Tribologie dans l’industrie : frottement, usure et lubrification

Le frottement se produit partout où deux surfaces se déplacent l’une par rapport à l’autre. Dans les installations industrielles, il peut entraîner des pertes d’énergie, une augmentation des températures et une usure progressive des composants. Une lubrification correcte réduit ces contraintes et contribue de manière déterminante à la fiabilité et à la durée de vie des machines et des installations.

C’est précisément sur ces interactions que porte la tribologie. Cette discipline étudie les relations entre frottement, usure et lubrification des surfaces en mouvement relatif.

Pour les responsables de production et de maintenance, la tribologie est donc bien plus qu’un concept théorique : un système tribologique correctement géré peut contribuer à réduire l’usure, à prévenir les arrêts machine non planifiés et à optimiser durablement les coûts de maintenance.

Qu’est-ce que la tribologie ?

La tribologie est la science et la technique qui étudient l’interaction entre des surfaces en mouvement relatif. Elle se concentre sur trois phénomènes étroitement liés :

• Frottement : résistance qui se produit entre deux surfaces en mouvement l’une par rapport à l’autre.
• Usure : perte progressive de matière ou modification de la surface provoquée par des sollicitations mécaniques.
• Lubrification : utilisation d’un lubrifiant afin de réduire le contact direct entre les surfaces et de maîtriser le frottement et l’usure.

Un système tribologique ne comprend toutefois pas uniquement deux composants et un lubrifiant. La charge, la vitesse, la température, les matériaux, les caractéristiques des surfaces et les contaminants influencent également le comportement global du système.

C’est pourquoi un lubrifiant qui fonctionne correctement dans une application donnée peut se révéler inadapté dans d’autres conditions de fonctionnement.

Pourquoi le frottement et l’usure sont-ils déterminants dans les installations industrielles ?

Le frottement ne peut pas être totalement éliminé dans les systèmes mécaniques et, dans certaines applications, il est même nécessaire à leur fonctionnement. L’objectif consiste à le maîtriser là où il peut provoquer des pertes d’énergie ou des dommages.

Une lubrification inadéquate peut notamment entraîner :

• une augmentation de la température de fonctionnement ;
• une consommation énergétique plus élevée ;
• une usure accélérée des composants ;
• des dommages aux roulements, engrenages, pompes ou vannes ;
• une réduction des intervalles de maintenance ;
• des arrêts de production non planifiés.

Pour une entreprise, l’usure ne se limite donc pas au remplacement d’un composant. Les temps d’arrêt, les interventions de maintenance et les pertes de production peuvent augmenter considérablement le coût global.

Le film lubrifiant : la couche de séparation essentielle

L’une des principales fonctions d’un lubrifiant consiste à créer un film lubrifiant suffisamment résistant entre deux surfaces en mouvement.

Ce film empêche ou réduit le contact direct entre les surfaces.

Selon les conditions de fonctionnement, différents régimes de lubrification peuvent apparaître. Lorsque le film lubrifiant est suffisamment développé, les surfaces restent en grande partie séparées. Si, au contraire, le film devient trop mince en raison de charges élevées, de faibles vitesses, d’une viscosité inadaptée ou de températures élevées, le contact direct entre les surfaces augmente.

Il en résulte une augmentation du frottement et de l’usure.

Quel rôle joue la viscosité ?

La viscosité est l’une des propriétés les plus importantes d’un lubrifiant. Elle influence directement sa capacité à former un film lubrifiant stable dans des conditions de fonctionnement données.

Si la viscosité est trop faible, le film lubrifiant peut devenir insuffisant sous des charges élevées. Si elle est trop élevée, la résistance à l’écoulement du fluide, les pertes énergétiques et les difficultés lors des démarrages à froid peuvent augmenter.

La viscosité optimale dépend donc de plusieurs facteurs :

• température de fonctionnement ;
• charge ;
• vitesse ;
• configuration du système ;
• recommandations du constructeur de la machine.

Cette relation est particulièrement évidente dans les systèmes hydrauliques, où la viscosité influence à la fois la lubrification des composants et le comportement du fluide dans le circuit.

Engrenages industriels : les charges élevées exigent une protection spécifique

Dans les engrenages industriels, des pressions de contact élevées se produisent entre les dents. Le lubrifiant doit créer un film résistant et protéger les surfaces même dans des conditions de charge importantes.

Outre la viscosité, les additifs jouent également un rôle important. Les additifs AW et EP contribuent à la protection contre l’usure dans les conditions de fonctionnement les plus exigeantes.

La température et les sollicitations doivent également être prises en compte : lorsque la température augmente, la viscosité de l’huile diminue généralement. Le film lubrifiant peut alors devenir plus mince.

Le choix d’une huile pour engrenages industriels doit donc tenir compte de la conception du système, de la charge, de la vitesse, de la température de fonctionnement et des spécifications du constructeur.

Contamination : lorsque les impuretés modifient le système tribologique

Même un lubrifiant correctement sélectionné peut ne plus remplir efficacement sa fonction s’il est fortement contaminé.

Les particules solides, l’eau ou les résidus de processus peuvent modifier considérablement le système tribologique. Des particules dures présentes entre les surfaces en mouvement peuvent, par exemple, provoquer une usure abrasive. L’eau peut quant à elle modifier les caractéristiques du lubrifiant et favoriser les phénomènes de corrosion.

La propreté de l’huile dans les systèmes hydrauliques est particulièrement importante en présence de pompes, de vannes et de composants présentant de faibles tolérances.

Le contrôle de l’état du lubrifiant constitue donc un élément essentiel d’une stratégie efficace de maintenance préventive.

Un exemple concret est présenté dans notre étude de cas consacrée à l’élimination de la contamination de l’huile hydraulique dans des installations CNC à haute fréquence de fonctionnement.

Quels types d’usure se produisent dans l’industrie ?

L’usure peut avoir différentes causes et se manifester sous différentes formes. Parmi les principales :

Usure abrasive

Des particules dures ou des surfaces irrégulières provoquent un enlèvement mécanique de matière. Une filtration efficace et le contrôle de la propreté de l’huile sont donc particulièrement importants.

Usure adhésive

Lorsque la séparation est insuffisante, les surfaces peuvent entrer localement en contact. En présence de charges élevées, des transferts de matière et des dommages peuvent se produire.

Usure par fatigue

Des sollicitations répétées peuvent entraîner des phénomènes de fatigue des matériaux, notamment dans les roulements et sur les surfaces des dents des engrenages.

Usure corrosive

Les réactions chimiques, l’humidité ou les contaminants agressifs attaquent les surfaces et peuvent accélérer davantage l’usure mécanique.

Le dommage visible sur un composant n’est donc souvent que le résultat final. Pour éviter que le problème ne se reproduise, il est nécessaire d’identifier la cause réelle au sein du système tribologique.

Le bon lubrifiant fait partie du système

La question à se poser n’est donc pas simplement :

Quel est le meilleur lubrifiant ?

La bonne question est :

Quel lubrifiant convient à ce système tribologique et à ses conditions de fonctionnement ?

Lors de la sélection, il convient notamment de prendre en compte les critères suivants :

• viscosité requise ;
• plage de température ;
• charge et vitesse ;
• couples de matériaux ;
• propriétés anti-usure et EP requises ;
• risque de présence d’eau et de contaminants ;
• homologations et normes du constructeur ;
• intervalles de maintenance et de remplacement souhaités.

Le choix entre des lubrifiants minéraux et synthétiques doit également être effectué en fonction de l’application concrète. Un lubrifiant de qualité supérieure ne génère un avantage économique que si ses caractéristiques répondent réellement aux conditions de fonctionnement.

Tribologie et maintenance : identifier l’usure avant qu’elle ne provoque des dommages

Une stratégie de lubrification efficace ne s’arrête pas au choix du bon produit.

L’état du lubrifiant évolue au cours de son utilisation. La température, l’oxydation, l’eau, les particules et les sollicitations mécaniques peuvent progressivement altérer ses caractéristiques.

Des analyses périodiques de l’huile peuvent donc fournir des informations importantes aussi bien sur l’état du lubrifiant que sur celui de la machine. Selon l’application, il est possible de surveiller des paramètres tels que la viscosité, la teneur en eau, la contamination particulaire ou la présence de métaux d’usure.

Ce n’est pas uniquement une valeur mesurée ponctuellement qui est significative, mais surtout son évolution dans le temps. Le suivi des tendances permet d’identifier rapidement les changements et de mettre en place une maintenance fondée sur l’état réel de l’installation.

ECSA Maintenance : la lubrification comme élément de la fiabilité des installations

La tribologie montre pourquoi le choix d’un lubrifiant industriel ne doit pas être considéré de manière isolée. Frottement, usure, film lubrifiant, température, charge et contamination s’influencent mutuellement et doivent être évalués en fonction des conditions réelles de fonctionnement de l’installation.

ECSA Maintenance accompagne les entreprises industrielles suisses dans le choix des lubrifiants industriels les plus adaptés, en tenant compte de l’application, de la charge, de la température, de la viscosité et des exigences techniques. Des huiles hydrauliques aux huiles pour engrenages industriels, jusqu’aux lubrifiants spéciaux, une analyse correcte de l’application constitue la première étape pour améliorer la fiabilité des installations et planifier efficacement la maintenance.

FAQ : questions fréquentes sur la tribologie