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26/11/2018 - VALERIE COUPLEZ

UN BEL AVENIR POUR LES PALIERS LISSES EN PLASTIQUE SANS LUBRIFICATION

composiet glijlagerLubrification de paliers à glissement

A la base, un système de palier à glissement (ou palier lisse) consiste simplement en deux surfaces glissant l’une sur l’autre. Il s’agit dès lors de maîtriser la chaleur de friction générée. Et donc de lubrifier. Mais au cours de la dernière décennie, des paliers à glissement n’exigeant que peu, voire pas de lubrification ont également fait leur apparition dans l’industrie. Nous avons vérifié pour vous s’ils méritaient bel et bien leur nom et où se situaient les principales applications.

QU’EST-CE QU’UN PALIER A GLISSEMENT?

Un palier à glissement est un palier lisse dans le cas duquel la tension et la vitesse de surface détermineront le choix. Pour cela, il faut effectuer un calcul du bilan thermique (voir encadré calcul du bilan thermique). Les paliers à glissement (ou paliers lisses) veillent à la fluidité d’applications industrielles. Contrairement aux paliers à rouleaux, présentant des éléments roulants entre l’axe et le trou, l’axe glissera dans le palier. Grâce à leur construction relativement simple, ils reviennent généralement moins cher que d’autres types de paliers. Sur le plan technique aussi, ils s’avèrent le choix le plus intéressant lors de fluctuations dynamiques dans la charge du palier. En cas de lourdes charges saccadées, la tension de contact sera trop élevée avec les paliers à rouleaux. En raison de leur construction, les paliers à glissement donnent un contact plat. La tension de crête sera ainsi fortement réduite. Dans ces applications, ils constitueront toujours le meilleur choix d’un point de vue technique. Ils ne peuvent pourtant pas être utilisés ainsi partout. A cause de la friction résultant du glissement des deux surfaces l’une sur l’autre, la température risque de trop augmenter, surtout dans les applications avec une vitesse de surface et une pression de surface élevées. Un choix de matériau et une lubrification corrects peuvent alors constituer une solution. C’est pourquoi on fait une distinction entre les paliers à glissement tournant à sec, lubrifiés à la graisse et à lubrification liquide.

UNE SÉLECTION DE MATÉRIAUX CORRECTE EST IMPORTANTE POUR UNE PELLE HYDRAULIQUE

GraafmachineUne backhoe dredger est une grosse pelle hydraulique pour des travaux de dragage dans les ports. Des paliers à glissement en acier trempé sont montés au niveau des pivots du bras. En optant pour des solutions avec des traitements et topographie de surface spéciaux, deux problèmes sont résolus. Le système doit tout d’abord être arrêté moins souvent pour la lubrification. Ce, grâce à la topographie de surface répartissant mieux la graisse et la retenant au niveau de la charge. La longévité par rapport à des paliers en bronze est ensuite prolongée de plus d’un facteur cinq. Cela montre que la bonne combinaison de matériaux offre de nombreux avantages pour l’utilisateur du système de palier.

TYPES DE PALIERS A GLISSEMENT

Paliers à glissement tournant à sec

On entend par là les paliers à glissement opérant sans une goutte de lubrification. Une faible friction est obtenue en combinant les bons matériaux pour les surfaces. Pour les applications avec une vitesse de surface supérieure à 10 m/s, ils sont exclus. La température résultant du glissement des deux surfaces du palier lisse l’une sur l’autre ne pourra, en effet, alors plus être gardée sous contrôle en combinant simplement les bons matériaux. Des vitesses de surface entre 2 et 10 m/s constituent un peu la zone limite. Seuls les paliers frittés en bronze avec huile imprégnée (pas une vraie marche à sec, mais un fonctionnement sans entretien, vu que les paliers sont imprégnés à l’usine) entrent encore en ligne de compte pour cela. La majorité des applications se situent donc sous cette limite. Le matériau idéal pour les paliers à glissement tournant à sec est le plastique.

Paliers à glissement lubrifiés à la graisse

Dans la plupart des cas, la graisse sera privilégiée, car elle reste plus facilement en place que l’huile et offre aussi une meilleure protection contre l’infiltration de saleté et de corrosion. Pour les mouvements articulés, la lubrification liquide ne constituera de toute façon pas une alternative et il faut opter pour la graisse. La graisse convient aussi mieux pour les mouvements linéaires. La graisse la plus adéquate dépend des propriétés de la graisse et de leur compatibilité avec l’application. Les températures développées élimineront p.ex. déjà certaines options pour vous. Les fabricants de paliers à glissement mettent également en garde contre les lubrifiants avec trop d’additifs. Une graisse de base suffira généralement pour la lubrification. Il y a, en effet, souvent déjà du lubrifiant dans le palier. De ce fait, les additifs utilisés (particules dures) peuvent avoir un effet abrasif et entraver un fonctionnement souple.

Paliers à glissement à lubrification liquide

La lubrification liquide a, elle, un avantage indéniable: en cas de vitesse de surface plus élevée (à partir de 0,5 m/s), un film hydrodynamique se forme, qui réduira énormément la friction. Les paliers à glissement standard ont une valeur de friction entre 0,04 et 0,18. Un film hydrodynamique ramène cette valeur à 0,01 à 0,02. Cela signifie donc un dégagement de chaleur et une puissance nécessaire nettement moindres. L’huile est depuis toujours le choix pour un lubrifiant liquide. Tenez compte du fait que si la pression de surface augmente, la viscosité de l’huile peut changer. L’eau offre aussi une alternative techniquement intéressante, surtout dans les applications où elle est disponible librement et ne coûte donc rien. L’eau gagne donc du terrain par rapport à l’huile. Elle est, de plus, bien plus écologique. Un atout non négligeable, vu l’attention accrue pour la durabilité.

IMPORTANCE DE LA LUBRIFICATION POUR LES PALIERS A GLISSEMENT

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▲ Une structure à trous par laquelle les parties chargées passent, peut doubler un intervalle de lubrification

Deux surfaces glissant l’une sur l’autre dans le cas d’un palier lisse, il sera important de garder la température sous contrôle en fonction de l’application. Ici, la valeur de friction ou le coefficient de frottement (voir encadré) joue un rôle majeur. Il faudra tout d’abord faire un choix de matériaux, avec éventuellement un traitement de surface, générant peu de friction. On regardera ensuite si la friction est suffisamment sous contrôle ou s’il faut encore un lubrifiant. La lubrification a donc un sérieux impact sur la longévité du palier à glissement. Ces dernières années, on note pourtant une tendance claire aux paliers lisses n’exigeant que peu, voire pas de lubrification, principalement pour devoir arrêter les machines le moins possible. Les paliers lisses sans lubrification sont devenus une réalité à la suite des évolutions parmi les plastiques. Grâce au développement de matériaux spécifiques ne causant que peu, voire pas de friction, ces paliers n’ont, en effet, plus besoin de la moindre goutte de lubrifiant. Les fabricants se sont aussi efforcés d’allonger les intervalles de lubrification pour aboutir à des paliers à glissement exigeant peu de lubrification. Tout d’abord à nouveau grâce au bon choix de matériaux. On peut également prévoir une structure dans le matériau pour retenir le lubrifiant le mieux et le plus longtemps possible au bon endroit. L’intervalle d’entretien est ainsi fortement allongé.

VALEUR DE FRICTION OU COEFFICIENT DE FROTTEMENT

La valeur de friction ou le coefficient de frottement est un nombre adimensionnel indiquant le niveau de friction entre deux surfaces. On fait une distinction entre le coefficient de frottement statique et dynamique. Le coefficient de frottement statique est le rapport entre la force de frottement maximale survenante et la force normale avant que les surfaces se déplacent l’une par rapport à l’autre. Le coefficient de frottement dynamique est le rapport entre la force de frottement et la force normale lorsque les surfaces se déplacent l’une par rapport à l’autre. La valeur dépend toujours des combinaisons de matériaux utilisées (axe et palier).

FACTEURS INFLUENÇANT LE CHOIX DE MATERIAUX ET LE BESOIN DE LUBRIFIANT

Le matériau constituera donc un premier indicateur pour savoir si le palier à glissement exige une lubrification. Il faut une certaine expertise pour déterminer quels matériaux conviennent pour l’application. Deux paramètres dans les propriétés physiques du matériau et l’application spécifique peuvent en dire plus. On regarde tout d’abord la valeur de friction ou le coefficient de frottement: quelle quantité de chaleur sera générée lors du glissement du matériau. Le coefficient de conduction thermique du matériau joue deuxièmement un rôle. A quelle vitesse la chaleur générée pendant l’application pourra-t-elle être évacuée du palier et de l’axe? Ces éléments doivent être en équilibre afin que le palier ne chauffe pas et ne voie donc pas sa vie écourtée (voir encadré calcul du bilan thermique).

LES PLASTIQUES SANS LUBRIFICATION, PREMIER CHOIX

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▲ Si l’application le permet, du plastique dans lequel le lubrifiant est déjà intégré, devrait toujours être préféré à l’acier ou au bronze. Ces paliers n’exigent pas de gouttes d’huile ou de graisse pendant toute leur durée de vie

Si l’application le permet, du plastique dans lequel le lubrifiant est déjà intégré, devrait toujours être préféré à l’acier ou au bronze. Ces paliers n’exigent, en effet, pas la moindre goutte d’huile ou de graisse pendant toute leur durée de vie. Bien que de tels paliers à glissement sans lubrification prouvent leur utilité depuis déjà plus de quarante ans, certaines entreprises hésitent encore à les utiliser dans leur production. Cela peut pourtant représenter une sérieuse économie si vous n’avez plus besoin de lubrifiant et ne devez pas arrêter votre processus de production pour la lubrification. Les plastiques sont, en outre, une solution moins chère que les matériaux classiques pour les paliers lisses (bronze et acier). Leur inconvénient? Ils ont généralement une moins bonne évacuation de la chaleur. Selon l’application, il peut donc être nécessaire de chercher d’autres solutions. Les plastiques sont clairement en plein essor. Grâce à des avancées technologiques, ils gagneront encore du terrain ces prochaines années.

PLASTIQUES AVEC LUBRIFICATION

S’il s’avère, sur la base de l’application, que les propriétés du plastique utilisé ne suffiront pas pour garantir un fonctionnement souple prolongé, l’option suivante est du plastique en combinaison avec un lubrifiant. Si le calcul est correct pour l’application, cela constituera l’option la moins chère. Lors du choix de la lubrification, tenez toujours compte des facteurs ambiants. La poussière peut p.ex. faire d’un lubrifiant une pâte abrasive, mais la présence d’eau peut également influencer l’action de la graisse. Si la lubrification n’est pas possible ou si le plastique ne suffit pas, même avec une lubrification, pour obtenir une évacuation suffisante de la chaleur, d’autres matériaux doivent être envisagés.

BRONZE ET ACIER

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▲ Le bronze comme l’acier auront besoin de lubrification dans la majorité des applications pour protéger le palier à glissement

L’option suivante est le bronze, résistant à une charge plus élevée que le plastique et moins sensible à la corrosion que l’acier. Les paliers lisses en acier exigent dans la plupart des cas un traitement de surface (trempe et revêtement) pour résister à l’usure. Le bronze comme l’acier auront besoin de lubrification dans la majorité des applications pour protéger suffisamment le palier à glissement. Ici aussi, il y a des solutions pour allonger les intervalles de lubrification. On peut alors parler de paliers n’exigeant que peu de lubrification. Un inconvénient supplémentaire: avec ces options, l’axe doit aussi souvent être trempé pour éviter l’usure.

CALCUL DU BILAN THERMIQUE (VALEUR PV)

WarmtebalanscalculatieLe calcul du bilan thermique est la première étape dans le choix du bon palier à glissement pour votre application. Il faudra à chaque fois procéder à un calcul pour arriver à la valeur PV réelle et admissible. Le P représente la pression de surface, exprimée en MPa ou N/mm².

Cela permet de savoir si la surface projetée du palier à glissement (le diamètre x la longueur) résiste à la charge. Le V représente, lui, la vitesse de surface, exprimée en m/s. Elle peut être calculée simplement pour un mouvement rotatif: le périmètre intérieur du palier x la fréquence de rotation. Pour un mouvement articulé, il faut, en revanche, additionner toutes les oscillations.

Attention, la valeur PV ne dira rien sur l’usure du palier. Elle permet en fait uniquement de tester la combinaison de matériaux et si le palier à glissement cassera après vingt minutes. Les fabricants disposent d’autres tests de référence pour donner à l’utilisateur une idée de la longévité du palier à glissement dans une application spécifique.

COMMENT APPLIQUER LE LUBRIFIANT DANS LE PALIER A GLISSEMENT?

Si les calculs des applications en combinaison avec le matériau révèlent qu’une lubrification s’impose, l’utilisateur a encore de nombreuses possibilités. Chaque partie chargée de l’axe doit être suffisamment lubrifiée. Tel doit toujours être le point de départ. Ici, on regarde de quelle manière appliquer au mieux le lubrifiant à l’intérieur du palier pour qu’il soit amené ensuite via des dessins dans les surfaces ou une structure intégrée au plus près des surfaces chargées. En fonction de cela, une topographie est définie, pour garder le lubrifiant entre les surfaces juste là où il est vraiment nécessaire. Trois paramètres jouent un rôle dans la définition d’une structure optimale: l’intervalle de lubrification souhaité, le type de mouvement de l’application et la charge de surface. Ceux-ci détermineront quelle option est la meilleure pour votre palier lisse: rainures, structure à trous, graphitage, …

INTERVALLE DE LUBRIFICATION

Artemis glijlagerSi on vise un intervalle de lubrification plus long pour un palier lisse, il faudra généralement opter pour une structure en combinaison avec un réservoir. Une structure à trous par laquelle les parties chargées passent, peut p.ex. doubler un intervalle de lubrification. D’une part, parce qu’on peut appliquer plus de lubrifiant sur place et d’autre part, parce que les particules d’acier ou autres libérées peuvent se déposer dedans. Le palier ne chauffera ou s’usera ainsi pas plus vite que prévu.

TYPE DE MOUVEMENT

Dans le cas d’un beau mouvement rotatif passant toujours le long de la même rainure, il faudra une structure moins fine. Pour les mouvements articulés, c’est l’inverse: ils exigent justement une structure à fines mailles pour pouvoir lubrifier suffisamment chaque partie chargée. Autrement dit: plus l’angle d’oscillation est petit, plus la structure devra être fine pour une lubrification optimale.

SURFACE POUVANT ETRE CHARGEE

Le troisième paramètre crucial est la charge de surface. On regarde non seulement quelle valeur elle atteint, mais aussi quelle est la taille exacte de la surface pouvant être chargée et comment la charge se présente. Est-elle p.ex. statique ou dynamique?

CONCLUSION

glijlagersUn bel avenir attend clairement les paliers à glissement sans lubrification. Une des principales causes de la défaillance de paliers à glissement est un manque de lubrifiant. Cela accélérera, en effet, l’usure de façon exponentielle. En optant pour des solutions exigeant peu de lubrification, la lubrification sera déjà nettement plus maîtrisable. Mais celui voulant vraiment être tranquille optera idéalement, si l’application le permet, pour des solutions ne demandant pas de lubrification. Surtout dans des secteurs comme l’industrie alimentaire où on veut limiter autant que possible le risque de contamination dans le processus de production. Un autre domaine abritant de nouvelles applications est celui des machines pour l’industrie agricole, souvent arrêtées plus longtemps. Les lubrifiants risquent alors de sécher. Cela vaut donc la peine d’envisager des paliers lisses en plastique sans lubrification. L’acier et le bronze auront leur droit à l’existence, mais cela restera limité à des applications de niche où la pression de surface augmente énormément. Pour maintenir le fonctionnement fluide de pompes et d’arbres d’hélice, l’huile ou l’eau restera nécessaire comme lubrifiant.