Brevet FR2896880A1 — publié le 20070803

Méthode et dispositif permettant de contrôler et de comparer des lubrifiants liquides ou des graisses par le biais d'une mesure d'efforts de friction La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant de suivre l'évolution et de comparer les performances de lubrifiants liquides ou de graisses et l'efficacité des additifs, caractérisés en ce qu'on mesure la capacité de la substance à diminuer les efforts engendrés par la rotation rapide d'un disque métallique contre un ruban métallique de type feuillard. Il est bien connu aujourd'hui que quelles que soient ses qualités initiales, les performances d'un lubrifiant ou d'une graisse ont tendance à se dégrader au cours du temps, ce qui peut entraîner des problèmes pour la bonne marche des installations. Ce problème peut bien évidemment être résolu par un remplacement régulier et programmé de la substance, mais avec l'augmentation régulière des prix des matières premières, les utilisateurs recherchent de plus en plus un remplacement selon l'état, voire une maintenance sur site. Face à ce besoin de contrôle sur site, l'utilisateur est aujourd'hui assez dépourvu. Il existe bien un certain nombre de machines qui servent aux concepteurs de lubrifiants et de graisses pour mesurer l'effet de divers additifs dits anti-usure ou extrême-pression, mais ces machines sont d'une part hors de portée du plus grand nombre du fait de leur coût élevé et d'autre part, elles ne sont pas toujours assez proches de l'application. Il y a donc un besoin croissant pour des machines de test à la fois fiables et pertinentes par rapport aux applications, mais surtout économiques, de façon à satisfaire aussi bien l'utilisateur que les formulateurs, lesquels sont par ailleurs engagés dans le remplacement de gammes d'additifs rendues obsolètes par les récentes évolutions dans les normes relatives à l'environnement ou la santé. On peut aujourd'hui classer les machines de test existantes en fonction de la géométrie du contact de friction (figure lA à 1C). La disposition en tétraèdre avec quatre billes (figure 1A) est revendiquée pour la première fois dans des brevets de la société SHELL délivrés dans les années 30 en Grande-Bretagne sous le numéro 409903 et aux États-Unis sous le numéro 2019948, d'où le nom de "Shell 4 bail test" souvent donné à cette méthode. Dans ce test, trois billes en acier sont maintenues au contact dans le même plan et sont immobilisées dans une cavité contenant le lubrifiant à tester. Une quatrième bille d'acier, solidaire d'un mandrin, est amenée au contact des trois autres puis on imprime à cette bille un mouvement de rotation très élevé pour provoquer une usure. Deux procédures de test ont été développées : Dans la première, on travaille à vitesse et charge constantes pendant une durée de test pré définie, puis on démonte le système et on mesure sur les billes maintenues fixes, le diamètre des traces d'usures provoquées par la bille en rotation (méthode ASTM D-4172 pour les lubrifiants liquides ou D-2266 pour les graisses). Dans une deuxième procédure, on maintient une vitesse de rotation constante, mais on augmente progressivement la charge jusqu'à ce qu'il y ait soudure des billes (méthode ASTM D-2783 pour les lubrifiants liquides ou D-2596 pour les graisses). L'essentiel des brevets que l'on observe sont des améliorations de différentes origines et tendant à perfectionner le système : - Ce sont les brevets délivrés aux États-Unis sous les numéros 2370606, 3045471, 3302447, 4228674 et 6840082, concernant pour l'essentiel des systèmes d'application hydraulique ou pneumatique de la charge. - Un brevet délivré en Grande-Bretagne sous le numéro 2183347, pour un système d'embrayage électromagnétique. - Plusieurs brevets délivrés en Pologne sous les numéros 160591, 177203, 179123 et 311066, pour des variantes de la méthode ASTM et 25 des dispositifs permettant des variations rapides de la charge. La plupart de ces évolutions vont dans le sens d'une augmentation du prix des machines, ce qui ne va pas forcément dans le sens de l'utilisateur moyennement argenté, si l'on excepte un brevet récent délivré aux États-Unis sous le numéro 6857306, avec une machine plus rustique utilisant à nouveau 30 un système de masses marquées pour l'application de la charge. Un système concurrent presque aussi ancien que le "4 billes" est constitué par la machine "Pin on vee block test", dont les brevets ont été délivrés en 1938 aux Etats-Unis à la société FALEX (anc. Faville F.A.), sous les numéros 2106170 et 2110288. 35 Dans ce test, deux mâchoires en acier formant une gorge en V enserrent un axe tournant à grande vitesse (figure 1B). Là encore, deux types de procédures ont été développées. Dans la première, on mesure le rythme de diminution du diamètre de l'axe par usure lorsqu'on opère à une pression constante (Méthode ASTM D-2670). Dans la deuxième, on applique une pression qui va en augmentant jusqu'à la rupture de l'axe (Méthode ASTM D-3233). - Le constructeur a modifié sa machine de façon à ce quelle puisse être recalibrée régulièrement par des étalons de dureté Brinell et un brevet lui a été délivré aux Etats-Unis en 1965 sous le numéro 3190109. - Plus récemment, un particulier a obtenu la délivrance d'un brevet 10 américain sous le numéro 5955655, pour un système de consommables plus économiques à base de mâchoires composites. On connaît encore d'autres systèmes de tests par friction, le principal étant dû à la société TIMKEN, dont les brevets ont été délivrés aux États-Unis sous les numéros 1990771 et 1995832. 15 La friction est obtenue par pressage d'un cube d'acier contre la circonférence d'un cylindre en rotation (figure 1C). On fait ensuite pivoter le bloc sur une nouvelle face et on recommence à une charge plus élevée jusqu'à obtenir la charge maximum supportée pour une usure normale (régulière), ainsi que la charge minimum nécessaire pour que l'usure se 20 transforme en abrasion sévère. Deux procédures ont été développées (méthodes ASTM D-2782 pour les lubrifiants liquides et D-2509 pour les graisses). Tous les dispositifs connus ont cependant un même inconvénient en dehors de leur coût : ils ne permettent pas d'étudier les grandeurs de 25 frottement selon une aire de contact qui reste fixe au cours de l'essai : la surface de frottement augmente au cours des essais Timken ou 4 billes, alors qu'elle diminue au cours de l'essai Falex, par suite de l'usure de l'arbre. Notre invention concerne une méthode et un dispositif permettant de suivre l'évolution et de comparer les performances de lubrifiants liquides ou 30 de graisses et l'efficacité des additifs, caractérisés en ce qu'on mesure la capacité du lubrifiant à diminuer les efforts de friction engendrés par la rotation d'un disque métallique contre un ruban métallique de type feuillard qui est plaqué contre une portion précise et constante de la circonférence du disque grâce à un jeu de poulies et de forces variables. La portion de la circonférence de disque utilisée selon l'invention est de préférence une demi-circonférence pour des raisons de simplicité de contrôle de la qualité de la construction et pour limiter l'encombrement du dispositif. La méthode se caractérise deuxièmement en ce qu'on enregistre et 5 intègre pendant la totalité du cycle d'essai, l'intensité du courant électrique consommée par le moteur d'entraînement, lequel est de préférence de type asservi avec une régulation de vitesse par valeurs discrètes. Pour relever et enregistrer l'intensité consommée par le moteur, on peut utiliser diverses solutions techniques connues, de la simple résistance montée 10 en série aux bornes de laquelle la tension peut être recueillie par un enregistreur à défilement, à des ampèremètres équipés d'une sortie RS232. Optionnellement, on peut aussi rajouter une cellule de mesure du couple d'effort entre l'arbre et le moteur. De préférence, on cherchera à recueillir les différents signaux par une station informatisée, de façon à pouvoir les 15 intégrer sur la durée de l'essai. Le dispositif se caractérise troisièmement, en ce que l'épaisseur du disque et sa masse sont très importantes devant celles du ruban et du lubrifiant testé, de sorte qu'on peut utiliser la mesure de l'élévation de la température du disque au cours de l'essai comme une mesure d'intégration des efforts de friction. 20 La mesure de la température du disque peut être réalisée de diverses manières connues, la plus commode étant de relever la température au cours de l'essai par un thermomètre infrarouge à visée laser. A cet effet, une zone annulaire d'un des flancs du disque est spécialement préparée à l'aide d'un enduit conducteur de la chaleur et suffisamment mat. On peut par exemple 25 utiliser de la colle servant habituellement à fixer les radiateurs sur les microprocesseurs. Il résulte quatrièmement de la géométrie du contact entre les surfaces frottantes que la quantité de lubrifiant nécessaire à la réalisation d'un test peut être très réduite, avec une largeur du bain de l'ordre de 1,5 fois la largeur du 30 ruban, une longueur supérieure ou égale au deux-tiers du diamètre du disque, et une profondeur qui peut être aussi petite que 1 cm. Pour un disque de 10 cm de diamètre et un ruban de 16 mm de largeur, la contenance du bain est de l'ordre d'une dizaine de millilitres. Optionnellement, on peut aussi travailler d'une manière isotherme dans un bain de grandes dimensions. 35 Le dispositif se caractérise cinquièmement en ce que les forces variables qui tendent le ruban sont de préférence obtenues à l'aide de poids, mais peuvent également être le fait d'actions hydrauliques ou pneumatiques. Le dispositif se caractérise encore en ce que le disque est amovible de façon à pouvoir changer le diamètre et l'épaisseur du disque, lesquels peuvent influer sur la contrainte appliquée. Optionnellement, le disque peut aussi posséder des plateaux étagés de différents diamètres. La nature du matériau du disque pouvant être facilement changée, le dispositif peut enfin servir à tester le comportement des lubrifiants avec des couples de matériaux les plus divers : métaux et alliages, plastiques, élastomères, réfractaires... I1 peut également servir à tester des meules abrasives en présence ou en absence de lubrifiant. Pour une description détaillée d'un exemple de réalisation selon l'invention, on se reportera sur la figure numéro 2 : La partie mécanique du dispositif comprend principalement un disque métallique amovible 1, relié à un arbre 2, entraîné en rotation rapide et un consommable constitué par un ruban de type feuillard 3, qui est disposé, tendu et plaqué contre une demi-circonférence du disque grâce à un jeu de poulies 4 et un poids 5. Un support élévateur 6 permet ensuite d'immerger à volonté les pièces métalliques en frottement dans un bain 7 du lubrifiant à étudier. Le dispositif est intégré dans un bâti 8 de barres métalliques soudées ou 20 boulonnées entre elles. L'ensemble est fixé à sa base à un socle massif 9, qui assure la stabilité. Pour pouvoir utiliser des disques de différents diamètres, la barre 10 est pré-percée à différents endroits, pour modifier l'écartement des poulies. Pour pouvoir changer la nature du matériau ou le diamètre du disque, on a choisi ici une solution dans laquelle c'est l'ensemble arbre plus disque qui est 25 d'abord démonté du bâti grâce à un système de cages de roulement à billes extractibles 11 et 12. Le disque est ensuite désolidarisé de l'arbre par l'extraction d'une goupille 13. On peut également opter pour un arbre beaucoup plus court et robuste avec un roulement unique, de sorte que le disque puisse être retiré sans 30 démontage de l'arbre. Des carters (non représentés) peuvent être ajoutés à volonté au dispositif pour protéger l'opérateur contre un échappement possible du ruban et également pour éviter les projections d'huile. La partie électrotechnique du dispositif selon l'invention, comporte un moteur d'entraînement asservi 14, avec une régulation de vitesse par valeurs discrètes 15, ainsi que plusieurs équipements montés en série tels qu'un ampèremètre 16 et au moins une résistance 17, aux bornes de laquelle la tension peut être recueillie par un enregistreur à défilement 18. L'équipement de base est complété par un thermomètre infrarouge à visée laser (non représenté), qui permet de mesurer l'échauffement du disque pendant l'essai au niveau de la zone noircie préparée à cet effet. Dans une version plus élaborée, l'enregistreur à défilement peut être remplacée par une station informatisée et un logiciel de façon à intégrer le signal. Optionnellement, on peut aussi rajouter une cellule de mesure du couple d'effort entre l'arbre et le moteur, et récupérer aussi son signal. On donne ensuite quelques exemples d'illustration de l'invention : A titre d'information, ces essais ont été conçus et effectués sur un prototype mis au point dans le cadre d'une collaboration entre la société CILA (Compagnie Industrielle des Lubrifiants d'Aulnoye) et la société ADINOV (Analyse Developpement Innovation Veille), située à Roubaix, France et basé sur une idée originale du Professeur Daniel COUTURIER. Exemple 1. Qualification d'une graisse. Préparatifs et conduite de l'essai : Sauf indication contraire, on utilise une longueur d'environ 1m50 de feuillard métallique d'une largeur de 16 mm et d'une épaisseur qui dépend de la matière : soit 0,2 mm au maximum s'il s'agit d'un acier ou 0,4 mm au maximum s'il s'agit d'un métal ou alliage plus souple, de façon à garantir la géométrie du contact avec le disque. Le feuillard métallique est préalablement dégraissé pour éliminer toute trace de produit de protection anticorrosion qui pourrait venir fausser les mesures. Le feuillard et la graisse n'étant pas appliqués, le disque et le moteur sont ensuite mis en rotation pendant une minute, laquelle durée sert à contrôler aussi bien l'alimentation stabilisée que le système d'enregistrement, avec par exemple la relève de l'intensité consommée à vide. La graisse est ensuite appliquée au pinceau sur la circonférence du disque, le ruban est disposé et plaqué contre le disque par le poids de charge, puis une fois l'enregistrement initié, le disque est mis en rotation pendant une durée déterminée. Le ruban est ensuite démonté pour mesurer la surface de la trace d'usure dans le cas où elle est visible. Expression des résultats : Au procès verbal de l'essai est d'abord portée la composition de la graisse autant qu'elle puisse être connue, ainsi que les conditions opératoires : température du laboratoire, nature et traitement des métaux, charge sur la potence, nombre de tours par minute, durée totale de l'essai. L'intensité du courant est relevée au tenue de 10 ou 15 minutes d'essai et/ou l'intensité moyenne est calculée après intégration. Les températures initiale et finale du disque sont également relevées au cours de l'essai. Exemple 2. Qualification d'un lubrifiant liquide. Préparatifs et conduite de l'essai : La préparation du feuillard métallique est identique mais la méthode d'application du lubrifiant est différente : le bain de lubrifiant qui peut être de très faible contenance, 10m1 environ, est monté au contact du disque à l'aide du support élévateur, le ruban est appliqué contre le disque et on fait tourner manuellement l'arbre de façon à mouiller les surfaces du disque et du ruban. Le poids de charge est ensuite accroché, puis une fois l'enregistrement initié, le disque est mis en rotation pendant une durée déterminée. Dans une autre version, le bain est redescendu après la première minute de fonctionnement de façon à durcir l'essai. Enfin, le feuillard est démonté pour qualifier l'usure et mesurer la surface de la trace dans le cas où elle est visible. Le procès verbal et l'expression des résultats sont similaires à l'exemple précédant. Le tableau ci-dessous montre l'influence du lubrifiant ainsi que l'influence de la proportion d'un additif anti-usure : Lubrifiant Formule A Formule B* A + 0,5% A + 1 % anti-usure anti-usure Intensité à 10 min. 2,68 2,55 2,40 2,58 (Ampères) Aire intensité / sec 57 648 54 412 53 818 55 145 Échauffement OT C 36,0 33,8 28,8 34,0 Trace sur ruban à peine à peine à peine à peine visible visible visible visible 30 * Formule basée sur l'utilisation de paraffines chlorées comme anti-usure Cet essai a été réalisé avec un feuillard de 16 mm de largeur et 0,2mm d'épaisseur en acier XC75 selon la norme NFA 37-502, relaminé à froid à l'état recuit, poli blanc : dénommé C75S LC selon la norme NFEN 10132 et un disque de 10 mm d'épaisseur et 100 mm de diamètre en inox 18-8. Le moteur asservi utilisé était un servomoteur de type Engels GNM21 à 6000 tours / min. équipé d'un réducteur planétaire de rapport 30:1, fournissant une vitesse finale de 200 tours/min. La température du laboratoire était de 21 C et le bain de lubrifiant a été redescendu après la première minute de l'essai. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de suivre l'évolution et d'optimiser les performances de graisses, lubrifiants et additifs en opération, par le biais de mesures d'efforts de friction, caractérisé en ce qu'il comporte un disque (1) entraîné en rotation contre un ruban de type feuillard (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ruban de type feuillard (3) est plaqué contre une portion précise et constante de la circonférence du disque (1) grâce à un jeu de poulies et de forces variables. 3._ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise pour entraîner le disque (1), un moteur de type asservi (14) avec une régulation de 10 vitesse par valeurs discrètes (15). 4. Dispositif selon la renvendication 3, caractérisé en ce que le moteur est accompagné d'équipements destinés à mesurer et enregistrer l'intensité électrique consommée : ampèremètre (16) équipé d'une sortie RS232 et/ou résistance placée en série (17) avec un enregistreur à défilement (18). 15 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse du disque est très importante non seulement devant celle du ruban de type feuillard mais aussi devant la masse de lubrifiant ou de graisse testé. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (1) est amovible de façon à pouvoir changer la nature, le diamètre et l'épaisseur 20 du disque, lesquels peuvent influer sur la contrainte appliquée. 7 Procédé qui permet de suivre l'évolution et d'optimiser les performances de graisses, lubrifiants et additifs, caractérisé en ce qu'on mesure la capacité du produit lubrifiant à diminuer les efforts de friction engendrés par la rotation d'un disque contre un ruban de type feuillard. 25 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure les efforts de friction par le biais d'une mesure de l'intensité du courant électrique consommé par le moteur d'entraînement et une intègration de ce paramètre pendant la totalité du cycle d'essai. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 30 qu'on mesure les efforts de friction par le biais d'une mesure de l'élévation de la température du disque lorsque le disque est en métal.