Introduction : Symptômes de refus et contexte de l’enquête
Dans l'une des entreprises de construction de machines lourdes d'Ukraine, lors d'une inspection de routine de l'entraînement principal d'une usine technologique, un niveau critique de vibration et un bruit de fond accru (surplomb tonal à la fréquence d'engagement des dents) ont été enregistrés. L'analyse du spectrogramme de vibration a montré l'apparition de bandes latérales autour de la fréquence d'engagement des engrenages, ce qui indique une modulation de charge et la présence de défauts locaux sur les surfaces de travail des engrenages et des dents des roues. L'arrêt de l'équipement et l'examen endoscopique ont révélé des piqûres et un effritement développés des surfaces de travail des dents de l'engrenage cylindrique. Une enquête technique détaillée par analyse des causes profondes (RCA) a été menée pour éviter la défaillance accidentelle de l'ensemble d'entraînement alimenté par le convertisseur de fréquence Telemecanique ATV66U72N4G.
Aperçu des composants et conditions de fonctionnement
Le train d'engrenages fait partie d'un entraînement robuste d'une puissance nominale de 160 kW à une vitesse de 1 480 tr/min de l'arbre rapide. Le rapport de démultiplication est i = 5,4. Le matériau des roues est de l'acier allié 18KHT (18CrMnTi) avec cémentation et durcissement jusqu'à une dureté de 58-62 HRC. Les conditions de fonctionnement correspondent à un mode de fonctionnement sévère avec des charges de pointe cycliques dépassant la nominale de 160 %. La boîte de vitesses est intégrée au système de commande du moteur basé sur l'onduleur Telemecanique ATV66U72N4G, qui permet un démarrage et un contrôle de vitesse en douceur.
Paramètres de fonctionnement du nœud :
- Température de fonctionnement du lubrifiant dans le carter : 68-75 °C (au maximum autorisé 85 °C).
- Classe de pureté du lubrifiant pour ISO 4406 : 16/18/13 (l'état réel avant l'accident correspondait au 18/20/15).
- Type de lubrifiant : Huile pour engrenages synthétique ISO VG 220 à base de polyalphaoléfines (PAO) avec un ensemble d'additifs anti-grippants (EP).
- Durée de vie du projet (MTBF) : 50 000 heures. Le temps réel jusqu’à la panne était de 21 400 heures.
Preuves de défaillance et résultats de mesure
Le contrôle visuel et métrologique a révélé les défauts suivants :
- Pitting (camp) : Des microcratères d'une profondeur allant jusqu'à 0,4 mm et d'une zone de couverture de plus de 25 % de la surface de travail des dents se sont formés dans les zones proches de la ligne polaire et dans la zone de la base des dents de l'engrenage d'entraînement.
- Écaillage : Sur trois dents de la roue motrice, des morceaux de la couche superficielle de métal d'une profondeur allant jusqu'à 1,5 mm et d'une superficie allant jusqu'à 12 mm² ont été arrachés. Les bords des copeaux ont un caractère de fatigue.
- Mesure des points de contact : Le test de peinture a montré un contact marginal. La tache n'occupe que 45 % de la longueur de la dent au lieu des 85 % normatifs selon les exigences du DSTU GOST 1643 :2004.
- Diagnostic de vibration : La valeur quadratique moyenne (RMS) de la vitesse de vibration dans la plage de 10 à 1 000 Hz a atteint 7,8 mm/s (la valeur limite selon ISO 10816-3 pour les fondations rigides de classe II est de 4,5 mm/s).
Analyse systématique des causes profondes (Ishikawa et 5 Pourquoi)
Un diagramme d'Ishikawa a été construit pour déterminer la source de la défaillance (facteurs : matériau, lubrifiant, installation/alignement, charges de fonctionnement). L'application de la méthode des « 5 Pourquoi » a permis d'établir la séquence des événements :
- Pourquoi des piqûres se sont-elles produites ? En raison de l'excès de contraintes de contact au-dessus de la limite d'endurance de contact de la couche cimentée.
- Pourquoi les contraintes de contact ont-elles dépassé celles calculées ? En raison de la répartition inégale de la charge sur la longueur de la dent.
- Pourquoi la charge a-t-elle été inégalement répartie ? En raison de l'erreur angulaire de parallélisme des axes de l'arbre (désalignement des engrenages par rapport au moteur de 0,18 mm pour 100 mm de longueur).
- Pourquoi le désalignement des essieux s'est-il produit ? En raison de déformations thermiques du cadre et du desserrage des boulons d'ancrage lors des cycles précédents de démarrages à couple élevé.
- Pourquoi le processus de destruction s'est-il accéléré ? La contamination du lubrifiant par des particules solides et une diminution de la viscosité lors de la surchauffe ont provoqué une rupture hydrodynamique du film lubrifiant (le coefficient d'épaisseur du film lubrifiant λ < 1,2).
Les causes profondes sont identifiées
Selon les résultats de l'enquête, trois raisons principales avec différentes probabilités d'impact ont été identifiées :
- Malalignement des axes (Désalignement) - probabilité de 55 %. Le déplacement angulaire des arbres a conduit à une concentration de charge sur les bords des dents, ce qui a provoqué un excès local de contraintes de contact de plus de 1 450 MPa (avec une limite admissible de 1 200 MPa).
- Dégradation et contamination du lubrifiant - probabilité de 30 %. Les violations de la périodicité de filtration et la pénétration de particules abrasives ont entraîné une usure abrasive et une accélération des microfissures.
- Inconvénients du traitement thermique de la couche cimentée : probabilité de 15 %. Réduction locale de la profondeur de la couche durcie effective sur des dents individuelles en dessous de la norme normative de 1,2 mm conformément aux exigences de la norme EN ISO 6336.
Mesures correctives et préventives
Pour éliminer les défauts identifiés et prévenir les pannes répétées, un ensemble de mesures a été élaboré :
- Élimination immédiate : Le démontage du réducteur a été effectué. La paire d'engrenages endommagée a été remplacée par de nouveaux composants d'origine de classe de précision 6 selon DSTU GOST 1643:2004.
- Alignement : L'alignement laser des axes du moteur et de la boîte de vitesses a été réalisé à l'aide de systèmes de haute précision. La tolérance sur le parallélisme des axes est réduite à moins de 0,03 mm pour 100 mm de longueur. Les boulons d'ancrage ont été remplacés par des boulons plus solides (classe de résistance 10,9) par serrage dynamométrique.
- Modernisation du système de lubrification : Une station de filtration de lubrification supplémentaire avec une finesse de filtration de 5 microns et un capteur d'humidité a été installée. Le type de lubrifiant a été remplacé par un analogue synthétique avec un indice de viscosité plus élevé.
- Paramètres de l'entraînement électrique : Dans les paramètres du convertisseur de fréquence Telemecanique ATV66U72N4G, le temps d'accélération et de freinage (rampe en forme de S) a été optimisé pour minimiser les moments dynamiques de choc lors de l'engagement.
Carte de diagnostic express pour les ingénieurs de terrain
Le tableau 1 contient un algorithme permettant de vérifier rapidement l'état de la boîte de vitesses directement en atelier à l'aide d'un équipement portable.
| Étape | Paramètre de validation | Outil / Méthode | Valeur normative | Signe diagnostique de déviation |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Vibrations corporelles | Analyseur de vibrations (spectre FFT) | RMS < 4,5 mm/s (ISO 10816-3) | Pics à la fréquence d'engagement avec des bandes latérales |
| 2 | Température des roulements/carters | Pyromètre / Imageur thermique | < 80 °C | Surchauffe locale au niveau des paliers de support |
| 3 | État de lubrification | Échantillonnage / Analyse en laboratoire | ISO 4406 : 16/18/13 | Présence de poudre métallique, eau > 500 ppm |
| 4 | Tache de contact avec les dents | Peinture de contrôle | Au moins 85 % de longueur | Contact de bord ou de point |
| 5 | Jeu dans l'embrayage | Indicateur de type d'horloge | D'après le passeport de la boîte de vitesses | Une augmentation du dégagement latéral de 30% de la norme |
| 6 | Intégrité des surfaces dentaires | Endoscope industriel | Surface lisse sans cavités | La présence de microcratères, de piqûres |
| 7 | Position de montage des arbres | Système de centrage laser | Erreur < 0,05 mm | Déplacement de l'axe au-dessus des tolérances du fabricant |
| 8 | Bruit de fond du lecteur | Sonomètre acoustique | < 85 dB(A) à une distance de 1 m | Cris de métal, bourdonnement irrégulier |
Stratégie pour prévenir les échecs
Pour assurer le fonctionnement ininterrompu des entraînements critiques dans les entreprises de la métallurgie des métaux ferreux et non ferreux et de l'industrie minière d'Ukraine, il est nécessaire de mettre en œuvre la stratégie de maintenance suivante :
- Condition Monitoring : Mesure continue des vibrations par la méthode des impulsions de choc (énergie de pointe) pour détecter les défauts des roulements et des engrenages à un stade précoce (notamment selon la norme ISO 13373).
- Analyse du lubrifiant : Réalisation d'une analyse spectrométrique de l'huile toutes les 1 000 heures de fonctionnement pour contrôler la concentration de produits d'usure en fer, chrome et silicium.
- Remplacements réglementaires : Remplacement obligatoire des joints, des éléments filtrants et révision des raccords toutes les 12 000 heures selon les recommandations des constructeurs d'équipements industriels.
Conclusion
L'analyse des causes profondes a confirmé que les piqûres et l'écaillage des dents sont dus à l'influence complexe du désalignement angulaire des axes de l'arbre et à la violation de la pureté du lubrifiant. Le strict respect des normes d'alignement selon EN ISO 10816, le contrôle qualité des lubrifiants et le réglage correct des convertisseurs de fréquence vous permettent de prolonger la durée de vie des engrenages jusqu'aux indicateurs MTBF nominaux. Pour une sélection de pièces de rechange certifiées, de composants d'entraînement et d'outils d'automatisation, consultez la gamme sur la page Catalogue électronique UNITEC-D.
Références normatives et littérature
- ISO 6336 : Calcul de la capacité de charge des engrenages droits et hélicoïdaux.
- ДСТУ ГОСТ 1643:2004 : Передачі зубчасті циліндрові. Допуски.
- ISO 10816-3 : Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations de la machine par des mesures sur des pièces non rotatives.
- ISO 4406 : Transmission hydraulique — Fluides — Méthode de codage du niveau de contamination par des particules solides.
- FR ISO 13373 : Surveillance de l'état et diagnostic des machines — Surveillance des conditions vibratoires.
