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Le joint : la première ligne de défense

  • Article

    2016 September 28, 13:00 CET

    Pour optimiser au maximum les performances du nouveau joint de tige hydraulique S1S, les ingénieurs SKF ont dû procéder à des recherches approfondies et utiliser tout leur savoir-faire technique.

    Les systèmes de transmission de puissance hydraulique dépendent de l'efficacité de leurs étanchéités. Les vérins hydrauliques sont depuis longtemps l'approche standard pour les applications de mouvement nécessitant une haute densité de puissance et un fonctionnement fiable dans des conditions difficiles, par exemple dans les secteurs de la construction, des mines, de l'agriculture et de l'exploitation forestière. Mais l'exploitation réussie des machines hydrauliques dépend de leur capacité à permettre les mouvements tout en retenant l'huile dans les composants du système.

    Les défaillances des joints entraînent de nombreuses conséquences indésirables : augmentation des coûts de fonctionnement et de maintenance, pertes de productivité dues à des arrêts machines imprévus, pollution environnementale, risques pour la sécurité du personnel, etc. De plus, ces systèmes posent de lourdes exigences sur leurs joints. Leur rôle de base est déjà bien difficile : retenir l'huile à des pressions pouvant atteindre 400 bar, voire plus, et à des températures susceptibles de dépasser 110 °C. Et leur travail est encore alourdi par les défis posés par l'environnement de travail, dans lequel la poussière, la contamination par des produits chimiques et les charges peuvent déformer les composants et créer des espaces difficiles à étanchéifier.

    Le joint de tige est en première ligne pour assurer le fonctionnement correct des équipements hydrauliques. (image 1). Ces joints font face à certaines des plus hautes exigences existant dans le système, en raison de leur emplacement – souvent à l'extrémité active de l'équipement, où l'apparition de charges latérales est la plus probable – et de leur fonction, qui implique qu'ils doivent permettre le mouvement de va-et-vient de la tige avec un minimum de frottement tout en retenant l'huile à l'intérieur du vérin.

    Lorsque SKF a décidé de concevoir un nouveau joint de tige dans le cadre de sa large gamme de solutions d'étanchéité pour les applications de puissance hydraulique, les ingénieurs de l'entreprise étaient conscients de l'intensif travail de R&D et de mise à l'essai requis pour la création d'un produit de premier ordre.

    Ce travail a commencé par la sélection du matériau. « Les polyuréthanes sont utilisés dans des milliers d'applications techniques, mais les joints ne représentent qu'un minuscule pourcentage de ce total », explique Wolfgang Swete, responsable du développement de la gamme de joints pour systèmes hydraulique chez SKF. « Ceci signifie que les compositions standard proposées par les fournisseurs de matériaux ne présentent pas forcément l'équilibre de caractéristiques de performances requis pour ce rôle. »

    Plutôt que de se contenter d'une option disponible dans le commerce risquant d'entraver les performances, SKF a pu utiliser son propre matériau sur mesure. Le polyuréthane ECOPUR de l'entreprise a été spécialement développé comme un matériau de première qualité pour les applications d'étanchéité. Des décennies d'expérience dans d'autres types de produits ont prouvé qu'il présente la combinaison idéale de résistance et de flexibilité pour offrir des performances d'étanchéité supérieures.

    Les propriétés du matériau ont été un autre facteur important qui a permis à SKF de définir une géométrie optimale pour le nouveau joint. Les joints à simple lèvre tels que le SKF S1S comportent plusieurs composants, qui fonctionnent et interagissent de manières subtiles. « La première fonction d'un joint est d'empêcher les fuites mais un joint de tige doit également libérer une petite quantité d'huile à travers son bord d'étanchéité », explique M. Swete. « Cette huile crée un film lubrifiant de moins d'1 µm d'épaisseur, qui assure le mouvement souple de la tige. » Le contrôle précis de ce film lubrifiant affecte les performances du vérin et la durée de service du joint (image 2). SKF a effectué des analyses par éléments finis avancées et utilisé son savoir-faire approfondi de la technologie de lubrification pour déterminer comment contrôler au mieux le film lubrifiant. Les recherches ont révélé qu'un rayon inférieur au niveau de la lèvre du joint produit un film plus fin, permettant d'obtenir des performances plus souples sans perte excessive de fluide. Mais si le matériau ne présente pas une résistance adéquate, un petit rayon réduit la durabilité du joint.

    La lèvre du joint n'est pas le seul élément qui affecte le film lubrifiant, comme l'explique M. Swete. « Lorsque la tige se rétracte dans le vérin, le talon arrière du joint contrôle l'effet de pompage et aspire le lubrifiant vers l'intérieur. En optimisant la forme de ce talon de manière à maximiser cet effet, nous pouvons réduire la perte de fluide globale tout en conservant une lubrification efficace. »

    La rainure en U à l'avant du joint permet au bord d'étanchéité de se déplacer par rapport au vérin, pour compenser les imperfections de surface ou la déformation pendant le fonctionnement. La taille et la forme de cette rainure affectent également les caractéristiques de frottement du joint contre la tige en mouvement. Des joints mal conçus peuvent présenter des effets de saccade, entraînant des mouvements erratiques et du bruit. Encore pire, les analyses réalisées par SKF ont montré que des contraintes excessives dans la zone de contact réduiraient considérablement la durée de service du joint. Après plusieurs cycles de conception, de FEA et de mise à l'essai de prototypes, SKF a pu mettre au point une géométrie de rainure offrant l'équilibre optimal entre le frottement et les performances d'étanchéité.

    « Lors d'un tel processus de développement, il est toujours nécessaire d'utiliser une combinaison de simulation et de tests », explique M. Swete. « En utilisant les bonnes techniques FEA et un modèle de matériau correct, on peut réduire le nombre de tests physiques requis, mais il est impossible d'éliminer complètement cette exigence. » En pratique, la simulation et la mise à l'essai physique se complètent mutuellement et les résultats des tests permettent aux ingénieurs de peaufiner et d'améliorer leurs techniques de modélisation.

    Pendant le développement du S1S, SKF a soumis ses joints à un programme de tests extrêmement rigoureux, avec des prototypes effectuant des centaines de kilomètres sur un banc d'essai spécialement fabriqué contenant de l'huile à 110 °C sous des pressions pouvant atteindre 315 bar. Ce banc mesurait la force de frottement et les fuites pendant les tests. Après chaque test, les joints étaient tous soigneusement mesurés pour déterminer l'ampleur de leur déformation. « Contrairement aux roulements, il n'existe aucune formule permettant de prédire la durée de service d'un joint », explique M. Swete. « Mais nous savons que la quantité de compression et de déformation que subit un joint est un important indicateur des performances à long terme. » Une bonne nouvelle pour M. Swete et son équipe, le S1S a présenté des performances de pointe dans les trois domaines lors de tests comparatifs avec des joints de première qualité proposés par d'autres fabricants (image 3).

    La fabrication est un autre élément important. Les bords du joint et la rainure en U doivent être fabriqués avec précision afin de jouer le rôle prévu pendant le déplacement de la tige et la capacité du joint à contenir la pression lorsque la tige est immobile dépend d'un ajustement serré précis entre les bords extérieurs du joint et le logement du vérin dans laquelle il est installé. À ce niveau, SKF peut profiter de ses capacités de fabrication internes avancées. Elles lui permettent de produire des composants en polyuréthane selon des tolérances extrêmement étroites à l'aide de différents processus, depuis l'usinage de prototypes et la production de faibles volumes jusqu'au moulage pour les volumes élevés et les composants standard.

    Le joint de tige hydraulique SKF S1S est aujourd'hui en production dans une large plage de dimensions standard pour des diamètres extérieurs compris entre 18 et 240 mm. D'autres tailles sont constamment ajoutées à la gamme. Pour les clients ayant des besoins spécifiques, l'entreprise propose également des versions usinées de ce joint dans des tailles spéciales, avec les mêmes capacités de fabrication avancées permettant un transfert fluide vers une production moulée si les volumes le permettent.

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    SKF est le premier fournisseur mondial de produits et de solutions sur les marchés des roulements, des solutions d'étanchéité, de la mécatronique, des systèmes de lubrification et des services. Les services incluent l'assistance technique, la maintenance, la maintenance conditionnelle et la formation. SKF est représenté dans plus de 130 pays et compte environ 17 000 distributeurs dans le monde entier. Les ventes annuelles, pour l'année 2015, s'élevaient à 75 997 millions de couronnes suédoises. Le nombre de collaborateurs était de 46 635. www.skf.com

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