Endurance de roulements à grande vitesse jusqu’à 70 000 tr/min.

Essais de durée de vie de roulements à très grande vitesse sous charge combinée

Dans les systèmes critiques, les roulements sont souvent le maillon le plus faible capable de mettre toute une machine hors service. Un roulement grippé dans un moteur aéronautique, un roulement défaillant dans une boîte d’engrenages haute vitesse ou un emballement thermique dans un turbocompresseur peuvent signifier une mission avortée, un arrêt imprévu ou des dommages catastrophiques. Pourtant, dans la plupart des programmes, la durée de vie des roulements est encore prédite en grande partie à partir de données de catalogue, de coefficients de sécurité et d’hypothèses. Le banc d’essai d’endurance de roulements à grande vitesse existe pour supprimer ces hypothèses — en recréant les contraintes réelles que subissent les roulements en service et en produisant des preuves tangibles et instrumentées de la façon dont un roulement se comporte et défaille réellement.

Objectif fonctionnel & capacité d’essai

La finalité première du banc est de répondre à une question fondamentale : “Comment les roulements à grande vitesse se comportent-ils réellement tout au long de leur vie dans mes conditions de fonctionnement spécifiques ?” Pour cela, le banc est conçu pour :

• Mesurer la durée de vie en endurance de roulements sous charge radiale variable, charge axiale (poussée) variable, vitesses de quelques tr/min jusqu’à environ 70 000 tr/min, débit/pression de lubrification maîtrisés et température d’huile maîtrisée (y compris l’endurance à haute température)
• Saisir et enregistrer les indicateurs clés de performance tout au long de l’essai — évolution du couple/frottement, vitesse et stabilité de vitesse, niveaux de charge radiale et axiale, pression/température/débit d’huile et niveaux de vibration via une entrée d’analyseur externe
• Permettre des scénarios d’essai réalistes — essais d’endurance à charge et vitesse constantes, charges par paliers ou en rampe à vitesse fixe, essais de durée de vie accélérés en température et essais comparatifs de roulements, de lubrifiants ou de revêtements

Le système est conçu pour des essais de longue durée, en partie sans surveillance, avec des verrouillages et une surveillance adéquats pour protéger à la fois l’opérateur et l’équipement.

Architecture du système, sous-système par sous-système

Le banc est construit autour d’une chaîne cinématique de forte puissance, d’une boîte d’engrenages haute vitesse de précision, d’un dispositif de chargement du roulement et de systèmes de lubrification indépendants, le tout intégré à un système de commande et d’acquisition de données sur PC sur un bâti en fonte.

Système d’entraînement & boîte d’engrenages haute vitesse

Le moteur d’entraînement est une machine CA triphasée d’environ 113 kW, 415 V, associée à un variateur à commande vectorielle industriel, de vitesse nominale d’environ 2900 tr/min avec une capacité jusqu’à environ 5000 tr/min, un retour par codeur pour l’asservissement de la vitesse et des rampes d’accélération/décélération configurables pour réduire les chocs mécaniques. Pour atteindre des vitesses de broche jusqu’à 70 000 tr/min, le moteur entraîne une boîte d’engrenages dédiée à deux étages, hélicoïdale simple, à arbres parallèles, conçue selon AGMA 6011 I-03, avec des paliers lisses hydrodynamiques (support acier, revêtement en métal blanc) pour un fonctionnement continu à grande vitesse avec de faibles vibrations.

Carter de roulement, broche & structure mécanique

L’ensemble — moteur, boîte d’engrenages, dispositif du roulement — est monté sur un bâti en fonte pour une grande rigidité en flexion (maintient l’alignement de l’arbre sous charge) et un excellent amortissement des vibrations. Le dispositif de chargement du roulement se compose d’un arbre de broche rectifié avec précision portant le roulement d’essai et les roulements/disques de support, de disques et d’entretoises personnalisables pour correspondre à la géométrie du roulement d’essai (par ex. 20 × 47 × 14 mm) et d’un carter en deux parties qui sépare le support (carter inférieur) du transfert des charges (carter supérieur). Un dispositif dédié d’engagement et de démontage évite les dommages lors du montage/démontage et accélère les changements de roulement entre les essais.

Application des charges radiale & axiale

La charge radiale est générée par un soufflet pneumatique agissant par une broche de charge radiale sur le carter supérieur, mesurée par une cellule de charge radiale — jusqu’à environ 25 kN (≈2,5 tonnes), réglable progressivement par la pression d’air. La charge axiale (poussée) est appliquée par des vérins pneumatiques compacts disposés pour exercer une force purement axiale sur le disque du roulement, mesurée par des cellules de charge axiale — jusqu’à environ 2,5 kN. Des unités filtre-régulateur, des régulateurs électropneumatiques (E/P) et des électrovannes 5/2 & 3/2, 24 V CC complètent le système de commande pneumatique pour des profils de charge bien définis.

Lubrification & gestion thermique

Le groupe de lubrification du roulement fournit de l’huile à pression, débit et température maîtrisés — réservoir, pompe, filtration et lignes de retour pour un fonctionnement continu, un réchauffeur électrique élevant la température d’huile de l’ambiante (~35°C) jusqu’à environ 200°C, et une vanne proportionnelle de régulation de débit pour l’ajustement électrique du débit. Un groupe de lubrification distinct de la boîte d’engrenages maintient un film d’huile hydrodynamique stable à grande vitesse. Selon les utilités du site, les deux systèmes peuvent être raccordés à un refroidisseur externe ou à un circuit d’eau de refroidissement pour l’évacuation de la chaleur pendant les longs essais.

Instrumentation, surveillance & acquisition de données

L’instrumentation typique comprend un capteur de couple sans contact (0–50 N·m typique), une mesure de vitesse avec une capacité de capteur de 0–80 000 tr/min, une cellule de charge radiale (jusqu’à ~25 kN), des cellules de charge axiale (jusqu’à ~2,5 kN au total), des transmetteurs de pression et de température d’huile, une indication de débit et des signaux d’état numériques pour les pompes, réchauffeurs, détecteurs de niveau/fin de course, arrêts d’urgence et verrouillages. Des indicateurs locaux en face avant affichent en temps réel le couple, la vitesse, la charge, la pression, la température et le débit avec des seuils d’alarme configurables. Un PC ou PC industriel doté d’un matériel d’acquisition dédié recueille tous les signaux analogiques et numériques, affiche les valeurs et tendances en temps réel sur l’IHM et enregistre toutes les données utiles avec horodatage et identifiants d’essai — ce qui permet l’analyse statistique de la durée de vie, les enquêtes sur les défaillances, les comparaisons de fournisseurs et l’établissement de rapports.

Sécurité & philosophie d’exploitation

En raison des vitesses élevées et de l’énergie stockée, le banc est conçu avec un concept de sécurité à plusieurs niveaux :

• Protection mécanique autour de tous les composants tournants et pièces mobiles
• Circuits d’arrêt d’urgence — un arrêt d’urgence de l’entraînement pour couper la puissance du moteur et décélérer le système, et un arrêt d’urgence du système pour arrêter en toute sécurité la lubrification et les systèmes auxiliaires
• Verrouillages qui empêchent le démarrage d’un essai si la pression/le débit de lubrification est insuffisant, si les températures d’huile sont hors plage, si la pression pneumatique de chargement n’est pas disponible ou si une alarme critique est active
• Procédures d’exploitation exigeant que les systèmes de lubrification soient démarrés et stabilisés avant d’appliquer vitesse/charge, que des temps de chauffe définis soient respectés et qu’aucune intervention manuelle n’ait lieu pendant que l’essai se déroule ou que des composants tournent

Le principe général : aucune opération à grande vitesse n’est possible sans confirmation que les conditions de lubrification, de chargement et de sécurité sont saines.

Principaux avantages

• Des données d’endurance réalistes et fidèles sous conditions combinées de vitesse, de charge et de température
• Une forte répétabilité, due à une structure mécanique rigide et à une maîtrise précise de la lubrification et des charges
• Une connaissance approfondie du comportement des roulements, permettant de meilleurs choix de conception et une meilleure gestion des fournisseurs
• Des enregistrements numériques complets qui appuient la qualification, la certification et le dépannage
• La souplesse d’adaptation à différentes tailles de roulements, niveaux de charge et concepts d’essai