Limites de basse température et de viscosité.

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Les basses températures ambiantes affectent les caractéristiques d’écoulement d’un lubrifiant. La chute en dessous du point d’écoulement et la viscosité plus élevée limitent non seulement le débit d’huile vers les roulements et autres éléments de la machine, mais se traduisent également par un couple de démarrage élevé. En conséquence, les machines ne peuvent souvent pas démarrer ou un frottement excessif provoque une panne complète.

Les industries et les transports dans le nord des États-Unis, de l’Europe et du Canada sont vulnérables aux conditions extérieures difficiles pendant les mois d’hiver. Éviter le barattage élevé et les pertes par éclaboussures à basse température dans les boîtes de vitesses ; développer des remèdes pour une lubrification plus efficace des roulements et des joints lubrifiés ; et la mise en œuvre d’une technologie fiable et nécessitant peu d’entretien qui permet aux roulements de roue des véhicules de fonctionner en toute sécurité à des températures étendues nécessite une sélection rigoureuse des lubrifiants .

Heureusement, des huiles minérales ou synthétiques spécialement composées sont disponibles pour répondre aux exigences d’écoulement à froid.1 Dans les cas difficiles, le chauffage est nécessaire pour la tuyauterie, le réservoir et les filtres. Dans d’autres cas, la graisse ou les matériaux autolubrifiants peuvent réduire ou même éliminer les problèmes gênants à basse température.

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Limites d’huile

La limite de basse température pour le démarrage d’une machine lubrifiée à l’huile est souvent spécifiée par le point d’écoulement de l’huile . Il s’agit de la température la plus basse à laquelle l’huile s’écoulera lorsqu’elle sera refroidie dans les conditions de laboratoire prescrites (ASTM D97). Avec la plupart des huiles industrielles à base minérale (désignées comme huiles pour turbines, hydrauliques, industrielles et machines), ce point d’écoulement correspond à la température qui gèle les molécules de paraffine de l’huile en une cire cristalline blanche qui finira par immobiliser l’ensemble de l’huile.

Les additifs de point d’écoulement qui suppriment cet effet gélifiant de la cire sont utilisés dans de nombreuses huiles automobiles ainsi que dans les lubrifiants industriels. Bien que la gélification soit réduite par ces molécules d’additifs à longue chaîne, les particules de cire individuelles qui se séparent de l’huile à basse température peuvent encore obstruer les filtres et entraver la circulation.

Grâce à leur faible teneur en paraffine, les huiles minérales synthétiques et naphténiques sans cire peuvent être encore refroidies à un point d’écoulement plus bas. À ce stade, la viscosité devient si élevée (généralement environ 100 000 centistokes, cSt) qu’elle éliminera tout écoulement d’huile visible dans le test du point d’écoulement.

Alors que le point d’écoulement établit une limite de fonctionnement à basse température, d’autres exigences exigeantes pour une faible viscosité apparaissent dans les machines critiques et les zones d’écoulement du système de lubrification telles que les tuyauteries d’aspiration et de vidange, les pompes et les filtres. Cette limite de viscosité représente la viscosité la plus élevée à laquelle l’huile s’écoule et lubrifie correctement dans un système. À des températures inférieures à cette limite, la rigidité élevée de l’huile interfère avec une lubrification adéquate et les fonctions hydrauliques associées dans une machine.

Le tableau 1 fournit des viscosités limites approximatives pour le fonctionnement à basse température de diverses machines. Ces valeurs varient d’environ 40 cSt pour certains instruments à faible couple jusqu’à 50 000 cSt et plus pour les réducteurs et les équipements à couple élevé.

Les températures de point d’écoulement et les limites de viscosité correspondantes pour les huiles minérales représentatives du tableau 2 fournissent une base pour répondre aux besoins à basse température. Pour un gros moteur électrique industriel, par exemple, une huile de turbine lourde (grade de viscosité ISO VG 68) nécessite une limite de basse température de 21 °F pour la limite de viscosité de la machine de 2 000 cSt, comme spécifié dans le tableau 1. Pour fonctionner en extérieur des températures jusqu’à 0 °F, soit des réchauffeurs seraient nécessaires pour amener la température au-dessus de 21 °F pour le démarrage, soit l’utilisateur devrait passer à une huile légère pour turbine de VG 32 cSt. Alors que les polyalphaoléfines synthétiques (PAO) ou les huiles de type ester peuvent être envisagées en raison de leurs propriétés supérieures à basse température, une attention particulière doit être accordée aux effets délétères possibles sur l’isolation électrique, la peinture et les joints en caoutchouc.

Huiles multigrades

Des huiles multigrades ont été développées pour améliorer la capacité de démarrage à basse température et pour améliorer la pompabilité. Un 5W-30, par exemple, offre une protection des moteurs automobiles à basse température dans les moteurs froids en présentant une faible viscosité équivalente à l’huile SAE 5 ; alors que dans les moteurs chauds, sa viscosité augmente jusqu’à SAE 30. Une huile 20W-50 fonctionne bien pour les moteurs d’avion, où l’huile 20W permet un démarrage plus rapide et plus facile en hiver et sa viscosité 50 protège le moteur contre le contact métal sur métal lorsque l’avion est fonctionnant dans des conditions normales. De même, les fabricants d’engrenages recommandent l’huile 75W-90 pour une lubrification par barbotage adéquate des dents d’engrenage.

Ces huiles automobiles multigrades sont normalement évitées dans les applications industrielles où 15 à 20 % des additifs sont adaptés aux conditions exigeantes des moteurs à combustion interne, ce qui peut introduire de la mousse, des émulsions et raccourcir la durée de vie. Néanmoins, certaines huiles industrielles hydrauliques et de circulation hautes performances sont spécialement composées d’additifs similaires pour abaisser le point d’écoulement et fournir des caractéristiques de viscosité/température améliorées.

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Tableau 2. Limites de basse température typiques pour les huiles lubrifiantes à base minéraleA. Température la plus basse pour un fonctionnement avec ces limites de viscosité indiquées. Par exemple, l’huile légère pour turbine peut être utilisée jusqu’à 0 °F si la viscosité limite pour une machine du tableau 1 est de 2 000 cSt. Les constructeurs de machines doivent être contactés pour des équipements spécifiques.B. Ces limites de basse température représentent une extrapolation à partir des viscosités à 40°C et 100°C pour ces types d’huiles minérales sur le tableau de température de viscosité standard ASTM D341. « B » indique qu’avec la baisse de température sur le graphique, le point d’écoulement de l’huile a été atteint avant sa limite de viscosité à basse température.

Systèmes autonomes

Une disposition compacte utilisant une alimentation en huile à proximité de roulements lubrifiés et d’autres éléments de la machine simplifie souvent le démarrage et le fonctionnement à basses températures. Cela peut inclure l’huilage de la mèche et l’immersion dans un bain d’huile pour amener l’huile directement en contact avec les surfaces de roulement pour faciliter le démarrage à basse température. Les anneaux d’huile sont une autre possibilité.

Huilage de mèche

L’huile dans les mèches saturées, comme dans les moteurs électriques à puissance fractionnaire et les roulements d’essieux de wagons de chemin de fer traditionnels, souffre d’immobilisation à et en dessous de la température du point d’écoulement. Dans les roulements d’essieux ferroviaires, l’effet de mèche d’huile était généralement satisfaisant même jusqu’à la température du point d’écoulement. De plus, après le démarrage d’un moteur électrique, son chauffage électrique normal augmente rapidement la température de la mèche d’huile pour permettre une lubrification adéquate.

Huile de bain

Les roulements immergés dans des bains d’huile impliquent une large gamme de limites de viscosité. Les paliers de butée à patins pivotants dans les gros moteurs et générateurs verticaux sont limités à une viscosité maximale d’environ 2 000 cSt (environ 20 °F au-dessus du point d’écoulement de l’huile de turbine moyenne). Une viscosité plus élevée à des températures plus basses ou avec des qualités d’huile plus visqueuses ne fournira pas une alimentation en huile adéquate à travers les espaces entre les coussinets de butée individuels. Une limite de faible viscosité similaire est attendue pour l’écoulement dans et à travers les rainures d’alimentation dans les conceptions de paliers lisses.

Des viscosités plus élevées sont tolérables, cependant, pour des exigences de performance moins exigeantes dans de petites unités avec des restrictions de débit limitées. Les réducteurs industriels sont peut-être les plus tolérants à une viscosité élevée à basse température, au détriment de pertes de puissance plus élevées. Certaines spécifications d’huile pour engrenages haut de gamme exigent une viscosité maximale de 135 000 cSt jusqu’à -30 °F pour couvrir les applications à basse température. La limite de basse température pour la lubrification des engrenages est généralement spécifiée à 10 °F au-dessus du point d’écoulement plutôt qu’une viscosité limite à basse température.2

Anneaux d’huile

Pour les bagues d’huile suspendues à un arbre rotatif pour soulever l’huile d’un bain pour l’acheminer vers les roulements des moteurs électriques et des arbres de transmission, la viscosité maximale chute à environ 1 000 cSt. Lorsque la viscosité atteint cette limite, le frottement entraînant l’anneau de l’huile épaississante sur la surface supérieure de l’arbre continue de surmonter la traînée accrue dans le bain d’huile inférieur. En dessous de cette limite de basse température, cependant, une gaine épaississante d’huile rigide et froide se dépose sur l’anneau. Le contact de cette huile avec les côtés de la fente de la bague dans le roulement peut entraîner des performances erratiques.

Systèmes de circulation

Les plus grandes demandes de faible viscosité proviennent des turbogénérateurs pour la production d’énergie électrique, des gros compresseurs, des systèmes de turbomachines, des aciéries et des papeteries. Ces systèmes de lubrification gèrent généralement 1 000 à 2 000 gallons et plus d’huile. Les éléments suivants sont des points sensibles courants pour limiter le débit d’huile à basse température dans les grands systèmes.

Pompes

Les pompes sont susceptibles d’être endommagées par des chutes de pression locales excessives qui provoquent une cavitation à l’aspiration. En quelques minutes, ce processus peut endommager les passages d’écoulement de la pompe, les roulements et les joints. Les étapes suivantes peuvent être prises pour minimiser les chutes de pression excessives et la cavitation à l’aspiration de la pompe.

  • Gardez la tuyauterie vers la pompe droite et dimensionnée pour une vitesse d’écoulement de trois à cinq pieds/seconde ou moins.
  • Submerger l’aspiration des pompes centrifuges.
  • Visez une chute de pression d’admission maximale (calculée) de deux psi pour les pompes volumétriques à la température d’alimentation d’huile la plus basse (viscosité d’huile la plus élevée).

Lignes d’alimentation et de vidange

Les conduites d’alimentation sont généralement conçues pour des débits d’huile de cinq à 10 pieds/seconde. Les conduites de vidange sont généralement dimensionnées pour fonctionner à moitié pleines afin de laisser de la place à la mousse et à l’échappement de l’air, tous deux entraînés dans l’huile et entraînés par le flux. Pour les grands systèmes de circulation d’huile industriels, environ un pied/seconde est une vitesse de conception courante à vidange complète à une viscosité limite à basse température dans la plage de 40 °F à 65 °F.3 Toute viscosité plus élevée accompagnant des températures plus basses met en danger une faible alimentation en huile le long avec refoulement d’huile et trop plein dans les vidanges.

Filtres

La chute de pression à travers les filtres à huile dans les conditions de fonctionnement nominales est généralement comprise entre 5 et 10 psi. Étant proportionnelle à la viscosité de l’huile, une réduction de température de 25 °F à 35 °F doublerait cette chute de pression pour l’huile circulant à travers un filtre. Pour minimiser cette augmentation de la résistance à l’écoulement, les filtres doivent être installés dans une enceinte chaude ou équipés d’un by-pass actionné à haute pression.

La lubrification de grands générateurs à turbine a des exigences de viscosité complexes. Par exemple, la circulation initiale de l’huile dans la tuyauterie du système nécessite une température de réservoir supérieure à 55 °F et une viscosité de 100 cSt ou moins. La température doit ensuite être maintenue en dessous de 100 °F (viscosité supérieure à 32 cSt) pour éviter l’usure des roulements aux basses vitesses de cinq à 10 tr/min pendant plusieurs heures lorsque l’arbre est placé sur un vireur pendant le préchauffage de la turbine. Enfin, une température de réservoir de 120 °F est maintenue pour ce qui est généralement la condition de fonctionnement nominale.

Lors de l’examen d’applications impliquant des roulements, des engrenages et d’autres éléments de machine, un calcul initial de l’épaisseur minimale du film d’huile peut être nécessaire pour identifier le grade de viscosité minimal et le type de lubrifiant à utiliser dans les conditions de fonctionnement nominales. En utilisant la viscosité maximale pour les conditions de démarrage à froid , il est alors possible de choisir si le chauffage du réservoir d’huile ou d’autres éléments du système de lubrification est nécessaire.

Systèmes de lubrification plus petits

(Généralement jusqu’à 50 gallons). La plupart des moteurs électriques et leurs équipements entraînés, ainsi que les moteurs d’automobiles et de camions, subissent moins de restrictions de débit d’huile. En conséquence, ils permettent des viscosités limites plus élevées (tableau 1) et des températures inférieures correspondantes.

Dans des situations extrêmes, les moteurs automobiles peuvent démarrer à des températures allant jusqu’à -25 °F, et même plus bas avec des huiles multigrades telles que SAE 10W-30 et 5W-30. De plus, les moteurs à réaction d’avion peuvent être démarrés et utilisés à une température ambiante de 65 ° F avec des huiles synthétiques.

Les problèmes associés au démarrage d’une voiture à basse température entraînent souvent un manque de roulement et un contact métal sur métal associé entraînant des dommages et une usure excessive. Cela est dû au fait que le lubrifiant est rigide en raison de la viscosité initiale élevée, ce qui rend difficile son écoulement à travers les tuyaux et sur les surfaces d’appui. En plus de la famine, un lubrifiant rigide peut également provoquer une augmentation du dérapage des éléments roulantsdans un palier. Dans les roulements chargés radialement, les rouleaux positionnés dans la partie non chargée du roulement ont tendance à glisser là où le jeu est le plus important. Cela se traduit par une accélération plus élevée dans divers rouleaux et la réduction de l’épaisseur du film lubrifiant avec son augmentation concomitante des contraintes sous la surface et la réduction de la durée de vie des roulements.4,5 Selon Östensen6, un remède général consiste à utiliser une huile à faible viscosité avec un dispositif de chauffage. En variante, un système de dilution d’huile pour pomper une petite quantité de carburant dans l’huile peut être envisagé pour fournir une huile à plus faible viscosité lors du démarrage du moteur.

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Tableau 3. Limite de basse température type pour les graisses

Graisse

Les roulements à billes et à rouleaux sont actuellement utilisés dans de nombreuses applications en raison de leur conception de logement plus simple, de l’absence de besoin d’un système de lubrification, d’un frottement de démarrage plus faible et d’un coût inférieur à celui des roulements à manchon lisse traditionnels. Les basses températures sont généralement adaptées en sélectionnant une graisse appropriée qui permettra un démarrage à basse température avec le couple disponible dans la machine et sans patinage excessif du complément à billes.

Les limites du tableau 3 sont fixées principalement par la viscosité du composant d’huile qui représente 80 à 90 % de la composition de la graisse. Les graisses industrielles conventionnelles fabriquées avec des huiles minérales de l’ordre de 100 cSt de viscosité à 40°C (104°F) peuvent être utilisées jusqu’à -25°F à -30°F (où la viscosité de la phase huileuse atteint environ 100 000 cSt) dans la plupart des moteurs électriques industriels et autres dispositifs où un couple modéré est disponible.7

Dans les roulements légèrement chargés, le dérapage des billes peut définir une limite de basse température plus exigeante. Dans une évaluation de pannes de moteur-générateur sur des voitures de voyageurs de chemin de fer de banlieue à 0 ° F, on a observé que les bagues intérieures des roulements à billes tournaient à pleine vitesse sous des charges légères dans un groupe de billes de roulement immobilisées par la graisse rigide. Le fonctionnement normal des roulements est devenu possible après le passage à une graisse diester basse température qui a également éliminé le dérapage des billes, l’usure interne des roulements et les défaillances rencontrées précédemment.

Le couple de friction élevé de la graisse dure au démarrage dans les climats froids diminue avec la diminution de la viscosité de l’huile de base . Les graisses formulées avec des huiles minérales à faible viscosité dans la plage de 25 à 30 cSt à 40 °C, par exemple, permettent un fonctionnement à une température inférieure d’environ 20 °F par rapport aux graisses industrielles standard utilisant des huiles de 100 cSt. Cependant, les taux d’évaporation accrus de ces huiles à faible viscosité réduisent la durée de vie de la graisse lors d’un fonctionnement à des températures supérieures à 160 °F à 170 °F. Comme indiqué dans le tableau 3, les graisses employant des huiles synthétiques peuvent être utilisées jusqu’à -100 °F et moins.

La nature canalisante de la graisse a également une influence prononcée. Lindenkamp et Kleinlein 8 ont observé qu’après seulement une minute de fonctionnement du roulement à billes, le couple tombait à seulement 30 à 60 % du couple de démarrage. Cet effet dépend de la quantité de graisse dans le roulement : plus la quantité de graisse est importante, plus le couple de frottement de décollement est élevé. La norme ASTM D14789 peut être consultée pour la description de la mesure du couple dans les roulements à billes lubrifiés à la graisse à basse température.

Références

1. MM Khonsari et ER Booser. Tribologie appliquée : conception et lubrification des roulements . John Wiley & Sons, New York, NY, 2001.

2. Normes nationales américaines. Lubrification des engrenages industriels . ANSI/AGMA 9005-E02.

3. Booster ER. « Systèmes de circulation d’huile. » Manuel de données de tribologie . CRC Press, p. 404-412, 1997.

4. V. Wikström. « Lubrification des roulements à basse température. » Thèse de doctorat, Division des éléments de machine, Université de technologie de Lulea, 1996.

5. R. Gohar. Elastohydrodynamique . Ellis Horwood Ltd., Chichester, Angleterre, 1988.

6. J. Östensen. « Lubrification des contacts élastohydrodynamiques concernant principalement la basse température. » Thèse de doctorat, Division des éléments de machine, Université de technologie de Lulea, 1995.

7. ER Booser, A. Baker et E. Jackson. « Performance des graisses synthétiques. » Porte- parole de l’ Institut , National Lubricating Grease Institute, Vol. 16, n° 9, p. 8-18, 1952.

8. H. Lindenlamp et E. Kleinlein. « Lubrification à la graisse des éléments roulants à basse température. » Ingénierie des roulements à billes et à rouleaux , p. 40-43, 1985.

9. Méthode D1478 de l’American Society of Testing Materials (ASTM) « Couple à basse température des graisses pour roulements à billes ». V. 05.01, Philadelphie, 1987.

(Origine : Michael Khonsari , Louisiana State University E.R. Booser , analystes via machinerylubrication.)

Voir : noria.com

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