Suivi d’un ensemble de particules

Les images dans la Figure 6.26 présentent le premier passage du patin sur la plaque d’aluminium grenaillée pour chaque fraction de tailles des particules. Le patin glisse sur la surface de la droite vers la gauche. Les images présentées ont été capturées juste après le passage du patin (on voit la sortie du patin à gauche de l’image). Connaissant le temps écoulé entre deux images consécutives, la vitesse de déplacement d’une particule peut être estimée.

40-50µm 1er passage 0-40µm 1er passage

80-100µm 1er passage

0-100µm 1er passage

Patin

Sens de déplacement du patin

µ=0.58 µ=0.53 µ=0.58 µ=0.65 Morceaux de gomme V=0,7 m/s V=0, 84 m/s V=1,2 m/s V=0,96 m/s 50-80µm 1er passage _{V=1 m/s} µ=0.54 Particules de Cheviré

×

×

×

×

×

Il est plus facile de voir le déplacement des particules sur les vidéos que sur les images présentées ci-dessus. Sur toutes les vidéos, on constate que les particules ne sont pas poussées en amont du patin comme cela aurait pu être attendu. De plus, le mécanisme de roulement (comme sur l’exemple 2 de la Figure 6.22) n’est pas observé sur toutes les fractions de taille des particules. Cela ne prouve pas que ces mécanismes ne soient pas existants, mais ils peuvent être non visibles avec la caméra rapide ou bien négligeables. Toutefois, il est observé que les particules sont soulevées de la surface lors du passage du patin en formant un nuage. On suppose que la dépression provoquée par le passage du patin est principalement à l’origine de ce nuage. Une partie de ces particules est ensuite attirée par aspiration dans la direction du patin avant d’être éjectée. La deuxième partie de ces particules se redépose sur la surface. L’éjection des particules est alors due à ce nuage de particules aspirées par le patin en dehors du contact.

Selon la taille des particules, ces phénomènes sont plus ou moins remarquables. Avec la fraction 0-40µm, un nuage dense de particules fines se déplace très près du patin. On peut observer que toutes les particules ne se déplacent pas avec le patin et qu’une partie reste accrochée sur la surface. Après le passage du patin sur la fraction 40-50µm, la quantité des particules qui se déplacent dans le nuage est plus importante que celle de la fraction la plus fine (0-40µm). Les particules sont éjectées plus haut avant qu’une petite partie ne retombe sur la surface et qu’une autre partie soit transportée par aspiration derrière le patin. Avec les fractions de taille des particules 50-80µm et 80-100µm, on constate que le nuage de particules est moins dense dans la zone proche du patin. Une partie de ces particules est attirée par aspiration du patin, une deuxième partie de ces particules a tendance à être expulsée vers l’arrière par l’effet de pincement générée par les aspérités avant de changer de direction pour suivre la direction du patin. Ce deuxième comportement est le plus proche de celui de la bille de verre sur la surface grenaillée (l’exemple 1 de la Figure 6.22). Cependant, comme la bille de verre est plus grande (deux fois plus importante que les particules les plus grosses de Cheviré) et forcément plus lourde, sa trajectoire ne change pas sous l’effet de dépression.

Après le passage du patin sur la fraction 0-100µm, il est observé l’addition des phénomènes vus sur les fractions fines et les fractions grossières, à savoir, l’éjection de contaminants et la création du nuage dense avec quelques morceaux de gomme, dont une partie est éjectée vers le haut avant de rebondir sur la surface et une deuxième partie suit le patin. Les particules fines de la fraction 0-40µm et 0-100µm sont peut être difficiles à observer par la caméra rapide. Néanmoins, le nuage des particules semble être moins dense que celui de la fraction 40-50µm.

Sur les vidéos enregistrées, il a été choisi de suivre le comportement de trois particules (direction et calcul de déplacement) pour chaque fraction de taille. Une flèche rouge fournit un exemple de résultats obtenu (trajectoire et vitesse V) pour une particule suivie dans chaque fraction de taille (Figure 6.25). Les estimations de la vitesse de déplacement des particules après le passage du patin pour chaque fraction de taille sont présentées dans le Tableau 6.1. En regardant la trajectoire des particules selon leurs tailles, on constate que plus les particules sont fines et plus elles tendent à être soulevées vers le haut. La vitesse de déplacement de ces particules varie également selon leurs tailles ;

grossières présentent une vitesse de déplacement plus importante, ce qui favorise normalement leur éjection. La Figure 6.27 présente les différentes trajectoires rencontrées avec les particules naturelles.

Tableau 6.1 Les valeurs de la vitesse calculée pour trois particules suivies de chaque fraction de taille

Vitesse de déplacement (m/s) 0-40µm 40-50µm 50-80µm 80-100µm 0-100µm Particule 1 0,70 0.84 1.00 1.20 0.96 Particule 2 0,86 0.77 1.18 1.06 1.04 Particule 3 0,82 0.82 1.11 1.55 1.20 Moyenne 0.79 0.81 1.10 1.27 1.06

Figure 6.27 Schéma représentatif des différentes trajectoires des particules naturelles observés lors du passage de patin

Grâce aux observations à la caméra rapide, nous avons pu identifier trois flux de particules dans la zone de contact :

 Le flux de recirculation, qui représente les particules qui sont soulevées puis retombent sur la surface ainsi que les particules qui restent piégées par la texture.

 Le flux d’éjection, qui représente les particules aspirées derrière le patin puis éjectées en dehors du contact.

 Le flux de détachement, qui présente les morceaux de gomme provenant de détachement de la matière du patin (les corps noirs) observés sur tous les essais. En théorie, il est possible d’avoir un détachement de matière de la plaque en aluminium mais cela n’a pas été observé par la caméra rapide.

particules crée un film discontinu sur toute la surface. Si on observe de plus près, à l’échelle des creux, ce film de contaminant pourrait être considéré comme un film localement continu. Même si ce film ne couvre que des zones de petite taille de la surface, son effet sur le coefficient de frottement est néanmoins important. On considère donc qu’il y a un effet de lubrification induit par ce film de particules lors du passage de patin SRT.

Les observations des particules éjectées sur les pastilles, montrent que les mécanismes d’éjection des particules sont différents entre deux familles de particules. La première famille contient les deux fractions 0-40µm et 0-100µm (sachant que 60% de cette fraction est constituée de particules de taille inférieure à 40µm) où les particules s’éjectent uniformément avec les différents passages du patin. La deuxième famille de particules contient les fractions 40-50µm, 50-80µm et 80-100µm où un changement de mécanismes d’éjection se produit : les particules éjectées de divisent deux populations, des particules de taille fine (médiane atour de 10-20 µm) et des particules de taille importante (médiane autour de 70 à 120 µm).

Grâce aux vidéos du passage du patin SRT, il a été montré que quand la surface est lisse les billes de verre (diamètre moyen de 215µm) roulent « sous » le patin. En passant à une surface rugueuse (échantillon Sablé), ce phénomène de roulement disparait. Les billes sont coincées par les aspérités et ensuite éjectées vers l’arrière par un effet de pincement. Avec les particules de Cheviré (tailles plus faibles que celle des billes), le même phénomène est observé : les particules ne sont pas poussées devant le patin mais elles sont soulevées de la surface. Deux flux sont ensuite observés : 1) une partie des particules sont attirées, sous l’effet de la dépression créée par le passage du patin, dans la direction du mouvement du patin avant d’être éjectées de la surface ; et 2) une autre partie de ces particules retombe sur la surface. Le deuxième flux peut être assimilé à un flux de recirculation (au sens d’un circuit tribologique) car il s’agit des particules éjectées (par un effet de soulèvement) puis remises dans le circuit (en retombant sur la surface). Il est observé que plus la taille des particules est importante, plus la vitesse d’éjection est importante. Ceci explique le fait que les particules des fractions 40-50µm, 50-80µm et la fraction 80-100µm sont éjectées plus rapidement comparée à la fraction plus fine (0-40µm).

Les observations au MEB et à la caméra rapide ont permis donc de clarifier certaines hypothèses émises lors de l’analyse du frottement (Chapitre 5). Sur l’effet de piégeage par la microtexture, ces nouvelles observations confirment les hypothèses émises et fournissent de nouvelles données sur la distribution des particules piégées. Sur les flux des particules, la caméra rapide a permis de voir que le passage du patin SRT n’induit pas uniquement l’éjection d’une partie de particules et le blocage du reste par la microtexture de la surface. Les flux sont plus complexes car un troisième mouvement – soulèvement des particules – induit un flux d’éjection et un flux de recirculation. Le flux de recirculation induit également un recouvrement de la surface de l’échantillon qui vient s’ajouter au recouvrement statique lié au dépôt initial des particules. Ces nouvelles données permettent donc de mieux prendre en compte les flux impliqués dans la modélisation du frottement qui sera présenté dans le chapitre 7.