Dans cet article, nous parlerons des roulements céramiques isolés électriquement et non magnétiques, et nous découvrirons plus en détail comment un roulement céramique peut encore une fois s’avérer une solution efficace.
Les roulements entièrement céramiques peuvent être une solution extrêmement efficace dans toutes ces situations où il est nécessaire de protéger le roulement des champs magnétiques ou des courants électriques parasites.
Les courants électriques parasites peuvent être très dangereux pour un roulement en acier en raison de l’effet pointe, c’est-à-dire ce phénomène physique par lequel, dans un matériau électriquement conducteur, le champ électrique se concentre dans les zones de plus grande courbure. L’augmentation du champ électrique peut entraîner la formation d’une décharge électrique ou même d’un véritable courant électrique dans la zone de contact entre le corps roulant et la piste. L’effet de ces décharges sur l’acier des roulements peut être extrêmement négatif car il provoque une érosion qui, en peu de temps, peut compromettre le fonctionnement du roulement et donc nécessiter des interventions de maintenance extraordinaires et des arrêts de machine coûteux.
Les courants parasites ont également un effet négatif sur les lubrifiants utilisés dans les roulements. En provoquant des oxydations et une détérioration des caractéristiques chimiques, ils réduisent encore davantage la durée de vie du roulement avec une augmentation des coûts de maintenance.
Les situations les plus courantes où peuvent se produire des courants électriques parasites sont les suivantes :
1. Moteurs de traction ferroviaire, moteurs électriques ou générateurs électriques
Dans les essieux et moteurs de traction des véhicules ferroviaires, dans les moteurs à courant continu ou alternatif et dans les générateurs électriques, il peut arriver que les courants électriques qui circulent ou qui sont générés à l’intérieur ne puissent pas être efficacement contenus et passent donc aussi par les roulements du moteur lui-même.
2. Opérations de soudage à l’arc
Dans le soudage à l’arc, le processus d’union de deux bords métalliques s’effectue par la création d’un arc électrique. Si des roulements sont présents dans les équipements impliqués dans l’opération de soudage, il se peut que des courants électriques causés par l’arc de soudage passent à travers eux.
3. Champs magnétiques
Par un principe physique de l’électrodynamique, dans un conducteur soumis à des champs magnétiques variables se génèrent des courants électriques. Étant donné que l’acier utilisé dans les roulements est un conducteur, dans un roulement immergé dans un champ magnétique peuvent se créer des courants électriques.
Les solutions adoptées jusqu’à présent pour contrer les effets des courants parasites sur les roulements sont, fondamentalement, de deux types : isolation électrique externe au roulement ou adoption de roulements électriquement isolés. Examinons plus en détail les deux solutions;
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Isolation électrique externe au roulement
Dans ces cas, on ne travaille pas sur le roulement mais sur la structure qui le contient. La protection peut être réalisée, par exemple, en isolant l’arbre ou le logement, ou, lorsque c’est possible, en créant une connexion électrique hautement conductrice entre la partie mobile et la partie fixe de l’équipement ou de la machine. C’est une solution caractérisée par des coûts élevés et des difficultés de réalisation parfois insurmontables.
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Roulements isolés électriquement
Dans ces roulements, les surfaces extérieures sont protégées par un double traitement : un premier revêtement en oxyde d’aluminium par plasma spray est suivi d’une résine pour le protéger de l’humidité. Le double traitement est nécessaire car la couche d’oxyde d’aluminium résultant du plasma spray est poreuse. En présence d’humidité (que ce soit pendant le stockage ou l’utilisation), de l’eau ou de la vapeur (électriquement conductrices) pourraient s’accumuler dans les porosités, créant des ponts de conduction électrique et rendant ainsi inefficace le revêtement en oxyde d’aluminium. La résine, en revanche, en remplissant les porosités avec un matériau hygroscopique et électriquement isolant, élimine cet effet. Un aspect potentiellement négatif de ce type de roulements est lié à la nature d’isolant thermique de l’oxyde d’aluminium. La couche protectrice peut en effet devenir une barrière à la dissipation de la chaleur générée au contact entre les corps roulants et les pistes, causant une usure plus rapide du roulement lui-même.
L’utilisation de roulements en matériau céramique peut représenter une alternative valable et plus efficace aux roulements mentionnés ci-dessus.
Deux configurations sont possibles:
- Roulements hybrides : anneaux en acier pour roulements et corps roulants en céramique
- Roulements entièrement céramiques : anneaux et corps roulants réalisés en matériau céramique
Dans les deux cas, l’isolation électrique est déterminée par l’utilisation des corps roulants céramiques qui empêchent le passage des courants parasites entre l’anneau interne et l’anneau externe du roulement.
Le choix d’adopter la version hybride ou entièrement céramique dépend d’aspects fonctionnels et économiques:
- Capacité de charge d’un roulement hybride : inférieure à celle de l’équivalent roulement en acier
- Capacité de charge d’un roulement entièrement céramique : au moins égale à celle de l’équivalent roulement en acier (donc supérieure à celle de l’hybride équivalent)
- Vitesse maximale d’un roulement hybride : +20% par rapport à l’équivalent roulement en acier
- Vitesse maximale d’un roulement entièrement céramique : +20-30% par rapport à l’équivalent roulement hybride
- Lubrification : moins importante dans un roulement entièrement céramique que dans un hybride
- Température atteinte : inférieure pour un roulement entièrement céramique vs hybride (mêmes conditions)
- Résistance chimique : le roulement entièrement céramique est chimiquement inerte, tandis que l’hybride a pour point faible ses anneaux en acier (sujet à la corrosion)
- Températures supportables : beaucoup plus élevées pour le roulement entièrement céramique vs hybride
- Propriétés magnétiques : le roulement entièrement céramique est complètement amagnétique
Dans tous les cas, le roulement céramique, et en particulier le roulement entièrement céramique, peut représenter un choix gagnant permettant d’améliorer les performances de la machine dans laquelle il est inséré et de réduire la fréquence des opérations de maintenance avec un avantage économique conséquent.
