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Nouvelles de la société

Un plan préventif pour la protection des paliers

Adam Willwerth, Electro Static Technology - Génie industriel

Figure 1 : Les roulements des moteurs entraînés par VFD peuvent être endommagés par des courants provenant de trois sources : la tension d’arbre induite capacitive (A), un flux de haute fréquence produit par la tension de mode commun (B), et la tension sinusoïdale (C). Avec l'aimable autorisation de : Electro Static TechnologyPeut-être qu’un jour tous les moteurs seront si bien construits qu’il n’y aura plus de dommages électriques sur les roulements. D’ici là, les ateliers de réparation de moteur continueront de remplacer des roulements érodés par les tensions induites par des variateurs de fréquence (VFD - variable frequency drives). Si le client doit renvoyer le même moteur pour de nouveaux roulements à nouveau dans six mois, il risque de développer des doutes sérieux à propos de la compétence de l’atelier.

Les utilisateurs finaux de moteurs à variateur de vitesse ont tout à fait le droit de compter sur le temps de disponibilité et la fiabilité. Après tout, les dommages de roulements électriques induits par VFD peuvent être prévenus, et non juste réparés. Lorsque des roulements tombent en panne, des pratiques de réparation appropriées peuvent résoudre le problème pour de bon, mais des services à valeur ajoutée tels qu’une inspection, des essais et une analyse peuvent éviter la nécessité de réparations en premier lieu.

D’un autre côté, un atelier de réparation qui arrange un problème de roulements de façon appropriée n’a à le faire qu’une seule fois et va donc vraisemblablement gagner la fidélité du client. Encore mieux, un atelier qui offre les derniers services de diagnostic (analyse de vibrations, thermographie, test de la tension de l’arbre, etc.) peut montrer à un client comment les bonnes mesures de prévention peuvent neutraliser les dommages électriques de roulements ou les tuer dans l’œuf.

En travaillant dans l’usine du client, soit sur un moteur tout neuf préalablement à son installation ou sur un moteur déjà en service, le personnel qui sait ce qu’il fait peut maintenant protéger les roulements pour toute la durée de vie du moteur. C’est que nous voulons dire par « meilleures pratiques »

Dommages

Figure 2 : La formation d'arcs de tension à travers les roulements de moteurs entraînés par VFD créent des milliers de piqûres, qui causent une friction accrue, du bruit et un potentiel pour de coûteux temps d’arrêt non planifiés à mesure que la graisse des roulements se détériore. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static TechnologyIl est à présent largement compris que des tensions d’arbre induites se déchargent à travers les roulements de nombreux moteurs à courant alternatif (C.A. ) contrôlés par VFD (voir la Figure 1). Les fréquences de commutation élevées des VFD d’aujourd’hui produisent une capacité parasite entre le stator et le rotor d’un moteur. Une fois que les tensions d’arbre résultantes atteignent un niveau suffisant pour l’emporter sur les propriétés diélectriques de la graisse à roulement, ces tensions se déchargent le long d’une voie de moindre résistance, typiquement à travers les roulements (voir la Figure 2).

Durant virtuellement chaque cycle de commutation VFD, une tension d’arbre induite se décharge de l’arbre du moteur vers le châssis via les roulements, en laissant une petite piqûre (habituellement de 5 à 10 microns de diamètre) dans la course de roulement.

Figure 3 : Dans un processus dénommé cannelures, les piqûres forment des nervures de type tôles ondulées sur une paroi de la course de roulement - nervures qui causent encore plus de bruit et de vibrations et accélèrent la panne de roulements. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static TechnologyCes décharges sont si fréquentes (des millions par heure) que par le processus d’usinage par décharge électrique, elles créent de millions de cratères de fusion, ou piqûres. Bientôt, la course de roulement entière peut être marquée de piqûres innombrables portant le nom de glaçage. Un phénomène connu comme des cannelures peut également se produire, formant le glaçage en nervures de type tôles ondulées en travers de la course de roulement (voir la Figure 3), ce qui peut causer du bruit, des vibrations, une friction accrue et une panne de roulement catastrophique.

À mesure que les roulements se dégradent, de hautes températures peuvent mettre le feu à la graisse à roulement, la dégrader et l’affaiblir, en causant une durée de vie de palier réduite et une panne prématurée. La formation d’arc souffle de petites particules de métal provenant de la paroi de la course, et ces dernières contaminent la graisse, en intensifiant l’abrasion. Trop souvent, le résultat final est un coûteux temps d’arrêt non planifié.

Les taux de défaillance varient largement, en fonction de nombreux facteurs, mais les données laissent à penser qu’une partie notable des pannes intervient seulement 3 à 12 mois après le démarrage du système. Beaucoup des moteurs d’aujourd’hui ayant des roulements étanches afin de maintenir à l’écart la saleté et d’autres contaminants, les dommages électriques sont devenus la cause la plus fréquente de panne de roulements dans des moteurs C.A. avec des VFD.

Inspection

Couper et inspecter soigneusement les roulements de moteurs nécessitant une réparation fournira souvent des informations qui pourront être utilisées pour prévenir la réapparition du problème. En observant les précautions de sécurité établies, les techniciens de l’atelier de réparation doivent :

  • Inspecter la cavité de roulement, en prélevant un échantillon du lubrifiant dans le cas où une analyse supplémentaire est justifiée afin de détecter des contaminants, des signes de chaleur excessive, un durcissement ou un noircissement de la graisse, ou de la graisse qui s’est échappée du roulement.
  • Couper le chemin de roulement extérieur en deux.
  • Inspecter la graisse à l’intérieur de plus près, à nouveau en recherchant des signes de contamination.
  • Nettoyer les composants de roulement avec un solvant.
  • Avec un microscope, inspecter les parois de course pour y rechercher des piqûres, du glaçage ou des cannelures électriques.

Grounding

Si l’inspection des roulements usagés indique des dommages électriques, le meilleur moyen de protéger les roulements de remplacement est d’installer un anneau de mise à la terre pour arbre présentant une circonférence complète à 360 degrés de microfibres conductrices touchant l’arbre du moteur. Convenablement installé, un tel anneau éloignera les tensions d’arbre nuisibles des roulements en toute sécurité vers la terre. Avec un anneau installé, la tension se déplacera depuis l’arbre du moteur, à travers les microfibres conductrices de l’anneau, vers son carter, puis à travers le carter du moteur vers la terre (voir les Figures 4 et 5).

Figure 4 : Les meilleurs anneaux de mise à la terre sont garnis de microfibres conductrices flexibles qui entourent complètement l’arbre de moteur. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static TechnologyFigure 5 : Une chaîne verrouille en place les microfibres conductrices de l’anneau autour de l’arbre de moteur et aide à les protéger d’une saleté excessive, de l’huile ou d’autres contaminants. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static Technology

Tous les chemins doivent être conducteurs, aussi la peinture sur la plaque frontale du moteur doit être enlevée. De même, l’arbre de moteur doit être décapé jusqu’au métal nu, et être exempt de tout revêtement (voir la Figure 6). Selon son état, l’arbre peut nécessiter un récurage à la toile émeri ou avec un matériau similaire.

Figure 6 : Avant l’installation d’un anneau de mise à la terre, l’arbre de moteur doit être décapé jusqu’au métal nu, et être exempt de toute peinture ou autre matériau non-conducteur. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static TechnologyMême lorsque l’arbre semble propre, l’essuyer avec un solvant à base sans pétrole enlèvera les résidus non visibles. Après nettoyage, la conductivité de l’arbre doit être vérifiée avec un ohmmètre. Si le relevé sur la partie de l’arbre qui va contacter les microfibres de l’anneau est supérieur à 2 ohms, l’arbre doit être à nouveau nettoyé.

Un anneau de mise à la terre ne doit jamais opérer au dessus d’une rainure de clavette de l’arbre, qui présente des bords tranchants et pourrait réduire la conductivité. Sur certains moteurs, les dimensions de l’espaceur et des vis de montage peuvent parfois être réglées/changées afin d’éviter une rainure de clavette. Si ce n’est pas réalisable, la partie de la rainure de clavette qui va contacter les microfibres de l’anneau doit être remplie de mastic époxyde.

La conductivité doit encore être optimisée en enduisant légèrement mais uniformément d’argent colloïdal toute partie de l’arbre qui va entrer en contact avec les microfibres de l’anneau. Ceci retardera également la corrosion.

Des gels et des liquides bloqueurs de filetage autre que l’époxyde conducteur ne sont pas recommandés pour les vis de montage de l’anneau sur le moteur, car ils pourraient compromettre le chemin conducteur vers la terre.

L’anneau doit être centré sur l’arbre de moteur de façon à ce que ses microfibres contactent l’arbre de façon équilibrée.

Après l’installation, tester avec un ohmmètre est à nouveau recommandé. La meilleure méthode est de placer un capteur sur l’anneau et un capteur sur le châssis du moteur. (Le moteur et l’entraînement doivent être mis à la terre avec une prise de terre commune conformément aux normes en vigueur.)

Dans des environnements où le moteur sera exposé à des quantités excessives de saleté, de poussière ou d’autres débris, il peut s’avérer nécessaire de protéger les fibres de l’anneau avec un joint torique ou un chasse-goutte en V, ou d’installer l’anneau à l’intérieur du carter du moteur. Des isolateurs de palier avec des anneaux de mise à la terre circonférentiels intégrés sont également disponibles.

Variantes d’installation

La plupart des recommandations ci-dessus concernent également des anneaux de mise à la terre montés sur un carter de moteur avec de l’époxyde conducteur au lieu de vis, des bagues fendues conçues pour glisser autour d’un arbre de moteur en service au lieu de au dessus de son extrémité, de plus grands anneaux conçus pour des moteurs et des générateurs de plus haute tension, des anneaux à ajustement avec serrage, boulonnés ou liés à la masse (avec de l’époxyde conducteur) dans une retenue de palier ou un support sur mesure à l’intérieur d’un carter de moteur.

Pour des installations intérieures, un espaceur usiné supplémentaire peut maintenir l’anneau plus éloigné de la cavité de graisse à roulement. Le contact métal contre métal est toujours essentiel, bien-sûr, aussi une retenue de palier doit être exempte de tout revêtement ou de matériau non-conducteur là où elle touchera l’anneau.

Pour des moteurs montés horizontalement ou verticalement avec une puissance de 100 (75 kW) ou inférieure et des roulements à billes de type radial à simple rangée sur les deux extrémités, un anneau de mise à la terre peut être installé sur l’une ou l’autre extrémité. Pour des moteurs montés horizontalement avec une puissance supérieure à 100 et des roulements à billes de type radial à simple rangée sur les deux extrémités, le carter de palier à l’extrémité non motrice doit être électriquement isolé pour perturber des courants de circulation. Les options pour réaliser une telle isolation incluent des manchons isolés, des revêtements non conducteurs, des paliers en céramique ou des paliers hybrides. L’anneau de mise à la terre doit être installé sur l’extrémité motrice.

Pour tout moteur dans lequel les paliers aux deux extrémités sont déjà isolés, l’extrémité motrice est préférable pour l’installation d’un anneau de mise à la terre, afin de protéger les roulements dans l’équipement attaché tel qu’une boîte de vitesse, une pompe, un ventilateur ou un codeur.

Pour tout moteur avec un rouleau cylindrique, du métal antifriction Babbitt, ou des paliers à coussinet-douille, l’extrémité avec de tels paliers doit être électriquement isolée, et l’anneau de mise à la terre doit être installé à l’extrémité opposée.

Test et analyse

Mesurer la tension de l’arbre sur un moteur entraîné par VFD apporte des informations précieuses afin de déterminer s’il existe un risque de dommage électrique sur les roulements. Le meilleur moment pour prendre de telles mesures est durant le démarrage d’un moteur neuf ou récemment réparé. Chaque moteur dispose de ses propres paramètres uniques. Combinés à une analyse des vibrations, à une thermographie ou à d’autres services de diagnostic, les résultats (incluant les images de l’écran d’oscilloscope sauvegardées) peuvent être présentés sous forme de rapport au client. Les résultats doivent être également utilisés pour le développement de programmes de maintenance préventive et prédictive.

Figure 7 : La courbe d’oscilloscope à six pas (ou carrée) présentée ici est caractéristique des moteurs présentant des tensions d’arbre crête à crête maximum, mais pas de décharges à travers les paliers. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static Technology

Figure 8 : La forme d’onde ci-dessus montre la décharge de tension rapide à travers les paliers qui se produit lorsque des tensions d’arbre atteignent un niveau où elles l’emportent sur les propriétés diélectriques de la graisse à palier. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static Technology

Les tensions d’arbre sont facilement mesurées (en suivant les procédures de sécurité appropriées) en mettant en contact une sonde de l’oscilloscope avec l’arbre alors que le moteur fonctionne. La meilleure sonde disposera d’une pointe de microfibres conductrice à haute densité afin d’assurer un contact continu avec l’arbre rotatif. Un oscilloscope portable avec une largeur de bande d’au moins 100 MHz devrait fournir des mesures de forme d’onde exactes (voir les Figures 7, 8, 9 et 10). Des kits de sonde/oscilloscope sont disponibles.

Figure 9 : Le modèle de décharge continue indiqué par la forme d’onde relativement basse tension sur cet écran d’oscilloscope est le résultat de la lubrification de palier qui devient conductrice. Avec l'aimable autorisation de : Electro Static Technology

Figure 10 : Avec un anneau de mise à la terre bien installé et efficace pour protéger ses paliers, un moteur produit une forme d’onde sur oscilloscope comme celle-ci, avec des décharges crête à crête de seulement 2 ou 3 V.Avec l'aimable autorisation de : Electro Static Technology

De la même manière que des mesures de tension d’arbre peuvent montrer que les paliers d’un moteur courent un danger de dommages électriques, elles peuvent confirmer que la mise à la terre d’un arbre fonctionne. Si un anneau éprouvé a correctement été installé, des crêtes de tension de décharge caractéristiques devraient être inférieures à 10 V, selon le moteur.

Adam Willwerth est directeur des ventes et du marketing pour Electro Static Technology.

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