Guide de diagnostic et de dépannage : Bruits et vibrations anormales dans les réducteurs

1. Description du problème et champ d'application

Ce manuel est destiné au diagnostic et au dépannage des bruits et vibrations anormaux dans les boîtes de vitesses industrielles. Ces symptômes sont souvent les premiers signes de défaillances de composants potentiellement critiques, telles que des problèmes de roulements, d'engrenages ou de lubrification. Des diagnostics opportuns et précis sont critiques pour éviter les pannes catastrophiques qui entraînent des temps d'arrêt des équipements et des pertes financières importantes.

Ce document couvre les types d'équipements suivants : engrenages à vis sans fin, engrenages cylindriques, engrenages coniques, engrenages planétaires utilisés dans une large gamme d'applications industrielles (convoyeurs, pompes, mélangeurs, extrudeuses, etc.).

Classification de la gravité du dysfonctionnement :

• Critique : Bruit aigu et fort (coup, cri), vibration intense d'amplitude supérieure à 10 mm/s (RMS) ou montée en température rapide (> 90°C). L'arrêt immédiat de l'équipement est obligatoire.
• Significatif : Bruit constant et inhabituel (bourdonnement, hurlement, clic) ou vibration dans la plage de 4,5 à 10 mm/s (RMS). Un arrêt d’inspection programmé est recommandé.
• Mineur : léger bruit intermittent ou légère augmentation des vibrations (2,8 à 4,5 mm/s RMS), ce qui peut indiquer une usure précoce. Une surveillance renforcée est nécessaire.

2. Précautions

⚠ AVERTISSEMENT DE SÉCURITÉ ⚠
Avant de commencer tout travail de diagnostic, assurez-vous que l'équipement est complètement hors tension et verrouillé selon la procédure LOTO (Lockout/Tagout). Vérifier l'absence de tension électrique à l'aide d'appareils appropriés. Soyez conscient de l'énergie stockée dans les ressorts, les systèmes hydrauliques ou pneumatiques. Utiliser des équipements de protection individuelle (EPI) : lunettes de sécurité, écouteurs, gants, chaussures de travail à bout métallique. Les surfaces chaudes, les lubrifiants sous pression et les pièces mobiles présentent un risque de blessure.
⚠ SUIVEZ TOUJOURS LES CONSIGNES DE SÉCURITÉ DU FABRICANT DE L'ÉQUIPEMENT ⚠

3. Outils de diagnostic nécessaires

Pour un diagnostic efficace du bruit et des vibrations des engrenages, des outils spécialisés sont nécessaires :

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de commencer un diagnostic détaillé, il est nécessaire de collecter des données brutes et de procéder à une inspection visuelle. Cela aidera à réduire l’éventail des dysfonctionnements potentiels.

5. Algorithme de diagnostic systématique

Cet algorithme permettra d'identifier systématiquement la source de bruit et de vibration.

1. Évaluation initiale et sécurité :
   1. Suivez les étapes de la section 4. Liste de contrôle d'évaluation initiale
   2. Assurez-vous que toutes les Précautions (Section 2) sont respectées.
   3. Déterminer la nature du bruit et des vibrations :
   • Si le bruit est aigu, cognement, grincement et que les vibrations sont intenses (> 10 mm/s RMS) - arrêtez immédiatement l'équipement. Allez au point 6.
   • Si le bruit est un bourdonnement/hurlement constant et que la vibration est de 4,5 à 10 mm/s RMS, poursuivez le diagnostic.
   • Si le bruit est périodique ou si la vibration est de 2,8 à 4,5 mm/s RMS – surveillance accrue, diagnostics programmés.
2. Diagnostic à l'aide d'un analyseur de vibrations :
   1. Installer des accéléromètres sur le carter de la boîte de vitesses dans les directions radiale et axiale, à proximité des roulements et des engrenages.
   2. Mesurez le niveau global de vibration (vitesse, mm/s RMS) et d’accélération (g RMS).
   3. Effectuez une analyse du spectre de vibration.
   • Si des pics de vibrations sont observés à des fréquences multiples de la fréquence de rotation de l'arbre (1X, 2X, 3X) :
     • Cause probable : Déséquilibre ou mauvais alignement de l'arbre.
     • Action : Vérifier l'alignement de l'arbre (chapitre 7.1) et l'équilibrage du rotor. Allez au point 3.
   • Si des pics de vibrations sont observés à des fréquences caractéristiques des roulements (BPFI, BPFO, BSF, FTF) :
     • Cause probable : Usure ou endommagement des roulements.
     • Action : Utilisez un stéthoscope acoustique pour localiser. Allez au point 4.
   • Si des pics de vibrations sont observés aux fréquences d'engagement des engrenages (GMF) et à leurs harmoniques :
     • Cause probable : Usure des engrenages, jeu incorrect, endommagement des engrenages.
     • Action : Passez au point 5.
   • Si la vibration est à large bande, sans pics clairs :
     • Cause probable : Manque d'huile, cavitation, supports desserrés, résonance.
     • Action : Passez au point 6.
3. Diagnostic de désalignement des arbres :
   1. Mesurer le désalignement des arbres du moteur et de la boîte de vitesses à l'aide d'un indicateur de type horloge.
   2. Critères : Le désalignement radial et axial admissible ne doit pas dépasser 0,05 mm pour des vitesses allant jusqu'à 1 500 tr/min. Pour des vitesses plus élevées, les exigences sont plus strictes (0,02-0,03 mm).
   3. Si le désalignement dépasse la norme :
      • Cause probable : Désalignement de l'arbre.
      • Action : Effectuez un alignement précis (Section 8.1).
4. Diagnostic des roulements :
   1. Utilisez un stéthoscope acoustique pour localiser le bruit sur le carter d'engrenage, en particulier à proximité des ensembles de roulements.
   2. Estimez la température des paliers à l’aide d’une caméra thermique. Norme : la température du roulement ne doit pas dépasser la température ambiante de plus de 40°C, et être inférieure à 90°C.
   3. Analyser le lubrifiant pour détecter la présence de métaux d'usure (Fe, Cr, Mn - pour les roulements en acier ; Cu, Pb, Sn - pour les séparateurs/bagues en bronze).
   4. Si le stéthoscope détecte un bruit de grincement/bruissement, caméra thermique - surchauffe locale, analyse d'huile - teneur accrue en métaux d'usure :
      • Cause probable : Usure ou endommagement des roulements.
      • Action : Démontage, contrôle visuel, remplacement des roulements (chapitre 8.2).
5. Diagnostic des engrenages :
   1. Mesurez le jeu des engrenages à l'aide de palpeurs ou d'un comparateur à cadran. La lacune réglementaire est précisée dans la documentation du fabricant. Généralement 0,08-0,25 mm pour les engrenages petits et moyens.
   2. Effectuez une inspection visuelle des dents à travers des trappes d’inspection ou avec un endoscope (si disponible). Recherchez des signes de piqûres, d’éclats, de bosses, d’usure excessive, de déplacement de la zone de contact.
   3. Analysez le lubrifiant pour détecter la présence de métaux d'usure (Fe, Sn – pour les dents en acier ; Cu, Pb – pour les paires de vis sans fin en bronze).
   4. Si l'écart est supérieur à la normale, les dents sont visuellement endommagées ou l'analyse de l'huile montre une teneur importante en métaux d'usure :
      • Cause probable : Usure, endommagement ou mauvais réglage des engrenages.
      • Action : Démontage, réparation/remplacement des engrenages, réglage du jeu (chapitre 8.3).
6. Diagnostic du système de lubrification et autres causes :
   1. Effectuer une analyse complète de la lubrification (section 7.4).
   2. Vérifiez la solidité de la fixation de la boîte de vitesses à la fondation, ainsi que la fixation des couvercles et autres éléments du boîtier. Serrez les boulons conformément à la réglementation.
   3. Si l'analyse de l'huile montre une dégradation, une contamination, un excès d'eau, un niveau bas :
      • Cause probable : Problèmes de lubrifiant (niveau faible, contamination, mauvais type).
      • Action : Remplacement du lubrifiant, des filtres, élimination des fuites (chapitre 8.4).
   4. Si les attaches sont desserrées :
      • Cause probable : Attaches desserrées.
      • Action : Serrez les fixations, vérifiez les fondations.

6. Matrice des causes de dysfonctionnement

Ce tableau vous aidera à faire correspondre vos symptômes avec les causes probables, les tests et les résultats attendus.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Désalignement des arbres

Explication : Un désalignement se produit lorsque les axes de rotation des arbres du moteur et de la boîte de vitesses ne se trouvent pas sur la même ligne droite. Il peut s'agir d'un déplacement parallèle, angulaire ou combiné. Les principales raisons sont : une mauvaise installation, une déformation du cadre, une déformation thermique, une usure de l'accouplement. Cela entraîne des contraintes cycliques sur les arbres, les roulements et les joints, provoquant une friction et des vibrations excessives.

Comment confirmer : Mesurez le désalignement à l'aide d'un système de nivellement laser ou de deux indicateurs de type montre. Indicateur Critique : désalignement radial ou angulaire supérieur à 0,05 mm pour la plupart des applications industrielles. De plus, l'analyse du spectre de vibration montrera les pics dominants à une fréquence de rotation 1X, 2X, 3X.

Dommages potentiels : Usure prématurée des roulements, des joints d'arbre, de l'accouplement, fatigue de l'arbre, rupture possible de l'arbre en cas de fonctionnement à long terme. Cela peut également provoquer une surchauffe locale, diagnostiquée par une caméra thermique.

7.2. Usure ou dommage des roulements

Explication : Les roulements sont des composants critiques qui soutiennent les arbres et réduisent la friction. L'usure peut être causée par une lubrification insuffisante ou incorrecte, une contamination du lubrifiant, une mauvaise installation (charges de choc lors de l'installation), une surcharge, des vibrations ou une fatigue du matériau. Les dommages comprennent les piqûres, les piqûres, l’usure abrasive et la corrosion de contact.

Comment confirmer :

• Analyse acoustique : Bruissements, grincements, claquements localisés à proximité du roulement à l'aide d'un stéthoscope.
• Analyse des vibrations : Le spectre des vibrations montrera les fréquences caractéristiques des roulements (BPFI, BPFO, BSF, FTF) et leurs harmoniques. Le niveau de vibration global dépasse 4,5 mm/s RMS.
• Thermographie : Surchauffe locale du bloc roulement (> 90°C).
• Analyse des lubrifiants : Augmentation de la teneur en métaux d'usure (Fe, Cr, Mn pour l'acier, Cu pour les séparateurs) et en particules de taille supérieure à 5 microns.
• Contrôle visuel (après démontage) : Piqûres, éviers, piqûres sur les chemins de roulement, dommages au séparateur, décoloration.

Dommages potentiels : Augmentation du frottement, surchauffe, blocage de l'arbre, dommages aux sièges de roulement, dommages aux engrenages dus au déplacement de l'arbre. Il est possible de détruire le carter de boîte de vitesses.

7.3. Usure ou dommage des engrenages

Explication : Les engrenages transmettent le couple. Leur usure peut être causée par une surcharge constante, des charges de choc, une lubrification insuffisante, un environnement agressif, des particules abrasives dans le lubrifiant, une fatigue du matériau. Types d'usure courants : piqûres (fatigue de surface), usure abrasive, usure adhésive (grippage), déformation plastique, sur-rayures, casse de dent.

Comment confirmer :

• Analyse acoustique : Des bourdonnements, des hurlements, des cris qui changent avec la charge. Frapper quand les dents se cassent.
• Analyse des vibrations : Pics de vibration aux fréquences d'engagement des dents (GMF) et à leurs harmoniques. Des bandes latérales supplémentaires autour du GMF peuvent indiquer une modulation de l'usure.
• Contrôle visuel (au endoscope ou après démontage) : Détection de piqûres (piqûres à la surface des dents), grippages, éclats, fissures, rayures abrasives.
• Mesurer le jeu : Un jeu supérieur à la norme (par exemple > 0,3 mm pour les engrenages moyens) indique une usure excessive.
• Analyse des lubrifiants : Augmentation de la teneur en métaux d'usure (Fe, Sn) et grosses particules.

Dommages potentiels : efficacité de transmission réduite, augmentation du bruit et des vibrations, blocage des engrenages, destruction des dents et du boîtier, défaillance catastrophique.

7.4. Problèmes de pétrole

Explication : La graisse remplit les fonctions de réduction de friction, de refroidissement, d'élimination des saletés et de protection contre la corrosion. Les problèmes incluent : un niveau d'huile bas, une dégradation de l'huile (oxydation, perte d'additifs), une contamination (eau, poussière, particules métalliques), une utilisation d'un mauvais type d'huile. Tous ces facteurs affectent de manière critique la durée de vie des roulements et des engrenages.

Comment confirmer :

• Inspection visuelle : Faible niveau d'huile, décoloration, trouble, présence de sédiments ou de mousse.
• Analyse du lubrifiant (selon DSTU ISO 2909, DSTU ISO 3104) :
  • Viscosité : Changement de viscosité (augmentation ou diminution) au-delà de ±10 % de la valeur initiale.
  • Teneur en eau : > 0,05 % pour la plupart des huiles.
  • Indice d'acide (AN) : Augmentation de l'AN de plus de 0,5 mg KOH/g.
  • Analyse spectrale : Augmentation de la teneur en métaux d'usure (Fe, Cu, Cr), éléments polluants (Si – poussières).
  • Compteur de particules : Classe de propreté ISO 4406:1999 (généralement pas supérieure à 18/15/12 pour les réducteurs).
• Thermographie : Surchauffe générale de la boîte de vitesses due à une friction accrue.

Dommages potentiels : Usure accélérée des engrenages et des roulements, corrosion, surchauffe, augmentation de la consommation d'énergie, destruction rapide des composants.

8. Procédures de dépannage étape par étape

8.1. Correction du désalignement des arbres

1. ⚠ SÉCURITÉ : Suivez la procédure LOTO.
2. Nettoyez les surfaces de roulement sous le moteur et la boîte de vitesses.
3. Débranchez l'accouplement reliant les arbres.
4. Utilisez un système de nivellement laser ou deux indicateurs de type montre pour mesurer avec précision le désalignement.
5. Ajustez la position du moteur/boîte de vitesses en ajoutant ou en retirant des cales métalliques calibrées (curseurs) sous les cliquets.
6. Déplacez le moteur/réducteur horizontalement à l'aide d'outils spéciaux pour obtenir des valeurs de désalignement acceptables (< 0,05 mm radialement et angulairement).
7. Serrer les boulons d'ancrage du moteur/réducteur à la fondation au couple spécifié par le fabricant (par exemple M12 : 80 Nm, M16 : 160 Nm).
8. Revérifiez l'alignement après le serrage, car le serrage peut entraîner de légers changements.
9. Branchez l'embrayage, vérifiez son état.
10. VÉRIFICATION : Faites fonctionner l'équipement et répétez l'analyse vibratoire et la thermographie. Le niveau de vibration devrait diminuer considérablement et la température devrait se normaliser.

8.2. Remplacement des roulements

1. ⚠ SÉCURITÉ : Suivez la procédure LOTO. Vidangez la graisse (si le démontage est prévu).
2. Démontez le réducteur de l'équipement si le remplacement complet des roulements n'est pas possible sur place.
3. Démontez le carter de la boîte de vitesses en suivant les instructions du fabricant.
4. ⚠ PROTECTION : Protégez les surfaces exposées de la contamination.
5. Retirez les roulements endommagés avec un extracteur approprié. NE PAS UTILISER DE MÉTHODES D'IMPACT QUI PEUVENT ENDOMMAGER L'ARBRE OU LE LIEU D'ATTERRISSAGE.
6. Nettoyer soigneusement les sièges de roulement sur l'arbre et dans le boîtier. Vérifiez-les pour l'absence de dommages, de bavures, de production.
7. Chauffez les roulements neufs à une température de 80 à 100°C (par exemple dans un chauffage à induction ou dans un bain d'huile) pour faciliter la mise en place sur l'arbre. NE PAS SURCHAUFFER !
8. Installez les roulements sur les arbres à l'aide d'outils de montage spéciaux ou d'une presse hydraulique.
9. Assembler la boîte de vitesses en respectant les couples de serrage des vis du boîtier (par exemple M10 : 50 Nm, M14 : 120 Nm) et en ajustant les jeux.
10. Remplir de lubrifiant neuf du type et du volume recommandés par le fabricant (chapitre 8.4).
11. VÉRIFICATION : Démarrer l'équipement. Surveillez le bruit, les vibrations et la température des roulements. La température devrait se stabiliser après quelques heures de fonctionnement.

8.3. Réparation/remplacement des engrenages et réglage du jeu

1. ⚠ SÉCURITÉ : Suivez la procédure LOTO. Égoutter l'huile.
2. Démonter la boîte de vitesses et démonter son carter.
3. Effectuez une inspection visuelle de tous les engrenages. Remplacer les engrenages endommagés (avec éclats, piqûres importantes, fissures) ou trop usés.
4. Nettoyez tous les composants des vieux lubrifiants et de la saleté.
5. Lors du remplacement des engrenages, veillez à utiliser des pièces de rechange conformes aux spécifications du fabricant (matériau, classe de précision, traitement thermique). Les pièces de rechange certifiées par UkrSEPRO sont recommandées.
6. Installez de nouveaux engrenages et ajustez l'écart latéral (jeu) entre les dents. Utilisez un indicateur de type montre et/ou une jauge. L'écart doit être dans les limites spécifiées par le fabricant (par exemple, 0,10-0,20 mm). Le réglage peut être effectué à l'aide d'entretoises ou par déplacement des ensembles de roulements.
7. Appliquez une fine couche de marqueur sur la surface des dents pour vérifier le point de contact. Faites tourner l'engrenage à la main et évaluez l'emplacement et la taille de la zone de contact. Il doit être symétrique et couvrir 70 à 80 % de la longueur de la dent.
8. Assemblez la boîte de vitesses en serrant toutes les fixations au couple recommandé.
9. Ajouter de l'huile fraîche.
10. VÉRIFICATION : Faire tourner la boîte de vitesses au ralenti, puis progressivement en charge. Contrôlez le bruit, les vibrations et la température. Effectuer une analyse vibratoire pour confirmer l’absence de pics au GMF.

8.4. Restauration du système de lubrification

1. ⚠ SÉCURITÉ : Suivez la procédure LOTO.
2. Vidangez complètement l'ancienne graisse de la boîte de vitesses.
3. Rincer les cavités internes de la boîte de vitesses avec une graisse de rinçage spéciale ou un solvant recommandé si la graisse est fortement contaminée ou dégradée. Suivez les instructions du fabricant du détergent.
4. Remplacez tous les filtres à huile et joints d'huile s'ils sont endommagés ou s'ils fuient.
5. Remplir de graisse fraîche dont la nature et la viscosité correspondent parfaitement aux spécifications du fabricant de la boîte de vitesses et aux conditions d'utilisation (par exemple ISO VG 220 pour charges modérées, ISO VG 320 pour charges lourdes). Utilisez des lubrifiants conformes à la norme DSTU ISO 3448.
6. Vérifiez le niveau d'huile à l'aide d'une jauge ou d'un voyant. Le niveau doit être compris entre les notes minimales et maximales.
7. VÉRIFICATION : Démarrer le réducteur. Vérifiez la température, assurez-vous qu'il n'y a pas de fuite. Après 50 à 100 heures de fonctionnement, il est recommandé de prélever un échantillon de lubrifiant pour une analyse de contrôle afin de confirmer la pureté et l'absence de dégradation rapide.

9. Précautions

10. Pièces de rechange et composants

Le remplacement rapide des composants usés est critique pour la longévité de la boîte de vitesses. Faites attention à la qualité et à la conformité des composants aux normes (par exemple, roulements selon ISO, joints selon EN). Toutes les pièces de rechange doivent avoir des certificats de qualité appropriés, y compris UkrSEPRO pour le marché ukrainien.

Toutes les pièces de rechange et lubrifiants nécessaires qui répondent aux normes internationales et disposent des certificats nécessaires sont disponibles dans le catalogue électronique UNITEC-D : https://www.unitecd.com/e-catalog/

11. Liens

• DSTU ISO 10816-1:2003 : Vibrations. Évaluation des vibrations des machines à partir des résultats de mesures sur des pièces non rotatives.
• DSTU ISO 2909:2009 : Pétrole et produits pétroliers. Calcul de l'indice de viscosité par viscosité cinématique.
• DSTU ISO 3104:2008 : Produits pétroliers. Liquides transparents et opaques. Détermination de la viscosité cinématique et calcul de la viscosité dynamique.
• DSTU ISO 3448:2009 : Lubrifiants liquides industriels. Classement de viscosité ISO.
• ISO 4406:1999 : Transmission de puissance hydraulique. liquides Méthode de codage du niveau de pollution par des particules solides.
• ISO 492:2014 : Roulements à rouleaux. Roulements radiaux. Tolérances
• Manuels originaux pour le fonctionnement et l'entretien des boîtes de vitesses UNITEC-D GmbH.
• Guides UNITEC-D : https://www.unitecd.com/maintenance-guides/