Comprendre les piqûres dans les roulements et les engrenages
Piqûres est la formation de petites cavités, cratères ou dépressions sur la surface de travail des bagues de roulement, des éléments roulants ou des dents d'engrenage. Elle résulte de deux mécanismes bien distincts : piqûres de fatigue, le produit du premier stade de la fatigue due au contact du roulement, et piqûres de corrosion, le résultat d'une attaque électrochimique qui enlève de la matière de la surface. Dans les roulements à éléments roulants, les piqûres sont généralement considérées comme une forme précoce ou légère de écaillage; dans les engrenages, il est reconnu comme un mode de défaillance à part entière, distinct de la rupture de la dent ou de l'usure générale de usure des engrenages.
Quelle qu'en soit l'origine, les piqûres introduisent une rugosité de surface et des concentrations de contraintes qui génèrent Vibrations et du bruit. Si l'on n'y remédie pas, une piqûre individuelle devient un site d'amorçage de fissures, les piqûres se regroupent en écailles plus importantes et le composant s'achemine vers la défaillance. L'intérêt de la surveillance est de détecter le problème rapidement, alors que les dommages sont encore minimes et que la tendance est légère.
1. Types de piqûres
Piqûres de fatigue (mécanique)
Les piqûres de fatigue naissent d'un contact répété par roulement et des les contraintes de sous-surface qu'elle impose. Il apparaît à deux échelles :
- Micropitting : de très petites piqûres d'environ 10 à 50 micromètres de diamètre qui donnent à la surface une texture grise et mate, à peine visible à l'œil nu. Elles se concentrent dans les zones soumises à de fortes contraintes et sont fréquentes dans les engrenages utilisant des films lubrifiants minces et dans les roulements à grande vitesse. Selon les conditions, elles peuvent se stabiliser ou évoluer vers le macropitting.
- Macro-piqûres (piqûres initiales) : des cratères clairement visibles d'environ 1 à 5 mm de diamètre et de 0,1 à 0,5 mm de profondeur, formés lorsqu'une fissure de fatigue de sous-surface se propage jusqu'à la surface et soulève une écaille. Ces cratères se transforment généralement en écaillages plus importants et peuvent mettre des mois, voire des années, à évoluer jusqu'à la rupture, ce qui est précisément la fenêtre exploitée par la surveillance de l'état des pièces.
Corrosion par piqûres (chimique)
Les piqûres de corrosion sont dues à une attaque électrochimique plutôt qu'à une charge. L'humidité, les acides ou les produits chimiques de process en contact avec la surface creusent des piqûres peu profondes de couleur rouille, souvent parsemées de produits de corrosion. Contrairement aux piqûres de fatigue, elles ont tendance à être généralisées plutôt que confinées à la zone de charge, et bien qu'elles commencent généralement à une profondeur moindre qu'une piqûre de fatigue, chaque cavité agit comme un concentrateur de contraintes qui amorce des fissures de fatigue ultérieures. Une étanchéité efficace et des lubrifiants inhibiteurs de corrosion constituent la première ligne de défense.
Piqûres électriques
Les piqûres électriques sont causées par le passage d'un courant dans le roulement et la formation d'un arc électrique sur le film d'huile, qui fait fondre de minuscules cratères. La signature classique est celle de cratères étroitement espacés et disposés en bandes régulières - un motif en forme de planche à laver ou de “cannelures” ondulées. Ce phénomène est fréquent sur les moteurs alimentés par des variateurs de fréquence (VFD) dont la mise à la terre de l'arbre est inadéquate, la même cause profonde derrière de nombreux défauts électriques, Il est généralement reconnu à l'inspection par son motif régulier distinctif.
2. Méthodes de détection
Analyse des vibrations
Les piqûres produisent une progression reconnaissable des vibrations. Dans un premier temps, elle entraîne une légère augmentation des vibrations à haute fréquence ; au fur et à mesure que les défauts s'aggravent, des vibrations discrètes se produisent. fréquences de défaut des roulements apparaître - BPFO, BPFI ou BSF en fonction de la surface endommagée - et leur amplitude et leur nombre d'harmoniques augmentent. Analyse d'enveloppe est l'outil le plus efficace pour détecter les piqûres à un stade précoce, car il démodule les faibles impacts répétitifs de l'arrière-plan à large bande bien avant qu'ils ne dominent l'image ordinaire. spectre.
Inspection visuelle
L'examen direct nécessite le démontage ou l'accès à un endoscope. L'inspecteur recherche des zones grises mattes (micropitting) ou des cratères visibles (macropitting), compte et dimensionne les piqûres pour en évaluer la gravité, et les photographie à des fins de documentation et d'analyse des tendances en vue d'inspections ultérieures.
Analyse de l'huile
Particules métalliques d'usure dans un échantillon d'huile révèlent un enlèvement actif de matière. La ferrographie distingue la morphologie des particules de piqûres de celle de l'usure ordinaire, et une augmentation de la concentration des particules confirme que le dommage progresse plutôt qu'il ne se stabilise.
Essais par ultrasons
La rugosité de surface due aux piqûres augmente le’ ultrasonique et les détecteurs portables peuvent les suivre de manière non invasive. Les ultrasons permettent souvent de détecter des problèmes avant que les symptômes vibratoires ne soient évidents, ce qui en fait un complément utile à la surveillance spectrale.
3. Causes et prévention
Piqûres de fatigue
- Capacité de charge adéquate : choisir un roulement dont la durée de vie L10 dépasse largement le service requis.
- Lubrification correcte : maintenir une épaisseur de film saine (rapport lambda supérieur à environ 3) afin que les aspérités ne se touchent pas.
- Propreté: empêcher la contamination qui abîme la surface et crée des concentrateurs de contraintes.
- Alignement : éviter les charges sur les bords causées par désalignement.
- Contrôle de la charge : résister à la surcharge - la durée de vie des roulements diminue approximativement avec le cube de la charge.
Piqûres de corrosion
- Étanchéité efficace : empêcher l'humidité de pénétrer dans la cavité du roulement.
- Lubrifiant approprié : utiliser des formulations contenant des inhibiteurs de corrosion.
- Matériaux résistants à la corrosion : spécifier des roulements en acier inoxydable pour les applications en milieu humide.
- Protection du stockage : protéger les roulements de rechange de l'humidité.
- Prévention de la condensation : éviter les cycles thermiques qui provoquent de la condensation à l'intérieur du boîtier.
Piqûres électriques
La prévention consiste à empêcher le courant de pénétrer dans le roulement : mise à la terre correcte de l'arbre sur les moteurs entraînés par VFD, roulement isolé à une extrémité de la machine, éléments roulants en céramique (non conducteurs), et mesures générales visant à éliminer ou à minimiser courants de palier.
4. Piqûres dans les engrenages
Sur les dents d'engrenage, les piqûres ont leur propre caractère. Elles se produisent sur les flancs de la dent dans la zone de contact, concentrées près de la ligne primitive où le roulement et le glissement se combinent pour maximiser les contraintes de contact. Le dommage se manifeste par une vibration élevée au niveau de la fréquence d'engrènement, souvent flanquée de bandes latérales espacées à la vitesse de rotation de l'arbre, ainsi que des changements de tonalité audibles et des piqûres visibles sur les flancs. Une modeste quantité de piqûres dites « initiales » peut être acceptable dans certaines conceptions et peut même se stabiliser à mesure que les surfaces s'adaptent, mais des piqûres excessives réduisent la zone de support de charge et conduisent finalement à la rupture de la dent. La surveillance de la fréquence d'engrènement et de ses bandes latérales, ainsi que l'inspection périodique des flancs, constituent la routine de détection pratique pour la famille élargie des défauts d'engrenage.
5. Évaluation de la gravité et décisions
Pour les roulements, la gravité est généralement évaluée en fonction de l'étendue de la zone de charge affectée :
- Naissant: quelques micropiqûres éparses, représentant moins d'environ 5 % de la zone de charge.
- Lumière: piqûres visibles sur environ 5-25 % de la zone de charge.
- Modéré: piqûres étendues sur 25-50% de la zone, commençant à coalescer.
- Grave: plus de 50 % de la surface affectée, les piqûres fusionnant en écailles — remplacement immédiat.
Ces degrés correspondent à des actions claires. Les piqûres naissantes ou légères peuvent être maintenues en service sous surveillance ; les piqûres modérées nécessitent un remplacement planifié dans un délai d'un à trois mois ; les piqûres graves doivent être remplacées à la première occasion ; et une progression rapide accompagnée de fortes vibrations ou d'une température élevée justifie un arrêt d'urgence. Réglage de seuils d'alarme judicieux et niveaux de déclenchement par rapport à ces étapes, et le suivi de s'orienter au fil du temps, transforme la mesure brute en une décision de maintenance.
6. Le rôle des piqûres et l'utilité de l'équilibrage
Les piqûres constituent une étape intermédiaire importante dans la dégradation des composants — plus grave que l'usure générale de la surface, mais souvent gérable lorsqu'elle est détectée à temps. En outre, elles sont rarement isolées : les charges sur les arêtes dues à un désalignement ou une excitation résonance accélère la fatigue, tout comme l'augmentation de la charge dynamique des roulements due au déséquilibrer. Le maintien d'un bon équilibre du rotor fait donc partie de la prévention de la formation prématurée de piqûres, et un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A mérite doublement sa place : il fonctionne enveloppe et des diagnostics spectraux pour repérer les premières piqûres de roulements et d'engrenages sur le terrain, et il effectue équilibrage sur place qui réduit les contraintes de contact par roulement à l'origine des dommages. Associée à une lubrification, une étanchéité et un alignement appropriés, cette combinaison permet à une équipe d'identifier les piqûres tôt et d'intervenir selon son propre calendrier, bien avant qu'elles ne se transforment en écaillage catastrophique.
