Joints labyrinthe sans contact pour roulements : conception, sélection et utilisation réelle

Un entraînement de convoyeur dans une fonderie a fonctionné pendant huit mois avant que les roulements ne tombent en panne. La configuration d'origine utilisait des joints à lèvres en caoutchouc pressés contre l'arbre. La poussière abrasive s'est frayée un chemin sous la lèvre, a creusé une rainure dans l'arbre et a finalement contaminé la graisse. La maintenance a remplacé les roulements à deux reprises avant de passer à un joint labyrinthe sans contact. Le nouveau joint ne comportait aucune pièce frottante, il n'usait donc pas l'arbre et le chemin tortueux empêchait la majeure partie de la poussière d'entrer. Ce changement a prolongé la durée de vie des roulements à plus de trois ans.

Les joints à labyrinthe sans contact ne constituent pas une solution universelle. Ils fonctionnent mieux lorsque vous avez besoin d'une faible friction, d'une vitesse élevée ou d'une longue durée de vie dans un environnement sale mais relativement sec. Cet article explique comment ils fonctionnent, quels détails de conception sont importants et où ils s'intègrent dans la sélection des roulements.

Ce que fait réellement un labyrinthe sans contact

Un joint labyrinthe crée un long espace sinueux entre l’arbre rotatif et le boîtier fixe. Au lieu d'un seul dégagement droit, le chemin zigzague à travers une série de rainures et de crêtes. Les contaminants tels que la poussière, les gravillons ou le brouillard d'eau doivent parcourir ce chemin pour atteindre le roulement. Chaque tour force les particules à changer de direction, et beaucoup abandonnent ou perdent leur élan avant de passer.

Puisqu’il n’y a aucun contact physique entre les pièces du joint, il n’y a pas de frottement de glissement ni d’usure. C’est le principal avantage. Cela signifie également que le joint ne génère pas de chaleur et ne limite donc pas la vitesse de l'arbre comme le fait un joint à lèvre. Le problème est qu’un labyrinthe n’est pas complètement étanche. Il permet une petite quantité de fuite et ne peut pas retenir un flot de liquide ou de poudre fine sous pression. Considérez-le comme un moyen de dissuasion puissant plutôt que comme une barrière absolue.

Pourquoi les roulements bénéficient des joints labyrinthes sans contact

Les roulements tombent en panne pour deux raisons principales : la perte de lubrification et la contamination. Les joints de contact traitent la contamination mais ajoutent de la traînée et de l'usure. Les sceaux labyrinthes traitent la contamination sans ces pénalités. En pratique, cela signifie :

• Couple de friction inférieur, ce qui réduit la perte de puissance et la génération de chaleur.
• Vitesse admissible plus élevée, souvent limitée par la cage de roulement ou la lubrification plutôt que par le joint.
• Aucun élastomère ne durcit, ne se fissure ou ne gonfle, le joint fonctionne donc sur une large plage de températures.
• Pas d'usure par frottement, les intervalles d'entretien peuvent donc être plus longs.

Ces avantages sont particulièrement importants dans les moteurs, boîtes de vitesses, pompes et rouleaux à grande vitesse qui fonctionnent dans des usines poussiéreuses. Ils sont également importants dans les applications où la surface de l'arbre ne peut pas être durcie ou dans lesquelles un joint à lèvre pourrait rayer l'arbre.

Détails de conception qui déterminent les performances

Un labyrinthe sans contact est aussi bon que ses dimensions. Le jeu radial est le plus critique. Trop serré, le rotor risque de toucher le stator en cas de croissance thermique ou de vibration. Trop lâche et le joint perd de son efficacité. Pour les roulements de petite et moyenne taille, un jeu radial de 0,1 mm à 0,3 mm est courant. Les roulements plus grands peuvent utiliser 0,3 mm à 0,5 mm. Le jeu axial doit permettre la dilatation thermique sans combler l'espace.

Le nombre de rainures compte également. Une seule rainure est utile, mais trois à cinq étapes sont typiques pour les environnements exigeants. Plus d’étapes signifient un chemin plus tortueux, mais elles nécessitent également plus d’espace axial. La forme de la rainure peut être carrée, triangulaire ou arrondie. Les rainures carrées sont plus faciles à usiner et fonctionnent bien dans la plupart des cas.

Le choix du matériau dépend de l'environnement. L'aluminium est léger et facile à usiner, mais peut se corroder dans des environnements humides ou chimiques. Le laiton et l’acier inoxydable résistent mieux à la corrosion. Certaines conceptions utilisent des inserts en polymère ou en PTFE pour réduire le risque d'endommagement de l'arbre en cas de contact.

Où les joints labyrinthes sans contact s'adaptent et où ils ne le font pas

Utilisez un labyrinthe lorsque l'environnement est poussiéreux, la vitesse est élevée et l'exposition au liquide est minime ou peut être évacuée. Les exemples typiques incluent les moteurs électriques, les boîtes de vitesses, les poulies de convoyeur, les ventilateurs, les soufflantes et les galets de roulement dans l'automatisation industrielle. Ils fonctionnent également bien dans les aciéries et les machines à papier où la chaleur et la vitesse rendent les joints de contact peu pratiques.

Évitez un labyrinthe lorsque le roulement est immergé, exposé à un lavage à l'eau à haute pression ou fonctionnant à très basse vitesse lorsqu'un joint de contact est simple et efficace. Évitez-le également si l’espace disponible est trop petit pour un nombre approprié de rainures. Dans ces cas-là, un joint à lèvre ou un joint combiné peut être le meilleur choix.

Sélection de roulements pour l'étanchéité du labyrinthe

De nombreux roulements standards peuvent être utilisés avec un labyrinthe sans contact, mais le boîtier et l'arbre doivent être conçus pour cela. Les roulements à billes à gorge profonde sont un choix courant car ils supportent des charges radiales et axiales modérées et sont disponibles dans des tailles adaptées aux boîtiers labyrinthe. Pour les charges axiales plus élevées ou les charges combinées, les roulements à billes à contact oblique à double rangée offrent un angle de contact plus large et une meilleure rigidité. Les galets de roulement et les galets de guidage linéaire utilisent souvent des joints à labyrinthe car ils fonctionnent dans des systèmes de mouvement linéaire sales et à grande vitesse.

Roulements à billes à gorge profonde pour les conceptions de joints à labyrinthe Explorez cette catégorie de roulements lors de la sélection de roulements standard pour joints à labyrinthe sans contact, avec les options des séries 42 et 43 pour les charges radiales et axiales modérées. Voir le produit →

Lorsque vous spécifiez un roulement, décidez si le labyrinthe sera intégré au roulement ou au boîtier. Les joints intégrés permettent de gagner de la place mais sont remplacés par le roulement. Les joints de boîtier peuvent être entretenus séparément et peuvent être plus économiques pour les gros équipements. Dans les deux cas, les tolérances de l'alésage du roulement et du diamètre extérieur doivent correspondre au porte-joint. Un faux-rond supérieur à 0,05 mm peut provoquer un jeu irrégulier et réduire la durée de vie du joint.

Roulements à billes à contact oblique à double rangée séries 32 et 33 Cette série 32/33 supporte d'importantes charges radiales et axiales avec une rigidité élevée, adaptée aux broches de machines-outils, aux composants automobiles et aux instruments de précision. Voir le produit →

Pour les galets de roulement et les mouvements linéaires, la conception du joint comprend souvent un labyrinthe métallique qui protège les éléments roulants des copeaux et de la poussière. Ces rouleaux sont utilisés dans les machines-outils, les systèmes de stockage automatisés et les lignes de conditionnement. Un labyrinthe sans contact les aide à maintenir un mouvement fluide sans le frottement d'un joint à lèvre.

Galets de chenille à rainure en arc gothique LFR Ces galets de roulement LFR utilisent une rainure en arc gothique pour la dispersion des contraintes, un fonctionnement stable à grande vitesse ou sous forte charge et un mouvement linéaire fluide dans les systèmes d'automatisation. Voir le produit →

Si vous avez besoin de conseils spécifiques à une application, l'article sur choisir le bon roulement à rouleaux de chenille couvre plus en détail les compromis en matière de charge, de vitesse et d’étanchéité.

Pratiques d'installation et de maintenance

Même un labyrinthe bien conçu peut échouer s’il est mal installé. Suivez ces étapes :

1. Nettoyez l'arbre, le boîtier et les composants du joint avant l'assemblage. Un seul grain de sable peut maintenir le sceau ouvert.
2. Vérifiez les jeux radiaux et axiaux avec une jauge d'épaisseur ou un indicateur à cadran. Enregistrez les valeurs pour référence future.
3. Appliquez un léger film de graisse compatible sur les rainures du labyrinthe pour aider à retenir la poussière pendant les premières heures de fonctionnement.
4. Assurez-vous que les trous de drainage sont ouverts et pointent vers le bas. Le liquide emprisonné peut inonder le joint.
5. Après les 100 premières heures, inspectez le joint pour déceler des traces d'usure ou de frottement. Ajustez l’alignement si nécessaire.

Lors de l'entretien de routine, ne pulvérisez pas d'eau à haute pression directement sur le labyrinthe. Utilisez une brosse douce ou de l'air à basse pression pour éliminer la poussière. Si le joint est intégré au roulement, remplacer le roulement lorsque le joint est endommagé.

Erreurs courantes à éviter

• Jeu de réglage trop serré pour améliorer l’étanchéité. Cela provoque des frottements, de la chaleur et une défaillance prématurée.
• Ignorer la croissance thermique. Un arbre qui grandit de 0,2 mm à la température de fonctionnement peut fermer un espace froid.
• Utiliser un labyrinthe dans une application inondée. Cela va fuir.
• Mélanger les types de graisses. Certaines graisses se séparent et bloquent le chemin du labyrinthe avec de l'huile ou un épaississant.
• Oublier un drain. Sans drainage, l’eau et l’huile peuvent remplir les rainures et transporter les contaminants vers l’intérieur.

Chacun de ces problèmes est facile à éviter avec une simple révision de la conception et quelques mesures lors de l'assemblage.

Un joint labyrinthe sans contact est un moyen pratique de protéger les roulements dans les applications à grande vitesse, poussiéreuses ou à haute température. Il ne remplacera pas un joint de contact dans des conditions humides ou immergées, mais là où il s'adapte, il réduit la friction, évite l'usure de l'arbre et prolonge la durée de vie des roulements. La clé est de traiter le jeu, le nombre de rainures, le matériau et le drainage comme un système plutôt que comme des détails isolés. Lorsque ces éléments correspondent à l'application, le sceau fait son travail silencieusement et pendant longtemps.