Qu'est-ce qu'une fissure d'arbre ? Détection et diagnostic • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors. Qu'est-ce qu'une fissure d'arbre ? Détection et diagnostic • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors.

Qu'est-ce qu'une fissure d'arbre ? Détection et diagnostic

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Comprendre les fissures d'arbre dans les machines tournantes

Définition : Qu'est-ce qu'une fissure d'arbre ?

A fissure de l'arbre Il s'agit d'une fracture ou d'une discontinuité dans un arbre rotatif, due à la fatigue, à une concentration de contraintes ou à des défauts de matériau. Les fissures naissent généralement en surface et se propagent vers l'intérieur, perpendiculairement à la direction de la contrainte de traction maximale. Dans les machines tournantes, les fissures d'arbre sont extrêmement dangereuses, car elles peuvent évoluer d'un petit défaut indétectable à une fracture complète de l'arbre en quelques heures ou quelques jours, pouvant entraîner une défaillance catastrophique de l'équipement.

Les fissures du puits produisent des vibration signatures, notamment une composante caractéristique 2× (deux fois par tour) qui apparaît à mesure que la fissure se développe. Détection précoce grâce analyse des vibrations est essentiel pour éviter une défaillance complète de l’arbre et les risques de sécurité associés.

Causes courantes des fissures d'arbre

1. Fatigue due aux contraintes cycliques

La cause la plus fréquente, notamment dans les machines tournantes :

  • Fatigue en flexion : Un arbre rotatif avec une rigidité ou des charges inégales crée une contrainte de flexion cyclique
  • Fatigue torsionnelle : Couple oscillant dans les arbres de transmission de puissance
  • Fatigue à cycles élevés : Des millions de cycles de stress s'accumulent au fil des années de fonctionnement
  • Concentration de stress : Les rainures de clavette, les trous, les congés et les discontinuités géométriques concentrent les contraintes

2. Conditions de fonctionnement

  • Excessif Déséquilibrer: Les forces centrifuges élevées créent des contraintes de flexion
  • Désalignement: Les moments de flexion dus au désalignement accélèrent la fatigue
  • Opération de résonance : Fonctionnant à ou à proximité vitesses critiques crée des déflexions élevées
  • Surcharge: Fonctionnement au-delà des limites de conception
  • Contrainte thermique : Cycles de chauffage/refroidissement rapides ou gradients thermiques

3. Défauts de matériaux et de fabrication

  • Inclusions matérielles : Scories, vides ou matières étrangères dans le matériau de l'arbre
  • Traitement thermique inapproprié : Trempe ou revenu inadéquat
  • Défauts d'usinage : Marques d'outils, entailles ou rayures créant des points de contrainte
  • Piqûres de corrosion : Corrosion de surface créant des sites d'initiation de fissures
  • Fretting: Au niveau des interfaces à emmanchement serré ou des rainures de clavette

4. Événements opérationnels

  • Événements de survitesse : Survitesse d'urgence ou accidentelle créant des contraintes élevées
  • Frottements sévères : Contact générant de la chaleur et concentration locale des contraintes
  • Charge d'impact : Charges soudaines dues à des perturbations de processus ou à des chocs mécaniques
  • Réparations précédentes : Soudage ou usinage introduisant des contraintes résiduelles

Symptômes de vibration d'un arbre fissuré

Le composant caractéristique 2×

La signature vibratoire caractéristique d'un arbre fissuré est une 2× (seconde harmonique) composant:

Pourquoi une vibration 2× se développe

  • Une fissure s'ouvre et se ferme deux fois par tour lorsque l'arbre tourne
  • Lorsque la fissure est en compression (bas de rotation), la rigidité est plus élevée
  • Lorsque la fissure est en tension (sommet de rotation), la fissure s'ouvre, la rigidité est plus faible
  • Ce changement de rigidité deux fois par tour crée une force 2×
  • L'amplitude 2× augmente à mesure que la fissure se propage et que l'asymétrie de rigidité augmente

Indicateurs de vibrations supplémentaires

  • 1× Modifications : Augmentation progressive des vibrations 1× dues à la rigidité modifiée et à l'arc résiduel
  • Harmoniques supérieures : 3×, 4× peuvent apparaître à mesure que la gravité des fissures augmente
  • Déphasages: Changements d'angle de phase au démarrage/au ralentissement ou à différentes vitesses
  • Comportement dépendant de la vitesse : Les vibrations peuvent changer de manière non linéaire avec la vitesse
  • Sensibilité à la température : Les vibrations peuvent être corrélées à l'ouverture/fermeture des fissures dues à la dilatation thermique

Caractéristiques de démarrage/d'arrêt

  • Le composant 2× présente un comportement inhabituel lors des transitoires
  • Peut montrer deux pics dans Diagramme de Bode (à 1/2 de chaque vitesse critique)
  • Les changements de phase du composant 1× peuvent différer de la réponse normale au déséquilibre

Méthodes de détection

Surveillance des vibrations

Analyse des tendances

  • Surveiller le rapport 2X/1X au fil du temps
  • L'augmentation progressive de l'amplitude 2× est un signe d'avertissement
  • Un ratio 2X/1X > 0,5 justifie une enquête
  • Des changements soudains dans le modèle de vibration sont suspects

Analyse spectrale

  • Régulier FFT analyse montrant les harmoniques
  • Comparer les spectres de base actuels aux spectres de base historiques
  • Surveillez l'émergence ou la croissance d'un pic 2×

Analyse transitoire

  • Parcelles en cascade pendant le démarrage/l'arrêt
  • Diagrammes de Bode montrant l'amplitude et la phase en fonction de la vitesse
  • Comportement inhabituel lors des passages à vitesse critique

Méthodes sans vibration

1. Inspection par particules magnétiques (MPI)

  • Détecte les fissures superficielles et proches de la surface
  • Nécessite une surface d'arbre accessible
  • Haute fiabilité pour la détection des fissures
  • Une partie des inspections de maintenance de routine

2. Contrôle par ultrasons (UT)

  • Détecte les fissures internes et superficielles
  • Peut détecter les fissures avant qu'elles ne produisent des symptômes de vibration
  • Nécessite un équipement spécialisé et du personnel formé
  • Recommandé pour les arbres critiques

3. Inspection par ressuage

  • Méthode simple pour la détection des fissures de surface
  • Nécessite un nettoyage et une préparation de surface
  • Utile pour les zones accessibles en cas de panne

4. Essais par courants de Foucault

  • Détection de fissures de surface sans contact
  • Idéal pour l'inspection automatisée
  • Efficace sur les matériaux non magnétiques et magnétiques

Réponse et mesures correctives

Actions immédiates en cas de détection

  1. Augmenter la fréquence de surveillance : Du mensuel à l'hebdomadaire ou au quotidien
  2. Réduire la sévérité des opérations : Réduisez la vitesse ou la charge si possible
  3. Plan d'arrêt : Planifiez la réparation ou le remplacement dès que possible en toute sécurité
  4. Effectuer une EMI : Confirmer la présence de fissures et évaluer leur gravité
  5. L'évaluation des risques: Déterminer si la poursuite de l'exploitation est sûre

Solutions à long terme

  • Remplacement de l'arbre : La solution la plus fiable pour les fissures confirmées
  • Réparation (cas limités) : Certaines fissures peuvent être éliminées par usinage et renforcement avec de la soudure (nécessite une évaluation par un expert)
  • Analyse des causes profondes : Identifier la cause de la fissure pour éviter sa récidive
  • Modifications de conception : Traiter les concentrations de contraintes, améliorer le choix des matériaux, modifier les conditions de fonctionnement

Stratégies de prévention

Phase de conception

  • Éliminer les angles vifs et les concentrations de contraintes
  • Utiliser des rayons de congé généreux lors des changements de diamètre
  • Spécifier des matériaux appropriés aux niveaux de contrainte et à l'environnement
  • Effectuer une analyse des contraintes par éléments finis
  • Appliquer des traitements de surface (grenaillage, nitruration) pour améliorer la résistance à la fatigue

Phase opérationnelle

  • Maintenir une bonne qualité de l'équilibre pour minimiser les contraintes de flexion cycliques
  • Assurer un alignement précis
  • Éviter le fonctionnement à des vitesses critiques
  • Prévenir les événements de survitesse
  • Contrôler les contraintes thermiques grâce à un échauffement/refroidissement approprié

Phase de maintenance

  • Inspections régulières utilisant des méthodes CND appropriées
  • Programmes de suivi des vibrations pour détecter les premiers symptômes
  • Équilibrage périodique pour minimiser les contraintes de fatigue
  • Prévention de la corrosion et entretien des revêtements

Les fissures d'arbre représentent l'une des défaillances potentielles les plus graves des machines tournantes. La combinaison de la surveillance vibratoire (pour détecter les signatures caractéristiques 2×) et des contrôles non destructifs périodiques constitue la meilleure stratégie pour une détection précoce des fissures, permettant ainsi une maintenance planifiée avant la survenue d'une défaillance catastrophique.

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