Analyse des causes premières de défaillance d'un joint claveté : contraintes, ajustements et ruine par fatigue

Introduction : symptômes d'arrêt d'urgence

Pendant l'inspection planifiée du réducteur de la machine à mélanger sur la ligne de mélange chimique, un jeu critique a été détecté sur l'arbre d'entrée du réducteur. Le bruit de fonctionnement du mécanisme s'est transformé en un cliquetis métallique dont la fréquence corrélate avec la vitesse de rotation de l'arbre (1450 tr/min). Le contrôle thermique a montré une élévation locale de la température dans la zone de liaison arbre-étai jusqu'à 85 °C, contre 45 °C nominale. La démontage du composant a révélé un cisaillement complet de la gâchette prismatique ainsi qu'un important usure du renfoncement de la gâchette sur l'arbre. En tant que moteur d'entraînement, un moteur électrique avec appareillage de démarrage, notamment des contacteurs et des relais d'interface du type Telemecanique KXA 04PM42, qui assuraient des charges cycliques réversibles.

Vue du composant et conditions d'exploitation

Joint d'arbre à clavette destiné à transmettre le moment de torsion de l'arbre vers l'arbre de la roue travail ou du courroie par emboîtement dans les rainures de l'arbre et de la pièce montée. Le joint est situé sur l'arbre rapide/arbre intermédiaire du réducteur avec un moment de torsion nominal de 320 Nm.

Paramètres de l'environnement de travail

• Température de fonctionnement : de -10 °C à +65 °C (prise en compte de la chaleur du moteur).
• Fréquence de charge : mode réversible, jusqu'à 120 cycles par heure.
• Matériau de l'arbre : acier 40Х (DSTU 4543 / EN 1.7045), dureté 28-32 HRC.
• Matériau de la clé: acier 45 (DSTU 1050 / EN 1.0503), résistance à la rupture temporaire $\sigma_v = 600$ MPa.

Preuves de défaillance (examen et mesure)

Un examen visuel et instrumental du composant défectueux a fourni les données suivantes :

1. La gâchette est divisée en deux parties dans la section transversale selon la ligne de coupe, sur la surface de rupture on observe clairement des traces de fatigue — zone de fissure de fatigue développée (zone de sable) et zone de rupture finale rapide (environ 30% de la surface).
2. Mesure du diamètre de l'arbre à l'aide d'un micromètre dans la zone de montage a montré une ovalité de 0,04 mm, alors que la déviation autorisée est de 0,012 mm (conformément à ISO 286).
3. Rainure de clavette du arbre fendue sur la largeur : dimension nominale 12 mm augmentée à 12,35 mm.
4. L'analyse de vibration avant la défaillance a détecté une augmentation des pics de vitesse vibratoire dans la plage de 1X et 2X des fréquences de rotation jusqu'à 7,8 mm/s (selon ISO 10816-3, état "Interdiction d'exploitation").

Investigation des causes premières

Pour déterminer la chaîne d'événements ayant conduit à l'incident, la méthode d'analyse de l'arbre des causes (Fault Tree Analysis) et l'analyse selon la méthode 5 Pourquoi (5 Whys) ont été appliquées.

Chaîne d'analyse 5 Pourquoi :
1. Pourquoi la clavette a-t-elle été sectionnée ? — En raison d'une surcharge par des efforts de cisaillement.
2. Pourquoi les efforts ont-ils dépassé les valeurs calculées ? — Des charges impactantes sont survenues en raison d'un jeu dans l'assemblage.
3. Pourquoi un jeu s'est-il créé ? — L'ajustement de la vis sur l'arbre avait un excès de jeu au lieu d'un serrage garanti (ajustement avec jeu H7/h6 au lieu d'un ajustement transitionnel P7/h6).
4. Pourquoi un ajustement incorrect a-t-il été utilisé ? — Les tolérances de traitement mécanique n'ont pas été respectées lors du précédent réparations et les exigences du standard ISO 286.
5. Pourquoi cela n'a-t-il pas été détecté à temps ? — Il y avait un manque de contrôle réglementaire de l'état de la fixation et de la mesure de la vibration.

Causes identifiées (liste triée)

Actions correctives et préventives

• Réparation immédiate (court terme) : Fabrication d'un nouveau arbre avec restauration de la géométrie de l'axe jusqu'au classement de précision h6. Fabrication d'une nouvelle clavette prismatique en acier 40X (traité thermiquement à 35-40 HRC conformément à EN 10083-3). Application d'une montage transitionnelle conformément à ISO 286-1.
• Prophylaxie à long terme (Long-term) : Passage aux liaisons sans clé (raccords de type Ringfeder) pour les unités avec modes de fonctionnement réversibles. Mise en place d'un monitoring permanent de la vibration et de l'état thermique des unités à roulements et des arbres.

Liste de vérification rapide de diagnostic pour le personnel technique

Ce checklist est destiné à être utilisé sur tablette directement en atelier pendant l'inspection mensuelle (Maintenance & Reliability) :

1. Vérifier l'état de la couche de peinture et les signes de dépôt de rouille (poussière rouge) autour de la matrice (signe de fretting-corrosion).
2. Mesurer le débat radial de l'arbre à l'aide d'un indicateur de type horloger (tolérance ne dépassant pas 0,03 mm).
3. Effectuer un contrôle vibratoire du carter de réducteur (analyse spectrale sur les fréquences de déphasage et de déséquilibre).
4. Vérifier la température du nœud avec un pyromètre sans contact (seuil d'alarme : >60 °C).
5. Vérifier le moment de serrage des vis de blocage et de la fixation axiale (si des joints axiaux sont utilisés).
6. Vérifier l'état de l'appareillage de commutation, y compris les circuits de puissance et le moteur Telemecanique KXA 04PM42, en l'absence de déséquilibres de phase.
7. Vérifier l'absence de sons anormaux et de bruits lors du démarrage et de l'arrêt de l'équipement.
8. Enregistrer les résultats des mesures dans le journal numérique de maintenance préventive (CMMS).

Stratégie de prévention des pannes

Pour atteindre l'indicateur cible de fiabilité MTBF supérieur à 25 000 heures, il faut respecter les normes suivantes :

• Intervalle de vérification des moments de serrage et des jeux : toutes les 1 000 heures de fonctionnement.
• Fréquence de la diagnostic vibrationnelle : mensuelle.
• Respect des normes d'assemblage : ISO 286 (ajustements), DSTU 23360 (clavettes prismatiques).
• Utilisation exclusive d'éléments de transmission certifiés. L'ensemble complet des composants standards pour réparation et modernisation est disponible via UNITEC-D E-Catalogue.

Conclusion

L'analyse a montré que la cause principale de la défaillance de la liaison clé était un complexe de facteurs : l'incidence des tolérances de montage lors du précédent réparations, qui a entraîné un jeu libre et des micro-choques, ainsi que les charges cycliques dues au fonctionnement de l'entraînement électrique. Le strict respect des tolérances conformément à ISO 286, l'utilisation d'aciers alliés de qualité et un suivi régulier de la vibration éliminent entièrement le risque de pannes critiques sur les entreprises industrielles ukrainiennes. Pour le choix des composants compatibles et la commande de pièces de rechange de qualité, utilisez UNITEC-D E-Catalog.

Liste de la littérature

1. DSТU 23360-78 (ISO 773-69) Connexions à clavettes prismatiques. Dimensions.
2. ISO 286-1:2010 Spécifications géométriques des produits (GPS) - Système ISO de codage pour les tolérances sur les dimensions linéaires.
3. DSТU EN 10083-3:2019 Aciers pour trempe et revenu. Partie 3 : Aciers alliés.
4. ISO 10816-3:2009 Vibrations mécaniques - Évaluation des vibrations de machine par mesure sur les parties non tournantes.
5. Manuel de fiabilité des machines et mécanismes d'équipement industriel, éd. prof. M. I. Kovaly, Kiev, 2021.