

Les dommages causés par la fatigue commencent par des fissures souterraines initiées par des contraintes de cisaillement cycliques sous la zone de contact. Au cours de millions de cycles de contrainte, ces fissures se propagent vers la surface et finissent par provoquer la rupture du matériau, un processus appelé effritement. Les chemins de roulement écaillés ont un aspect rugueux et écaillé caractéristique avec des bords clairement définis. Un roulement correctement entretenu atteignant la fatigue d’écaillage est en fait un succès de maintenance — cela signifie que le roulement a atteint sa durée de vie nominale plutôt que de tomber en panne prématurément en raison de causes évitables.

En pratique, la proportion de roulements qui atteignent une véritable durée de vie en fatigue est relativement faible. La plupart sont remplacés en raison du bruit, des vibrations, de l'augmentation de la température ou des intervalles de maintenance planifiés avant le début de l'effritement. Lorsqu’une rupture par fatigue se produit prématurément – ​​avant la durée de vie L10 calculée – c’est souvent le signe d’une surcharge, de défauts de matériaux ou de l’effet cumulatif de conditions de lubrification marginales au fil du temps.

L’érosion électrique des roulements : un problème croissant dans les équipements modernes

L'érosion électrique – également appelée dommage par électroérosion ou usinage par décharge électrique (EDM) – est devenue une cause de défaillance de manière significative avec l'adoption généralisée des entraînements à fréquence variable (VFD) dans les moteurs électriques. Les VFD introduisent des impulsions de tension haute fréquence qui peuvent induire des courants d'arbre. Lorsque ces courants traversent le roulement, ils créent des cratères d'arc microscopiques sur les surfaces du chemin de roulement et des éléments roulants.

Le type de dommage est distinctif : les chemins de roulement développent un aspect givré ou cannelé, avec des ondulations régulières s'étendant sur la circonférence autour de l'anneau. Ce motif de cannelures est un indicateur diagnostique fiable de l’érosion électrique. Dans les moteurs entraînés par des VFD sans mise à la terre adéquate de l'arbre ni roulements isolés, l'érosion électrique peut détruire un roulement en seulement 3 à 6 mois. , même si la lubrification et l'installation sont parfaites.

Les solutions incluent des bagues de mise à la terre d'arbre, des boîtiers de roulement ou des bagues intérieures isolés, ou des roulements hybrides en céramique avec des éléments roulants en nitrure de silicium non conducteurs d'électricité. La sélection de la contre-mesure appropriée dépend de la taille du moteur, de la configuration du VFD et des dispositions de mise à la terre du système.

Comment identifier une cause de défaillance de roulement après coup

Les roulements défectueux portent des preuves de diagnostic sur leurs surfaces s'ils sont soigneusement examinés avant d'être jetés. L'analyse des défaillances des roulements – parfois appelée fractographie lors de l'examen des surfaces de fracture métallique – est un processus structuré consistant à faire correspondre les modèles de dommages observés aux modes de défaillance connus. La plupart des fabricants de roulements proposent des guides d’analyse des défaillances et des services de laboratoire à cet effet.

• Usure polie et lisse des éléments roulants et des chemins de roulement avec maculage : manque de lubrifiant ou mauvaise viscosité
• Indentations uniformément espacées à l'espacement des billes ou des rouleaux : Brinell dû à une mauvaise installation ou à un chargement par choc
• Surface rugueuse et piquée avec des particules incrustées : contamination abrasive
• Décoloration rouge-brun et piqûres de corrosion : pénétration d’eau ou contamination corrosive
• Cannelures circonférentielles sur chemin de roulement : érosion électrique due aux courants d'arbre
• Écaillage avec surface rugueuse et écaillée et bords nets : fatigue du contact de roulement (peut être normale en fin de vie ou induite par une surcharge)
• Modèle de charge unilatéral sur les chemins de roulement : désalignement ou charge axiale dans un roulement radial uniquement

Conserver les roulements défectueux dans des sacs en plastique scellés immédiatement après leur retrait (avant le nettoyage) préserve l'état du lubrifiant et les traces de débris qui peuvent être perdus si le roulement est essuyé ou lavé. Prendre des photographies de la position du roulement installé, des marquages ​​de l'arbre et de l'état de l'alésage du boîtier avant le retrait ajoute un contexte précieux pour l'analyse.

Étapes pratiques pour prévenir une défaillance prématurée des roulements

Étant donné que la majorité des défaillances de roulements sont évitables, une approche de prévention structurée cible les modes de défaillance les plus courants en fonction de leur probabilité statistique.

Établir un programme de gestion de la lubrification

Sélectionnez les lubrifiants en fonction du type de roulement, du facteur de vitesse (n × dm), de la plage de températures de fonctionnement et de l'exposition environnementale, et non en fonction de ce qui se trouve déjà dans le stock. Documentez le type de lubrifiant, la quantité et l'intervalle de relubrification corrects pour chaque point de lubrification de l'usine. Utilisez des pistolets à graisse calibrés plutôt que de distribuer au toucher ; un pistolet à cartouche de graisse standard délivre environ 1,3 gramme par course, ce qui constitue une base de référence utile pour calculer les volumes. Dans la mesure du possible, mettez en œuvre des intervalles de relubrification basés sur les conditions en utilisant une surveillance par ultrasons ou un échantillonnage de graisse pour détecter la dégradation avant qu'une panne ne se produise.

Améliorer les pratiques d'installation

Élimine l’installation de roulements par marteau sur les arbres. Utilisez des outils de montage appropriés : des chauffages par induction pour les bagues intérieures à ajustement serré (un chauffage entre 80 °C et 100 °C est généralement suffisant et n'affecte pas la métallurgie de l'acier des roulements), des presses hydrauliques avec des adaptateurs qui appliquent une force uniquement sur la bague à monter et des outils de montage mécaniques pour les roulements de taille moyenne. Vérifiez les dimensions de l'arbre et du boîtier avec un micromètre calibré avant l'installation : une étape de mesure de 10 minutes évite des mois d'enquête sur une défaillance prématurée.

Contrôler la contamination à la source

Conservez les roulements de remplacement dans leur emballage d'origine dans un endroit propre et sec, à l'abri des températures extrêmes. N’ouvrez jamais les paquets de roulements avant le moment de l’installation. Gardez les récipients de lubrifiant scellés et filtrés lors de la distribution. Inspectez et remplacez régulièrement les joints du boîtier : un joint à lèvre usé dont le remplacement coûte 2 $ peut permettre une contamination qui détruit un roulement de 500 $ en quelques mois. Dans les environnements fortement exposés aux particules, envisagez de passer de joints à une lèvre à des joints à double lèvre, ou de passer à des roulements avec joints à labyrinthe pour une exclusion supérieure.

Mettre en œuvre la surveillance des conditions

L'analyse des vibrations, la surveillance de la température, l'analyse de l'huile et la surveillance des émissions ultrasoniques offrent chacune différentes fenêtres sur l'état des roulements. Un programme de vibration bien mis en œuvre utilisant des techniques d'analyse d'enveloppe ou de résonance haute fréquence peut détecter les défauts des roulements 4 à 8 semaines avant que la défaillance ne devienne critique, permettant ainsi un remplacement planifié pendant une fenêtre de maintenance programmée plutôt qu'un arrêt d'urgence. L'augmentation de la température au-dessus des niveaux de fonctionnement normaux est un signe d'avertissement tardif : au moment où un roulement atteint une température de 10 °C à 15 °C au-dessus de sa valeur de référence historique, des dommages importants peuvent déjà être présents.

Vérifier l'alignement après l'installation

L'alignement des arbres doit être vérifié avec un outil d'alignement laser après chaque remplacement de roulement sur un équipement couplé. Les méthodes avec comparateur à cadran sont acceptables pour les petites machines. Ciblez des tolérances d'alignement plus strictes que la capacité de désalignement nominale de l'accouplement — l'accouplement s'adapte au désalignement résiduel en cas de croissance thermique de fonctionnement, et non au désalignement de routine dû à une installation imprécise. Un ensemble pompe-moteur aligné à un décalage parallèle de 0,05 mm près et une angulaire de 0,05 mm/100 mm durera systématiquement plus longtemps qu'un ensemble aligné à 0,2 mm près.

Erreurs de sélection de roulement qui raccourcissent la durée de vie avant même que le roulement ne soit installé

Parfois, une défaillance des roulements n’est pas un problème de maintenance, mais plutôt un problème de conception ou de sélection. Spécifier un mauvais type de roulement pour les conditions de charge, ou sous-dimensionner le roulement pour les charges appliquées, crée des conditions de défaillance qu'aucune bonne pratique de maintenance ne peut surmonter.

• Roulements rigides à billes sont optimisés pour les charges radiales avec des composants axiaux modérés. Leur utilisation dans des applications avec des charges de poussée axiales élevées entraîne une surcharge des billes et une fatigue rapide.
• Roulements à rouleaux cylindriques supportent efficacement de lourdes charges radiales mais ne peuvent pas supporter des charges axiales importantes sans un anneau à bride conçu à cet effet.
• Roulements à billes à contact oblique sont conçus pour des charges radiales et axiales combinées et doivent être montés par paires ou ensembles appariés pour fonctionner correctement — un seul roulement à contact oblique sur un arbre qui voit une charge axiale dans les deux sens échouera.
• Roulements à rouleaux coniques nécessitent une précharge axiale correcte pour fonctionner correctement — trop peu et les rouleaux dérapent ; trop et le roulement chauffe et se fatigue tôt.

Le processus de sélection du roulement doit inclure le calcul de la charge dynamique équivalente, la vérification du facteur de vitesse par rapport à l'indice de vitesse du roulement et la confirmation que la durée de vie L10 répond à l'intervalle d'entretien requis par l'application avec une marge de sécurité adéquate - généralement un facteur de 3 à 5 pour les équipements critiques.

Le coût réel de la défaillance des roulements dans les opérations industrielles

Le coût de remplacement d’un roulement n’est presque jamais le véritable coût d’une défaillance de roulement. Dans une usine de traitement continu (une usine de papier, une usine chimique, une chaîne de production alimentaire), une défaillance imprévue d'un roulement qui provoque ne serait-ce qu'une heure d'arrêt peut facilement coûter entre 10 000 et 100 000 dollars, voire plus, en perte de production, selon la valeur de débit de l'équipement. Les dommages secondaires aux composants adjacents (joints, arbres, boîtiers, accouplements) augmentent souvent les coûts qui éclipsent le roulement lui-même.

Les études réalisées par les organismes d'ingénierie de maintenance montrent systématiquement que la maintenance réactive coûte 3 à 9 fois plus cher par événement de réparation que la maintenance planifiée et basée sur l'état. Un roulement de 200 $ qui tombe en panne de manière inattendue et arrête une ligne de production pendant 4 heures entraîne un coût total de l'événement qu'aucune optimisation du prix du roulement ne peut compenser. Cette analyse économique est à la base des mouvements de maintenance centrée sur la fiabilité (RCM) et de maintenance prédictive (PdM) : l'objectif n'est pas d'acheter des roulements moins chers, mais de garantir que chaque roulement atteigne sa durée de vie nominale.

Pour les responsables de la maintenance qui établissent une analyse de rentabilisation pour des programmes de lubrification améliorés, un contrôle de la contamination ou un équipement de surveillance des vibrations, le calcul du retour sur investissement est généralement simple : une panne critique évitée paie souvent plusieurs fois les coûts de l'équipement de surveillance et de mise en œuvre du programme.

Résumé : La résolution des défaillances de roulements commence par la lubrification, puis tout le reste

La principale cause de défaillance des roulements – les problèmes de lubrification – est également la plus facile à contrôler. Une sélection correcte de lubrifiant, une quantité appropriée, des intervalles de relubrification appropriés et une prévention de la contamination éliminent la plus grande catégorie de défaillances de roulements évitables. Après la lubrification, l'attention portée aux pratiques d'installation, à l'exclusion de la contamination, à la vérification de l'alignement et à la surveillance de l'état aborde les principaux modes de défaillance restants par ordre décroissant d'impact statistique.

Les roulements ne sont pas des consommables qui s'usent simplement : ce sont des composants de précision qui, dans de bonnes conditions de fonctionnement, atteindront de manière fiable leur durée de vie nominale. Lorsqu’ils échouent de manière précoce et répétée, la cause est presque toujours imputable à une lacune de maintenance ou de conception spécifique, identifiable et corrigible. Le processus d'analyse des défaillances – qui consiste à examiner systématiquement chaque roulement défaillant avant qu'il ne soit mis au rebut – est l'outil le plus sous-utilisé de la boîte à outils de maintenance industrielle et celui qui, au fil du temps, boucle de la manière la plus fiable la boucle entre l'apparition d'une défaillance et l'élimination de la cause première.