La réponse courte : ce que signifient généralement les vibrations élevées sur un broyeur

Les vibrations élevées sur un broyeur sont presque toujours le symptôme d'un problème mécanique, opérationnel ou structurel sous-jacent. - pas un problème autonome. Dans la plupart des cas, la cause fondamentale appartient à l’une des quatre catégories suivantes : déséquilibre, désalignement, défaillance des roulements ou relâchement structurel. Identifier la catégorie à laquelle vous avez affaire détermine tout sur la manière dont vous y remédierez.

Broyeurs fonctionnant à des niveaux de vibrations supérieurs 10 mm/s RMS (en tant que référence générale de l'industrie selon la norme ISO 10816) sont considérés comme se trouvant dans une zone « d'avertissement » ou de « danger » en fonction de la classe de la machine. À ce stade, la poursuite de l’exploitation risque d’accélérer l’usure des roulements, d’endommager les fondations et, dans les cas graves, de provoquer une défaillance structurelle catastrophique. La détection et la résolution précoce des vibrations élevées ne sont pas seulement une tâche de maintenance : c'est une priorité en matière de sécurité et de production.

Causes courantes de vibrations élevées sur un broyeur

Comprendre la cause nécessite de faire correspondre la signature vibratoire à un mécanisme physique. Voici les sources les plus fréquemment rencontrées :

Déséquilibre du rotor ou du matériau de broyage

Le déséquilibre est la cause la plus courante de vibration sur les machines tournantes. Sur un broyeur, cela peut provenir d'une répartition inégale des éléments de broyage (billes, tiges ou cailloux), de revêtements usés ou manquants, ou d'une accumulation de matériaux sur le rotor ou la coque. Le déséquilibre produit une fréquence de vibration dominante égale à 1 × la vitesse de course (1X RPM) , ce qui rend son identification relativement simple avec un analyseur de spectre.

Par exemple, un broyeur à boulets fonctionnant à 18 tr/min avec une charge inégale des billes peut afficher un pic clair de 0,3 Hz (18/60) dans son spectre de vibration. Même une différence de masse de quelques kilogrammes au niveau du rayon de la coque peut générer des forces de vibration mesurables à la vitesse de fonctionnement.

Désalignement de l’arbre ou de l’accouplement

Le désalignement entre le moteur d’entraînement du broyeur, la boîte de vitesses et l’arbre du pignon du broyeur est l’une des principales causes de vibrations axiales et radiales élevées. Le désalignement angulaire produit généralement de fortes vibrations à 2 × vitesse de fonctionnement (2X RPM) , tandis que le désalignement parallèle a tendance à exciter les composants 1X et 2X. Un désalignement peut se développer progressivement en raison d’une croissance thermique, d’un pied mou ou d’un tassement des fondations.

Une règle empirique utilisée dans de nombreux programmes de maintenance d’usine : le désalignement représente jusqu'à 50 % de toutes les pannes d'équipements rotatifs . Sur les grands broyeurs, même un décalage de 0,1 mm au niveau de l'accouplement peut se traduire par une charge de roulement importante et des vibrations élevées.

Défauts et usure des roulements

Les roulements usés, piqués ou contaminés génèrent des vibrations à haute fréquence. Chaque défaut de roulement (bague intérieure, bague extérieure, élément roulant ou cage) a une fréquence de défaut caractéristique (BPFI, BPFO, BSF, FTF) qui peut être calculée à partir de la géométrie du roulement et de la vitesse de l'arbre. Les défauts précoces des roulements apparaissent souvent dans la plage des hautes fréquences (au-dessus de 1 kHz) avant qu'un changement significatif des vibrations basse fréquence ne se produise.

Sur les broyeurs à tourillon, la panne de lubrification dans le roulement à tourillon est un mode de défaillance particulièrement grave. L'effondrement du film d'huile sur ces roulements à vitesse lente et à charge élevée peut provoquer un contact métal sur métal et une escalade rapide de l'amplitude des vibrations.

Problèmes de maillage d'engrenage

Sur les broyeurs entraînés par une couronne dentée et un pignon, les problèmes d'engrenages sont une source majeure de vibrations. Les problèmes incluent des dents d'engrenage usées, un jeu incorrect, un montage d'engrenage excentrique et un défaut de lubrification. La vibration de l'engrenage apparaît à la fréquence d'engrenage (GMF = nombre de dents × régime de l'arbre) et ses harmoniques. Les bandes latérales autour du GMF indiquent une modulation due à une excentricité ou à une charge dentaire inégale.

Desserrement structurel ou problèmes de fondation

Des boulons d'ancrage desserrés, un coulis de fondation fissuré ou des semelles détériorées permettent au broyeur de se déplacer sous des charges dynamiques, amplifiant considérablement les niveaux de vibration. Le relâchement génère généralement sous-harmoniques (0,5X) et harmoniques multiples de la vitesse de course dans le spectre vibratoire. Une résonance de fondation peut également se produire si la fréquence naturelle de la structure de fondation coïncide avec une fréquence d'excitation du broyeur.

Causes liées au processus

Toutes les vibrations du broyeur ne proviennent pas de défauts mécaniques. Les conditions du processus comptent également :

• La surcharge du broyeur avec du matériau d'alimentation augmente la charge dynamique sur les roulements et les composants d'entraînement.
• Les médias de broyage de taille faible ou incorrecte réduisent l'effet d'amortissement à l'intérieur du broyeur, augmentant ainsi les vibrations de la coque.
• Une vitesse de broyage incorrecte (au-dessus de la vitesse critique) fait que la charge centrifuge contre la coque plutôt que de tomber en cascade, générant des vibrations et des charges d'impact anormales.
• Les variations de densité de la boue dans les broyeurs humides peuvent créer des impulsions de chargement inégales.

Comment diagnostiquer la source : vérifications systématiques

Un diagnostic efficace suit une séquence structurée. Passer directement au travail correctif sans analyse appropriée fait perdre du temps et risque de passer à côté de la véritable cause.

Étape 1 : Collecter les données de vibration

Utilisez un analyseur de vibrations calibré pour mesurer la vitesse globale des vibrations (mm/s RMS) et l'accélération (g) aux points de mesure clés : l'extrémité motrice et l'extrémité non motrice de chaque roulement, le carter de la boîte de vitesses et la fondation. Enregistrez à la fois la forme d’onde temporelle et le spectre de fréquences. Mesurez toujours dans trois directions : radiale, axiale et tangentielle.

Étape 2 : Identifiez la fréquence dominante

Cartographiez les fréquences mesurées par rapport aux fréquences de défauts connues pour le broyeur :

Étape 3 : Effectuer des vérifications physiques

Avant et pendant un arrêt programmé, effectuer les inspections physiques suivantes :

• Boulons d’ancrage et fondation : Vérifiez les fissures dans le coulis, les boulons desserrés ou corrodés et les espaces entre la plaque de base et la fondation.
• Alignement du couplage : Utilisez un comparateur à cadran ou un outil d'alignement laser pour mesurer le décalage angulaire et parallèle. La plupart des accouplements de broyeurs nécessitent un alignement dans un TIR de 0,05 mm.
• État des roulements : Vérifiez la quantité et la qualité de la lubrification, la température (la thermographie infrarouge est utile) et écoutez les bruits anormaux lors d'une rotation lente.
• Modèle de contact des engrenages : Appliquez du composé de marquage pour vérifier le contact des dents de l'engrenage. Un contact correct doit couvrir au moins 70 % de la largeur de la face dentaire et 50 % de la hauteur de la dent.
• État de la doublure : Inspectez les doublures cassées, manquantes ou très usées qui provoquent un déséquilibre interne et une charge d'impact anormale.
• Niveau et état du matériau de broyage : Vérifiez que le pourcentage de charge à billes est conforme aux spécifications de conception (généralement 28 à 35 % du volume du broyeur pour les broyeurs à boulets).

Étape 4 : Vérifier les paramètres du processus

Examinez les journaux de données opérationnelles : débit d'alimentation, consommation d'énergie du broyeur, densité de décharge et niveau sonore du broyeur (si surveillé). Une augmentation soudaine de la consommation d'énergie du broyeur combinée à une augmentation des vibrations indique souvent une surcharge. Une baisse de la consommation électrique accompagnée de vibrations élevées peut indiquer une perte de revêtement ou de support.

Solutions pratiques pour les vibrations élevées sur un broyeur

Une fois la cause fondamentale confirmée, l’action corrective appropriée devient claire. Les correctifs suivants répondent aux scénarios les plus courants :

Corriger le déséquilibre

Pour les déséquilibres liés aux supports ou aux revêtements, la solution est opérationnelle : redistribuez ou remplacez les supports de broyage, remplacez les revêtements manquants ou cassés et nettoyez l'accumulation de matériaux à l'intérieur de la coque. Pour le déséquilibre de l'arbre ou du rotor confirmé par un équipement d'équilibrage in situ, ajouter des poids de correction dans la position angulaire et l'amplitude calculées pour ramener le balourd résiduel dans la tolérance ISO 1940 pour la qualité d'équilibrage applicable (généralement G6.3 ou G2.5 pour les composants d'entraînement de précision).

Réalignement du groupe motopropulseur

Utilisez un équipement d’alignement laser de précision pour corriger l’alignement de l’arbre au niveau des interfaces moteur-réducteur et boîte de vitesses-pignon. L'alignement doit être effectué à la température de fonctionnement ou avec des compensations de croissance thermique appliquées sur la base des valeurs de dilatation thermique mesurées ou calculées. Après le réalignement, resserrez tous les boulons d'accouplement selon les spécifications et vérifiez à nouveau l'alignement avant de redémarrer.

Vérifiez également et corrigez le pied mou, une condition dans laquelle l'un des pieds de la machine ne repose pas à plat sur la plaque de base. Même un pied mou de 0,05 mm peut provoquer une déformation du châssis de la machine sous l'effet du couple de boulonnage, provoquant un désalignement et des vibrations.

Remplacement ou reconditionnement des roulements

Lorsque les fréquences de défauts des roulements sont confirmées dans le spectre de vibrations, planifiez le remplacement des roulements lors de la prochaine fenêtre de maintenance disponible — ne pas différer une fois que des fréquences défectueuses apparaissent avec des bandes latérales , car cela indique des dommages progressifs. Avant d'installer de nouveaux roulements, inspectez l'alésage du boîtier et le tourillon d'arbre pour déceler tout dommage, vérifiez les ajustements corrects conformément aux spécifications du fabricant du roulement et assurez-vous qu'un lubrifiant propre et correctement spécifié est appliqué.

Pour les roulements à tourillon à vitesse lente, vérifiez l'épaisseur du film d'huile et le degré de viscosité du lubrifiant. Une viscosité trop faible pour la température de fonctionnement et la charge entraînera une lubrification limite et une usure rapide de la surface du roulement.

Résoudre les problèmes de maillage d'engrenages

Pour les vibrations des engrenages d'engrenages, les actions correctives dépendent de la gravité :

1. Vérifiez et ajustez le jeu selon la plage spécifiée par le fabricant (généralement 0,1 à 0,3 % du diamètre du cercle primitif pour les grands ensembles de couronnes et de pignons).
2. Vérifiez et corrigez l'alignement de l'arbre de pignon par rapport à la couronne dentée à l'aide de comparateurs à cadran pour mesurer le faux-rond et le flottement axial.
3. Inspectez le profil des dents d’engrenage pour déceler toute usure ou piqûre. Si plus de 30 % du profil de la dent est usé, le remplacement de l'engrenage doit être programmé.
4. Assurez-vous que le système de lubrification des engrenages fournit la qualité de lubrifiant et le débit corrects. Une lubrification inadéquate est l’une des principales causes de l’usure accélérée des engrenages.

Réparer les fondations et le relâchement structurel

Rejointoyez les zones de fondation détériorées à l'aide d'un coulis époxy, qui offre un meilleur amortissement des vibrations et une meilleure résistance chimique que le coulis cimentaire standard. Remplacez les boulons d'ancrage corrodés ou étirés et serrez tous les boulons selon les spécifications à l'aide d'une clé dynamométrique calibrée. Après le jointoiement, laisser durcir complètement 72 heures avant de redémarrer le broyeur. pour éviter de fissurer le nouveau coulis sous charge.

Ajustement des conditions de processus

Si des vibrations élevées sont dues au processus, ajustez les paramètres de fonctionnement :

• Réduisez la vitesse d'alimentation si le broyeur est surchargé (utilisez la consommation d'énergie comme guide - ciblez 85 à 95 % de la puissance nominale).
• Complétez le matériau de broyage jusqu'au niveau de charge correct et utilisez la distribution de taille de billes ou de tiges appropriée pour le matériau d'alimentation à traiter.
• Vérifiez que la vitesse du broyeur se situe dans la plage de conception - généralement 70 à 78 % de la vitesse critique pour la plupart des applications de broyeur à boulets.
• Pour les broyeurs humides, maintenez la densité de boue cible dans la plage de fonctionnement spécifiée pour garantir un comportement de charge cohérent.

Normes de gravité des vibrations : à quel point est-ce grave ?

Pour replacer les valeurs mesurées dans leur contexte, la norme ISO 10816-3 fournit des lignes directrices générales sur la sévérité des vibrations des machines. Bien que les broyeurs puissent avoir des seuils OEM spécifiques, ce qui suit donne une référence pratique pour les grandes machines tournant à vitesse lente :

Reportez-vous toujours à la documentation OEM spécifique de l'usine pour connaître les points de consigne exacts d'alarme et de déclenchement, car ceux-ci peuvent être plus conservateurs que les directives générales de l'industrie.

Prévenir les vibrations élevées : meilleures pratiques à long terme

La maintenance réactive est coûteuse. Les usines qui subissent des événements répétés de vibrations élevées souffrent généralement de lacunes dans le programme de maintenance préventive. Les pratiques suivantes réduisent considérablement les risques de vibrations sur le long terme :

• Mettre en œuvre un programme régulier de surveillance des vibrations — mesurer et suivre les vibrations à des intervalles définis (mensuellement pour les contrôles de routine, hebdomadaire si le broyeur a un problème connu). Les tendances au fil du temps sont plus informatives que n’importe quelle mesure unique.
• Vérifiez et revérifiez l'alignement de l'arbre après chaque arrêt majeur ou remplacement de roulement, car les déplacements thermiques et les perturbations de maintenance introduisent généralement un désalignement.
• Maintenez un calendrier détaillé de remplacement des revêtements basé sur les données de taux d'usure plutôt que d'attendre que les revêtements tombent en panne, car les revêtements cassés provoquent des déséquilibres soudains.
• Utilisez l’analyse de l’huile sur les boîtes de vitesses et les systèmes de lubrification pour détecter rapidement les débris d’usure et la dégradation du lubrifiant, avant que les niveaux de vibrations n’augmentent.
• Inspectez et serrez les boulons d’ancrage des fondations à un intervalle défini – au minimum une fois par an pour les usines fonctionnant dans des environnements à fortes vibrations.
• Formez les opérateurs à reconnaître et à signaler les bruits anormaux, les vibrations inhabituelles ou les changements de comportement de l'usine. Les opérateurs détectent souvent les problèmes avant les instruments.