Tensionnement des boulons de roulement de pivotement vs clé dynamométrique : quelle méthode assure une précharge constante pour les plateaux tournants de pelles minières ?

Pourquoi la constance de la précharge des boulons est importante pour les roulements d'orientation : le problème de la charge inégale que personne ne remarque avant la défaillance du roulement

J'ai conçu des systèmes d'entraînement à rotation chez Yining Hydraulic pendant quinze ans, et c'est au niveau des assemblages boulonnés des roulements de rotation que je constate le plus grand écart entre les spécifications et leur mise en œuvre sur le terrain.Un palier de rotation sur une table tournante de pelle minière de 200 tonnes est fixé par 40 à 60 boulons à haute résistance (généralement M42-M56, classe 10.9 ou 12.9) disposés selon un schéma de boulonnage circulaire de 2 à 3 mètres de diamètre.Chaque boulon doit être maintenu sous une précharge spécifiée (généralement 60 à 70 % de sa charge d'épreuve, soit 400 à 600 kN pour un boulon M48 de classe 10.9) afin d'empêcher le soulèvement de la bague du roulement sous l'effet du moment de renversement généré lorsque le godet de la pelle est entièrement chargé et déployé. Une précharge irrégulière entraîne une pression de contact inégale sur la bague du roulement, qui se déforme localement sous la charge. Ce phénomène, appelé « effet Brinell », se caractérise par l'indentation de la surface de la bague par les éléments roulants, amorçant un écaillage qui conduit à la défaillance complète du roulement en 2 000 à 5 000 heures de fonctionnement.

Le problème de la cohérence de la précharge : les méthodes de clé dynamométrique appliquent un couple à la tête du boulon ou à l’écrou, et la relation entre le couple appliqué et la tension résultante du boulon dépend du coefficient de frottement à deux interfaces : le contact du filetage et le contact sous la tête (ou sous l’écrou).La relation couple-tension est la suivante : T = K × F × d, où T est le couple appliqué, K le coefficient de serrage (généralement de 0,15 à 0,22 pour les filetages en acier lubrifiés), F la tension résultante du boulon et d son diamètre nominal. Le problème est que K n'est pas constant ; sa valeur varie d'un boulon à l'autre en fonction de l'état de surface du filetage, de la lubrification, du serrage antérieur du boulon (les filetages réutilisés présentent une valeur de K plus élevée car leurs aspérités de surface sont aplanies) et de la présence éventuelle de débris dans le filetage.Une estimation raisonnable de la variation de K dans les conditions sur le terrain est de +/-15-25%, ce qui se traduit directement par une variation de +/-15-25% de la précharge du boulon pour le même couple appliqué.Pour un boulon nécessitant une précharge de 500 kN avec un coefficient de serrage K de 0,18 à un diamètre d de 48 mm : T = 0,18 × 500 000 × 0,048 = 4 320 Nm. Si K varie en réalité entre 0,15 et 0,22 sur le cercle de boulonnage, ce même couple de 4 320 Nm produit des précharges allant de 410 kN à 600 kN, soit un écart de 46 % entre les boulons les plus desserrés et les plus serrés.VDI 2230Les normes de calcul systématique des assemblages boulonnés, le serrage contrôlé au couple, permettent d'obtenir une dispersion de précharge de +/-25 à 35 % même dans des conditions de laboratoire contrôlées, et les conditions sur le terrain augmentent généralement cette valeur à +/-35 à 50 %.

Tensionnement hydraulique des boulons : comment l’étirement direct élimine la variable de frottement

Le serrage hydraulique des boulons court-circuite totalement la conversion couple-tension en appliquant une pression hydraulique connue à un tendeur qui tire directement sur la tige du boulon, l'étirant élastiquement.Le tendeur se compose d'un vérin hydraulique muni d'un extracteur fileté qui se visse sur la rallonge du goujon (la longueur de filetage exposée au-dessus de l'écrou doit être au moins égale au diamètre du boulon pour que le tendeur puisse s'y agripper), d'un pont qui appuie sur la surface de joint et d'une douille permettant de serrer l'écrou à la main après l'allongement du boulon. Fonctionnement : le tendeur est installé sur le boulon, la pression hydraulique est appliquée à la valeur spécifiée (calculable à partir de la surface utile du piston du tendeur), le boulon s'allonge élastiquement (0,1 à 0,3 mm pour les boulons de paliers d'orientation classiques), l'écrou est serré à la main à l'aide de la douille insérée dans le corps du tendeur, la pression hydraulique est relâchée et le boulon tente de reprendre sa longueur initiale, mais l'écrou l'en empêche, créant ainsi la précontrainte spécifiée.

Précision de la précharge de la tension hydraulique : +/-5-10 %, contre +/-25-35 % pour les méthodes à clé dynamométrique.La précision est assurée par le contrôle de la tension des boulons par pression hydraulique, mesurée et régulée avec une précision de ±1 à 2 % par le manomètre ou le transducteur de la pompe de tension. Le module d'élasticité du boulon (module de Young, 207 GPa pour l'acier allié) est constant à ±2 % près pour les boulons issus d'un même lot de traitement thermique. Seule la longueur de serrage effective (longueur du boulon entre l'écrou et le premier filet engagé) varie de ±3 à 5 % selon la profondeur d'engagement du filetage et la longueur de serrage du boulon.L'erreur résiduelle de précharge sous tension provient de deux sources :(1) relâchement du boulon après la libération de la tension (l'assemblage se comprime lorsque le tendeur est retiré, réduisant la tension du boulon de 5 à 10 % — compensé par l'application d'une surtension de 5 à 10 % lors de la passe de tension), et (2) interaction entre boulons adjacents (la tension du boulon n° 2 réduit la tension du boulon n° 1 de 10 à 15 % car la tension du boulon n° 2 comprime davantage l'assemblage, relâchant le boulon n° 1 — résolu par 3 à 4 passes de tension).ASME PCC-1Pour les assemblages boulonnés de grand diamètre nécessitant une précision de précharge de +/-10 % ou mieux, la tension hydraulique est la méthode privilégiée.

Passes sous tension : le protocole 3-4 passes que personne ne veut faire mais dont tout le monde a besoin

Une seule passe de tension — où chaque boulon est tendu une fois autour du cercle — produit des variations de précharge de 30 à 50 % car chaque boulon successivement tendu comprime l'assemblage et détend les boulons précédemment tendus.Mécanisme : lorsqu’on serre le boulon n° 1 à 500 kN, il comprime localement l’assemblage autour de ce boulon. Lorsqu’on serre le boulon n° 2 (adjacent au boulon n° 1), la compression supplémentaire de l’assemblage entre les boulons n° 1 et n° 2 entraîne une légère diminution de l’épaisseur de l’assemblage dans la zone de serrage du boulon n° 1, réduisant ainsi sa tension d’environ 10 à 15 %. À mesure que le serrage progresse, chaque boulon perd progressivement de la tension, le premier boulon serré étant celui qui en perd le plus. Il atteint généralement 50 à 60 % de sa tension initiale une fois tous les boulons serrés.

Protocole de tension correct : 3 à 4 passages autour du cercle de boulons, le premier passage étant effectué à 50-60 % de la tension finale pour mettre en place le joint, et les passages suivants à 100 % de la tension finale.Étape 1 : serrer tous les boulons à 60 % de la précharge finale (par exemple, 300 kN pour une spécification de 500 kN). Cette étape permet un positionnement partiel de l’assemblage et réduit l’effet de relaxation lors des étapes suivantes. Étape 2 : serrer tous les boulons à 100 % de la précharge finale (500 kN). Étape 3 : retendre tous les boulons à 100 % de la précharge finale. Cette étape permet généralement de récupérer 10 à 15 % de la tension des premiers boulons qui se sont relâchés lors de l’étape 2, et l’effet de relaxation lors de l’étape 3 est réduit à 3 à 5 % car l’assemblage est désormais parfaitement positionné. Étape 4 (optionnelle, mais recommandée pour les assemblages critiques) : retendre à 100 % et vérifier qu’aucun boulon ne perd plus de 5 % de tension entre la mise en tension et la mesure de vérification (à l’aide d’un appareil de mesure d’allongement des boulons à ultrasons, si disponible).Yining HydrauliqueNos procédures d'installation de systèmes d'orientation comprennent un protocole de tension obligatoire en 4 passes pour tous les assemblages de boulons de roulement d'orientation sur les équipements miniers, et nous fournissons la pompe de tension, le tendeur et la documentation de procédure avec chaque livraison de système d'orientation.

Préparation des boulons : les trois facteurs qui transforment une procédure de tension parfaite en un assemblage défaillant

Même avec une tension hydraulique, trois facteurs de préparation des boulons peuvent réduire la précharge réelle à 50-70 % de la valeur spécifiée, et ces trois facteurs sont généralement négligés lors de l'installation sur le terrain.Facteur 1 : lubrification du filetage — le filetage du boulon et la surface d’appui de l’écrou doivent être lubrifiés avec le lubrifiant spécifié (généralement une pâte de bisulfure de molybdène, un composé anti-grippage ou le lubrifiant recommandé par le fabricant du boulon) afin d’assurer un frottement constant du filetage lors du serrage. Un filetage sec ou lubrifié avec un lubrifiant différent de celui spécifié modifie le coefficient de frottement et la résistance au desserrage de l’écrou, ce qui peut entraîner un desserrage partiel de celui-ci lors du relâchement de la tension. Facteur 2 : longueur de la tige filetée du boulon — la partie non filetée du boulon, entre la tête et le premier filet engagé, doit être au moins 3 à 4 fois supérieure au diamètre du boulon pour que celui-ci puisse s’étirer élastiquement avec la raideur de ressort appropriée. Un boulon dont la longueur de la tige filetée est inférieure à 2 fois son diamètre présente une raideur de ressort très élevée, ce qui signifie qu’il nécessite une force de serrage plus importante pour un même allongement et qu’il est plus sensible au relâchement. Facteur 3 : planéité de la surface de jonction — les surfaces de montage sous la tête du boulon et l’écrou doivent présenter une planéité de 0,1 mm maximum sur le diamètre d’appui. Une surface non plane provoque une contrainte de flexion dans le boulon en plus de la contrainte de traction, réduisant ainsi la précharge effective et la durée de vie en fatigue du boulon de 30 à 50 %.

Vérification après tension : la précharge du boulon peut être vérifiée en mesurant l'allongement du boulon avec une jauge à ultrasons (méthode impulsion-écho, mesurant le temps d'aller-retour d'une impulsion ultrasonique sur toute la longueur du boulon).La mesure de l'allongement avant et après la mise en tension donne la déformation réelle du boulon, qui, multipliée par la section transversale du boulon et le module de Young, donne la précharge réelle. Il s'agit de la seule méthode de mesure directe de la précharge d'un boulon installé ; la mesure du couple (vérification du couple de desserrage) n'est pas corrélée à la précharge une fois le boulon mis en tension, car le frottement statique (couple de desserrage) est supérieur au frottement dynamique pendant le serrage.Yining HydrauliqueNous recommandons la vérification de l'allongement des boulons par ultrasons pour les boulons de roulement de rotation des pelles minières dont le diamètre du plateau tournant dépasse 2,5 mètres, car une précharge irrégulière entraîne une charge inégale sur les bagues de roulement, indétectable jusqu'à l'apparition d'une défaillance du roulement. Voir également notre guide surintégration et montage du réducteur de rotationpour des conseils supplémentaires sur les assemblages boulonnés.

Références externes : Calcul des assemblages boulonnés VDI 2230 · Assemblages boulonnés ASME PCC-1 · Classification DNV · Systèmes hydrauliques ISO 4413 · SAE International · Normes AGMA · Règles de l'ABS

Un dernier conseil tiré de quinze années d'expérience dans la mise en service de systèmes d'orientation : ne jamais réutiliser les boulons de palier d'orientation après leur démontage. Les boulons soumis à une précharge maximale subissent une déformation plastique dans les premiers filets engagés, et le resserrage d'un boulon usagé produit une précharge imprévisible — généralement de 15 à 25 % inférieure à celle d'un boulon neuf pour une même pression de tension — car la zone de déformation plastique a augmenté la longueur de serrage effective.

Pour les spécifications des boulons de roulement d'orientation, les recommandations concernant les équipements de tension ou la vérification de la conception personnalisée des joints de boulons, contactez notre équipe d'ingénierie chez Yining Hydraulic — nous disposons de la documentation relative aux équipements de tension et aux procédures pour votre modèle spécifique de mécanisme d'orientation.