1. Introduction
Sur l'un des sites d'industrie lourde en Ukraine, lors d'une inspection planifiée du système de transmission principal de la ligne de production, un roulement à rouleaux cylindriques de moteur à courant alternatif a présenté une défaillance prématurée. L'équipement fonctionnait dans un complexe modernisé sous le contrôle d'un régulateur servo Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN. La durée de vie du composant s'est élevée à seulement 4 200 heures au lieu du critère de fiabilité MTBF projeté de 40 000 heures. Le mode de dégradation des chemins de roulement et des corps de roulement indiquait un usure électroérosive (EDM — Electrical Discharge Machining) provoquée par des tensions en phase haute fréquence provenant du système de modulation par largeur d'impulsion (PWM) du moteur.
2. Aperçu du composant
Contrôleur servo Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN est un convertisseur de fréquence (CF) à haut rendement, conçu pour le pilotage de moteurs synchrones et asynchrones d'usage industriel. Il génère une puissance de sortie grâce à des transistors IGBT à haute vitesse de montée en tension (dv/dt), souvent supérieure à 10 kV/µs. Dans cette architecture, les roulements du moteur se trouvent dans une zone à risque en raison de l'apparition d'un couplage capacitif entre l'enroulement du stator, le rotor et la carcasse mise à la terre de la machine.
Conditions d'exploitation du composant étudié :
- Tension nominale de la maille de courant continu : 700 V DC.
- Fréquence de commutation de l'inverseur : 8 kHz.
- Température de fonctionnement du carter d'embrayage : +75°C.
- Charge radiale : 12 kN.
3. Preuves de défaillance
Le groupe de diagnostic a effectué une analyse spectrale de vibration et un examen du roulement démonté. Les symptômes suivants ont été enregistrés :
- Données vibratoires : Dans le spectre vibratoire (accéléromètre avec une plage jusqu'à 10 kHz), des harmoniques à haute fréquence et des modulations à la fréquence de commutation du variateur (8 kHz) ont été observées dans la bande des hautes fréquences (HFE). Le niveau de vibration dans la bande 5–10 kHz a augmenté de 4,5 fois par rapport aux valeurs de base.
- Vue visuelle : Des micro-crevasses (pitings) jusqu'à 50 pièces/mm² ont été détectées sur les rails extérieur et intérieur. La surface des éléments roulants a pris une teinte grisâtre mate (« usure ondulée » ou « gaufrage »).
- Analyse du lubrifiant : Un dépôt de poussière métallique (taille des particules inférieure à 5 µm) et des signes de dégradation thermique de l'huile de base ont été détectés dans le lubrifiant, dus à des décharges électriques locales sur la pellicule lubrifiante.
4. Étude des causes premières
Pour déterminer la chaîne d'événements ayant conduit à l'incident, la méthode de la diagramme d'Ishikawa (Ishikawa diagram) et l'analyse de l'arbre des défaillances ont été utilisées. Les facteurs principaux ont été divisés en quatre catégories : paramètres électriques, structure mécanique, état du lubrifiant et mise à la terre.
La vitesse de montée de tension (dv/dt) crée un potentiel de nature capacitif sur l'arbre. Lorsque la tension sur l'arbre dépasse la résistance diélectrique de l'huile du roulement (généralement entre 10 V et 30 V selon l'épaisseur de la couche et la viscosité), un microarc se produit. Ce processus se répète des millions de fois par heure, fondant le métal au niveau micro.
5. Causes premières définies
En fonction des résultats de l'expertise, trois causes clés ont été identifiées avec une probabilité différente d'apparition :
- Absence d'un équilibrage à haute fréquence efficace des potentiels et des balais conducteurs de courant (Probabilité : 60 %). Les courants à haute fréquence des roulements prenaient leur chemin à travers les corps de roulement au lieu des systèmes spécialisés d'évacuation de charge.
- Défaut des paramètres de filtrage à la sortie du variateur (Probabilité : 25 %). L'absence de filtres moteurs (filtres dv/dt ou filtres sinus) à la sortie Rexroth HMS01 a entraîné une valeur critique de la vitesse de montée de front d'impulsion.
- Géométrie incorrecte de la prise de terre du câble d'alimentation (Probabilité : 15 %). L'écran du câble moteur a été connecté à l'aide d'une « ficelle » au lieu d'un connecteur EMC circulaire à 360 degrés, ce qui a réduit l'efficacité de l'écranage des interférences à haute fréquence.
- Corriger immédiatement : Une brosse d'écrouillage en revêtement carbonifère fibreuse a été installée pour assurer un dérivation sécurisée de la tension du rotor vers le carter du moteur. Le remontage de l'écran du câble de puissance a été effectué conformément aux exigences de la norme EN 60204-1 (utilisation de joints EMC avec contact circulaire complet).
- Prophylaxie à long terme : Un filtre dv/dt a été installé à la sortie du contrôleur servo Rexroth pour réduire la vitesse de montée de tension en dessous de 500 V/µs conformément aux recommandations IEC/TS 60034-25.
- Intervalle de maintenance : Vérifier l'état des balais d'armature toutes les 2 000 heures de fonctionnement.
- Surveillance de l'état : Mettre en place un contrôle continu de la vibration à haute fréquence (Analyse d'enveloppe) pour détecter le pitting à un stade précoce (degré de dégradation selon ISO 13373).
- Modernisation de la conception : Lors du choix de nouveaux moteurs pour une utilisation avec des réducteurs Rexroth, il est requis de respecter les normes IEC 60034-18-41 (résistance aux tensions impulsionnelles) et d'utiliser des roulements isolés (à corps de roulement en céramique ou au revêtement des anneaux en oxyde d'aluminium).
- IEC/TS 60034-25 : Machines électriques tournantes — Partie 25 : Machines électriques alternatives conçues pour l'alimentation par convertisseur de fréquence.
- EN 60204-1: Sécurité des machines — Équipement électrique des machines — Partie 1 : Exigences générales.
- ISO 10816-3: Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations de la machine par mesure sur les parties non tournantes.
- Bosch Rexroth AG : Documentation technique pour les amplificateurs HMS01, Manuel DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000 : Recommandation IEEE pour le test de la résistance d'isolement des machines tournantes.
6. Actions correctives
Pour éliminer les défauts détectés et prévenir les récidives d'incidents, un ensemble de mesures urgentes et à long terme a été développé :
7. Carte de diagnostic rapide pour les ingénieurs sur le terrain
Cette table d'audit a été développée pour les spécialistes techniques qui effectuent un audit des systèmes de transmission directement sur place :
| № | Paramètre de vérification | Méthode/Outil | Valeurs normatives |
|---|---|---|---|
| 1 | Tension sur l'arbre du moteur | Oscilloscope + charbonneuse - balai de détection de nez | < 15 V (valeur pic) |
| 2 | Résistance d'isolement du boîtier du variateur de fréquence | Micromètre (ISO 27668) | < 0,1 Ω |
| 3 | Qualité du raccordement EMC du câble | Vue 360° des serrages | Contact circulaire complet sans «cheveux» |
| 4 | Vibrations à haute fréquence des roulements | Analyseur vibratoire (spectre enveloppe) | Accélération < 0.5 g dans la plage de 5-10 kHz |
| 5 | État du lubrifiant | Test de goutte / analyse des particules d'usure | Absence de particules > 5 µm et de brillance métallique |
| 6 | Température du noeud d'articulation | Pyromètre / thermocouple (ISO 10816) | < 85°C (en fonction de la classe d'isolement) |
| 7 | Présence de filtres à la sortie du variateur | Inspection du panneau de commande | Présence de dv/dt ou de filtre sinus lorsque la longueur du câble > 15 m |
| 8 | Résistance d'isolement des enroulements du moteur | Mégohmmètre (1000 V DC) | > 100 MOΩ (selon IEEE 43) |
8. Stratégie de prévention
Pour assurer la fiabilité du matériel sur les entreprises industrielles ukrainiennes, il est nécessaire d'intégrer les étapes suivantes au planning d'entretien technique :
9. Conclusion
Les défaillances prématurées des roulements dus aux courants EDM constituent un problème systémique lors de l'utilisation des modernes convertisseurs de tension rapide tels que Rexroth HMS01. Une approche globale du dimensionnement du moteur électrique, incluant un écrantage correct, une filtrage du signal de sortie et l'utilisation de dispositifs de décharge sur l'arbre, permet d'éliminer complètement l'usure électroérosive. Pour le choix des composants compatibles, des filtres et des dispositifs de protection, consultez notre catalogue. Découvrez l'ensemble de notre gamme dans la section UNITEC-D E-Catalog.
