Joints rotatifs ou joints à lèvre ?
Les ingénieurs et techniciens focalisés sur la fiabilité lisent souvent, avec grand intérêt, des articles sur des opportunités de mise à niveau d’équipement. À défaut d'autre chose, même un article plus ancien peut s’avérer informatif parce qu’il permet aux lecteurs de se rendre compte si des progrès ont été réalisés durant les années intermédiaires. Dans cette perspective un article éditorial sur la réduction de la contamination par l'humidité dans la lubrification des roulements a attiré mon attention. Il traitait des effets de la contamination par l'humidité et du besoin de protéger les roulements - sujets d’importance évidente.
L’article remarquait que les joints à lèvre semblent être définitivement abimés s’ils ne sont pas utilisés dans une configuration optimum. L’industrie automobile utilise des filtres à cartouches (« cassettes »), à bon escient semble-t-il. Ils sont largement utilisés sur des camions et des bus, qui disposent aujourd’hui fréquemment d’une garantie de 800 000 km. Ceci doit dépasser les 10 000 heures de fonctionnement et serait donc potentiellement tout à fait adapté pour beaucoup de pompes à débit intermédiaire.
Économies environnementales et énergétiques
Bien-sûr, les roulements à rouleaux de nombreuses centaines de millions de moteurs électriques, de diverses pompes de traitement, de machines industrielles, et de centaines de millions de véhicules à moteur sont protégés avec succès contre la perte de lubrifiant et la contaminations par des filtres à lèvre. Je suis certainement d'accord pour dire que les filtres à lèvre ont servi l’industrie durant plus d’un siècle dans des applications où la « lèvre » (un composant élastomère flexible, moitié supérieure de la Figure 1) recevait une ample lubrification et où les vélocités de la surface de l’arbre étaient modérées.
Un arbre de transmission automobile de 20 mm (0,78 po.) tournant à une vitesse maximum de 2 000 tr/min.(2 093 mm/s, ou 82,4 ips) représenterait une application plutôt rigoureuse pour une automobile. Néanmoins, cette vélocité est bien inférieure à la vélocité de frottement de 12 250 mm/s, ou 482 ips d’un arbre de 65 mm (~2,56 po.), à 3 600 tr/min.dans une pompe centrifuge.
Une règle empirique quasi-universellement acceptée part du principe que l’usure par frottement augmente comme le cube du rapport de transmission. Donc, si un joint à lèvre bien conçu dans une automobile présente une durée de vie de 1 000 000 de miles (804 672 km) à 50 mph (80 km/h), ceci équivaudrait à 20 000 heures de fonctionnement sur un jeu de filtres à lèvre.
Dans l’exemple d’équipement industriel et à une vélocité de surface presque six fois supérieure, l’usure serait diminuée par un facteur de 200 et les joints à lèvre dureraient 100 heures - un choix fort peu attrayant à tout point de vue.
Conséquences du coût du cycle de vie
Il est raisonnable et défendable, basé sur l’expérience industrielle, de relater deux scénarios différents pour les deux joints de corps de palier illustrés dans la Figure 1. Un joint à lèvre est représenté sur la partie supérieure de l’arbre. Uniquement dans le but d’utiliser un exemple simplifié, nous supposerons que ce joint à lèvre particulier coûte 5 $ ; la partie inférieure présente un joint labyrinthe rotatif moderne et nous choisissons d’établir son prix à 100 $.
Scénario 1 : Application de corps de palier de machinerie
Pour éviter l’usure de l’arbre par contact, l’intrusion d’humidité et une défaillance prématurée des roulements (en supposant que les coûts de pièce et de main d’œuvre pour réparer une défaillance des roulements coûte 6 000 $), nous remplaçons un joint à lèvre de 5 $ deux fois par an. Si la main d’œuvre (incluant les frais généraux) est facturée 500 $ par évènement, la main d’œuvre et le matériel requerraient un coût combiné de 1 010 $ par an.
Autrement, et simplement à des fins d’illustration, nous prenons la décision de remplacer un joint labyrinthe rotatif à joint torique dynamique moderne à 100 $ après juste deux ans de fonctionnement. Dans ce cas, la main d’œuvre coûte 250 $ par an et le matériel 50 $ par an. Notre coût total serait alors de 300 $ par an. (En réalité, les joints labyrinthes rotatifs avancés ont une durée de vie estimée de 10 ans.) Le délai de récupération dépasse 3:1.
Scénario 2 : Application de corps de palier de machinerie
Cette fois, supposons que nous utilisons un joint à lèvre et que nous l’utilisons jusqu’au bout. Laisser le joint à lèvre se dégrader risque de causer une défaillance des roulements au bout de peut-être deux ans de fonctionnement. Nous avons « économisé » 1 010 $ et, en supposant que nous n’avons pas causé de temps d’immobilisation de production, la réparation coûte toujours à l’usine 6 000 $ par évènement, ou 3 000 $ par an. Il semble que nous perdions de l’argent en suivant ce scénario.
Dans les deux scénarios, une remise à niveau avec des joints labyrinthe rotatifs avancés est plus rentable que de rester avec des joints à lèvre. Le fait que des joints labyrinthe rotatifs, au moins dans cet exemple, coûtent 20 fois plus cher que des joints à lèvre n’a aucune conséquence dans les analyses des coûts cycle de vie. De façon générale, il est facile de justifier le coût de joints labyrinthe rotatifs supérieurs pour protéger les corps de palier de pompes de traitement, de boîtes d’engrenage, de moteurs et d’équipements similaires.
Des économies d’énergie sont possibles
Tant que le joint à lèvre est opérationnellement efficace (i.e.peu ou pas d’usure de la lèvre élastomère) et que le serrage et/ou le manque de lubrification n’ont pas causé une dégradation de l’arbre due à l’usure (haut de la Figure 1), il est raisonnable de présumer que 160 W de puissance absorbée sont consommés par un joint à lèvre moyen. À 0,10 $/kWh, ceci équivaudrait à 140 $ par an. La puissance absorbée à surmonter dans un joint labyrinthe rotatif bien conçu de taille équivalente (moitié inférieure de la Figure 1) est probablement une fraction de 160 W.
Si, dans le scénario 1 mentionné ci-dessus, des remplacements préventifs d’huile lubrifiante (changements d’huile) étaient effectués et qu’un coût de changement d’huile et de sa mise au rebut écologiquement acceptable étaient pris en compte, le résultat serait encore en plus en faveur des joints labyrinthe rotatifs à joint torique dynamique modernes. Tandis qu’une personne raisonnable conviendra certainement que les joints à lèvre ont leur place dans des appareils jetables et dans des machines qui, pour des raisons non spécifiées, doivent être démontées fréquemment, l’ingénieur doit toujours saisir l’ensemble de l’image.
Tout en n’affirmant pas en aucune façon que les applications de joint à lèvre ont fait leur temps, il existe maintenant des alternatives viables pour une communauté d’utilisateurs de plus en plus concentrée sur la fiabilité et les questions énergétiques. Les joints à lèvre sont rarement à la hauteur des attentes de la majorité des utilisateurs de pompe de service intermédiaires. Ainsi que les personnels de maintenance le savent, des joints à lèvre hermétiques peuvent causer une rainure d'usure dans l’arbre (Figure 1, moitié supérieure). Toutefois, la mise à niveau par un joint labyrinthe rotatif moderne (moitié inférieure) n’entrera pas en contact avec les rainures d'usure préexistantes dans l’arbre. Tout bien considéré, les ingénieurs d’usine peuvent examiner l’option de labyrinthe rotatif.
L’article remarquait que les joints à lèvre semblent être définitivement abimés s’ils ne sont pas utilisés dans une configuration optimum. L’industrie automobile utilise des filtres à cartouches (« cassettes »), à bon escient semble-t-il. Ils sont largement utilisés sur des camions et des bus, qui disposent aujourd’hui fréquemment d’une garantie de 800 000 km. Ceci doit dépasser les 10 000 heures de fonctionnement et serait donc potentiellement tout à fait adapté pour beaucoup de pompes à débit intermédiaire.
Économies environnementales et énergétiques
Bien-sûr, les roulements à rouleaux de nombreuses centaines de millions de moteurs électriques, de diverses pompes de traitement, de machines industrielles, et de centaines de millions de véhicules à moteur sont protégés avec succès contre la perte de lubrifiant et la contaminations par des filtres à lèvre. Je suis certainement d'accord pour dire que les filtres à lèvre ont servi l’industrie durant plus d’un siècle dans des applications où la « lèvre » (un composant élastomère flexible, moitié supérieure de la Figure 1) recevait une ample lubrification et où les vélocités de la surface de l’arbre étaient modérées.
Un arbre de transmission automobile de 20 mm (0,78 po.) tournant à une vitesse maximum de 2 000 tr/min.(2 093 mm/s, ou 82,4 ips) représenterait une application plutôt rigoureuse pour une automobile. Néanmoins, cette vélocité est bien inférieure à la vélocité de frottement de 12 250 mm/s, ou 482 ips d’un arbre de 65 mm (~2,56 po.), à 3 600 tr/min.dans une pompe centrifuge.
Une règle empirique quasi-universellement acceptée part du principe que l’usure par frottement augmente comme le cube du rapport de transmission. Donc, si un joint à lèvre bien conçu dans une automobile présente une durée de vie de 1 000 000 de miles (804 672 km) à 50 mph (80 km/h), ceci équivaudrait à 20 000 heures de fonctionnement sur un jeu de filtres à lèvre.
Dans l’exemple d’équipement industriel et à une vélocité de surface presque six fois supérieure, l’usure serait diminuée par un facteur de 200 et les joints à lèvre dureraient 100 heures - un choix fort peu attrayant à tout point de vue.
Conséquences du coût du cycle de vie
Il est raisonnable et défendable, basé sur l’expérience industrielle, de relater deux scénarios différents pour les deux joints de corps de palier illustrés dans la Figure 1. Un joint à lèvre est représenté sur la partie supérieure de l’arbre. Uniquement dans le but d’utiliser un exemple simplifié, nous supposerons que ce joint à lèvre particulier coûte 5 $ ; la partie inférieure présente un joint labyrinthe rotatif moderne et nous choisissons d’établir son prix à 100 $.
Scénario 1 : Application de corps de palier de machinerie
Pour éviter l’usure de l’arbre par contact, l’intrusion d’humidité et une défaillance prématurée des roulements (en supposant que les coûts de pièce et de main d’œuvre pour réparer une défaillance des roulements coûte 6 000 $), nous remplaçons un joint à lèvre de 5 $ deux fois par an. Si la main d’œuvre (incluant les frais généraux) est facturée 500 $ par évènement, la main d’œuvre et le matériel requerraient un coût combiné de 1 010 $ par an.
Autrement, et simplement à des fins d’illustration, nous prenons la décision de remplacer un joint labyrinthe rotatif à joint torique dynamique moderne à 100 $ après juste deux ans de fonctionnement. Dans ce cas, la main d’œuvre coûte 250 $ par an et le matériel 50 $ par an. Notre coût total serait alors de 300 $ par an. (En réalité, les joints labyrinthes rotatifs avancés ont une durée de vie estimée de 10 ans.) Le délai de récupération dépasse 3:1.
Scénario 2 : Application de corps de palier de machinerie
Cette fois, supposons que nous utilisons un joint à lèvre et que nous l’utilisons jusqu’au bout. Laisser le joint à lèvre se dégrader risque de causer une défaillance des roulements au bout de peut-être deux ans de fonctionnement. Nous avons « économisé » 1 010 $ et, en supposant que nous n’avons pas causé de temps d’immobilisation de production, la réparation coûte toujours à l’usine 6 000 $ par évènement, ou 3 000 $ par an. Il semble que nous perdions de l’argent en suivant ce scénario.
Dans les deux scénarios, une remise à niveau avec des joints labyrinthe rotatifs avancés est plus rentable que de rester avec des joints à lèvre. Le fait que des joints labyrinthe rotatifs, au moins dans cet exemple, coûtent 20 fois plus cher que des joints à lèvre n’a aucune conséquence dans les analyses des coûts cycle de vie. De façon générale, il est facile de justifier le coût de joints labyrinthe rotatifs supérieurs pour protéger les corps de palier de pompes de traitement, de boîtes d’engrenage, de moteurs et d’équipements similaires.
Des économies d’énergie sont possibles
Tant que le joint à lèvre est opérationnellement efficace (i.e.peu ou pas d’usure de la lèvre élastomère) et que le serrage et/ou le manque de lubrification n’ont pas causé une dégradation de l’arbre due à l’usure (haut de la Figure 1), il est raisonnable de présumer que 160 W de puissance absorbée sont consommés par un joint à lèvre moyen. À 0,10 $/kWh, ceci équivaudrait à 140 $ par an. La puissance absorbée à surmonter dans un joint labyrinthe rotatif bien conçu de taille équivalente (moitié inférieure de la Figure 1) est probablement une fraction de 160 W.
Si, dans le scénario 1 mentionné ci-dessus, des remplacements préventifs d’huile lubrifiante (changements d’huile) étaient effectués et qu’un coût de changement d’huile et de sa mise au rebut écologiquement acceptable étaient pris en compte, le résultat serait encore en plus en faveur des joints labyrinthe rotatifs à joint torique dynamique modernes. Tandis qu’une personne raisonnable conviendra certainement que les joints à lèvre ont leur place dans des appareils jetables et dans des machines qui, pour des raisons non spécifiées, doivent être démontées fréquemment, l’ingénieur doit toujours saisir l’ensemble de l’image.
Tout en n’affirmant pas en aucune façon que les applications de joint à lèvre ont fait leur temps, il existe maintenant des alternatives viables pour une communauté d’utilisateurs de plus en plus concentrée sur la fiabilité et les questions énergétiques. Les joints à lèvre sont rarement à la hauteur des attentes de la majorité des utilisateurs de pompe de service intermédiaires. Ainsi que les personnels de maintenance le savent, des joints à lèvre hermétiques peuvent causer une rainure d'usure dans l’arbre (Figure 1, moitié supérieure). Toutefois, la mise à niveau par un joint labyrinthe rotatif moderne (moitié inférieure) n’entrera pas en contact avec les rainures d'usure préexistantes dans l’arbre. Tout bien considéré, les ingénieurs d’usine peuvent examiner l’option de labyrinthe rotatif.
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