Moteurs sans engrenage : un roulement à rouleaux sphérique scellé avec des performances améliorées

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Figure 1 : roulement à rotule sur rouleaux étanche SKF

Ce Product Spotlight décrit les multiples améliorations apportées au roulement, désormais désigné par le suffixe -RS.

Ce document a été présenté à ElevcoN  Madrid 2016, le Congrès international sur les technologies de transport vertical, et publié pour la première fois dans le livre de l'IAEE Technologie des ascenseurs 21, édité par A. Lustig. Il s'agit d'une réimpression avec la permission de l'International Association of Elevator Engineers  Iaee (site Internet : www.elevcon.com).

Installés dans les dernières machines de traction sans engrenage au monde, les roulements à rotule sur rouleaux étanches Explorer de SKF (ELEVATOR WORLD, février 2016) prennent en charge les aspects inhérents d'économie d'espace et d'énergie de ces moteurs d'ascenseur. Par rapport aux roulements de la génération précédente, les nouveaux roulements étanches peuvent réduire le frottement des roulements jusqu'à 20 % et contribuer à réduire la consommation d'énergie du bâtiment. Avec cette nouvelle conception de joint, les roulements réduisent considérablement les températures de fonctionnement, ce qui se traduit par une vitesse limite jusqu'à deux fois plus élevée que les conceptions précédentes. Parce qu'ils peuvent fonctionner plus froids, les intervalles de relubrification peuvent être jusqu'à deux fois plus longs, selon les conditions de fonctionnement, réduisant la consommation de graisse ou même permettant des solutions sans relubrification, réduisant encore l'impact environnemental du moteur et les coûts de maintenance.

Introduction

Dans la construction de nouveaux bâtiments, les fabricants d'ascenseurs se tournent vers des conceptions de machines de traction sans salle des machines (MRL) et sans engrenage qui permettent des vitesses élevées et une plus grande efficacité énergétique dans une solution plus compacte. La conception MRL représente plus de la moitié des nouvelles unités d'ascenseur et domine le marché.

Le roulement à rotule sur rouleaux étanche SKF, comme illustré à la figure 1, est en mesure de répondre aux besoins des fabricants d'ascenseurs et de machines de traction. En utilisant un type de roulement à rouleaux au lieu d'un roulement à billes, il permet aux concepteurs de moteurs d'augmenter la capacité de charge de leurs machines sans engrenage, tout en maintenant ou même en réduisant la taille de l'agencement des roulements.

Ces dernières années ont également vu une évolution dans le développement des systèmes de suspension. Deux exemples sont la corde en aramide de Schindler et la courroie plate d'Otis. Ces produits ont des propriétés de flexion différentes et un rayon de flexion plus petit par rapport aux câbles en acier conventionnels. Cela a eu un impact direct sur le rapport de flexion entre la poulie et le câble, permettant l'utilisation de la plus petite poulie et, par conséquent, une augmentation de la vitesse des moteurs de traction de l'ascenseur.

Une tendance plus récente des fabricants d'ascenseurs est d'optimiser la gamme de machines de traction sans engrenage, similaire à une approche « taille unique ». L'objectif principal est d'ajouter de la flexibilité dans l'application en utilisant, par exemple, le même moteur pour couvrir une plage de vitesse plus large à charge constante, ou même le même moteur pour couvrir des plages de vitesse et de charge plus larges.

Les deux tendances mentionnées ci-dessus peuvent avoir un impact significatif sur la fonction et les performances du roulement.

L'utilisation d'unités à rouleaux sphériques scellés qui prennent en charge le désalignement et la déviation de l'arbre est caractérisée par une condition de fonctionnement par contact linéaire, au lieu d'un contact ponctuel pour les roulements à billes. Cela fait du roulement à rotule sur rouleaux une solution optimale en termes de compacité et de capacité de charge. Cependant, l'augmentation de la vitesse du moteur pourrait avoir les effets suivants :

  • Augmentation de la friction, ce qui pourrait augmenter la consommation d'énergie
  • Augmentation de la température des roulements, ce qui pourrait raccourcir la durée de vie des roulements
  • Atteindre la vitesse limite du roulement

Développement de la nouvelle conception de joint

L'objectif principal de la R&D effectuée en collaboration avec le département Solutions d'étanchéité SKF et le Centre de développement SKF pour les roulements à rotule sur billes était de créer une nouvelle conception visant à optimiser le frottement et l'ancrage du joint, tout en conservant les principales propriétés du joint, telles que la capacité d'étanchéité et rétention de graisse. En réduisant les frottements, les performances du produit se sont améliorées en termes de durée de vie du lubrifiant, limitant la vitesse et la consommation d'énergie.

Les critères de conception ont été clairement définis au début du projet. À partir de cette référence, SKF Sealing Solutions a optimisé la conception de la lèvre du joint en conséquence au moyen de différentes analyses, comme le modèle d'éléments finis. Les figures 2 et 3 montrent les résultats de la modélisation pour la pression de contact de la lèvre et la contrainte de joint.

L'équilibrage de plusieurs paramètres permet d'optimiser la forme de la lèvre du joint pour maintenir la capacité d'étanchéité et réduire la friction. L'abaissement du frottement réduirait la température de fonctionnement du roulement et, en tant que tel, améliorerait la durée de vie de la graisse et la durée de vie globale du composant du roulement.

Outre l'optimisation de la forme et de la pression de la lèvre d'étanchéité, la tête d'étanchéité elle-même et la forme de la rainure de la bague extérieure ont dû être repensées. SKF a décidé d'introduire une conception à trois lèvres non liée à une opération de formage des métaux. Le contact entre la rainure et le joint a été réalisé au moyen d'un contact caoutchouc-métal. Plusieurs itérations ont été menées pour affiner la solution finale. Un modèle conservateur a été créé et utilisé, en tenant compte d'un facteur de sécurité 2. Dans un deuxième temps, les exigences de rétention ont été définies pour valider la conception de la tête d'étanchéité et de la rainure de la bague extérieure.

Lors du développement du nouveau type de joint, SKF a également standardisé la conception de la lèvre du joint, passant de trois conceptions différentes (avec le suffixe « –CS ») à une seule (avec le suffixe « -RS »), comme décrit dans la Figure 4.

Ce changement se traduit par une optimisation de la capacité de production et une réduction du nombre de variantes et de composants en production. De plus, l'utilisation d'une conception d'ancrage à joint unique réduira également les types d'ancrage et la variation d'ancrage lors de l'assemblage de la tête d'étanchéité dans la rainure de la bague extérieure.

La nouvelle conception -RS est valable pour la gamme de petits roulements à rotule sur rouleaux étanches ayant principalement un diamètre d'alésage compris entre 25 et 120 mm. Pour un diamètre d'alésage plus important, la conception -CS sera toujours la norme pour les versions étanches des roulements à rotule sur rouleaux.

Test de validation et résultats

Un aperçu de la validation du test peut être trouvé dans le tableau 1.

Test de friction

L'essai de friction a été effectué sur les joints uniquement. L'objectif était d'examiner l'impact de la nouvelle conception du joint par rapport à l'actuel.

De nouvelles vitesses limites ont été définies sur la base du résultat du test de friction des joints. Les nouvelles limites dépendent de la taille du joint et sont liées à une nouvelle limite de vitesse maximale de la lèvre du joint de 10 mps. La figure 5 illustre le frottement relatif du joint entre les conceptions -CS et -RS à 200 tr/min et à la vitesse limite pour l'un des échantillons d'essai.

La nouvelle conception du joint réduit la friction jusqu'à 50 % sur le joint uniquement.

La réduction des frottements sur le roulement complet a également été validée par calcul. La figure 6 est un exemple du calcul effectué.

Le frottement des roulements peut être réduit jusqu'à 20 %.

Des tests de température supplémentaires ont été effectués sur des bancs d'essai sur les roulements complets pour avoir une meilleure vision des avantages de l'application. Une charge de C/P = 10 (où C est la charge dynamique de base du roulement en kilonewtons et P est la charge dynamique équivalente du roulement en kilonewtons) a été appliquée sur les roulements. Les tests ont été effectués à différentes vitesses. Ce test de vitesse typique est capable de montrer l'effet d'un frottement plus faible à différentes vitesses ; les résultats sont illustrés à la figure 7.

La température de fonctionnement des roulements peut être réduite jusqu'à 20°C en fonction des conditions d'application. Cette réduction aura un impact positif sur la durée de vie de la graisse et la multipliera potentiellement jusqu'à deux fois.

Capacité de sceau

Pour s'assurer que la nouvelle conception du joint conserve la même caractéristique d'exclusion des contaminants que la conception actuelle, un test de poussière typique de l'Arizona a été effectué. Les spécifications des tests sont les suivantes :

  • Vitesse: un tiers de la vitesse limite
  • Type de poussière: poussière Arizona grade A2, accrédité par ISO 12103-1
  • Quantité de poussière: 10% du volume de la chambre
  • Durée du test: 168 h.
  • Séquence de test: Exécuter 8 heures, arrêter 16 heures.

La conclusion du test montre que la capacité d'étanchéité de la nouvelle conception est maintenue.

Rétention de graisse

La rétention de graisse a été évaluée dans deux tests différents : le test de rotation de la bague extérieure et le test à grande vitesse.

Trois tailles de roulements différentes ont été testées et les fuites de graisse évaluées. Le résultat montre que la rétention de graisse est maintenue, avec une quantité de fuite de graisse observée inférieure à 1 g.

Capacité de désalignement

Le désalignement actuellement admissible pour le roulement à rotule sur rouleaux est de 0.5°. Le nouveau profil de joint étant différent, il était nécessaire de vérifier que la capacité de désalignement est maintenue. La validation a été effectuée par calcul et test pour vérifier les performances. Les résultats montrent que la capacité de désalignement est maintenue à un maximum de 0.5°.

Ancrage de phoque

Trois tests différents ont été effectués comme décrit à la figure 8 pour garantir un ancrage optimal de la tête d'étanchéité dans la rainure de la bague extérieure.

Couple de pivotement

Lors de la manipulation, le roulement pourrait potentiellement voir un désalignement supérieur à 0.5°. L'objectif de ce test est de vérifier l'effet de la force à laquelle le joint pourrait être exposé lors d'une manipulation normale et de le comparer aux critères d'acceptation SKF. Les résultats sont présentés dans la figure 9.

Le nouvel ancrage de joint est conforme aux critères d'acceptation SKF.

Couple de rétention

Le but de cet essai est de vérifier les forces nécessaires pour faire tourner le joint dans la gorge. Pour vérifier l'impact sur le couple de rétention, des tests ont été réalisés avec rainure sèche, graisse et/ou conservateur dans la rainure. Un exemple de résultats est illustré à la figure 10.

Le nouvel ancrage de joint est conforme aux critères d'acceptation du couple de rétention SKF.

Force de poussée

La force de poussée est utilisée comme critère pour garantir que, si le roulement est trop rempli de graisse, le joint ne sortira pas, mais libérera la graisse entre la bague intérieure du roulement et les lèvres du joint.

La graisse a été poussée à travers l'un des trous de la bague extérieure du roulement, les deux autres trous étant bouchés. Toute la graisse excessive fuyait entre la lèvre du joint et la bague intérieure et, en tant que telle, remplissait les critères d'acceptation SKF en termes de force de poussée.

Conclusion

Avec le développement récent de systèmes de suspension alternatifs ayant des propriétés de flexion différentes par rapport aux câbles en acier conventionnels, le marché des ascenseurs a généré un nouveau concept de moteur de traction d'ascenseur utilisant des poulies plus petites et fonctionnant à une vitesse plus élevée. De plus, pour optimiser leur gamme de moteurs sans engrenage, les fabricants d'ascenseurs visent une plus grande flexibilité d'application avec des moteurs couvrant une plus large plage de vitesses et de charges.

Compte tenu de ces deux tendances, SKF a dû adapter ses propres produits et ajouter plus de flexibilité dans l'application. Ceci a été réalisé en développant et en validant un nouveau roulement à rotule sur rouleaux scellé avec des performances améliorées au moyen d'une toute nouvelle conception de joint à faible frottement. Les caractéristiques opérationnelles et les avantages pour le client qui en résultent sont répertoriés dans le tableau 2.

En réduisant le frottement et, potentiellement, la température de fonctionnement, la durée de vie de la graisse pourrait être multipliée par deux et, ainsi, les intervalles de relubrification prolongés jusqu'à deux fois plus longtemps, par rapport à la génération précédente. Cela entraîne une réduction significative de l'utilisation de graisse - moins d'impact sur l'environnement - et des besoins d'entretien. Selon les conditions de fonctionnement, la plupart des applications pourraient alors être considérées comme sans entretien.

En termes d'économies d'énergie, la réduction des frottements se traduit par des émissions de CO2 nettement inférieures. Pour un moteur de traction sans engrenage typique dans un ascenseur à usage intensif, le remplacement de deux roulements étanches SKF Explorer par la nouvelle conception optimisée pourrait réduire les émissions de CO2 jusqu'à 100 kg par an. Au cours du cycle de vie de 20 ans du moteur, cela représente un 2-T. réduction des émissions de CO2.

Le suffixe -RS caractérise la nouvelle génération de roulements et concernera la gamme des petits produits à rouleaux sphériques ayant un diamètre d'alésage compris entre 25 et 120 mm.

Accusé de réception

Remerciements particuliers à Henrik Wickberg, SKF AB, pour son soutien durant les différentes phases de développement de ce projet.

www.skf.com

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