Le cas des roulements cémentés dans les éoliennes

May 27, 2023

Par Paul Dvorak | 19 décembre 2016

Rob Budy, Président, RBB IngénierieRichard Brooks, responsable du marché secondaire de l'énergie éolienne, Timken Co.

Note de l'éditeur : cet article est basé sur un webcast présenté le 2 novembre et est disponible en replay ici : https://goo.gl/KGglfR

Des exemples concrets d'analyses de deux roulements dans des boîtes de vitesses d'éoliennes permettent de comprendre pourquoi certains roulements durent plus longtemps que d'autres. Pour les études de cas ici, un équipementier d'éoliennes a construit environ 500 unités multi-mégawatts d'un modèle particulier. Il y a environ six ans, certaines des 500 éoliennes avaient moins d'un an et d'autres un peu plus. Le plus âgé, le chef de flotte, avait six ans au moment de l'étude. La boîte de vitesses du modèle utilisait des roulements intermédiaires de deux fournisseurs. Nous les appellerons fournisseur A et fournisseur B. Ils ont également utilisé des roulements principaux de deux fournisseurs, appelons-les fournisseur C et fournisseur D.

Le roulement principal était intégré à la boîte de vitesses. Parmi les roulements principaux, la moitié provenait du fournisseur C et l'autre moitié du fournisseur D. Heureusement pour l'étude, le résultat final concernait une large population de plus de 500 turbines. La moitié des roulements intermédiaires provenaient d'un seul fournisseur.

Cela pourrait surprendre certains que la fiabilité des roulements se soit avérée très différente. Il y avait des taux élevés de défaillances dans certains des paliers intermédiaires et certains des paliers principaux. Ces taux d'échec ont déclenché une analyse des causes profondes - une RCA.

Les roulements intermédiaires

Les roulements intermédiaires étaient NJ2334. C'est une désignation ISO et un roulement de catalogue standard. En théorie, vous pourriez acheter ce roulement chez à peu près n'importe lequel des principaux fabricants. Les roulements du vendeur A et du vendeur B étaient presque identiques.

Le tableau ci-joint montre certaines des données de conception pertinentes des deux roulements. Notez que les diamètres intérieurs sont les mêmes et que les diamètres extérieurs sont les mêmes. Le nombre de rouleaux est identique. Le diamètre des rouleaux est le même, tout comme les longueurs des rouleaux. Ainsi, à presque tous les égards, les roulements du fournisseur A sont identiques aux roulements du fournisseur B.

Le seul domaine où ils différaient était leur traitement thermique. Les roulements du vendeur A étaient cémentés tandis que les roulements du vendeur B étaient trempés à coeur.

Cependant, les boîtes de vitesses avec roulements du fournisseur A (boîtier cémenté) n'ont connu qu'une seule défaillance. Ce taux d'échec était bien inférieur à 1 %. Les boîtes de vitesses avec des roulements du fournisseur B (trempés à cœur) avaient un taux de défaillance de 16 % avec un temps moyen de défaillance de 27 200 heures. Dans le cadre de l'ACR, nous voulions approfondir et comprendre les différences entre les roulements qui fournissaient les avantages de fiabilité pour les roulements du fournisseur A.

L'image de droite montre une coupe transversale à travers la bague de roulement. Cela montre ce qu'on appelle un irWEA ou une zone de gravure blanche irrégulière. Il s'agit d'une structure révélatrice associée à cette rupture de fissure de gravure blanche.

Considérez cette morphologie de défaillance ou à quoi ressemblait la défaillance. Dans le cas des paliers intermédiaires, la fissure telle que celle de l'image ci-jointe, qui a été si omniprésente. Il s'agit de la principale cause de défaillance de la boîte de vitesses des éoliennes, ce mode de défaillance par fissure axiale. Il est presque toujours visible (à gauche) lors du démontage.

L'image de droite montre une coupe transversale à travers la bague de roulement. Cela montre ce qu'on appelle un irWEA ou une zone de gravure blanche irrégulière. Il s'agit d'une structure révélatrice associée à cette rupture de fissure de gravure blanche.

Nous avons également examiné la contrainte résiduelle présente dans chacun. La courbe sombre sur la diapositive montre la contrainte résiduelle dans la bague de roulement du roulement cémenté tandis que la ligne pointillée montre la contrainte résiduelle dans la mort de la bague de roulement pour le roulement trempé à coeur. A la surface de la bague, les deux roulements présentaient une contrainte résiduelle de compression. C'est un artefact du processus de meulage, mais regardez juste en dessous de la surface et l'analyse montre que le roulement cémenté a une contrainte résiduelle de compression relativement importante. Cette contrainte agit pour maintenir les fissures fermées et offre un avantage en termes de fiabilité.

Le palier trempé à coeur, cependant, avait peu ou pas de contrainte résiduelle de compression autre qu'à la surface. C'était l'une des différences significatives que nous avons trouvées entre les deux roulements. Un autre attribut que nous avons examiné était le niveau d'austénite résiduelle. Les roulements n'ont pas une microstructure unique, ils sont différents, principalement en termes de martensite et d'austénite.

Dans le cas du roulement intermédiaire du fabricant A, un graphique d'accompagnement, Contrainte résiduelle du roulement intermédiaire, montre le pourcentage d'austénite retenue de la surface dans le matériau du roulement. Vous pouvez voir qu'il y a des niveaux élevés d'austénite résiduelle, supérieurs à 30 % à la surface et tombant à environ 25 % à un millimètre dans la surface. Le palier trempé à coeur n'avait cependant pratiquement pas d'austénite résiduelle. Il y a une grande différence dans la microstructure entre les deux roulements.

Pour résumer, les données ont montré que les roulements cémentés étaient bien plus fiables que les versions trempées à cœur. Les roulements cémentés avaient une contrainte de compression résiduelle bénéfique dans le sous-sol que les roulements trempés à coeur n'avaient pas.

La contrainte résiduelle de compression permet de maintenir les fissures fermées et empêche la formation de fissures en premier lieu.

La contrainte résiduelle de compression agit pour maintenir les fissures fermées et empêche les fissures de se former en premier lieu. Si des fissures se développent, la contrainte résiduelle de compression les empêche de progresser ou retarde leur progression.

Nous avons constaté que les roulements cémentés avaient une quantité importante d'austénite résiduelle, supérieure à 25 %, tandis que les roulements trempés à cœur n'en avaient presque pas. L'austénite retenue est un peu plus douce que la martensite, mais elle offre également une ténacité à la rupture plus élevée et offre également une certaine résistance à la fatigue.

L'étude principale des roulements

Comme auparavant, il existe deux fournisseurs de roulements que nous appellerons C et D. Encore une fois, leurs roulements étaient dimensionnellement similaires. Comme précédemment, ID et OD identiques, et même nombre de rouleaux. Dans ce cas, les deux roulements étaient cémentés. D'autres similitudes comprenaient le processus de traitement thermique. Les différences significatives étaient dans la métallurgie.

Les défaillances provenaient de la bague intérieure du roulement. Dans ce cas, de graves macropiqûres ou spallations apparaissent sur la bague intérieure du roulement.

La boîte de vitesses avec roulements du fournisseur C n'a eu absolument aucune défaillance. Les boîtes de vitesses avec roulements du fournisseur D, cependant, ont subi un taux de défaillance de 16 % avec un délai moyen de défaillance de 26 690 heures.

Les détails de la morphologie de l'échec en ont révélé plus. Une image ci-jointe montre la bague intérieure du roulement. Encore. les défaillances provenaient de la bague intérieure du roulement. Dans ce cas, de graves macropiqûres, ou spallations comme les gens aiment le dire, apparaissent sur la bague intérieure du roulement. Une coupe transversale à travers la sous-section du roulement révèle la zone de gravure blanche irrégulière, une structure associée à ce mode de rupture par fissuration.

La contrainte résiduelle des deux roulements a montré un profil de contrainte résiduelle similaire et encore une fois, la surface du roulement a une contrainte résiduelle de compression élevée. C'est le résultat du meulage. L'exploration de la profondeur de l'appareil d'appui montre que les deux ont des contraintes résiduelles de compression importantes. Mais une fois en dessous d'environ un millimètre, l'amplitude de la contrainte résiduelle de compression change.

L'endroit où les fissures commenceraient est inférieur à un millimètre de profondeur. Les roulements étaient relativement équivalents en termes de contrainte résiduelle de compression. Ce n'était donc pas responsable de la différence de fiabilité.

Ensuite, nous avons examiné les niveaux d'austénite retenue et avons trouvé une différence marquée. Le roulement du fournisseur C, qui n'a eu aucune défaillance, avait 20 % d'austénite retenue à la surface augmentant à environ 25 % sous la surface. L'autre roulement, également cémenté, avait environ 12 % d'austénite résiduelle à la surface augmentant jusqu'à un maximum d'environ 17 %.

Pour résumer, les deux roulements principaux étaient cémentés, mais avaient des propriétés métallurgiques différentes. La distribution des contraintes résiduelles était similaire dans chacun. Cependant, le roulement C du fournisseur, le roulement le plus fiable, n'a présenté aucune défaillance et des niveaux considérablement plus élevés d'austénite résiduelle, supérieurs à 25 %. Les roulements du fournisseur D avaient un taux de défaillance de 16 %. Il est important de reconnaître que les données présentées proviennent d'expériences réelles sur le terrain - à partir de boîtes de vitesses d'éoliennes - et non de prévisions analytiques ni d'essais sur banc.

Les données ont montré que les roulements cémentés étaient plus résistants aux fissures réelles que les roulements trempés à cœur. Encore une fois, le mode réel de rupture de fissure est la principale cause de défaillance de la boîte de vitesses des éoliennes. Nous avons vu que les roulements cémentés bénéficient de la présence d'une contrainte résiduelle de compression qui offre une résistance accrue à la fatigue. Encore une fois, la contrainte de compression a tendance à maintenir les fissures fermées. De plus, il empêche les fissures de se développer et de se développer en premier lieu.

Nous avons également vu que des niveaux plus élevés d'austénite résiduelle, supérieurs à 25 %, semblent offrir une protection contre ces défaillances. Nous avons également vu que tous les procédés de cémentation n'offrent pas les mêmes propriétés métallurgiques. Dans le cas des roulements principaux, les deux étaient cémentés mais avaient des taux de fiabilité significativement différents. De plus, il existe des différences significatives dans les niveaux d'austénite retenue entre les deux roulements.

Les différences dans le processus de traitement thermique peuvent avoir un effet important sur la fiabilité des roulements. Deux roulements presque identiques à tous égards, les détails du processus de traitement thermique peuvent avoir un impact énorme sur la fiabilité des roulements.

Cémenté versus cémenté à coeur

Nous présentons ici quelques détails supplémentaires sur les différences entre les roulements cémentés et trempés à cœur. Il existe d'autres méthodes de traitement thermique, mais les plus importantes pour cette discussion sont la cémentation et la trempe à cœur.

Prenons une simple analogie avec les bonbons pour illustrer les différences entre ces deux traitements thermiques. Considérez les roulements cémentés comme un bonbon enrobé de chocolat avec une coque dure. S'il prend un coup, il peut se fracturer, mais pas complètement. Une coque dure et un noyau souple lui permettent d'absorber les impacts.

Un roulement entièrement trempé est comme un bonbon dur traditionnel. C'est cassant. S'il y a un impact, il va se casser complètement. Ce n'est pas une analogie parfaite, mais c'est une bonne façon de commencer. Comment cela s'applique-t-il réellement ici?

Le processus de fabrication d'un roulement trempé à cœur commence avec un acier à haute teneur en carbone, tel que le 52100, et se déroule essentiellement en deux étapes, bien qu'il existe des variantes.

Le boîtier cémenté fournit un boîtier dur à l'extérieur mais laisse le noyau relativement plus doux. Cela donne les avantages de la résistance aux chocs et aux débris lors de l'application. Il offre également une résistance à la formation de zones de gravure blanche et aux contraintes résiduelles de compression utiles.

Le roulement trempé à cœur, en revanche, aura la même dureté sur toute sa section transversale. Cela présente des avantages, tels que des températures de fonctionnement plus élevées, ce qui est important dans certaines applications. Le durcissement à cœur est également un processus plus simple et entraîne donc un coût de fabrication inférieur.

Le processus de fabrication de roulements trempés à cœur commence avec un acier à haute teneur en carbone, tel que le 52100, et se déroule essentiellement en deux étapes, bien qu'il existe des variantes. La première étape chauffe le roulement pour le durcir, suivi d'une trempe. La deuxième étape est un processus de chauffage secondaire à une température plus basse qui tempère le matériau. Vous pouvez voir une sorte de température sur l'axe Y du graphique, le processus durci jusqu'à environ 800°C et le temps sur l'axe X, le temps qu'il faut pour faire le processus.

Le processus de cémentation commence avec un acier à faible teneur en carbone, tel que le 8620, et comporte trois étapes. En un mot, la cémentation de l'acier injecte du carbone dans l'atmosphère chauffée à près de 1 000 ºC, puis trempe l'acier. Une deuxième période de chauffage durcira le matériau, puis un troisième processus de chauffage le tempérera. La carburation globale est un processus beaucoup plus long avec trois chauffages séparés.

Quels sont donc les avantages de la cémentation de carter et pourquoi sont-ils recherchés dans une application ? Probablement numéro un : la carburation offre une bien meilleure résistance à l'usure. La surface supporte beaucoup mieux l'usure. Un roulement cémenté résistera aux fissures dues uniquement aux charges conventionnelles ainsi qu'aux charges de choc. Le matériau présentera des contraintes résiduelles de compression qui empêcheront ou au moins inhiberont la formation de fissures ou leur propagation. La physique de la situation lutte en fait contre ces fissures grandissantes.

Ensuite, il sera également beaucoup plus résistant aux débris et à la contamination dans le système, ce qui, comme nous le savons assez, est le cas dans les boîtes de vitesses des éoliennes. Par exemple, il y aura des pièces métalliques de la période de rodage et juste du fonctionnement normal. Un roulement cémenté sera beaucoup plus résistant aux effets de la contamination.

Le graphique, Dureté par rapport à la profondeur, montre la dureté sur l'axe Y et la profondeur du boîtier en millimètres sur l'axe X. D'une manière générale, un roulement entièrement trempé sera assez dur tout au long. Il va avoir la même dureté un peu au nord de 60 Rockwell tout au long. Alors que le matériau cémenté aura la même dureté ou s'en approchera à la surface, mais ensuite il tombera un peu et aura un noyau beaucoup plus mou.

Le graphique, cémenté versus cémenté, montre les contraintes résiduelles sous la surface sur l'axe Y, puis la profondeur sous la surface sur l'axe X. La comparaison des deux graphes montre que le cas cémenté présente des contraintes résiduelles de compression résiduelle beaucoup plus importantes. Alors que l'écroui à cœur présente des contraintes de traction.

Qu'est-ce que cela signifie pour porter la vie ? L'illustration, Vie relative dans des conditions difficiles, montre une vie normalisée. Le tableau, basé sur des milliers de tests effectués dans des conditions de laboratoire stériles pendant de nombreuses années, donne une bonne idée des différences de performances réelles. Le côté gauche montre la durée de vie normale d'un roulement cémenté (CC) et d'un roulement trempé à cœur (TH) fonctionnant dans des conditions de film lubrifiant mince. C'est-à-dire des conditions sans séparation suffisante entre les surfaces en contact. Le roulement équivalent trempé à cœur a une durée de vie d'environ 0,6, ce qui représente une diminution significative de la durée de vie.

Les résultats sont plus significatifs lorsque vous regardez les données normalisées pour un film similaire avec des débris. Dans ce scénario, le roulement cémenté - normalisé à un - a une durée de vie bien supérieure à celle d'un roulement trempé à cœur qui tombe à 0,4 dans ces conditions difficiles.

Résumé des traitements thermiques

Il existe trois problèmes courants que nous rencontrons dans l'industrie pour les roulements intermédiaires à grande vitesse. Fissuration de gravure blanche, inclusions et maculage généré en surface.

Recommandations pour les roulements haute vitesse et intermédiaires

DLC : revêtement de type diamant

La propreté de l'acier aide certainement à éliminer les inclusions et cela aide un peu à résister à la gravure blanche. Le traitement cémenté du boîtier aidera à la gravure blanche. Cela va également aider pour les inclusions car cela va résister à la propagation de toutes les fissures qui se forment.

Pour le maculage, regardez vers les revêtements qui n'ont pas de sujet ici. L'oxyde noir ou le DLC aident davantage avec le dérapage initié par la surface, et aussi un peu avec un certain avantage pour la fissuration par gravure blanche.

La sélection d'un roulement devient assez compliquée lorsque l'on essaie de décrire les propriétés de roulement nécessaires pour chaque position dans une boîte de vitesses. Les roulements sont disponibles avec différents revêtements, différents matériaux, différentes méthodes de traitement thermique et différents coûts. Il serait imprudent de tout jeter à chaque position. L'objectif est une boîte de vitesses économique qui offre toujours d'excellentes performances tout au long de sa durée de vie.