Quelles sont les causes de la surchauffe des roulements du compresseur ?

Introduction

Dans les équipements modernes de traitement des fluides, le roulement de compresseur sert d'élément de support essentiel qui stabilise le mouvement de l'arbre, minimise la friction de rotation et assure un fonctionnement continu sous des charges élevées. À mesure que les systèmes de compresseur évoluent vers des vitesses plus élevées, des dimensions plus petites et des environnements thermiques plus exigeants, le défi de la surchauffe des roulements devient de plus en plus important. La surchauffe de ce composant est plus qu’une anomalie de température ; c'est souvent le précurseur de l'usure mécanique, de la dégradation de la lubrification et de l'instabilité structurelle dans l'ensemble du système de compresseur rotatif.

Déséquilibre de charge mécanique

Le déséquilibre de charge mécanique est l’un des principaux déclencheurs de contraintes thermiques dans les roulements des compresseurs. Lorsque l'ensemble rotor est soumis à des forces axiales ou radiales inégales, le roulement doit compenser les points de pression irréguliers, ce qui entraîne une friction de contact accrue.

Forces radiales élevées

La charge radiale augmente lorsque l'arbre du compresseur est mal aligné, lorsque des roues déséquilibrées sont présentes ou lorsque les vibrations dans les composants rotatifs à grande vitesse dépassent le seuil conçu. À mesure que la friction augmente, le roulement génère de la chaleur proportionnellement et une dissipation insuffisante entraîne une surchauffe progressive.

Forces de poussée axiale

La charge de poussée axiale résulte des différences de pression à l’intérieur de la chambre du compresseur. Lorsque les niveaux de poussée dépassent la capacité de charge du roulement, le frottement de glissement augmente considérablement, permettant une accumulation continue de chaleur. Un contrôle approprié de la répartition des charges axiales est essentiel au maintien de la stabilité thermique.

Mécanisme de défaillance lié à la charge

Un roulement soumis à une charge asymétrique ou excessive subit un schéma prévisible d’augmentation de la température :

Des contraintes inégales augmentent le frottement de la surface

La friction génère des zones de chaleur concentrées

Le film lubrifiant commence à se dégrader

Un contact métal sur métal se produit

Les pics de température accélèrent l’usure et éventuellement le grippage des roulements

Déficience de lubrification et panne thermique

La lubrification joue un rôle indispensable dans les performances thermiques de tout roulement de compresseur. Sans un film d'huile adéquat, la friction s'intensifie, la chaleur s'accumule rapidement et une dégradation thermique s'ensuit.

Viscosité insuffisante du lubrifiant

Pour les compresseurs à grande vitesse, la viscosité de la lubrification est soigneusement définie pour équilibrer la fluidité et l'épaisseur du film. Un lubrifiant dont la viscosité est insuffisante ne parvient pas à maintenir la séparation entre les éléments roulants et les chemins de roulement, ce qui augmente considérablement le risque d'accumulation de chaleur. À l’inverse, une viscosité trop élevée augmente la traînée du fluide, générant de la chaleur par friction interne.

Effondrement du film d'huile

L’effondrement du film d’huile peut se produire en raison de :

Température excessive

Fonctionnement à grande vitesse

Huile contaminée

Pression d'huile incohérente

Une fois la barrière pétrolière effondrée, les surfaces métalliques interagissent directement, provoquant une génération instantanée de chaleur et une défaillance thermique accélérée des roulements.

Irrégularités du système de lubrification

Les défauts dans le réseau de lubrification des compresseurs industriels, tels qu'un débit d'huile instable, des passages obstrués ou une restriction dans les conduites d'alimentation, compromettent directement la dissipation thermique. Un fonctionnement continu avec une mauvaise lubrification entraîne rapidement une surchauffe.

Escalade de friction dans les environnements à grande vitesse

Une vitesse de rotation élevée est un contributeur connu aux contraintes thermiques. À mesure que la technologie des compresseurs progresse, des régimes de rotation plus élevés sont de plus en plus courants, ce qui nécessite que la structure et les matériaux des roulements résistent à des niveaux de friction élevés.

Effets centrifuges sur les éléments roulants

À grande vitesse, la force centrifuge pousse les éléments roulants vers l'extérieur, modifiant ainsi la répartition de la charge sur le chemin de roulement. Ce changement augmente la pression localisée, ce qui accélère la génération de chaleur.

Interaction de friction entre glissement et roulement

Même dans les pièces de compresseur de précision, le frottement par glissement ne peut jamais être complètement éliminé. Lorsque la vitesse de rotation augmente fortement, le frottement de roulement se transforme en partie en frottement de glissement, intensifiant ainsi la production thermique.

Formule de génération de chaleur accrue

Les ingénieurs utilisent souvent un modèle simplifié pour comprendre l’élévation thermique basée sur la vitesse :

Chaleur générée ∝ Charge × Vitesse × Coefficient de friction

À mesure que la vitesse augmente, la génération de chaleur devient disproportionnée, surtout sans mécanismes de refroidissement robustes.

Limites des matériaux et dégradation de l’intégrité de la surface

Les matériaux de roulement doivent offrir une durabilité, une résistance thermique et des propriétés structurelles stables. Lorsque la fatigue des matériaux ou des déformations microstructurelles apparaissent, la génération de chaleur devient inévitable.

Micro-écaillage et croissance de la rugosité de surface

De petits défauts sur le chemin de roulement ou sur les éléments roulants augmentent la rugosité de la surface. Avec une plus grande rugosité, la friction augmente et la chaleur s'accumule. Ces micro-défauts ont tendance à se développer rapidement sous haute pression.

Ramollissement thermique de l'acier à roulements

Lorsqu’un roulement de compresseur fonctionne à proximité de son seuil de ramollissement du matériau, la déformation se produit plus facilement. La déformation modifie le chemin de charge, provoquant une répartition inégale des contraintes et une élévation thermique supplémentaire, contribuant ainsi à l'instabilité structurelle.

Impact de la pureté des matériaux

Les impuretés présentes dans l’acier des roulements affectent à la fois la dureté et la conductivité thermique. Les alliages impurs dissipent mal la chaleur et génèrent des points chauds qui élèvent les températures de fonctionnement.

Désalignement de l’arbre et incohérence structurelle

L'alignement de l'arbre influence directement le comportement thermique du roulement. Le désalignement intensifie la friction en modifiant l'interaction géométrique prévue entre les éléments roulants et les chemins de roulement.

Désalignement angulaire

Une déviation angulaire provoque le dérapage des éléments roulants, générant des modèles de chaleur anormaux. Un fonctionnement continu en cas de désalignement angulaire entraîne une augmentation rapide de la température.

Désalignement parallèle

Le décalage parallèle produit une répartition inégale de la charge, ce qui fait qu'un segment du roulement supporte la majorité de la charge. Ce déséquilibre accélère le stress thermique.

Déformation du logement

Si le boîtier du compresseur se déforme en raison de vibrations, d'une dilatation thermique ou d'une mauvaise installation, le siège du roulement ne maintient plus un alignement idéal, favorisant la friction et la surchauffe.

Stress thermique induit par la contamination

Les contaminants sont une cause cachée mais importante d’instabilité thermique.

Intrusion de particules dures

Des particules telles que de la poussière, des débris métalliques ou des résidus d'usinage pénètrent dans l'environnement de lubrification et augmentent la friction abrasive. Les micro-rayures qui en résultent évoluent vers des défauts générateurs de chaleur.

Contamination par l'humidité

L'humidité réduit la viscosité du lubrifiant, interrompt la continuité du film d'huile, induit de la corrosion et élève les niveaux de friction. La génération de chaleur s’accélère rapidement en cas de dégradation induite par l’humidité.

Incompatibilité chimique

Certains contaminants interagissent chimiquement avec les lubrifiants, réduisant les performances de lubrification et augmentant la charge thermique sur le roulement du compresseur.

Structure de dissipation thermique insuffisante

Même lorsque la lubrification et les conditions mécaniques sont appropriées, un roulement peut surchauffer simplement parce que la chaleur ne peut pas s'échapper efficacement.

Mauvaise conception des voies thermiques

Si le boîtier de roulement ne dispose pas d'une voie de conduction thermique efficace, l'accumulation thermique devient inévitable. La conductivité des matériaux et l'épaisseur des parois influencent considérablement les performances de refroidissement.

Ventilation ou débit de refroidissement inadéquat

Dans les chambres de compresseur scellées, la chaleur peut s’accumuler rapidement. Sans canaux de circulation d'air ni chemins de conduction passifs conçus, la température du roulement augmente même sous une charge modérée.

Interférence de dilatation thermique

Si les composants environnants se dilatent plus ou moins que le roulement lui-même, des contraintes thermiques apparaissent sous forme de compression, de friction et d'accumulation supplémentaire de chaleur.

Erreurs opérationnelles et paramètres d'utilisation incorrects

Les pratiques opérationnelles ont une influence directe sur les performances thermiques des roulements.

Fonctionnement à vitesse excessive

Faire fonctionner les compresseurs au-delà de leur seuil de vitesse prévu multiplie la puissance thermique et submerge le comportement du film lubrifiant.

Demande de charge excessive

Des augmentations soudaines de pression ou un fonctionnement en surcharge prolongé entraînent une augmentation continue de la température.

Cycles de démarrage et d'arrêt fréquents

Des changements brusques de charge empêchent le système d'établir des modèles de lubrification et de refroidissement stables, augmentant ainsi la contrainte thermique sur le roulement.

Usure à long terme et vieillissement naturel

Même avec un entretien approprié, un fonctionnement à long terme entraîne une usure inévitable.

Aperçu du mécanisme d’usure

Les éléments roulants perdent progressivement leur douceur

Les surfaces des chemins de roulement développent des micropiqûres

Les canaux de lubrification sont partiellement obstrués

L'efficacité de la dissipation thermique diminue

Cette lente dégradation provoque une augmentation des températures au fil du temps, aboutissant finalement à une surchauffe persistante.

Tableau récapitulatif des fonctionnalités du produit

Le tableau suivant résume les caractéristiques structurelles et fonctionnelles généralement prises en compte dans la conception des roulements de compresseur pour le contrôle thermique.

Conclusion

La surchauffe des roulements du compresseur résulte d'une combinaison de facteurs mécaniques, thermiques, opérationnels et environnementaux. Les facteurs critiques incluent le déséquilibre de charge, les défauts de lubrification, la vitesse de rotation excessive, la contamination, la dissipation thermique inadéquate, la dégradation des matériaux, le désalignement et les conditions de fonctionnement inappropriées.

Comprendre ces causes est essentiel pour optimiser la fiabilité des équipements, concevoir des systèmes de compresseurs rotatifs hautes performances et prolonger la durée de vie des composants. En améliorant la conception de la lubrification, en affinant la sélection des matériaux, en améliorant la précision de l'alignement et en renforçant les structures de refroidissement, les ingénieurs peuvent prévenir efficacement les défaillances thermiques des roulements et maintenir des performances stables du compresseur dans divers environnements industriels.