Les roulements Babbitt sont un élément clé des machines rotatives depuis qu'Isaac Babbitt les a brevetés pour la première fois en 1839. Dans l'industrie moderne, unRoulement combiné BabbittLes roulements - qui décrivent une fine couche de métal blanc (Babbitt) collée sur une coque en acier, en fonte ou en bronze - restent l'une des conceptions les plus courantes pour les turbines, les gros moteurs, les générateurs, les moteurs de navires et les compresseurs industriels lourds. La première question que tout ingénieur devrait se poser lors de la sélection ou de la fixation de tels roulements est simple : quelle doit être l'épaisseur de la couche de Babbitt ?
La réponse n’est pas un nombre, mais une fourchette. Cela dépend de la taille du roulement, de la vitesse, de la charge, du débit d'huile et de la manière dont le revêtement est fabriqué. Comprendre ce qui détermine cette épaisseur est important pour quiconque conçoit, répare ou étudie les défauts des roulements.
Anatomie des roulements combinés
Un roulement combiné Babbitt est basé sur une idée composite simple. Le matériau de support --, généralement un acier de forme solide-à haute résistance-ou un alliage cuivre-chrome qui nécessite un meilleur transfert de chaleur, peut fournir une résistance structurelle et des dimensions précises pour le boîtier de roulement. La couche Babbitt est constituée d'alliages métalliques blancs à base d'étain ou de plomb conformément aux règles ASTM B23 et donne la surface de frottement qui touche l'arbre rotatif.
Cette structure composite utilise les différences de matériaux planifiées. Le module d'Young du support en acier est d'environ 200 GPa, et celui de la couche de Babbitt est d'environ un-dixième de celui-ci. Cela signifie que la couche interne molle se plie localement sous l'action de petites particules dures, de sorte qu'elle peut les capturer en toute sécurité plutôt que de les laisser rayer la tige -, une fonctionnalité appelée intégration. Dans le même temps, le Babbitt peut se plier un peu pour s'adapter à un désalignement mineur de l'arbre, une masse connue sous le nom de consistance. Aucune de ces tâches importantes ne fonctionnera si la couche de Babbitt était trop fine pour absorber et disperser les contraintes de contact locales.
Plage d'épaisseur de couche de Babbitt typique
Pour le roulement combiné Babbitt, l'épaisseur de toutes les couches de Babbit traitées varie de 0,76 mm à 3,18 mm (0,030 à 0,125 pouces). Dans cette plage, en fonction de la taille et des performances du roulement, une plage plus petite apparaît :
Les roulements de petite et moyenne taille, tels que ceux que l'on trouve dans les moteurs ordinaires, les pompes à eau et les ventilateurs à vitesse moyenne-, ont généralement une épaisseur de Babbitt finie d'environ 0,76 mm à 2,29 mm (0,030 à 0,090 pouces). À l'extrémité inférieure de cette plage - environ 0,030 à 0,050 pouces, soit environ 0,75 à 1,25 millimètres -, les roulements sont conçus pour se concentrer sur la rigidité et le transfert de chaleur. Une couche de Babbitt plus fine réduit la résistance thermique entre la tige, la surface du Babbit et le support en acier, qui fait office de dissipateur thermique principal. Ceci est important pour les machines qui ont fonctionné car elles doivent fonctionner à une température élevée pour maintenir l'huile suffisamment épaisse.
Dans les modèles-et haut de gamme-de gamme, les couches Babbitt ont 0,060 à 0,090 pouces (1,5 à 2,3 millimètres) d'espace et d'intégration intégrés. Ces roulements voient de l'huile sale ou un support d'arbre moins rigide, de sorte que la capacité à absorber les débris et les déviations vaut la température de fonctionnement légèrement plus élevée, avec une plus grande résistance à la chaleur.
Les gros roulements lourds, tels que les turbines à vapeur, les générateurs hydroélectriques, les arbres d'entraînement de navires et les roulements d'entraînement de broyeurs, nécessitent généralement une épaisseur finale de Babbitt de 2,29 mm à 3,18 mm (0,090 à 0,125 pouces). À cette taille, les couches plus épaisses de métal blanc offrent une bonne tolérance à l'usure pour les équipements qui peuvent fonctionner pendant des décennies entre les révisions. L'épaisseur supplémentaire aide également à disperser les charges lourdes provenant de conditions à court terme, telles que le démarrage, la fermeture et les changements soudains de charge. L'amortissement mécanique d'une couche de métal blanc et souple contribue également à réduire les vibrations de l'arbre, en particulier dans les machines approchant ou dépassant la vitesse critique pour un roulement combiné Babbitt de cette taille.
Il existe des circonstances particulières au-delà de ces limites normales. Les roulements de moteur de voiture à coque mince - - - il s'agit également de roulements combinés - peuvent avoir des couches de Babbitt ou de superposition de Babbitt, aussi fines que 0,010 à 0,030 pouces (0,25 à 0,76 mm). Ces couches très fines sont réalisées par coulée continue ou par placage et sont conçues pour une production de masse. Ils fonctionnent également dans des conditions de film d'huile, empêchant les métaux d'entrer en contact avec les métaux lorsqu'ils fonctionnent correctement.
Comme-Épaisseur coulée ou épaisseur finale de la machine : une distinction cruciale
Une erreur courante lors de la maintenance des roulements est de confondre les résidus de coulée avec l’épaisseur finale de travail. Lorsque le coussinet est regarni -, que ce soit par coulée centrifuge, coulée statique ou pulvérisation métallique, - Babbitt est pressé plus épais que ne l'exige la spécification finale. De telles pièces moulées peuvent avoir une épaisseur de 0,080 à 0,150 pouces (2 à 3,8 mm) plus épaisse que la couche finie, fournissant ainsi du matériau pour le perçage ultérieur, le découpage de rainures d'huile, l'usinage de poches et la finition de surface finale.
Des roulements avec un revêtement trop épais peuvent être utilisés si l'inspecteur qualité mesure le Babbitt au stade de la coulée et utilise cette taille comme épaisseur de travail. Cela soulève deux questions. Premièrement, plus le Babbitt est épais, plus la différence thermique entre l'ensemble de la paroi portante est grande, donc plus la surface de l'arbre est chaude, plus le film d'huile est fin. Deuxièmement, une couche de Babbitt trop épaisse est plus susceptible de se briser sous des charges répétées, car les métaux mous se déplacent plus rapidement sous les mêmes forces de flexion.
D'un autre côté, si trop de matériau est coupé, la couche finale de Babbitt peut être plus fine que ne l'exige la conception originale. Cela peut compromettre l'encastrement, réduire la capacité du roulement à supporter les charges de bord et, dans les cas graves, conduire à un pelage local du joint en acier Babbitt-. La coulée centrifuge est largement utilisée dans la fabrication et la maintenance de grandes coquilles de roulements combinés Babbitt. Il peut bien contrôler l'épaisseur du premier revêtement et possède une structure compacte et sans bulles. Research in Materials Research Letters of the Institute of Physics montre que la coulée centrifuge a une meilleure force de liaison du joint en acier Babbitt- que d'autres méthodes telles que le brasage à l'arc sous gaz inerte métallique, donc lorsque la force de liaison est la principale considération, la coulée centrifuge est la meilleure option.
Facteurs affectant l'épaisseur optimale
Choisir la bonne couche de Babbitt pour un roulement composite Babbitt signifie équilibrer plusieurs facteurs de conception pertinents.
Le diamètre du roulement et le rapport de longueur déterminent les dimensions de base. Les roulements avec une taille d'arbre de 300 mm ont une couche de Babbitt plus épaisse que les roulements avec un diamètre de 100 mm, car la dilatation thermique réelle, la flexion de l'arbre et le chemin de saleté augmentent avec la taille du roulement. Les initiés pensent que l'épaisseur du Babbitt devrait être d'environ 0,2 % à 0,5 % du diamètre de la tige, mais c'est un point de départ et non une règle fixe.
La charge de roulement spécifique, indiquée en MPa ou psi, détermine la quantité de résistance à la compression du métal blanc qui doit être utilisée. Sous une charge élevée, une couche de Babbitt plus fine réduit la contrainte exercée sur la garniture, prolongeant ainsi la durée de vie du roulement. L'American Society for Testing and Materials (ASTM B23) définit la composition chimique et les propriétés mécaniques des qualités Babbitt standard. Les qualités à base d'étain-comme ASTM Classe 2, également connues sous le nom de Babbitt "Gen-u-ine", ont une résistance à la compression plus élevée que les qualités à base de plomb-, ce qui peut rendre la doublure légèrement plus fine pour la même charge.
La vitesse de rotation et le débit d'huile sont tout aussi importants. Dans des conditions d'huile limite et hybride - marche et arrêt - Babbitt doit gérer des touches courtes et rugueuses sans se coincer. Un Babbitt plus épais offre plus d'espace entre la tige et le support dur, de sorte qu'il est peu probable que les éraflures traversent toute la doublure et atteignent l'acier.
Le contrôle de la chaleur apporte différents besoins. La conductivité thermique du Babbitt à base d'étain-est d'environ 50 W/m·K et celle de l'acier est d'environ 45 W/m·K. Bien que les deux chiffres soient proches, la couche de Babbitt reste un goulot d'étranglement thermique car toute la chaleur de friction doit la traverser pour atteindre le support, puis le boîtier de roulement et le réservoir d'huile. Dans une machine typique à vitesse moyenne-, pour chaque augmentation de 0,5 mm de l'épaisseur supplémentaire de Babbitt, la différence thermique à l'état stable-de l'ensemble de la paroi portante augmente d'environ 3 à 5 degrés. C'est pourquoi les roulements à grande vitesse avec débit d'huile constant ont tendance à utiliser l'extrémité la plus fine de la plage d'épaisseur.
Considérations pratiques de la réconciliation
Lorsqu'un vieux roulement est envoyé en réparation, le prestataire de services coupe généralement le Babbitt usé - ou au moins la couche de surface-endommagée par fatigue - et le remplace par un nouveau revêtement. Choisir l'épaisseur de moulage et de finition du nouveau Babbitt ne consiste pas seulement à reproduire la taille d'origine, car le boîtier de roulement peut s'être plié ou changer de forme lors de l'utilisation.
Si le trou dans la coque devient plus grand, le technicien de service devra peut-être modifier l'épaisseur du moulage pour le fixer afin que la taille finale du trou et le jeu d'huile se situent dans la plage autorisée par le fabricant d'origine. C'est là que la technique rencontre une mesure minutieuse. Les tests par ultrasons peuvent être utilisés pour examiner la qualité de l'adhérence entre le nouveau régule et le revêtement, ou pour rechercher des trous cachés qui pourraient endommager l'épaisseur portante réelle du revêtement-.
Directives récapitulatives sur l'épaisseur
À titre de référence technique, le tableau suivant présente l'épaisseur typique de la couche de Babbitt dans les catégories d'applications couramment utilisées :
| Catégorie d'application | Épaisseur finale typique de Babbitt (pouces) | Épaisseur finale typique de Babbitt (mm) |
|---|---|---|
| Roulements de moteur à coque fine-pour automobile | 0.010 – 0.030 | 0.25 – 0.76 |
| Roulements industriels de petite et moyenne taille (pompes, moteurs, ventilateurs) | 0.030 – 0.090 | 0.76 – 2.29 |
| Gros roulements lourds (turbines, générateurs, navires) | 0.090 – 0.125 | 2.29 – 3.18 |
Les données proviennent du bon sens de l’industrie et non de règles écrites. Pour tout roulement particulier, les dessins de conception du fabricant d'origine constituent la principale source. Si des dessins manquent - comme cela arrive souvent avec des équipements plus anciens -, la plage d'épaisseur ci-dessus constitue un bon point de départ pour les réparations, à condition qu'elles soient vérifiées par rapport aux conditions de fonctionnement de la machine et à l'historique des pannes.
Par conséquent, l’épaisseur de la couche Babbitt dans un roulement combiné n’est pas choisie au hasard. Il s'agit d'un équilibre minutieux entre élasticité mécanique, contrôle de la chaleur, résistance à la fatigue et bords effilochés. Bien faire les choses signifie que les roulements peuvent fonctionner silencieusement pendant des décennies ou tomber en panne quelques mois après leur démarrage.
Référence
- ASTM International. ASTM B23-20 : Spécification standard pour les alliages de métaux blancs (connus commercialement « Babbitmetal »). West Conshohocken, Pennsylvanie : ASTM International, 2020.
- Institut de Physique (IOP). La couche SnSb12Cu6 Babbitt a été préparée par brasage à l'arc MIG et coulée centrifuge, et sa microstructure et sa force de liaison ont été améliorées. Vol. 6, 2019, Materials Research Express.
- Association américaine des fabricants de roulements (ABMA). Guide pour la conception des roulements et l’application des roulements à film fluide hydrodynamique. Publication technique ABMA.