Dans la conception mécanique robuste et la maintenance des équipements industriels, calculer avec précision la capacité de charge de Roulements à rouleaux cylindriques de poussée est au cœur de la garantie de la fiabilité du système. Ces roulements sont réputés pour leur capacité de charge axiale exceptionnelle et leur grande rigidité, ce qui les rend largement utilisés dans les plates-formes de forage pétrolier, les extrudeuses lourdes et les boîtes de vitesses industrielles. Pour maximiser la durée de vie des roulements et éviter une panne catastrophique de l'équipement, les ingénieurs doivent maîtriser les méthodes de calcul précises des charges nominales dynamiques et statiques.
1. Principes fondamentaux de la capacité de charge axiale et de la géométrie des roulements
Pour comprendre la capacité de charge des butées à rouleaux cylindriques, il faut d'abord distinguer leurs différences structurelles par rapport aux roulements à billes. Les rouleaux cylindriques fournissent Contact de ligne plutôt que le Point de contact trouvé dans les roulements à billes. Cette caractéristique géométrique permet aux butées à rouleaux cylindriques de résister à une poussée axiale massive dans un espace très réduit. Cependant, cela exige également une plus grande précision en matière de contrôle des vibrations et d’alignement.
1.1 L'importance de la contrainte de contact de ligne
Dans le processus de calcul, le contact linéaire signifie que la pression est répartie sur toute la longueur du rouleau. Selon la théorie hertzienne des contraintes de contact, le calcul de la capacité de charge doit tenir compte de la longueur effective des rouleaux. Si le roulement est mal installé, entraînant un basculement, la charge se concentrera sur les bords des rouleaux, créant une « contrainte de bord ». Cela peut réduire la capacité de charge théorique de plus de 50 pour cent. Par conséquent, dans les recherches à haute fréquence, « Désalignement des roulements » reste un mot-clé critique à longue traîne lié aux calculs de charge.
1.2 Charges nominales de base dynamiques et statiques
- Charge dynamique de base (Ca) : Cela fait référence à la charge axiale constante qu'un roulement peut supporter pendant sa rotation pour atteindre une durée de vie nominale d'un million de tours. Il s’agit de la mesure clé pour évaluer la durée de vie opérationnelle des équipements.
- Charge statique de base (C0a) : Il s'agit de la charge limite à laquelle une déformation permanente se produit au point central de contact lorsque le roulement est stationnaire ou tourne à des vitesses très lentes. Il détermine la sécurité du roulement sous des charges d'impact ou au moment du démarrage. Maîtriser la différence entre ces deux valeurs est la première étape de la sélection des roulements.
2. Calcul de la charge dynamique de base (Ca) à l'aide de la norme OIN 281
Le calcul de la charge dynamique constitue la base de la prévision de la durée de vie des roulements. Pour les butées à rouleaux cylindriques, la norme mondialement reconnue est ISO 281 . Cette formule prend en compte non seulement les dimensions physiques, mais également l'impact de la technologie des matériaux et de la précision du traitement sur la capacité de charge.
2.1 La formule de la norme ISO 281
Pour les butées à rouleaux cylindriques à une rangée, la charge axiale dynamique de base Ca (mesurée en Newtons) est calculée à l'aide des variables suivantes :
Ca = fc * (Lw * cos alpha)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 Définitions des variables et leur impact
- fc (Facteur de Géométrie) : Un coefficient dépendant de la géométrie spécifique, de la classe de tolérance et de la qualité du matériau du roulement. L'acier à roulements de haute qualité (tel que le GCr15) a généralement une valeur fc plus élevée.
- Lw (longueur effective du rouleau) : La longueur efficace du rouleau. L'augmentation de la longueur des rouleaux améliore directement la capacité de charge, mais des rouleaux trop longs génèrent des frottements de glissement importants lors de la rotation ; ainsi, les concepteurs doivent équilibrer le rapport hauteur/largeur.
- Z (Nombre de rouleaux) : Plus il y a de rouleaux, moins chaque rouleau supporte de force, ce qui augmente la note globale.
- Dw (diamètre du rouleau) : Le diamètre du rouleau a un impact exponentiel sur la capacité de charge et constitue la variable de conception la plus sensible.
2.3 Calcul de la durée de vie nominale (L10)
Après avoir obtenu Ca, les ingénieurs doivent calculer le Durée de vie nominale (L10) . Pour les butées à rouleaux, la formule de calcul est la suivante :
L10 = (Ca/Pa)^10/3
L'exposant de 10/3 (environ 3,33) reflète le fait que les roulements à rouleaux sont plus durables avant rupture par fatigue que les roulements à billes (qui utilisent un exposant de 3). Sur un site Web d'entreprise, la démonstration de cette prédiction précise de la durée de vie améliore considérablement la confiance des clients dans le produit.
3. Capacité de charge statique (C0a) et facteurs de sécurité
Dans de nombreuses applications, les roulements ne sont pas toujours dans un état de fonctionnement à grande vitesse. Par exemple, lors de l'ouverture d'une vanne lourde ou au moment où une grue soulève une charge, le roulement est soumis à une immense pression à l'arrêt. Dans de tels cas, nous devons compter sur OIN 76 norme pour calculer la capacité de charge statique.
3.1 Prévention de la déformation permanente (Brinelling)
La capacité de charge statique est définie comme la charge qui entraîne une déformation permanente totale au centre de contact du rouleau et du chemin de roulement les plus chargés, n'excédant pas 0.0001 du diamètre du rouleau. Si cette valeur est dépassée, le roulement générera de fortes vibrations et du bruit lors de la rotation ultérieure. Ceci est communément appelé dans les recherches industrielles « l’effet Brinelling ».
3.2 La formule de calcul statique
La formule générale de la charge axiale statique C0a est exprimée comme suit :
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alpha
La constante 220 représente le niveau de performance de l'acier pour roulements trempé standard sous des niveaux de contrainte de contact spécifiques.
- Facteur de sécurité (S0) : En ingénierie pratique, nous introduisons un facteur de sécurité statique S0 = C0a / P0a. Pour les équipements soumis à des charges d’impact, un S0 de 3 ou plus est recommandé ; pour les équipements de précision, S0 doit être encore plus élevé pour garantir qu'aucune déformation plastique n'affecte la précision.
4. Comparaison opérationnelle : facteurs d'ajustement de la charge
Les conditions de travail réelles sont bien plus complexes que les conditions de laboratoire. La lubrification, la température et la précision de l'installation agissent tous comme des « facteurs de correction » qui affectent directement la capacité de charge effective du roulement.
| Facteurs d'impact | Variable | Impact sur la capacité | Recommandations |
|---|---|---|---|
| Température de fonctionnement | pi | Baisse significative au dessus de 120C | Utiliser de l'acier stabilisé à la chaleur |
| Conditions de lubrification | kappa | Une mauvaise lubrification provoque un contact avec le métal | Assurer un rapport de viscosité kappa > 1,5 |
| Erreurs d'alignement | bêta | Les petits angles d'inclinaison provoquent une concentration de la charge | Utilisez des rondelles sphériques ou des sièges auto-alignants |
| Pureté du matériau | aISO | Les impuretés entraînent un effritement précoce | Choisissez un acier dégazé sous vide ou ESR |
| Vitesse de fonctionnement | n | La force centrifuge augmente la contrainte | Vérifier les spécifications de vitesse limite |
5. Foire aux questions (FAQ)
Q1 : Les roulements à rouleaux cylindriques de poussée peuvent-ils supporter des charges radiales ?
Non. Ces roulements sont conçus strictement pour les charges axiales. Les rouleaux étant disposés perpendiculairement à l'axe de l'arbre, les forces radiales provoquent de fortes frictions avec la cage ou peuvent même conduire à l'effondrement de l'ensemble. Si des forces radiales sont présentes, veuillez utiliser un roulement à aiguilles en combinaison.
Q2 : Pourquoi l'exposant de durée de vie L10 est-il différent des roulements à billes ?
Cela est dû à la différence dans la mécanique des contacts. Les roulements à billes utilisent un contact ponctuel, ce qui entraîne une concentration de contraintes plus élevée et un exposant de 3. Les roulements à rouleaux cylindriques utilisent un contact linéaire, qui répartit les contraintes plus uniformément, utilisant ainsi l'exposant supérieur de 10/3.
Q3 : Comment la viscosité de la lubrification affecte-t-elle la charge effective ?
L'épaisseur du film d'huile de lubrification détermine si les pics de rugosité des surfaces de contact entreront en collision. Même si la charge théorique est élevée, si la viscosité de l'huile est trop faible, la durée de vie réelle peut être inférieure à 10 % de la valeur calculée.
6. Références et normes techniques
- ISO 281:2007 : Roulements — Charges dynamiques et durée de vie nominale.
- OIN 76:2006 : Roulements — Charges statiques nominales.
- Norme ANSI/ABMA 11 : Capacités de charge et durée de vie en fatigue des roulements à rouleaux.
- Harris, T.A. et Kotzalas, M.N. : Analyse des roulements, volumes 1 et 2 , Presse CRC. (Le manuel standard de l'industrie pour l'analyse des roulements).
