Analyse des causes premières de fuite de graisse dans les réducteurs : joints, ventilation et erreurs de montage

1. Introduction

L'écoulement de graisse à travers l'arbre d'un réducteur industriel est un symptôme souvent perçu comme une simple problématique esthétique. Dans les entreprises ukrainiennes des secteurs minier-extractif et cimentier, les soudeurs sont souvent limités à l'ajout de graisse ou à la simple remplacement de la manchette sans identifier la cause réelle de la défaillance. Cependant, une approche superficielle de ce type entraîne inévitablement un récidive après 200 à 500 heures de fonctionnement. Dans ce rapport technique, nous effectuerons une expertise technique judiciaire d'un cas typique d'écoulement de graisse dans un réducteur conique-cylindrique à fort mode de fonctionnement.

L'objet de notre étude est le principal moteur du convoyeur à bande sur la usine de traitement des minerais. Le retour de graisse sur l'arbre d'entrée a été détecté trois semaines après la réparation planifiée. La station de surveillance de vibration a signalé une augmentation des niveaux d'accélération vibratoire à haute fréquence dans l'ensemble du roulement, et la température du carter dans la zone du joint d'étanchéité a atteint +82°C, alors que la valeur nominale est de +65°C. Notre objectif est d'analyser la chaîne d'événements ayant conduit à la défaillance prématurée du joint SKF 1009103, et de proposer des solutions techniques conformes aux normes ISO et EN.

2. Aperçu du composant

Joint d'arbre radial (joint renforcé) exerce une fonction critique pour retenir le fluide lubrifiant à l'intérieur du boîtier de réducteur et pour protéger la cavité interne contre la poussière abrasive, l'humidité et les débris. Dans notre cas, le composant SKF 1009103 est utilisé, conçu pour fonctionner dans des conditions de charges axiales et radiales élevées.

• Dimensions de l'emplacement d'installation : conformément à ISO 6194 et DIN 3760.
• Matériau de la bordure de joint d'étanchéité : caoutchouc fluoré (FKM / Viton), résistant à une utilisation prolongée dans une plage de température allant de -40°C à +200°C.
• Milieu de fonctionnement : huile synthétique à base de polyalphaoléfines (PAO) de la classe de viscosité ISO VG 220 avec additifs anti-usure (EP).
• Vitesse de glissement sur la surface de l'arbre : 12,5 m/s.
• Pression de travail dans la carter : de -0.05 à +0.1 bar.

Le joint est installé dans le couvercle d'origine de la réduction directement avant la sortie de l'arbre vers la courroie de transmission. Les conditions d'exploitation sur l'entreprise sont difficiles : la poussière dans l'air atteint 45 mg/m³, et les variations quotidiennes de la température ambiante varient de -15°C en hiver à +35°C en été dans un atelier non chauffé.

3. Preuves de défaillance

Pendant la démontage du module sur la machine et l'inspection au moyen d'un objectif d'agrandissement (10x), l'équipe technique a enregistré les données suivantes :

• État de la bordure en caoutchouc : Un durcissement thermique et des microfissures sont observés sur la bordure du joint SKF 1009103. La bordure présente un usure uniforme sur la courbe, mais sa flexibilité a été perdue à 70 %.
• État de la gorge de l'arbre : Une rainure annulaire de 0,22 mm de profondeur et de 3,5 mm de largeur a été détectée sur l'arbre au niveau du contact avec la face de travail de l'joint. La rugosité de la surface de l'arbre dans la zone d'usure dépassait la valeur autorisée et était de $R_a = 0,95$ µm au lieu des valeurs normales $R_a = 0,20 \dots 0,40$ µm (conformément à ISO 4287).
• Ressort de bride : Ressort à ressort spiralé déplacé du canal d'installation et partiellement déformé. La tension du ressort a diminué de 40 % par rapport à la force initiale.
• Analyse d'huile : Le taux de particules solides (silice provenant de la poussière de minerai) était de 0,18 % en masse, ce qui est 6 fois supérieur à la norme admise pour ce composant.

Les données de contrôle vibratoire avant l'arrêt montraient des pics spectraux aux fréquences de rotation de l'arbre (1X) et des harmoniques liés à un déséquilibre local et à un balancement de l'arbre (le balancement radial était de 0,08 mm avec une tolérance de 0,03 mm).

4. Étude des causes premières

Pour un analyse systématique, nous avons appliqué la méthode des diagrammes d'Ishikawa («os de poisson») et la technique «5 Pourquoi». Quatre catégories principales de facteurs ont été identifiées : matériau, méthode d'assemblage, état du matériel et environnement externe.

1. Pourquoi l'étanchéité a-t-elle perdu son étanchéité ? En raison de la perte d'élasticité de la face de travail et de l'apparition d'un espace entre celle-ci et l'arbre.
2. Pourquoi la bavure s'est-elle dégradée ? En raison de surchauffe dans la zone de contact jusqu'à une température supérieure à +90°C.
3. Pourquoi y a-t-il un surchauffe local ? En raison de l'absence de déport suffisant de la chaleur et d'un frottement accru en raison de l'usure de l'articulation de l'arbre et des déformations.
4. Pourquoi une rainure s'est-elle formée sur l'arbre ? Des particules abrasives de poussière ont pénétré sous le bord de l'anneau et ont agi comme une pâte de polissage du métal.
5. Pourquoi l'abrasif est-il entré en contact avec l'arête ? La graisse du réducteur était bouchée par du poussière de processus, ce qui a entraîné la création d'une surpression des gaz de carter chauds (jusqu'à +0,4 bar), l'éjection de la graisse vers l'extérieur et la création d'un effet de soufflage de saleté lors du refroidissement.

5. Causes premières identifiées (par ordre de probabilité)

6. Actions correctives et actions préventives

Pour éliminer les défauts détectés et prévenir les arrêts de la ligne de production, un plan d'actions techniques a été développé :

• Réparation d'urgence (Réparation immédiate) : Démontage de la réduction, usinage de l'arbre jusqu'à la dimension de réparation ou installation d'un tuyau de réparation rapide (speedi-sleeve). Remplacement du joint SKF 1009103 par un nouveau conformément à l'instruction de montage SKF. Remplacement du siphon par un modèle avec filtre de filtration fine intégré (classe de filtration 3 µm).
• Prévention à long terme : Mise en place d'un contrôle régulier de la dépression dans la carter de réducteur. Passage aux matières lubrifiantes synthétiques à haut indice de viscosité et résistantes à la dégradation conformément à ISO 12925-1 (catégorie CKD).

7. Liste de vérification rapide pour les techniciens

Ce check-list est destiné à être utilisé par les soudes et les ingénieurs de fiabilité directement sur le site, à l'aide d'un tablette ou d'un terminal mobile :

1. [ ] Vérifier la température du boîtier dans la zone des roulements et des joints à l'aide d'un pyromètre (norme : jusqu'à +70°C).
2. [ ] Évaluer le niveau et l'état de l'huile via la vitre d'observation (présence d'une emulsion, de mousse, de dépôt sombre).
3. [ ] Vérifier le libre mouvement de l'air à travers le siphon (absence d'obstruction par des débris ou de la poussière).
4. [ ] Mesurer les vibrations avec un vibromètre portatif sur trois axes mutuellement perpendiculaires (contrôle du spectre à haute fréquence).
5. [ ] Examiner le vileau de sortie pour la présence de traces de graisse, de poussière collée autour de la couverture.
6. [ ] Vérifier la coïncidence de l'arbre du réducteur et de la machine connectée à l'aide d'un système de centrage laser (déplacement autorisé inférieur à 0,05 mm).
7. [ ] Vérifier le moment de serrage des boulons de fixation des couvertures des roulements et du carter de réducteur à l'aide d'une clé dynamométrique.
8. [ ] Effectuer un analyse spectrale de l'échantillon d'huile pour détecter la présence de produits d'usure (Fe, Cu, Cr) toutes les 6 mois.

8. Stratégie de prévention pour l'avenir

Pour atteindre l'indicateur de fiabilité du réducteur (MTBF d'au moins 40 000 heures de fonctionnement), il est nécessaire d'intégrer les pratiques suivantes :

• Intervalle de maintenance : Remplacement complet des joints et révision des emplacements de montage toutes les 12 000 heures de fonctionnement ou une fois tous les deux ans.
• Surveillance de l'état : Installation de capteurs fixes de vibration et de température avec transmission des signaux vers le système SCADA de l'entreprise pour la détection précoce des défauts des roulements.
• Amélioration de la conception : Application de joints à deux étapes avec manchette de protection (buse de poussière) et graisse consistante barrière entre les joints pour une utilisation dans des conditions de poussière abrasive des usines de production cimentière.

9. Conclusion

L'huilage dans un réducteur de l'industrie lourde est toujours le résultat d'un déséquilibre dans le triangle « pression-temperature-écart mécanique ». Le remplacement uniquement du joint sans vérification du bouchon et sans contrôle du débattement radial de l'arbre est une dépense inefficace. Le respect des réglementations d'assemblage selon les normes ISO et l'utilisation de composants certifiés garantissent un fonctionnement sans interruption des équipements industriels.

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10. Références

• ISO 6194-1:2007 — Joint à lèvre pour arbres tournants incorporant des éléments de scellement élastomères.
• DIN 3760 — Anneaux d'étanchéité pour arbres à axe radial, pour applications industrielles.
• ISO 4287:1997 — Spécifications géométriques des produits (GPS) — Texture de surface : Méthode du profil.
• ISO 12925-1:2018 — Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L) — Famille C (engrenages).
• Catalogue général SKF : Joint d'arbre industriels et instructions d'installation.