Etude phénoménologique des surfaces antagonistes (palier lisse) dans le processus d’abrasion lubrifié
Arbaoui Mohammed, Taibi Mohamed
كلية هندسة معمارية-جامعة مولود معمري - تيزي وزو · الجزائر
Pour une meilleure gestion et diagnostic des équipements statiques et dynamiques, l’usage de la maintenance préventive et de la fiabilité est primordial. On doit contribuer à la résolution des problèmes de résistance mécanique, de rigidité etstabilité des pièces et structures pouvant provoquer la défaillance des équipements. Vu la diversité des équipements existants sur les installations de forage en Algérie, des études comparatives basées sur les données scientifiques s’avèrent nécessaires pour un choix adéquat qui tiendrait compte des conditions spécifiques de l’exploitation de ces installations. Et par lasuite les comparer aux conditions optimales exigées par les constructeurs sans avaries de ces équipements dont l’exploitation étant un problème complexe exigeant des études théoriques adéquates pour une mise au point de modèles mathématiques qui décrivent bien l’interdépendance entre les formes tribologiques des surfaces et les matériaux utilisés pour ce type d’équipement pour une meilleure optimisation. Car une meilleure compréhension des formes tribologiques intervenants dans le contact de deux surfaces en mouvement relatif permettrait d’orienter convenablement le choix de ces formes assurant les progrès souhaités, d’une part. Et que d’autre part, le comportement tribologique d’un couple de matériaux est très influencé par les propriétés mécaniques, physico-chimiques des matériaux en contact et par l’existence d’un troisième corps abrasif (extérieur ou produit par l’usure lors du frottement).La défaillance des matériaux à usage industriel est presque toujours un événement indésirable, et ce, pour plusieurs raisons : elle peut mettre en danger des vies humaines, entraîner des pertes économiques et entraver la production de biens etservice. Même lorsque les causes d’une défaillance et le comportement des matériaux sont connus, elle demeure difficile d’assurer la prévention des défaillances. Un choix ou un traitement erroné des matériaux de même qu’une conception, une utilisation inadéquate d’un composant favorisée par le phénomène d’usure, constitue les causes de défaillance les plusfréquentes. La tâche de l’ingénieur de conception consiste précisément à prévoir les défaillances possibles et, si une défaillance se manifeste, à en déterminer les causes et à prendre les mesures de prévention appropriées. La défaillance des matériaux à usage industriel est presque toujours un événement indésirable, et ce, pour plusieurs raisons : elle peut mettre en danger des vies humaines, entraîner des pertes économiques et entraver la production de biens etservice. Même lorsque les causes d’une défaillance et le comportement des matériaux sont connus, elle demeure difficile d’assurer la prévention des défaillances. Un choix ou un traitement erroné des matériaux de même qu’une conception, une utilisation inadéquate d’un composant favorisée par le phénomène d’usure, constitue les causes de défaillance les plusfréquentes. La tâche de l’ingénieur de conception consiste précisément à prévoir les défaillances possibles et, si une défaillance se manifeste, à en déterminer les causes et à prendre les mesures de prévention appropriées. Une grande partie des défaillances techniques s’amorce à la surface de contact des pièces mécaniques en mouvement relatif, de ce fait, le comportement tribologique des matériaux et les performances des lubrifiants ou des revêtements dans uncontact glissant déterminent à terme la qualité de la conception initiale ainsi que la fiabilité de fonctionnement de l’équipement. Malgré la technologie atteinte par la performance des moteurs, l’accroissement des contraintes d’exploitation, ainsi que celles économiques ; la longévité des moteurs croit constamment du fait des progrès réalisés dans leur technologie. Ladurée de vie (ou de fonctionnement) ainsi que la fiabilité des organes et équipements mécaniques sont limitées par des phénomènes d’usure ou de défaillance de graissage et dont les conséquences peuvent être :- une panne brutale entrainant un arrêt temporaire pouvant conduire à une mise hors service de l’équipement,- une perte de performances diminuant par conséquent le rendement de l’équipement, - une augmentation des couts d’exploitation par suite à la fréquence de remplacement des pièces usées.Pour une application industrielle, l’usure en premier lieu, et juste après, le frottement restent les deux grandeurs les plus déterminantes de par leurs implications économiques, et la connaissance de la nature exacte des différents mécanismes d’usure, de frottement contribuent à un meilleur choix du matériel mécanique.Les différentes surfaces des couples de matériaux constituants un équipement sont soumises à un frottement solide ou fluide en présence ou non de lubrifiant, peuvent être très affectées par les formes d’usure allant de l’usure douce, régulièreet contrôlable (usure normale) à la détérioration brutale entrainant la mise hors service de l’équipement. Les détériorations obtenues sur ces surfaces fonctionnelles sont dues à des phénomènes isolés ou agissant simultanément et que l’on peut classer en quatre formes fondamentales : usure adhésive, abrasive, corrosive ou par fatigue. Compte tenu de lamultiplicité et de l'interdépendance des divers points évoqués, il est indispensable de définir les conditions opératoires de façon à simuler des cinématiques de mouvement les plus proches de la réalité du phénomène étudié. La situation qui constitue le contexte de cette étude correspond à la présence de particules en suspension dans le lubrifiant. Dans le cas général, cette pollution en particules peut avoir des origines diverses : des contaminations par des suies (moteur à explosion par exemple) [1,2] ou par des débris d’usure du palier considéré voire d’autres contacts partageant le lubrifiant [3] ou provenant du milieu ambiant (environnement). Dans tous les cas, les dégradations peuvent être importantes pour les paliers en particulier lorsque la taille des particules est intermédiaire entre celles correspondant respectivement à l’entrée du convergent du palier et à sa sortie [4]. Le mécanisme principal de dégradation généralement évoqué dans ce cas est l’usure abrasive mais en fait, il est important de noter que peu d’études scientifiques proposent de réelle quantification de l’effet des pollutions (extérieures) dans les lubrifiants [5,6]. Le lubrifiant a pour rôle de chasser les débris d’usure et de ollutions de la zone de glissement (ou de ″contact″) et un filtrage efficace permettra de les éliminer du circuit de lubrification réduisant ainsi le phénomène d’usure. L'usure abrasive est un phénomène familier à tous, et comme la plupart qui a trait à la vie réelle, il est commandé par un jeu subtil de nombreux effets. La technologie du frottement et de l’usure reste encore très complexe, et l’ensemble desrecommandations proposées ne constituent évidement que des tendances obtenues à partir d’expériences sur les bancs d’essais et observations effectuées sur des applications (machines et équipements mécaniques). Dans le cas d’un moteur à combustion interne, l’huile n’est présente dans le contact que par le pouvoir de capillarité de la chemise et elle est partiellement brulée lors de l’explosion du mélange. De plus, les fortes pressions de contact chassentl’huile, redonnant alors un contact sec ou mixte. La solution consiste à augmenter les surfaces portantes ou à augmenter l’apport d’huile. Cette dernière solution est utilisée dans les moteurs. Si cela n’est pas suffisant, un choix de matériaux comme des céramiques pour les jupes de pistons peut être fait pour atténuer l’impact du frottement sec. Mais toutes ces solutions qui font l’objet de recherches permanentes sont purement passives. La nature du contact est subie et les seuls degrés de liberté sont sur l’emploi de lubrifiant ou de matériaux.Il faudrait s’intéresser particulièrement aux cas de frottement sec en présence de particules abrasives car ce sont les plus pénalisants pour notre application qu’est le moteur fonctionnant dans des conditions sévères d’environnement. Lors des fortespressions qui règnent dans la chambre de combustion, le film d’huile de quelques micromètres d’épaisseur se rompt, le piston et la chemise sont alors en contact direct et à cause du mouvement relatif, ils frottent l’un contre l’autre. Quelques études ont été menées sur le sujet et concernent les deux types de contact : secs et lubrifiés. Dans cette étude on se propose l’étude phénoménologique des surfaces antagonistes lors du frottement lubrifié en présence de particules abrasives dans les paliers lisses. Celles-ci sont des particules de sable dont la dimension est inférieure ou égale à 50 µm et qui arrivent à traverser les filtres dans le cas des moteurs installés sur les chantiers de forage Algériens en provoquant par conséquent des avaries importantes pouvant conduire à un arrêt de l’installation de forage avec toutes ses conséquences. Sur ces installations sahariennes, les particules en suspension arrivent à pénétrer dans les cylindres des moteurs et s’interposer par la suite entre le segment et la chemise des cylindres, où elles sont fortement écrasées, certaines incrustées, lors du cycle de fonctionnement des moteurs provoquant l’usure abrasive. De plus aux positions des cylindres ‘’Point Mort Haut’’, vue la température régnante, la lubrification n’est pratiquement pas assurée d’où l’amplification du phénomène de l’abrasion. C’est là sans aucun doute le maillon faible de la grande sensibilité des segments et des chemises à l’usure abrasivecomparée à celle plus faible, par exemple des coussinets et lignes d’arbres. Les contacts lubrifiés jouent un rôle essentiel en construction mécanique, [7;8], car ils permettent d’obtenir des guidages à faible frottement et également une grande durée de vie en raison des faibles niveaux d’usure obtenus. Les applications sontdonc très nombreuses et parmi celles-ci, nous pouvons citer les paliers hydrodynamiques dans lesquels, la formation du convergent peut permettre de générer un film continu assurant la séparation continue des deux éléments du contact [9]. Dans une telle situation, le rôle des matériaux solides (1er corps du contact) est généralement secondaire, et le comportement estcorrectement décrit en adoptant une analyse fine du film d’huile dans le contact, [10]. Pour cela, nous allons utiliser un tribomètre pion - disque pour les mesures du coefficient de frottement et de l’usure et qui nous permettrait de :Prendre en compte la contribution des matériaux solides dans le paramètre étude de la variation du coefficient de frottement en fonction de la vitesse : Courbes de Stribeck,Analyser l’évolution de la structure des surfaces des frotteurs sur l’influence de la lubrification en présence de particules abrasives.