CE42 - Capteurs, instrumentation

Spectroscopie in situ pour la caractérisation de lubrifiants dans des contacts roulant chargés – INSPECTION

INSPECTION

Spectroscopie in situ pour la caractérisation des lubrifiants dans les contacts fortement chargés

Caractérisation du comportement extrême des lubrifiants

Ce projet vise à améliorer notre compréhension du comportement du lubrifiant dans des mécanismes très chargés, afin de prévoir et d’optimiser le frottement. Pour cela, nous proposons de coupler une technique de spectroscopie Brillouin avec un tribomètre classique bille-disque, afin de réaliser une caractérisation in situ du lubrifiant dans le contact très confiné. Cette approche expérimentale permettra de mesurer simultanément l’état thermodynamique du lubrifiant, sa dynamique structurelle et le frottement macroscopique qui en résulte. Cela mettra en lumière les mécanismes physiques qui régissent la réponse du lubrifiant. <br />Des modèles de comportement seront ensuite dérivés pour les lubrifiants testés, basés sur les mécanismes mis en évidence expérimentalement. Ces modèles seront enfin implémentés numériquement dans un modèle de contact développé sur un logiciel de simulation par éléments finis pour simuler et prédire le frottement à une échelle continue, dans une large plage de conditions de pression et de cisaillement. <br />In fine, la compréhension de ces comportements extrêmes est une première étape vers la formulation de nouveaux lubrifiants et l’optimisation des contacts lubrifiés.

Un banc expérimental de spectroscopie Brillouin (BLS) est couplée au tribomètre de l'équipe TMI du LaMCoS. Comme de longs temps d'acquisition peuvent augmenter l’échauffement du lubrifiant, et par conséquent raccourcir le plateau de friction, un spectromètre VIPA (Virtually Imaged Phase Array) est utilisé. Il nécessite des temps d'acquisition beaucoup plus courts que le tandem Fabry-Pérot. De plus, un microscope est spécifiquement conçu pour fonctionner à la fois en rétrodiffusion et en géométrie inclinée. La géométrie en rétrodiffusion conduira à mesurer la vitesse de propagation des ondes sonores longitudinales dans l'échantillon. Les mesures seront effectuées sur un lubrifiant à la fois au repos dans une cellule enclume diamant et dans un contact. Une approche comparative conduira à mettre en évidence l'influence des taux de cisaillement élevés sur le début de la transition vitreuse. La géométrie inclinée consiste à incliner à la fois le faisceau incident et le faisceau collecté, pour accéder à la vitesse des ondes transversales se propageant dans l'échantillon. Les spectres mesurés à partir d'un faisceau laser incident oblique permettront de comparer quantitativement les propriétés longitudinales et transversales mesurées simultanément. Les résultats expérimentaux seront rassemblés pour dériver des modèles viscoélastiques décrivant le comportement des lubrifiants sous haute pression et taux de cisaillement élevé. Les équations constitutives seront enfin implémentées dans le logiciel de simulation par éléments finis pour simuler un contact entier opérant en régime de lubrification EHD.

Le banc expérimental de spectroscopie est monté. Les résultats sont en cours de traitement.

Comprendre le comportement extrême des lubrifiants est une première étape dans la formulation de nouveaux lubrifiants et l'optimisation de la conception des contacts lubrifiés.
Par ailleurs, les données collectées permettront d'aller plus loin sur deux autres défis déjà soulevés dans l'industrie i) la preuve du passage d'additifs dans un contact et ii) la sous-alimentation des contacts lubrifiés.

Pas de production à l'heure actuelle.

La tribologie a un rôle majeur à jouer dans la réduction de la consommation totale d’énergie dans le monde. En effet, un rapport récent a établi qu'environ 23% de la consommation totale d'énergie dans le monde provenait de contacts tribologiques, notamment les contacts lubrifiés. Par ailleurs, les coûts de maintenance liés à l'usure des systèmes mécaniques en France sont estimés à plusieurs dizaines de milliards d'euros par an. La facture énergétique qui en résulte représente plusieurs pour cent du PIB. L'industrie cherche donc à mieux contrôler la fiabilité de ses systèmes mécaniques, à augmenter leur durée de vie et à réduire considérablement les pertes d'énergie. En particulier, les mécanismes les plus critiques impliquent des contacts fortement chargés, qui sont à l'origine d'une forte dissipation d'énergie et peuvent éventuellement conduire à un régime de lubrification mixte. Ce régime entraîne une usure importante des surfaces en contact.
Pourtant, les mécanismes physiques régissant le frottement restent mal compris. Jusqu'à présent, le comportement des lubrifiants est encore modélisé de manière très empirique à partir de modèles non prédictifs. En effet, les conditions sévères des contacts fortement chargés (confinement, pression et taux de cisaillement) rendent toute mesure physique du fluide très ardue. De plus, les quantités mesurées sont macroscopiques, moyennées sur le contact entier, alors que celui-ci présente une distribution complexe de pressions et d'épaisseurs. Elles ne fournissent aucune information locale sur la dépendance du comportement des lubrifiants avec la pression et le taux de cisaillement.
Ce projet vise à développer une méthodologie pour caractériser le comportement des lubrifiants dans des mécanismes très chargés, à implémenter dans des modèles numériques continus. In fine, il permettra de prédire et d'optimiser le frottement dans des systèmes industriels. Pour cela, nous proposons de coupler une technique de spectroscopie Brillouin avec un tribomètre classique bille-disque, afin de réaliser une caractérisation in situ du lubrifiant dans un contact très confiné. Cette approche expérimentale permettra de mesurer simultanément l’état thermodynamique du lubrifiant, sa dynamique structurelle et le frottement macroscopique qui en résulte. Cela mettra en lumière les mécanismes physiques qui régissent la réponse du lubrifiant.
Des modèles de comportement seront dérivés pour les lubrifiants testés, basés sur les mécanismes physiques mis en évidence expérimentalement. Ces modèles seront enfin implémentés numériquement dans un modèle de contact développé sur un logiciel de simulations par éléments finis pour simuler et prédire le frottement à une échelle continue, dans une large plage de conditions de pression et de cisaillement.
In fine, la compréhension de ces comportements extrêmes est une première étape vers la formulation de nouveaux lubrifiants et l’optimisation de la conception des contacts lubrifiés.
De plus, les données collectées permettront d'aller plus loin sur deux autres défis industriels de taille: i) la preuve du passage d'additifs dans un contact et ii) la quantité d'additifs adsorbés sur les parois de contact.

Coordinateur du projet

Madame Laetitia Martinie (LABORATOIRE DE MECANIQUE DES CONTACTS ET DES STRUCTURES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LaMCoS LABORATOIRE DE MECANIQUE DES CONTACTS ET DES STRUCTURES

Aide de l'ANR 245 160 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 48 Mois

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