Pompe centrifuge

Cet exemple montre le processus de sélection des roulements dans un cas où une pompe centrifuge doit être modifiée.

Le fabricant de la pompe souhaite améliorer l'efficacité d'une pompe de processus existante en modifiant la turbine. Les charges sur les roulements seront donc plus importantes et, par conséquent, il faut vérifier que les roulements actuellement choisis supporteront ce changement. Le schéma de l'application est montré à la fig. 1.

Chaque étape de l'exemple est décrite dans une section extensible/déroulante ci-dessous. Les étapes de l'exemple suivent la séquence du processus de sélection des roulements. Reportez-vous au processus de sélection des roulements pour une description complète de chaque étape du processus.

Conditions de fonctionnement et performances
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting


Les conditions de fonctionnement sont :
  • vitesse de rotation : n = 3 000 tr/min
  • lubrification :
    • méthode : bain d'huile
    • degré de viscosité de l'huile : ISO VG 68
  • pour le support libre – un roulement à rouleaux cylindriques, NU 311 ECP :
    • charge radiale max. : Fr = 3,29 kN
    • température de fonctionnement estimée : T = 70 °C
  • pour le support fixe – une paire de roulements à billes à contact oblique à appariement universel, 7312 BECBP, disposés en O :
    • charge radiale max. : Fr = 1,45kN
    • charge axiale max. : Fa = 11,5 kN
    • température de fonctionnement estimée : T = 85 °C
Selon les normes de l'industrie des pompes, la durée nominale L10h doit être d'au moins 16 000 h à des conditions de charge maximale.

Type et montage de roulements
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Un roulement à rouleaux cylindriques est utilisé en tant que palier libre et une paire de roulements à billes à contact oblique à une rangée à appariement universel est utilisée en tant que palier fixe.

Le roulement à rouleaux cylindriques, de type NU, est utilisé pour les raisons suivantes :
  • Il peut supporter, au niveau interne, la dilatation thermique de l'arbre.
  • La bague intérieure est séparable de la bague extérieure, avec les rouleaux et la cage, ce qui simplifie le montage de la pompe et l'utilisation d'ajustements serrés sur les bagues intérieure et extérieure.
Pour la paire de roulements à billes à contact oblique à une rangée à appariement universel :
  • Des roulements à billes présentant un angle de 40° sont appropriés pour supporter les importantes charges axiales et les vitesses moyennes à hautes.
  • Les roulements sont disposés en O, les bagues intérieures sont comprimées axialement et fixées à l'arbre avec un ajustement serré. Le jeu de la paire étant contrôlé par la compression des bagues intérieures, les bagues extérieures peuvent être placées dans le palier entre un épaulement et un couvercle, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un serrage précis.
Les deux logements dans le palier sont usinés dans une seule position de serrage, ce qui garantit un bon alignement. Le défaut d'alignement est inférieur à 2 minutes d'angle, ce qui se trouve dans les limites acceptables pour la paire de roulements à billes à contact oblique et le roulement à rouleaux cylindriques.

Conclusion

Le type et le montage de roulements actuellement sélectionnés sont appropriés pour cette application.

Taille du roulement, palier libre
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Les conditions de fonctionnement données et les effets de la fatigue de roulement indiquent que la taille du roulement doit être déterminée à l'aide de la durée nominale et de la durée SKF.

Caractéristiques de NU 311 ECP → informations sur le produit.

Durée nominale




À partir de Charges, P = Fr. Par conséquent, le rapport de charge C/P = 156/3,29 = 47.



Le roulement est surdimensionné. 

Durée SKF


 

1Conditions de lubrification – le rapport de viscosité, κ

κ = ν/ν1

Étant donné :
  • degré de viscosité de l'huile = ISO VG 68
  • température de fonctionnement = 70 °C
alors, à partir du diagramme 1, ν = 20 mm2/s

Étant donné :
  • n = 3 000 tr/min
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 mm

alors, à partir du diagramme 2, ν1 = 7 mm2/s

Par conséquent κ = 20/7 = 2,8


2Facteur de pollution, ηc

Étant donné :

  • les conditions de pollution sont typiques (c'est-à-dire roulements ouverts, particules d'usure et pénétration venant de l'environnement)
  • dm = 87,5 mm
alors, à partir du tableau 1, ηc = 0,2

Étant donné :
  • Pu = 18,6
  • P = Fr = 3,29 (→ Charges)
alors ηc Pu/P = 0,2 x 18,6 / 3,29 = 1,13

3Facteur de correction de la durée SKF, aSKF

Étant donné :
  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP est un roulement SKF Explorer
alors, à partir du diagramme 3, aSKF = 50

Étant donné :
  • L10h > 1 000 000 h
alors L10 mh > 50 x 1 000 000 h

alors L10 mh >> 1 000 000 h, indiquant que le roulement est surdimensionné pour les conditions de fonctionnement.

Charge minimale

Le fait que la durée nominale et la durée SKF sont toutes deux très élevées et supérieures à la durée de service requise indique que le roulement peut être soumis à une charge trop légère.

À l'aide de l'équation de charge minimale dans Charges, la charge radiale minimale, Frm, requise pour éviter le glissement et le grippage des rouleaux des roulements à rouleaux cylindriques est donnée par :

Étant donné :
  • dm = 87,5 mm
  • kr = 0,15 
  • n = 3 000
  • nr = 6 000 
alors :

Frm = 0,94 kN < Fr = 3,29 kN

Conclusion

Le roulement est surdimensionné / légèrement chargé. Les options sont :

  • Continuer à utiliser le roulement actuel. Le roulement ne risque pas d'être endommagé en raison d'une charge trop légère.
  • Réduire la taille du roulement, et donc réduire le coût. Envisagez l'une des solutions suivantes :
    • Conserver le même diamètre d'arbre mais utiliser un roulement de série NU 2 plus petit, NU 211 ECP ( → informations sur le produit).
    • Réduire le diamètre de l'arbre d'une taille, à condition que la conception de l'arbre le permette (résistance et rigidité), et utiliser le roulement de série NU 2 plus petit NU 210 ECP ( → informations sur le produit).
    Cependant, ces deux mesures de réduction de la taille nécessitent de modifier la conception des composants adjacents.
Taille du roulement, palier fixe
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Les conditions de fonctionnement données et les effets de la fatigue de roulement indiquent que la taille du roulement doit être déterminée à l'aide de la durée nominale et de la durée SKF.

Fiche produit de 7312 BECBP → informations sur le produit.

Durée nominale




À partir de Charges → Capacité de charge des paires de roulements :

C = 1,62 Croulement simple = 1,62 x 104 = 168,5 kN

À partir de Charges, pour les paires de roulements disposés en O :

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

Utilisez :

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 kN

Par conséquent, le rapport de charge C/P = 168,5/11,52 = 14,6. 



Durée SKF




1Conditions de lubrification – le rapport de viscosité, κ

κ = ν/ν1

Étant donné :
  • degré de viscosité de l'huile = ISO VG 68
  • température de fonctionnement = 85 °C
alors, à partir du diagramme 1, ν = 13 mm2/s

Étant donné :
  • n = 3 000 tr/min
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 mm

alors, à partir du diagramme 2, ν1 = 7 mm2/s

Par conséquent κ = 13/7 = 1,8

La classe de viscosité supérieure suivante, ISO VG 100, produirait κ = 2,5. Mais ceci entraînerait un facteur κ > 4 pour le roulement NU 311 ECP, ce qui, en particulier pendant les démarrages à froid, produirait des valeurs κ élevées indésirables.


2. Facteur de pollution, ηc

Étant donné :

  • les conditions de pollution sont typiques (c'est-à-dire roulements ouverts, particules d'usure et pénétration venant de l'environnement)
  • dm = 95 mm
alors, à partir du tableau 1, ηc = 0,2

Étant donné :
  • Pu = 2 x 3,2 = 6,4 
  • P = 11,52 (→ Durée nominale, ci-dessus) 
alors ηc Pu/P = 0,2 x 6,4 / 11,52 = 0,11 


3Facteur de correction de la durée SKF, aSKF

Étant donné :
  • κ = 1,8
  • ηc Pu/P = 0,11 
  • Les 7312 BECBP sont des roulements SKF Explorer 
alors, à partir du diagramme 4, aSKF = 5 

Étant donné :
  • L10h = 17 400 h
alors L10 mh = 5 x 17 400 = 87 000 h


Conclusion :

La paire de roulements SKF Explorer 7312 BECBP présente une taille appropriée.

Lubrification
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

La pompe comporte un bain d'huile Ceci est typique des pompes de processus, car elles nécessitent de longs intervalles de service. Dans cette pompe, pour simplifier, les roulements de paliers fixes et libres sont lubrifiés par le même bain d'huile.

Comme il a été déterminé aux étapes précédentes, κ est de 1,8 pour la paire de roulements à billes à contact oblique et de 2,8 pour le roulement à rouleaux cylindriques. La classe de viscosité de l'huile sélectionnée est donc adéquate.

Température de fonctionnement et vitesse
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Déterminez si une analyse thermique détaillée est requise (→ Équilibre thermique) en contrôlant que :
  • la vitesse de rotation est inférieure à 50 % de la vitesse limite du roulement :
    • Ceci est vrai pour le support libre.
    • Pour le support fixe, elle est de 56 %, ce qui n'est que légèrement au-dessus de la limite. Pour une paire de roulements à billes à contact oblique à une rangée, la vitesse limite est réduite de 20 % (→ Vitesse admissible) et donc 3 000/(0,8 x 6 700) = 0,56.
  • le rapport de charge C/P > 10 :
    • Ceci est vrai pour les paliers fixes et libres.
  • il n'y a aucune source de chaleur externe prononcée :
    • La pompe est située dans un environnement présentant une température ambiante comprise entre 20 et 30 °C.
    • L'agent pompé est à température ambiante et aucune chaleur supplémentaire ne circule donc vers les roulements.
Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'effectuer une analyse thermique approfondie.

Interfaces des roulements
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

La modification de la pompe entraîne une augmentation des charges sur les roulements et vous devez donc vérifier les tolérances de portée des roulements afin de vous assurer que ces derniers sont montés avec des ajustements adéquats.

Considérant le palier en fonte et l'arbre en acier standard, les charges de roulement, les vitesses et les températures, qui sont toutes dans les limites des conditions standard, vous pouvez appliquer les Tolérances de portée pour les conditions standard.

Tolérances d'arbre 
Vous pouvez trouver les tolérances des portées d'arbre pour les roulements à billes radiaux dans le tableau 3 et pour les roulements à rouleaux radiaux dans le tableau 4 (à partir de Tolérances de portée pour les conditions standard).

Étant donné :

NU 311 ECP7312 BECBP
Condition de rotationcharge sur bague intérieure tournantecharge sur bague intérieure tournante
Rapport P/C0,020,07
Diamètre d'alésage 55 mm60 mm


Résultats :
 Portée du roulement
 RoulementTolérance
dimensionnelle
Tolérance de
battement radial total
Tolérance de
battement axial total
Ra
NU 311 ECPk6ⒺIT5/2IT50,8 µm
7312 BECBPk5ⒺIT4/2IT40,8 µm


Tolérances du palier
Toute usure se développant pendant le service peut entraîner un déséquilibre de la turbine, ce qui cause une direction indéterminée de la charge sur les bagues extérieures des deux roulements.

Vous pouvez trouver les tolérances des portées des paliers en fonte et en acier, pour les roulements radiaux, dans le tableau 5 (à partir de Ajustements pour les conditions standard).

Étant donné :

NU 311 ECP7312 BECBP
Condition de rotationdirection de charge indéterminéedirection de charge indéterminée
Rapport P/C0,020,07
Diamètre extérieur 120 mm130 mm


Résultats :
 Portée du roulement
 RoulementTolérance
dimensionnelle
Tolérance de
battement radial total
Tolérance de
battement axial total
Ra
NU 311 ECP
K7ⒺIT6/2IT63,2 µm
7312 BECBPK7ⒺIT6/2IT63,2 µm


Fixation axiale 
La conception actuelle présente une fixation axiale adéquate. Vérifiez que l'écrou de blocage qui fixe les bagues intérieures des roulements à billes à contact oblique est suffisamment serré. Appliquez la force de serrage de manière uniforme autour de la circonférence et respectez les dimensions d'appui (→ informations sur le produit). Pour éviter toute déformation des bagues intérieures et pour obtenir le jeu axial souhaité dans la paire de roulements, limitez la force de serrage. Pour les pompes centrifuges, une force de serrage de C0/4 (19 kN) est recommandée.

Modèles de roulements
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Contrôle du jeu interne initial

La conception actuelle utilise des roulements présentant un jeu initial normal. Les ajustements des bagues intérieure et extérieure et une différence de température de 10 °C entre les bagues intérieure et extérieure réduisent le jeu interne. Les autres influences sur le jeu interne sont négligeables.

1. Jeu interne initial

NU 311 ECPPaire de 7312 BECBP
min./moy./max.40 / 55 / 70 μm22 / 32 / 27 μm
 → Caractéristiques des roulements. Valeurs obtenues à partir du tableau 6.→ Caractéristiques des roulements. Valeurs axiales obtenues à partir du tableau 7, converties en valeurs radiales (valeurs axiales x tan 40°).


2. Réduction du jeu causée par des ajustements serrés

Utilisation : 

Δrajust. = Δ1 f1 + Δ2 f2Réduction du jeu causée par des ajustements serrés

Obtenez les valeurs des :
  • facteurs, f1 et f2 → diagramme 6
  • ajustements probables pour arbres, Δ1 → tableau 8 
  • ajustements probables pour paliers, Δ2 → tableau 9

Résultats :



NU 311 ECP Paire de 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1

0,78 0,78
f2

0,86 0,86
Δ1min./moy./max.-32 / -19 / -6 μm -26 / -16 / -6 μm
Δ2min./moy./max.-20 / 0 / 20 μm -21 / 1 / 23 μm
Δrajust.min./moy./max.-42 / -15 / -5 μm -38 / -12 / -5 μm


3. Réduction du jeu causée par la différence de température

Utilisation : 

Δrtemp. = ΔT dm x 12 x 10-6 → Réduction du jeu causée par une différence de température entre l'arbre, les bagues de roulement et le palier

Résultats :

NU 311 ECP Paire de 7312 BECBP
dm87,5 mm 95 mm
Δrtemp. -11 μm -11 μm


4. Jeu de fonctionnement 

NU 311 ECP Paire de 7312 BECBP
min./moy./max.
-13 / 30 / 55 μm
 -27 / 17 / 4 μm


Pour un roulement à rouleaux cylindriques, un jeu négatif (c'est-à-dire une précharge) n'est pas recommandé.

Des paires de roulements à billes à contact oblique doivent présenter un jeu de fonctionnement moyen proche de zéro (compris entre un petit jeu et une légère précharge), en particulier lorsque la paire est soumise à une charge principalement axiale. Une petite plage est requise pour :
  • limiter la précharge – pour limiter le frottement (un frottement plus élevé entraîne une augmentation des températures et donc une réduction de la viscosité et de la durée de service du roulement)
  • limiter le jeu – pour éviter le grippage des billes
Ce calcul manuel ne prend pas en compte le lissage des surfaces de contact, ni la déformation élastique sous charge, ni la probabilité de valeurs extrêmes se présentant en même temps.

L'analyse à l'aide de logiciels SKF plus avancés produit les résultats de jeu de fonctionnement :


NU 311 ECP Paire de 7312 BECBP
min./moy./max. 
3 / 34 / 59 μm 
 -10 / 11 / 24 μm 


Ces résultats indiquent qu'un jeu interne normal est approprié.

Sélection de la cage

Étant donné la température de fonctionnement estimée à 85 °C (c'est-à-dire la température supérieure des deux paliers), la vitesse bien inférieure à la vitesse limite et considérant la disponibilité et le prix, les cages standard en polyamide guidées par les éléments roulants sont confirmées comme étant adéquates.

Pour des raisons historiques, dans certaines zones géographiques, des cages en laiton sont préférables pour les roulements à billes à contact oblique. Elles sont proposées en standard par SKF. Ceci vaut également pour les roulements à rouleaux cylindriques.

Conclusion


Palier libre :

Le roulement NU 311 ECP, actuellement utilisé sur la pompe centrifuge, est adéquat. Une autre possibilité est d'utiliser le roulement NU 311 ECM. Il est possible de réduire la taille du roulement. 

Le modèle du roulement est décrit par des suffixes dans sa désignation (→ Système de désignation).

Suffixes de désignation :

SuffixeDescription
Conception interneECconception intérieure optimisée avec des rouleaux plus nombreux et/ou plus grands et une surface de contact face de rouleau / épaulement modifiée pour minimiser le frottement
Conception de cagePcage en PA66 renforcé de fibre de verre, guidée par les rouleaux

Mcage usinée en laiton, rivetée, guidée par les rouleaux
Classe de jeuNormal


Palier fixe : 

La paire de roulements 7312 BECBP à appariement universelle, actuellement utilisée dans la pompe centrifuge, est adéquate. Une autre possibilité est d'utiliser des 7312 BECBM.

Le modèle du roulement est décrit par des suffixes dans sa désignation (→ Système de désignation).

Suffixes de désignation :

SuffixeDescription
Conception interneBangle de contact de 40°

Econception interne optimisée – ensemble d'éléments roulants renforcés
Conception externe / classe de jeuCBroulement pour appariement universel ; deux roulements disposés en O ou en X ; avec un jeu axial interne normal
Conception de cagePcage en PA66 renforcé de fibres de verre, guidée par les billes

Mcage usinée en laiton, guidée par les billes


Étanchéité, montage et démontage
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Étanchéité

La conception actuelle de la pompe utilise des joints radiaux pour maintenir le lubrifiant du bain d'huile dans la pompe et pour protéger les roulements contre la contamination (fig. 1).

Vous pouvez utiliser des joints SKF HMS5 (fig. 2) ou HMSA10 (fig. 3) (→ Joints HMS5 et HMSA10). Ils sont appropriés pour les applications lubrifiées à l'huile et à la graisse. La plage de température et la capacité de vitesse du composé en caoutchouc nitrile utilisé pour ces joints sont appropriées pour les conditions de fonctionnement de la pompe.

Pour plus d'informations sur les spécifications de l'arbre et du logement dans le palier, reportez-vous aux Configuration de l'arbre et Exigences concernant les alésages du palier.

Si la surface d'appui du joint est usée, vous pouvez réparer l'arbre avec un manchon d'usure, tel que SKF Speedi-Sleeve.

Montage à chaud des roulements

Les roulements sont montés avec un ajustement serré sur l'arbre et un ajustement incertain dans les paliers. Vous pouvez facilement monter les roulements en chauffant leurs bagues intérieures à 100 °C et les logements à 50 °C. Pour chauffer les bagues intérieures, utilisez une plaque chauffante électrique ou un appareil de chauffage par induction SKF (→ Appareils de chauffage pour roulements). 

Alignement des arbres

Pour maximiser la durée de service de la pompe, cette dernière et son moteur électrique doivent être bien alignés (→ Outils d'alignement).

Conclusions générales
Les roulements existants peuvent être utilisés avec la nouvelle conception de turbine.

Il est recommandé de réduire la taille du roulement à rouleaux cylindriques.

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