A Palier de butée à film fluidesupporter une charge axiale, qui est une force agissant parallèlement à l’axe de l’arbre. Il sépare deux surfaces avec un film lubrifiant suralimenté. Le film est très fin et se mesure généralement en microns. Malgré cela, il peut résister à une pression de plusieurs mégapascals. Il fonctionne sans éléments roulants, sans champs magnétiques ni injection de gaz. Au lieu de cela, il repose sur la géométrie, le mouvement relatif et le comportement des fluides visqueux entre les surfaces convergentes. Pour comprendre son fonctionnement, il est nécessaire d’examiner la théorie hydrodynamique de base. Ensuite, la théorie est liée aux caractéristiques géométriques de la conception des butées.
Le problème central : pourquoi la charge de poussée est géométriquement plus dure que la charge radiale
Dans les roulements à billes ordinaires supportant une charge radiale, l'arbre de rotation se déplace naturellement vers une position excentrique à l'intérieur du trou. Cette excentricité crée une convergence-un écart convergent-divergent autour de la circonférence du cercle. La section convergente produit une pression hydrodynamique qui soulève l’arbre du mur porteur. La géométrie se développe naturellement. Même si l'arbre est parfaitement cylindrique et le trou parfaitement cylindrique, la charge provoque une excentricité. En conséquence, l'espace entre le lubrifiant prend la forme d'un coin-.
La charge axiale crée une situation très différente. La roue est une bague de butée rotative sur l'arbre qui fait face au coussinet et s'étend sur deux plans presque parallèles. Lorsque deux surfaces parallèles se déplacent l’une par rapport à l’autre, elles ne peuvent pas générer elles-mêmes une pression hydrodynamique. Les lubrifiants ne peuvent pas être comprimés car l'espace reste le même sur toute la surface. Au contraire, le liquide s’écoule vers l’extérieur dans toutes les directions radiales sans augmenter la pression. L'équation de lubrification de Reynolds, développée à partir de l'équation de Navier-Stokes dans une approximation de couche mince, le montre clairement. La pression se produit uniquement lorsqu'il existe un espace convergent appelé terme de coin ou une hauteur d'espace appelée terme de film compressible qui varie dans le temps. Une surface parfaitement parallèle se déplaçant à une vitesse constante ne satisfait ni l’un ni l’autre (Reynolds, Philosophical Transactions of the Royal Society, vol 177, 1886).
Il s’agit du problème d’ingénierie de base que la butée à film liquide doit résoudre. Il doit former un coin convergent entre deux surfaces et rester naturellement parallèle sous charge axiale.
L'équation de Reynolds : fondement mathématique
L'équation de Reynolds en couche mince-pour un fluide incompressible à viscosité constante peut s'écrire comme suit :
Estracheit (sentier h3/sentier) + sentier/sentier (sentier h3/sentier)=6Sentier U/sentier x + 12sentier/sentier
Dans cette équation, h est l'épaisseur du film local en fonction de l'emplacement. p est la pression hydrodynamique. Le convertisseur d'énergie est la viscosité dynamique du lubrifiant. U est la vitesse relative entre deux surfaces. La différence résiduelle est la vitesse à laquelle l'épaisseur du film change au fil du temps. Le terme n'a d'importance que lorsqu'il y a un effet de membrane d'extrusion.
Le côté droit de l’équation montre deux manières de générer une pression.
Éripinte
La pression se produit lorsque l’épaisseur du film mince h diminue dans la direction du mouvement. En d’autres termes, l’écart doit se réduire. La pression résultante augmente avec la viscosité et la vitesse de glissement du lubrifiant. Si la viscosité est nulle, la pression disparaît. La même chose se produirait si la vitesse de glissement était nulle. En aucun cas les roulements ne peuvent être soumis à une action hydrodynamique.
Terminologie du film compressé (efficacité de conversion énergétique)
Au fil du temps, les écarts se réduisent et peuvent être stressants. Cela se produit même lorsqu'il n'y a aucun mouvement de glissement entre les surfaces. Cet effet est important dans les systèmes avec des roulements à percussion, des conditions de démarrage du moteur et des charges qui changent rapidement. Dans les butées fonctionnant à vitesse constante, le terme est généralement très court en fonctionnement stable. Toutefois, cela devient très important lorsque les ingénieurs étudient la stabilité des roulements sous diverses charges.
L'idée pratique est simple. La butée fonctionne en contrôlant la fonction h(x), qui décrit le profil d'épaisseur du film. Le résidu doit être conçu pour évoluer dans une direction négative. Cela signifie que le film lubrifiant s’amincit à mesure que le chemin d’écoulement traverse le joint. Par conséquent, la conception des butées se concentre sur la création et le maintien d’un film convergent dans des conditions de fonctionnement réelles telles que la température, les variations de charge, la vitesse de rotation et le désalignement de l’arbre.
Comment le coin convergent est créé : trois approches géométriques
1. Fixe-Géométrie conique-Terres terrestres
La méthode la plus simple consiste à traiter les surfaces des patins de roulement avec de petits cônes. Cela signifie que le bord de la laisse, qui est rencontré en premier par un coureur en rotation, est légèrement plus profond que le bord de la queue. L'angle de conicité est petit. Généralement entre 0,5 et 2,0 milliradians. Cela crée une différence de hauteur de seulement quelques microns sur toute la longueur du joint. Lorsque la roue traverse la surface conique, elle aspire le lubrifiant d'une zone plus profonde vers une zone moins profonde. En conséquence, la pression augmente la région convergente.
Les terrasses sont de conception simple et peu coûteuses. Il ne nécessite pas non plus de pièces mobiles à l’intérieur des roulements. Cependant, il présente une limite importante. Les changements optimaux d’angle de conicité varient en fonction des conditions de fonctionnement. La répartition de l'épaisseur h (x) est affectée par l'augmentation de la température, l'usure et le changement de vitesse. Pour cette raison, les roulements peuvent s'écarter des conditions de travail optimales. À faible charge, le cône peut être trop important. À des charges et des températures élevées, la dilatation thermique modifie la forme du joint et le profil conique effectif de manière imprévisible (Khonsari & Booser, Applied Tribology, 2e éd., Cambridge University Press, 2017).
2. Roulements à coussinet inclinable (à coussinet pivotant-)
La conception du pavé inclinable-a été inventée par Anthony Michell et Kingsbury au début du XXe siècle. Dans cette conception, chaque coussin peut tourner légèrement autour d'un point de pivotement. Lorsque la roue traverse la surface de la plaquette, elle entraîne le lubrifiant à travers l'espace. Le bord avant est éloigné du coureur et le bord arrière est plus proche du coureur car le coussin peut être incliné. Cela crée automatiquement un coin convergent. l'angle du coin puis s'adaptent aux conditions de fonctionnement.
Le processus d'autorégulation-est simple. À mesure que la roue s'approche du revêtement, une pression est générée dans le film lubrifiant. Cette pression crée des forces de rotation autour du pivot. Le joint continue de s'incliner jusqu'à ce que la force soit équilibrée par le support du point d'appui. Dans cet état d'équilibre, l'angle d'inclinaison devient la valeur exacte nécessaire pour supporter la charge à la vitesse et à la viscosité actuelles du lubrifiant. Si la charge augmente, le film devient plus fin et la viscosité augmente. Ensuite, le joint s’est davantage incliné pour maintenir l’équilibre. Si la vitesse augmente, le film s'épaissit et les coussins s'inclinent moins. De cette façon, les roulements peuvent être ajustés automatiquement sans contrôle externe.
Les butées à patins inclinables-sont largement utilisées dans les équipements industriels à forte demande. Les exemples incluent les turbines à vapeur, les compresseurs centrifuges, les grands générateurs hydroélectriques et les arbres de propulsion des navires. Ils sont populaires car ils s’adaptent automatiquement aux changements de charge, de vitesse et d’alignement. Cela aide à prévenir la défaillance de la membrane et le contact direct entre les surfaces.
emplacement pivot, également. Si le pivot se trouve au centre du patin, soit à environ 50 % de la longueur du patin, à partir du bord avant, le roulement fonctionne mieux dans le sens de la rotation et est irréversible. Pour les équipements qui doivent tourner dans les deux sens, les pivots sont généralement placés à environ 60 % de la longueur du revêtement. Cette disposition réduit la capacité de charge maximale dans la direction privilégiée mais offre des performances acceptables dans les deux sens de rotation (Hamrock, Schmid & Jacobson, Mechanics Principles, 3e éd., CRC Press, 2019).
3. Étape-Roulements à profil (Rayleigh Step)
En 1918, Lord Rayleigh a montré que la meilleure charge de contour d'un film n'est pas une diminution progressive. Au lieu de cela, c'est un profil d'étape. La conception comporte une extrémité plate et profonde à l’entrée et une extrémité plate peu profonde à la sortie, séparées par une marche soudaine. Le pas de Rayleigh produit plus de pression que les cônes linéaires de taille similaire. En effet, la pression se forme dans la région d'admission et est maintenue dans les étapes avant que le film ne commence à se disperser (Rayleigh, Notes on Lubrication Theory, Journal of Philosophy, Series 6, Volume 35, 1918).
Les roulements pas à pas sont principalement utilisés là où ils peuvent être fabriqués avec précision. Cela se fait généralement par usinage de précision ou par stratification de surfaces avec des rainures. Ces roulements ne sont généralement pas adaptés à une rotation bidirectionnelle. Ils sont couramment utilisés dans les systèmes à grande vitesse-et légers-tels que les gyroscopes et les instruments de précision. Ils ne sont pas courants dans les équipements industriels lourds car il est difficile de maintenir la géométrie des marches requise en cas de dilatation thermique et de déformation mécanique.
Le mécanisme physique en détail : ce qui se passe dans le film convergent
En quittant l'équation et en examinant le processus physique, il est plus facile de comprendre comment le coin crée une pression.
Considérons que la surface du canal aplati se déplace à une vitesse U sur un patin conique. L'épaisseur du film diminue de h_inlet à h_outlet dans la direction du mouvement. Le lubrifiant pénètre dans l'espace au niveau de l'entrée dans un espace effilé. Les fluides ne peuvent pas simplement être comprimés pour s'adapter à des espaces plus petits, car dans la plupart des applications de butées, les liquides sont presque incompressibles. Cela est vrai pour les huiles minérales typiques avec une pression inférieure à environ 500 MPa (Bair & Winer, Journal of ASME Journal of Tribology, vol. 114, 1992). Par conséquent, la même quantité de liquide doit passer par des espaces plus petits.
À mesure que le film s’amincit, la vitesse moyenne de l’huile lubrifiante doit augmenter. En effet, un fluide de même volume doit traverser un volume de section transversale plus petit.
Le lubrifiant à l’intérieur du film ne se déplace nulle part à la même vitesse. La vitesse du fluide varie avec l'épaisseur du film. Il est nul sur la surface du patin fixe et U sur la surface du patin mobile. Par conséquent, la pression à l’intérieur du film doit être ajustée pour aligner le flux avec les exigences de continuité.
Dans la partie convergente du film, la pression augmente dans la direction du mouvement. Cela aide à contrôler le débit du fluide et empêche le lubrifiant de quitter la zone trop rapidement. S'il existe une zone de dispersion, la pression diminue. Par conséquent, un pic de pression se forme dans le segment de polymérisation du film. Cette répartition de la pression est communément appelée colline de pression. Lorsque la pression s'intègre dans la zone du coussin, la force nécessaire pour supporter la charge est générée.
La colline de pression soutient les coureurs. Une fine pellicule d’huile lubrifiante sépare le canal du revêtement. Dans les butées industrielles-bien conçues, l'épaisseur minimale du film, h_min, est généralement comprise entre 5 et 50 microns. Pour les conceptions à terrain conique-, cette épaisseur minimale se situe généralement près du bord arrière (Wilcock & Booser, Bearing Design and Applications, McGraw-Hill, 1957).
Les rotateurs et les joints ne doivent pas se toucher pendant une utilisation normale. Une fine couche de liquide les sépare. À la pression la plus élevée, ce film lubrifiant peut résister à des contraintes de compression plus importantes que celles que de nombreux aciers de construction peuvent supporter.
Température et viscosité : la boucle de rétroaction
L'efficacité de conversion d'énergie, efficacité de conversion d'énergie, apparaît directement dans deux parties de l'équation de Reynolds. De ce fait, il existe un processus de rétroaction très important au sein du roulement. Le lubrifiant produit une pression et donc une capacité de charge, en fonction de la viscosité. Dans le même temps, la friction au sein du lubrifiant produit de la chaleur, ce qui réduit la viscosité du lubrifiant.
À mesure que la température du roulement augmente, l’huile devient plus fluide. À vitesse et géométrie identiques, l’huile plus fine produit moins de pression. Si la charge reste la même, le film lubrifiant doit être plus fin pour supporter la charge. Plus le film est fin, plus le taux de cisaillement à l’intérieur du lubrifiant est rapide. Cela crée davantage de chaleur de friction, ce qui réduit encore davantage la viscosité. Puis le cycle continue. Si ce processus n’est pas contrôlé, il peut entraîner une instabilité thermique et une défaillance des roulements.
Le taux de génération de chaleur dû au cisaillement visqueux dans un film de butée peut être estimé par :
Q_friction=η (U/h)² × A_pad × h
où A_pad est la zone du pad.
Cette équation peut être simplifiée à :
Q_friction=ηU²A_pad/h
Cette forme montre que la chaleur de friction est inversement proportionnelle à l'épaisseur du film. À mesure que le film s'amincit, la chaleur générée augmente rapidement.
Il existe plusieurs façons d’évacuer cette chaleur des roulements. La chaleur peut pénétrer dans le boîtier de roulement à travers le matériau des plaquettes. La chaleur peut également enlever le lubrifiant du film au niveau du bord de fuite. De plus, la chaleur peut pénétrer dans l’arbre par le cône.
La génération et l'évacuation de la chaleur sont équilibrées dans des roulements raisonnablement conçus. À ce stade, la température du lubrifiant est stable et l’huile conserve suffisamment de viscosité pour supporter la charge.
Deux facteurs sont particulièrement importants pour le contrôle de la température. Le premier est la conductivité thermique du matériau du tampon. La seconde est le flux de lubrifiant à travers le roulement. Les joints en cuivre et en alliage de cuivre-transfèrent la chaleur plus efficacement que ceux à coussinets en acier. Par conséquent, dans les mêmes conditions de charge et de vitesse, ils fonctionnent généralement à des températures de membrane plus basses.
La méthode de lubrification affecte également la température. La lubrification par noyage fournit beaucoup d'huile à la cavité du roulement et élimine davantage de chaleur. La lubrification à alimentation dirigée-distribue principalement de l'huile au bord avant de chaque joint et nécessite généralement moins d'huile. Cependant, les systèmes d'inondation peuvent provoquer des pertes d'agitation plus importantes dans les grandes machines à grande vitesse (Etz, Journal of ASME Tribology, vol 102, 1980).
Épaisseur minimale du film et capacité de charge : ingénierie du point de fonctionnement
L'épaisseur minimale du film, h_min, est le paramètre de fonctionnement le plus important d'une butée à film fluide. Il indique si le roulement fonctionne en toute sécurité dans le régime de lubrification hydrodynamique ou s'il évolue vers une lubrification mixte ou limite, où le contact avec la surface peut commencer.
La relation entre l'épaisseur minimale du film et les conditions de fonctionnement est souvent exprimée par un nombre caractéristique de butée :
h_min / L ∝ √(ηUL / W)
Dans cette équation, L est la longueur du patin dans la direction du mouvement et W est la charge de poussée appliquée.
Cette relation montre comment différents facteurs opérationnels affectent l’épaisseur du film.
Augmenter la vitesse U
Au fur et à mesure que le régime augmente, le film lubrifiant s'épaissit. Ceci est généralement bénéfique car cela améliore la séparation des surfaces. Cependant, des vitesses plus élevées peuvent également augmenter la chaleur collante, ce qui peut entraîner des problèmes de chaleur.
Augmenter la viscosité η
Lorsque la viscosité augmente, le film lubrifiant s'épaissit. Cela augmente la capacité de charge. Cependant, plus la viscosité est élevée, plus la perte sous agitation est importante et plus la température de travail est élevée.
Réduire la charge W
Au fur et à mesure que la charge diminue, le film lubrifiant s'épaissit. C'est le moyen le plus direct d'augmenter l'épaisseur du film.
Réduire la longueur du tampon L
L’effet de la longueur du tampon est complexe. Des coussinets plus courts peuvent augmenter le gradient d'épaisseur du film. Cela peut augmenter la quantité de pression produite par unité de surface. Cependant, les coussins plus courts offrent également moins de surface de support, ce qui entraîne une capacité de charge globale inférieure.
Dans la plupart des applications industrielles, l'épaisseur minimale du film est comprise entre 15 et 50 microns, ce qui offre une protection suffisante contre le contact avec la surface. Cette plage prend en compte la rugosité de la surface, les conditions de fonctionnement dynamiques et la contamination des lubrifiants. La rugosité de surface des roulements de précision se situe généralement entre 0,2 et 0,8 micromètres.
Lorsque l'épaisseur minimale du film est inférieure à 10 microns, les roulements peuvent entrer dans le régime de lubrification mixte. Dans ces conditions, un certain contact peut se produire entre les aspérités de la surface. Par conséquent, les ingénieurs doivent accorder une attention particulière à l’état de surface, au contrôle de la contamination ainsi qu’aux procédures de mise en marche et d’arrêt (Booser & Khonsari, STLE Life Factors for Plain Bearings, Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 2020). Ingénieurs en lubrification, 2020).
Démarrage et arrêt : l'inévitable période de lubrification mixte-
Chaque butée hydrodynamique, aussi bien conçue soit-elle, est soumise à une lubrification mixte ou limite lors du démarrage et de la fermeture. Lorsque l'axe est stationnaire, la vitesse U dans l'équation de Reynolds est nulle. Aucune pression hydrodynamique ne peut donc être générée. La totalité de la charge de poussée est directement supportée par la surface du patin.
Au fur et à mesure de la rotation de l’axe, le film lubrifiant se forme progressivement. Les roulements sont d'abord lubrifiés à la limite, là où la surface est séparée par de très fines couches de lubrifiant. À mesure que la vitesse augmente, le roulement entre dans une lubrification mixte. A ce stade, une partie de la charge est supportée par le film lubrifiant, tandis que certaines aspérités de surface restent en contact. À mesure que la vitesse augmente, une membrane hydrodynamique complète se forme. À ce stade, le film lubrifiant sépare complètement la surface.
La vitesse à laquelle se produit une séparation complète est appelée vitesse de transition. Cette vitesse dépend de la charge, de la viscosité du lubrifiant et de l'état de surface. Dans des roulements industriels bien-de qualité de surface et bien-lubrifiés, la vitesse de transition se situe généralement entre 0,5 % et 5 % de la vitesse de fonctionnement normale (Stachowiak & Batchelor, Engineering Tribology, 4e éd., Butterworth-Heinemann, 2014).
En dessous de la vitesse de transition, il y avait encore un certain contact avec la surface. Entre-temps, il peut y avoir de l'usure. Si le roulement subit plusieurs cycles de démarrage et d'arrêt, cette usure endommage progressivement la finition de surface précise requise pour un fonctionnement hydrodynamique efficace.
Pour cette raison, de nombreuses grandes turbines et compresseurs utilisent des systèmes d’huile de vérin hydrostatique. Ces systèmes injectent de l'huile à haute pression, généralement entre 20 et 70 MPa, à travers les trous du roulement avant que l'arbre ne commence à tourner. L'huile sous pression sépare la surface pour éviter tout contact direct lors du démarrage-.
Une fois que l’arbre atteint une vitesse suffisamment élevée pour produire un film hydrodynamique stable, l’alimentation en huile supérieure est coupée. Les roulements fonctionnent alors en utilisant leur propre film lubrifiant généré hydrodynamiquement. Cette méthode augmente les coûts d'équipement et nécessite une puissance de pompage supplémentaire, mais dans les applications avec des cycles de démarrage et de fermeture fréquents, elle peut prolonger considérablement la durée de vie du roulement.
Variables de conception clés et leur effet sur les performances des roulements
Les variables suivantes constituent les principaux facteurs de conception d'un palier de butée à film fluide.
Angle d'arc du tampon (largeur circonférentielle)
L'arc du pad fournit une zone de pad. De ce fait, chaque joint peut supporter une charge plus élevée. Cependant, les coussins plus grands produisent également plus de chaleur. Dans les butées à revêtement multi-, l'angle d'arc des plaquettes est généralement compris entre 25 degrés et 60 degrés.
Nombre de tampons
L'utilisation d'un plus grand nombre de joints peut améliorer la répartition de la charge et réduire la pression maximale sur chaque joint. Cependant, plus de joints signifie également plus de pivots, une plus grande variation de température, des roulements et une complexité de fabrication plus élevée. La plupart des butées industrielles utilisent 6 à 12 patins.
Position du pivot (-conceptions de coussinets inclinables)
la position du pivot a un impact important sur les performances. Le pivot, situé à 50% de la longueur du chausson, offre des performances optimales dans un sens de rotation. Le pivot, situé à 60 % de la longueur du joint, réduit légèrement les performances maximales mais permet un fonctionnement acceptable dans les deux sens de rotation.
Matériau du tampon
Le choix du matériau du coussin affecte le transfert de chaleur et la durabilité. Les coussins en acier sont rigides et peuvent bien conserver la forme des coussins en acier pendant l'utilisation. Les joints en alliage de cuivre peuvent conduire la chaleur plus efficacement et aider à réduire la température de l'huile lubrifiante.
De nombreux coussinets de roulement utilisent également une surface de roulement recouverte de Babbit-. Le Babbitt, qui peut être à base d'étain ou de plomb, s'adapte aux petites irrégularités de surface et absorbe les petites particules de pollution. Cela améliore la fiabilité des roulements. La résistance à la fatigue de la couche de régule limite la pression maximale de service. Les matériaux de régule conventionnels résistent généralement à une pression d'environ 10 à 15 MPa. Les matériaux de recouvrement à haute teneur en -étain et aluminium- peuvent généralement résister à une pression comprise entre 18 et 25 MPa (Khonsari et Booser, 2017).
Degré de viscosité du lubrifiant
La viscosité du lubrifiant a une influence majeure sur les performances des roulements. Une huile de viscosité plus élevée peut supporter une charge plus importante à une vitesse inférieure. Cependant, ils produisent également plus de chaleur à des vitesses élevées.
Les huiles minérales ISO VG 32 à ISO VG 68 sont couramment utilisées dans les applications de turbomachines. Dans les équipements industriels plus lents et plus lourds, tels que les systèmes d'engrenages et les compresseurs, les huiles ISO ISO VG 100 à ISO VG 320 sont couramment utilisées (ISO 3448:1992, lubrifiants liquides industriels de classification de viscosité ISO).
Lubrifiants liquides industriels - Classification de viscosité ISO).
Dimensions radiales (rayon intérieur et extérieur)
Les rayons internes et externes affectent les caractéristiques de fonctionnement des roulements. Le rayon moyen détermine la vitesse de glissement d'une vitesse d'arbre donnée.
Plus le rapport entre le rayon extérieur et le rayon intérieur est grand, plus la surface du tampon est grande. Cela peut augmenter la capacité de charge. Cependant, cela crée également une plus grande différence de vitesse de glissement sur la largeur du patin. En conséquence, la répartition de la pression devient inégale et la capacité de charge réelle peut être inférieure à celle indiquée par la seule surface du coussin.
Modes de défaillance et leur lien avec le principe de fonctionnement
Comprendre le fonctionnement d'une butée facilite la compréhension de ses modes de défaillance.
Effondrement du film (manque de lubrifiant)
Si l'apport d'huile de lubrification est trop faible, le film d'huile sur le bord avant devient plus fin. En conséquence, le coin hydrodynamique ne se développe pas normalement. L'épaisseur minimale du film est ensuite réduite, éventuellement en dessous du niveau requis pour une lubrification complète du film. Lorsque cela se produit, le roulement entre dans le régime de lubrification mixte-.
Au fur et à mesure que le contact avec la surface commence à se produire, les flocons ou les revêtements commencent à s'user. Ce contact crée plus de friction et de chaleur. Plus la température est élevée, plus la viscosité du lubrifiant est faible, ce qui rend le film plus fin. Le processus se poursuit ensuite, entraînant potentiellement une perte de chaleur et une défaillance des roulements (Booser & Khonsari, 2020).
Distorsion thermique (couronnement)
La température à la surface du tampon n’est pas toujours uniforme. Si certaines zones sont plus chaudes que d’autres, différentes parties du joint se dilatent de différentes manières. Cela modifiera la forme de la surface du tampon et pourra modifier le cône ou le profil plat attendu.
Dans les roulements à plaquettes inclinables, le couronnement thermique peut éloigner le centre de pression effectif de l'emplacement du pivot. Cela modifie l'équilibre des forces agissant sur le joint et peut réduire l'épaisseur minimale du film à des niveaux dangereux.
Par conséquent, l'analyse de la déformation thermique est un élément important de la conception de butées à hautes-performances. Les ingénieurs ont souvent recours à l'analyse par éléments finis pour étudier les effets combinés de la température et de la déformation structurelle (Ettles, 1980).
Chargement sur les bords (désalignement)
Un désalignement de l'arbre ou une déformation du boîtier de roulement peuvent entraîner l'inclinaison de la bague de butée par rapport aux patins de roulement. Lorsque cela se produit, la charge est concentrée sur un bord plutôt que dispersée sur la surface du patin.
Cette condition est appelée chargement de bord. Cela peut ajouter beaucoup de pression locale. Dans certains cas, la pression sur le bord de la charge peut être trois à cinq fois supérieure à la pression moyenne sur l'ensemble du patin. Par conséquent, même si la charge globale du roulement reste dans les limites des spécifications de conception, la couche Babbit peut dépasser sa limite de fatigue.
Instabilité de pivotement (inclinaison-roulements à patins)
Dans les butées à patin inclinable à grande vitesse et à faible charge, le patin peut ne pas être stable dans une position. Au lieu de cela, les coussinets peuvent être inclinés d'avant en arrière.
Ce comportement est appelé instabilité de pivotement. C'est semblable à un tourbillon d'huile dans un palier lisse. L'instabilité produit des vibrations à une fréquence inférieure à la vitesse de l'axe.
La possibilité de ce problème dépend de la relation entre la rigidité générée par le support de pivot et la rigidité générée par les forces hydrodynamiques dans le film lubrifiant. Si l'équilibre devient défavorable, il devient difficile de maintenir un fonctionnement stable (Childs, Turbomachinery Rotordynamics, Wiley, 1993).
Conclusion
Le principe de fonctionnement des butées à film liquide repose sur un fait physique simple. Lorsque les deux surfaces se déplacent l’une par rapport à l’autre, le fluide visqueux présent dans l’espace convergent crée une pression. Cette pression est générée par une action hydrodynamique et ne nécessite pas de sources de pression externes. Pour cette raison, les butées sont conçues pour créer, maintenir et contrôler un film lubrifiant polymérisé dans différentes conditions de fonctionnement, telles que la charge, la vitesse, la température et la déformation mécanique.
Dans le processus de fabrication, le roulement à cône fixe et le roulement à gradins créent la géométrie convergente. La forme est construite sur la surface d'appui et reste fixe pendant le fonctionnement.
Les roulements à patins inclinables-fonctionnent différemment. Chaque joint peut être ajusté pendant l'utilisation. Cela permet au tampon de former en permanence un coin convergent qui répond aux conditions de fonctionnement actuelles. À mesure que la charge, la vitesse et les propriétés du lubrifiant changent, l'angle du joint change également.
Dans les deux types de roulements, un film lubrifiant sépare la surface du roulement de la bague de butée rotative pendant le fonctionnement hydrodynamique normal. La charge est obtenue par la pression générée à l'intérieur du film lubrifiant plutôt que par le contact direct entre des surfaces solides. Le film lubrifiant n'a généralement qu'une épaisseur de quelques micromètres à quelques dizaines de microns, selon les conditions de fonctionnement et la conception du roulement.
Références
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