Production Maintenance 80

MAINTENANCE MÉCANIQUE

MAINTENANCE MÉCANIQUE OUTILS Un outil performant de mesure de couples sur lignes d’arbres pour le diagnostic sur les machines tournantes Dans l’industrie, certaines lignes d’arbre subissent de très fortes sollicitations mécaniques en torsion, pouvant aller jusqu’à la casse. Si des mesures vibratoires effectuées sur les paliers sont utiles mais il est parfois nécessaire de déployer d’autres techniques d’investigations. Cet article présente deux cas de broyeurs ayant subi des ruptures d’arbres, permettant de voir la mise en œuvre des mesures de torsion et les résultats obtenus. Le couple transmis par un arbre se compose d’une composante continue et d’une composante dynamique. La composante continue représente le couple moyen transmis par le moteur à la machine entrainée. Cette valeur est reliée à la puissance du moteur et la vitesse de rotation, et peut donc se déduire de mesures électriques sur le moteur, au rendement près. La composante dynamique du couple correspond aux fluctuations de celui-ci autour de sa valeur moyenne. Ces fluctuations peuvent être périodiques lorsqu’elles sont liées aux différents efforts mécaniques (rotations, engrenages…) aléatoires (process, matière…) ou transitoires (à-coup de démarrage…). Ces fluctuations peuvent être amplifiées par la réponse des modes propres de torsion des lignes d’arbres : on parle alors de résonance torsionnelle. MISE EN ŒUVRE DES MESURES DE COUPLE On mesure les contraintes de torsion d’une ligne d’arbre à l’aide de jauges de microdéformations. C’est un fil conducteur dont la résistance varie avec son allongement. Puisque la jauge est collée sur un arbre tournant, il faut embarquer sur l’arbre le pont de Wheastone, son alimentation, et l’émetteur FM ou wifi. Le lien entre la microdéformation et la contrainte est réalisé par calcul, en connaissant la géométrie de l’arbre à l’endroit des jauges et la nature de l’acier. Jauge de microdéformation pour mesure de couple ÉTUDES DE CAS SUR DEUX BROYEURS À BOULETS Ces broyeurs se trouvent dans plusieurs process : cimenterie, centrales à charbon… Ils sont composés d’un moteur électrique, d’un système d’engrenages pour augmenter le couple et permettre la rotation d’une virole remplie de plusieurs tonnes de boulets qui vont broyer la matière. Un démarreur électrolytique permet de réduire progressivement la résistance du rotor du moteur en abaissant des électrodes dans une cuve d’électrolyte, avant de mettre le rotor en court-circuit. Emetteur FM embarqué et antenne réceptrice fixe Les efforts dynamiques torsionnels peuvent en réalité être mis en évidence de différentes façons : directement par la mesure du couple dynamique, ou indirectement par la mesure de la vitesse de rotation instantanée, ou encore par les modulations du courant moteur. 58ı PRODUCTION MAINTENANCE • N°80 • février - mars - avril 2023

MAINTENANCE MÉCANIQUE En raison des fortes valeurs de couple à transmettre et du nombre important de démarrages / arrêts, les arbres des réducteurs sont couramment victime de casses. Arbre cisaillé suite à une fatigue torsionnelle Pour le premier cas, les mesures de couple et de vitesse révèlent des fluctuations très importantes sur les premières secondes du démarrage puis à nouveau lorsque la vitesse diminue légèrement du fait de la prise de charge. Il apparait donc que l’amplitude des fluctuations est corrélée à la vitesse de rotation du broyeur. La cinématique montre que la périodicité de ces fluctuations correspond à la fréquence d’un des engrenages du broyeur. Cette typologie est typique d’un phénomène de résonance torsionnelle : une fréquence d’un engrenage vient exciter une fréquence propre de torsion créant ainsi une amplification des fluctuations. Courbes de couple et de vitesse au démarrage – Résonance torsionnelle La répétition de ce phénomène à chaque démarrage engendre une rupture par fatigue. Pour ce second cas, le couple ne présente pas de fluctuations dans la phase de démarrage hormis sur les premières secondes. En revanche, un à-coup important est relevé lorsque le démarreur est court-circuité par la fermeture d’un contacteur. Cet à-coup génère un sur-couple transitoire équivalent à 320 % de la valeur du couple nominal et peut, en répétant les démarrages, initier une fissuration d’arbre. Le profil de la vitesse de rotation permet d’expliquer ce phénomène : en quelques centièmes de secondes, la vitesse augmente de 90 tr/ min ce qui est très important au regard des inerties de l’installation. Courbes de couple et vitesse au démarrage - Sur-couple et brutale augmentation de vitesse à la fermeture du contacteur Ce phénomène est dû à une résistance trop importante avant la mise en courtcircuit du rotor (fermeture du contacteur) empêchant l’installation d’approcher suffisamment sa vitesse nominale. Nos préconisations portent alors sur le démarreur et notamment le contrôle de la concentration de l’électrolyte, élément essentiel à la maitrise de la valeur de résistance. Nous avons alors accompagné notre client, à travers de simples mesures de vitesse et d’intensité du moteur, pour valider ces investigations. Les premières opérations réalisées n’ont pas permis de résoudre complètement le Courbes de vitesse et d’intensité moteur au démarrage problème, comme le montre les courbes ci-dessous. Le courant moteur présente encore un pic à 260 % de sa valeur nominale lié à une augmentation de la vitesse de 50 tr/min lors du court-circuitage du rotor. Finalement, une oxydation trop importante des électrodes du démarreur a été détectée. Leur décapage a permis de retrouver un comportement sain de l’installation dans les phases de démarrage et d’écarter les risques de casses. En conclusion, les mesures torsionnelles sont un outil puissant de diagnostic de l’état mécanique et électrique de machines industrielles. Ces techniques sont très complémentaires aux analyses vibratoires. La mesure de couple nécessite que les arbres à instrumenter soient accessibles, et demande un arrêt de la machine pour mettre en place la chaîne de mesure. Elle permet de diagnostiquer et de quantifier précisément les phénomènes en œuvre en cas de fissures affectant un arbre, en mesurant les composantes statiques et dynamiques du couple. Les mesures de vitesse instantanée et les mesures électriques restent plus simples de mise en œuvre et sont déjà suffisantes dans de nombreux cas pour identifier et suivre des problématiques torsionnelles ● Xavier Thomas Responsable technique de EES – Dynae (xavier.thomas@eiffage.com) PRODUCTION MAINTENANCE • N°80 • février - mars -avril 2023 ı59