Bruit et vibrations du réducteur de grue : diagnostic et maintenance

Les normes de diagnostic de panne et de maintenance présentées dans cet article s'appuient principalement sur les exigences de conception relatives à la capacité de charge et à la classe de fonctionnement du réducteur, telles que définies dans la norme ISO 4301 (ex-ISO 4301 / FEM 1.001) — Règles de conception des appareils de levage, ainsi que sur les critères de réception pour les essais vibratoires et les essais de charge, conformément à la norme ISO 4306 (ex-ISO 4306) — Spécifications pour les essais des appareils de levage. Ces références constituent la base normative pour le dépannage sur site.

Comment identifier les 5 types de bruits anormaux d'un réducteur de grue à l'écoute ?

Le bruit anormal d'un réducteur de grue est le signe avant-coureur le plus facilement détectable par les équipes de maintenance. Un réducteur en bon état de fonctionnement émet un bourdonnement régulier et doux lors de l'engrènement, avec un niveau sonore ne dépassant généralement pas 85 dB(A). Lorsque l'un des 5 types de bruits anormaux suivants se manifeste, une première identification de la pièce défectueuse et de la gravité du problème peut être réalisée par auscultation :

Type 1 : Sifflement aigu. Caractérisé par un son strident et perçant, dont la fréquence se situe généralement entre 1 kHz et 4 kHz et augmente avec la vitesse de rotation. Cela indique généralement une lubrification insuffisante de la surface de la dent ou une rupture du film d'huile, entraînant un contact direct métal sur métal. Les données de maintenance de Kelude Industries Lourdes montrent qu'environ 35 % des défauts de bruit anormal de réducteur sont causés par une lubrification défaillante.

Type 2 : Claquement périodique. Caractérisé par des chocs réguliers dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre. La cause la plus fréquente est la piqûration, l'écaillage ou la rupture de dents sur la surface de la denture, chaque tour provoquant un impact. Des piqûres ou un écaillage sur la piste de roulement ou les corps roulants d'un roulement peuvent également produire un son similaire. Une analyse fréquentielle permet de distinguer s'il s'agit d'une fréquence d'engrènement ou d'une fréquence de roulement.

Type 3 : Grondement sourd. Caractérisé par un bruit grave et continu, accompagné de vibrations visibles du carter. Ce phénomène est souvent dû à un jeu d'engrènement excessif ou à une usure sévère des dents. Il est particulièrement marqué lorsque le jeu latéral dépasse la valeur standard de plus de 0,5 mm. Les réducteurs de grues fonctionnant en continu dans les classes de fonctionnement A6 à A8 sont plus sujets à ce problème.

Type 4 : Grincement intermittent. Caractérisé par un bruit de frottement aigu et irrégulier, semblable à un raclement métallique. Les causes courantes incluent une cage de roulement endommagée, des rouleaux bloqués ou la présence de corps étrangers dans le carter. Dans les cas graves, des fragments de l'élément élastique de l'accouplement peuvent se briser et être entraînés dans la zone d'engrènement.

Type 5 : Frottement continu. Caractérisé par un bruit de sable fin et persistant, de faible intensité mais continu. Il est généralement causé par une huile de lubrification contaminée (teneur en eau excessive ou particules métalliques abondantes) qui aggrave le micro-mouvement d'usure des surfaces de dents. Ce bruit est généralement audible lorsque la concentration de particules dans l'analyse ferrographique de l'huile dépasse 500 ppm.

Pour l'auscultation sur site, un stéthoscope industriel ou un sonomètre associé à une application d'analyse spectrale peut être utilisé pour comparer la forme d'onde sonore collectée aux fréquences caractéristiques de défaillance. L'équipe de service technique de Kelude Industries Lourdes recommande : pour les trois premiers types de bruits, arrêter immédiatement la machine pour inspection ; pour les deux derniers types, une maintenance planifiée peut être envisagée, mais dans un délai maximal de 48 heures.

3 caractéristiques spectrales et critères de maintenance pour les bruits d'engrènement anormaux

Les bruits d'engrènement anormaux d'un réducteur industriel peuvent être localisés avec précision par analyse du spectre de vibrations. La fréquence normale d'engrènement (GMF) est calculée comme suit : GMF = nombre de dents x fréquence de rotation (Hz). Prenons l'exemple du réducteur de palan électrique CD1-10t de Kelude Industries Lourdes : avec une vitesse de moteur de 1400 tr/min (23,3 Hz) et un pignon primaire de 18 dents, la GMF = 18 x 23,3 = 420 Hz. Les 3 caractéristiques spectrales suivantes, observées autour de cette fréquence, indiquent une anomalie :

Cas 1 : Amplitude GMF excessive. Si la vitesse vibratoire de la GMF et de ses harmoniques 2X et 3X dépasse 7,1 mm/s (limite des zones C/D de la norme ISO 10816-3), cela indique une usure ou une piqûration significative de la surface des dents, nécessitant une inspection à découvert.

Cas 2 : Bandes latérales denses autour de la GMF. L'apparition de bandes latérales équidistantes (dont l'espacement est égal à la fréquence de rotation de la roue défectueuse) de part et d'autre de la GMF, avec une amplitude dépassant 30 % de celle de la GMF, indique une excentration de la roue, une erreur de pas ou un arbre cintré. Un comparateur à cadran doit être utilisé pour mesurer le faux-rond radial de la roue, dont la valeur admissible ne doit pas dépasser 0,05 mm.

Cas 3 : Impacts à fréquences non harmoniques. L'apparition dans le spectre de signaux d'impact aléatoires dont les fréquences ne sont pas des multiples entiers de la GMF, avec une forme d'onde temporelle présentant des impulsions marquées, indique généralement une dent cassée ou une cage de roulement rompue. Il s'agit d'une urgence nécessitant un arrêt d'urgence immédiat et une mise hors service pour réparation.

Conformément à la norme ISO 4301 (ex-ISO 4301 / FEM 1.001), l'empreinte de contact de l'engrenage du réducteur sous charge nominale doit être d'au moins 45 % dans le sens de la hauteur de la dent et d'au moins 60 % dans le sens de la longueur. Le jeu latéral standard est de 0,10 à 0,20 mm pour un module de 3 à 6 mm, et de 0,15 à 0,30 mm pour un module de 6 à 10 mm. Tout écart par rapport à ces critères nécessite un réglage immédiat ou le remplacement de la paire d'engrenages.

Comment diagnostiquer les claquements et les échauffements anormaux dus à la défaillance des roulements ?

La défaillance des roulements de réducteur est la deuxième source de bruits anormaux après les problèmes d'engrenages, représentant 28 % des interventions de maintenance après-vente de Kelude Industries Lourdes. Les défauts de roulements peuvent être évalués selon trois dimensions : les caractéristiques acoustiques, la surveillance de température et les paramètres vibratoires.

Caractéristiques acoustiques : L'apparition de piqûres ou d'écaillage sur les bagues intérieure ou extérieure d'un roulement génère des chocs périodiques dont la fréquence caractéristique de défaillance peut être calculée. La fréquence de défaut de la bague intérieure (BPFI) = 0,5 x n x (1 + d/D x cos α) x fr, et celle de la bague extérieure (BPFO) = 0,5 x n x (1 - d/D x cos α) x fr, où n est le nombre de corps roulants, d le diamètre des corps roulants, D le diamètre primitif, et fr la fréquence de rotation de l'arbre. Si la période du bruit de « claquement » entendu sur site correspond au résultat du calcul, le roulement défectueux est identifié.

Surveillance de température : L'échauffement d'un roulement en fonctionnement normal ne doit pas dépasser la température ambiante de plus de 40 °C, avec une température maximale de 80 °C (exigence ISO 4301 / ex-ISO 4301 / FEM 1.001). En mesurant au niveau du palier à l'aide d'un thermomètre infrarouge ou d'une caméra thermique, si la température dépasse ces limites ou si l'écart de température entre les différents paliers d'un même réducteur dépasse 15 °C, cela indique une défaillance de lubrification ou une usure accélérée du roulement concerné.

Paramètres vibratoires : Des capteurs d'accélération sont installés dans les directions radiale et axiale du palier pour mesurer l'accélération vibratoire. Pour un roulement neuf, la valeur normale doit être inférieure à 10 m/s² (RMS), de 10 à 20 m/s² en cas d'usure légère, et supérieure à 30 m/s² en cas d'usure sévère ou de dommage à la cage. Il convient également de surveiller l'apparition des fréquences caractéristiques de défaillance du roulement et de leurs harmoniques dans le spectre d'enveloppe de l'accélération.

Kelude Industries Lourdes recommande d'établir, lors des inspections régulières, un enregistrement des tendances de température et de vibration pour chaque roulement (un dossier par machine). Si la valeur vibratoire augmente de manière continue sur 3 contrôles consécutifs ou si la vitesse d'échauffement dépasse 5 °C par semaine, un remplacement immédiat doit être planifié.

Comment mesurer et corriger les vibrations périodiques dues au défaut d'alignement de l'accouplement ?

Le défaut d'alignement de l'accouplement est la troisième cause de vibrations périodiques d'un réducteur, particulièrement fréquent lorsque des accouplements élastiques à broches ou à diaphragme sont utilisés entre le moteur et l'arbre haute vitesse du réducteur. Le défaut d'alignement se divise en deux catégories : le défaut de parallélisme (décalage radial) et le défaut angulaire (inclinaison axiale). Ces deux types peuvent être distingués par leurs caractéristiques spectrales :

Défaut de parallélisme : Le spectre est dominé par la 2e harmonique de la fréquence de rotation (2X). Les vibrations radiales sont plus importantes que les vibrations axiales. L'amplitude vibratoire augmente significativement avec la charge et peut être peu visible à vide. L'expérience terrain de Kelude Industries Lourdes montre que lorsque l'amplitude de la 2X dépasse 50 % de celle de la 1X, un contrôle de l'alignement radial s'impose.

Défaut angulaire : Le spectre est dominé par la 1re harmonique (1X). Les vibrations axiales sont nettement plus importantes que les vibrations radiales. Le déphasage des vibrations axiales entre les deux extrémités de l'accouplement est d'environ 180 degrés, ce qui peut être confirmé par une analyse de phase à double canal. Un défaut angulaire s'accompagne souvent d'une usure anormale de l'élément élastique de l'accouplement et d'une élévation de température.

Critères de correction : L'alignement est réalisé à l'aide d'un aligneur laser ou d'un comparateur à cadran. L'écart radial entre les deux arbres ne doit pas dépasser 0,05 mm et l'écart angulaire ne doit pas dépasser 0,05 mm/100 mm (soit 0,03 degré). La procédure de correction comprend : le desserrage des boulons d'ancrage du moteur, l'ajustement de la hauteur à l'aide de cales sous le socle du moteur, le réglage du décalage horizontal à l'aide de vis de poussée, le serrage des boulons d'ancrage en deux temps en croix jusqu'au couple spécifié, et enfin une vérification finale pour confirmer que les écarts sont dans les limites admissibles.

Les palans électriques des séries CD/MD de Kelude Industries Lourdes sont livrés avec une précision d'alignement d'arbres de l'accouplement contrôlée à 0,03 mm. Il est recommandé de ré-effectuer l'alignement et d'enregistrer les données après chaque révision générale.

Comment détecter les sifflements dus à une lubrification défaillante et la détérioration de l'huile ?

Une lubrification défaillante est la cause principale des sifflements aigus d'un réducteur et représente la source de défaillance la plus fréquente parmi les cinq types de bruits anormaux. La défaillance de lubrification se manifeste sous trois formes : quantité d'huile insuffisante (niveau d'huile inférieur à la ligne médiane du voyant), détérioration de l'huile (baisse de viscosité ou contamination excessive) et type d'huile incorrect (classe de viscosité inadaptée).

Contrôle du niveau d'huile : Après 15 minutes d'arrêt, vérifier le niveau à l'aide du voyant ou de la jauge d'huile. Le niveau doit se situer entre la moitié et les deux tiers de la hauteur du voyant. En cas de niveau insuffisant, un film d'huile complet ne peut pas se former sur les dents ; l'épaisseur du film d'huile doit généralement être d'au moins 1 µm pour garantir une lubrification hydrodynamique. Kelude Industries Lourdes recommande de vérifier le niveau d'huile toutes les 500 heures et de remplacer l'huile de lubrification toutes les 2 000 heures ou tous les 6 mois, selon la première échéance.

Analyse de l'état de l'huile : Trois tests rapides sont effectués sur un échantillon d'huile. La viscosité est mesurée à l'aide d'un viscosimètre portable ; la viscosité cinématique à 40 °C doit être comprise dans la plage ISO VG220 à VG460 (selon le modèle de réducteur). Une baisse de viscosité supérieure à 15 % nécessite un remplacement de l'huile. La teneur en eau est mesurée par la méthode Karl Fischer ou par le test d'éclatement ; elle doit être inférieure à 500 ppm. Un dépassement de ce seuil entraîne une diminution de la résistance du film d'huile et de la micro-piqûration des dents. Lors de l'analyse ferrographique / spectrométrique, une teneur en fer supérieure à 200 ppm ou une teneur en silicium (contamination par poussières) supérieure à 50 ppm nécessite un remplacement de l'huile et une inspection des joints.

Choix du type d'huile : Conformément aux exigences de température ambiante de la norme ISO 4306 (ex-ISO 4306), pour une température ambiante de -10 à 35 °C, utiliser une huile pour engrenages industriels de charge moyenne N320 (L-CKC320). Pour une température ambiante inférieure à -10 °C, utiliser une huile pour engrenages à basse viscosité N220. Pour une température ambiante supérieure à 35 °C ou des conditions de service lourdes (classes de fonctionnement A6 à A8), utiliser une huile pour engrenages à haute viscosité N460. Les réducteurs Kelude Industries Lourdes sont livrés en standard avec de l'huile pour engrenages N320 ; des solutions d'huile personnalisées peuvent être proposées pour des conditions de service particulières.

Comment éliminer les vibrations basse fréquence dues à la résonance du carter et au desserrage des fondations ?

Les vibrations structurelles à basse fréquence, provoquées par la résonance du carter du réducteur et le desserrage des boulons d'ancrage, se situent généralement dans la plage de 10 à 50 Hz, ce qui les distingue nettement des fréquences d'engrènement et des fréquences caractéristiques des roulements. Bien que ces vibrations soient moins destructrices que les défauts d'engrenages ou de roulements, leur persistance dans le temps accélère la rupture par fatigue des boulons d'ancrage et l'usure des surfaces de montage du carter.

Diagnostic de la résonance du carter : La méthode par impact (marteau) est utilisée pour déterminer les fréquences propres du carter du réducteur. Moteur hors tension, on frappe le carter avec un marteau en caoutchouc et on recueille le spectre de réponse à l'aide d'un capteur d'accélération, ce qui permet d'obtenir les trois premières fréquences propres du carter. Si l'écart entre l'une de ces fréquences propres et la fréquence d'engrènement (ou son deuxième harmonique) est inférieur à ±10 %, un risque de résonance est avéré. Les solutions comprennent : l'ajout de nervures de renfort sur la surface du carter pour modifier la rigidité locale, l'ajustement de la rigidité des supports d'ancrage afin de décaler la fréquence propre hors de la zone d'excitation, ou l'utilisation d'un variateur de fréquence pour modifier la vitesse de rotation du moteur et ainsi changer la fréquence d'excitation.

Détection du desserrage des boulons d'ancrage : À l'aide d'une clé dynamométrique, on vérifie individuellement chaque boulon d'ancrage. Les couples de serrage standards pour les boulons de classe 8.8 sont les suivants : 210 à 250 Nm pour les boulons M16, 410 à 490 Nm pour les M20 et 710 à 860 Nm pour les M24. Si le couple mesuré sur un boulon est inférieur à 70 % de la valeur standard, il convient de desserrer l'ensemble des boulons, puis de les resserrer en croix, en deux passes. Sur le spectre de vibrations, un desserrage d'ancrage se manifeste par une augmentation soudaine et instable de l'amplitude à la fréquence de rotation (1X). Au redémarrage après un arrêt, l'amplitude des vibrations peut temporairement sembler revenue à la normale.

Recommandation de Kelude : Lors de l'installation du réducteur, il est conseillé d'intercaler des cales de réglage en acier inoxydable d'une épaisseur de 0,5 à 2 mm entre le pied et la base, afin de garantir une surface de contact d'au moins 80 % entre le carter et le socle. Après le serrage, il est recommandé de tracer une ligne de repère entre la tête du boulon, l'écrou et la surface de la bride. Lors des inspections régulières, un simple contrôle visuel de l'alignement de ces repères permet de détecter rapidement tout desserrage éventuel.

Bruit anormal du réducteur de grue : tableau comparatif des 5 types de défauts et de leurs paramètres

Normes de maintenance vibratoire des réducteurs de grue : tableau comparatif des 7 indicateurs clés et critères de réception selon la norme ISO 4301 / FEM 1.001

Indicateurs clés de maintenance pour les bruits anormaux du réducteur de grue

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Bruit anormal du réducteur de grue : 7 questions fréquentes et solutions pratiques