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Ponts roulants et portiques: solutions innovantes en maintenance prédictive

Ponts roulants et portiques: solutions innovantes en maintenance prédictive

Dans l'industrie sidérurgique, ainsi que dans plusieurs autres industries, les ponts roulants et portiques font partie des actifs de production les plus critiques. Les temps d'arrêt imprévus entraînent souvent d'énormes pertes financières.

Maintenance prédictive Sidérurgie 1 juillet 2019

Dans l'industrie sidérurgique, ainsi que dans plusieurs autres industries, les ponts roulants et portiques font partie des actifs de production les plus critiques. Les temps d'arrêt imprévus entraînent souvent d'énormes pertes financières. Toutefois, contrairement aux grandes machines tournantes très critiques et à l’équilibre des équipements de la centrale, la maintenance prédictive reste généralement une stratégie peu commune pour les roulements de roues principaux de ces grues. Bien que l’analyse des vibrations soit une technique largement acceptée pour mettre en œuvre une stratégie prédictive visant à prévenir les pannes imprévues des équipements, elle est rarement appliquée aux ponts roulants et aux ponts roulants.
La raison de ceci est évidente. La faible vitesse, l'accès difficile et surtout le bruit de fond élevé du contact des roues de la grue avec les rails rendent inutile l'approche appliquée aux machines tournantes standard.

Le parcours du client: de la maintenance curative à la maintenance prédictive

Depuis 2013, I-care accompagne un acteur majeur de l'industrie métallurgique dans son défi de passer d'une maintenance curative coûteuse et inefficace à un programme de maintenance 4.0 pour ses ponts roulants et portiques. Le client exploite un nombre total de 227 ponts roulants, dont 55 sont essentiels à la production.

 

Divers défauts mécaniques peuvent provoquer des pannes imprévues, mais la défaillance des roulements des roues de d’une grue peut entraîner des temps d'arrêt importants et de graves problèmes de sécurité. 

Une détection précoce de lubrification inadéquate et de défauts des roulements de roue permettrait une approche de maintenance prédictive, limitant les temps d'immobilisation et augmentant la sécurité.

Pour répondre aux attentes de son client, I-care a mis au point un programme de surveillance efficace basé sur l'analyse des vibrations, la thermographie, l'infrarouge, l'analyse de l'huile et l'analyse du courant moteur. L'utilisation d'un filtrage de données personnalisé pour éliminer les signaux d'interférence bruyants et des techniques d'analyse précises ont permis de fournir des recommandations de maintenance et de réparation bien ciblées.

Le défi de monitoring des grues

Les mesures de vibration sur les engrenages et les moteurs d'entraînement permettent une approche relativement standard, mais la surveillance des roues de la grue est plus difficile.
En effet, plusieurs difficultés se sont présentées:

 

• basse vitesse (20-50 tr/min)
• difficile d'accès
• bruit de fond important provoqué par le contact des roues avec les rails

Notre action s'est déroulée en trois phases:

  • Phase 1 en 2013: premiers tests et développement de la technique de mesure
  • Phase 2 de 2014 à 2018: Surveillance périodique basée sur des mesures de vibrations portables.
  • Phase 3 (depuis 2019): surveillance sans fil des grues

 

Phase 1: Premiers tests et développement de la technique de mesure

En 2013, un test a été effectué pour déterminer la faisabilité d'une surveillance vibratoire sur les roues de grue à l'aide de collecteurs de données portables. Les composants suivants sont mesurés pendant le test:

  • 16 roulements de roue de grue (diamètre de roue de 1 m)
  • 8 roulements de roues de chariot

 

En raison des dimensions du pont roulant à mesurer (largeur 35m, hauteur 20m, 447 tonnes), le levage du pont roulant n’est pas une option efficace.

 

Pour cela:

  • Les accéléromètres sont placés le plus près possible des roulements de roue.
  • Les mesures sont effectuées avec de longs câbles afin que les analystes puissent rester dans un endroit sûr sur la grue pendant qu’elle se déplace.

 

 

Les lectures de vibrations standard ne donneront pas de bons résultats à cause du bruit de fond.
Un filtre passe-haut est utilisé pour éliminer les vibrations causées par le contact des roues et des rails, tout en maintenant les signaux haute fréquence causés par les défauts des roulements. Les techniques à haute fréquence classiques calculent le spectre en fonction de la forme d'onde analogique
obtenue en enveloppant le signal redressé.

 

Des techniques plus avancées utiliseront un échantillonnage à très haute fréquence (> 80 kHz) pour détecter les ondes de stress causées par le défaut de roulement. Cette technique est disponible par exemple dans PeakVue de CSI ou dans I-DNA de I-care.

 

 

Résultats des mesures de test:

  • Mesure HF avec filtre 1
  • Mesure HF avec filtre 2
  • Mesure HF avec filtre 3
  • FFT standard FFT, pas de filtre

La lecture standard (ci-dessous) est déformée par le bruit de fond.

Si la mesure FFT standard est supprimée, les résultats sont plus clairs:

 

  • Mesure HF avec filtre 1
  • Mesure HF avec filtre 2
    Mesure HF avec filtre 3

La comparaison des lectures d'enveloppe avec le filtre sélectionné sur les 16 roulements indique un roulement avec des amplitudes beaucoup plus élevées.

 

Analyse: la fréquence de défaut correspond à la fréquence de défaut de la bague externe (BPFO) du roulement SKF 23240.

 

Les amplitudes mesurées étant très faibles, il était incertain que le défaut détecté soit clairement visible sur le roulement.

Quelques semaines plus tard, le roulement indiqué comme étant défectueux révèle des dommages importants lors de l'inspection de la bague extérieure.

Phase 2: Surveillance périodique basée sur des mesures de vibrations portables

La deuxième phase s'est déroulée de 2014 à 2018. Sur la base des résultats de la campagne d'essais, un programme de surveillance complet a été mis en place pour 70 ponts roulants (± 1500 roulements), sur base de mesures périodiques.

  • Entre 2014 et 2016, 45 roulements ont été remplacés en fonction des résultats du programme de surveillance.
  • Au cours de la même période, 13 défaillances de roulement inattendues sont survenues (maintenance en cas de panne), principalement sur des grues non encore implémentés dans le programme.

Pour les 45 changements prédictifs de roulements, les roulements remplacés ont été minutieusement examinés et catalogués comme suit:

  • Remplacement nécessaire des roulements (casse évitée)
  • Remplacement des roulements effectué trop tôt

 

Sur base des commentaires reçus, les critères de remplacement des roulements ont été ajustés et affinés.

 

 

Les mesures effectuées en novembre 2015 indiquent l'apparition de fréquences de défauts de roulement sur un roulement de roue de la grue #121.

 

Sur base de l’expérience des cas précédents, les amplitudes sont estimées trop faibles pour remplacer le roulement, et la lubrification du roulement est recommandée.

 

Après lubrification, une nouvelle mesure est
effectuée et montre une amélioration importante de la signature de vibration. Un suivi supplémentaire est recommandé.

Conclusion: si les mesures montrent des signes précoces de détérioration des roulements, mais que les amplitudes sont trop faibles pour prévoir des dommages importants, une lubrification insuffisante est considérée comme une cause possible et le remplacement des roulements n'est pas recommandé.

 

 

Exemple de signes précoces d'usure. Une lubrification supplémentaire prolonge la durée de vie restante du roulement, sans qu'il soit nécessaire de le remplacer.

Des mesures périodiques des vibrations et des analyses détaillées ont permis de mettre en place un programme de surveillance fiable pour les ponts roulants et les ponts portiques.


Cependant, cette approche présente certains inconvénients ...

  • En moyenne, la mesure et l'analyse d'un pont roulant représentent 20 heures-homme par pont roulant.
  • Pour effectuer les mesures, les grues doivent être retirées de la production, ce qui entraîne une perte de temps de production pour certaines d'entre elles.
  • Comme les analystes doivent être sur la grue pendant son déplacement, des mesures de sécurité spéciales sont nécessaires.

 

Pour les raisons susmentionnées (sécurité et perte de temps de production), l'entreprise demande à rechercher les possibilités d'effectuer une surveillance en ligne. Par rapport à la plupart des applications, la surveillance en ligne des ponts roulants est assez difficile.

  • La détection de défaut n'est fiable que si un échantillonnage à grande vitesse est disponible.
  • De bonnes mesures ne sont possibles que si la grue tourne à une vitesse stable pendant plus de 20 secondes, alors que les conditions de fonctionnement sont très irrégulières.
  • La transmission de données sans fil est
    préférable pour limiter les coûts de câblage et améliorer la fiabilité.

Bien que de nombreux systèmes de vibration sans fil soient disponibles, aucun des systèmes existants étudiés ne pouvait fournir une réponse à toutes les exigences.

 

 

Phase 3: Monitoring sans fil de grues

 

La dernière étape a commencé début 2019: de la maintenance préventive à la maintenance prédictive 4.0.
Les systèmes sans fil Wi-care sont un développement interne de I-care, et les exigences spécifiques en matière de surveillance des grues ont été mises en œuvre dès le début. Le système sans fil Wi-care 200, contrairement aux autres systèmes sans fil du marché, offre:


• détection de défaut de roulement par échantillonnage à grande vitesse
• capture intelligente des données sur déclencheur externe (vitesse)
• alimentation locale pour un fonctionnement continu

Les tests effectués sur un pont roulant présentant un défaut de palier connu ont confirmé que la technique d'échantillonnage élevé du système Wi-care 200 permettait de détecter les défauts.

 

 

        

Le spectre, mesuré pendant la production normale, montre clairement le motif de défaut, correspondant aux fréquences théoriques de défaut de roulement.

 

Architecture du système :

 

 

La communication bidirectionnelle flexible du système Wi-care 200 permet également l’intégration facile d’autres technologies et capteurs: température, analyse en ligne des huiles, épaisseur...

 

 

Le système complet sans fil ...
97 capteurs installés

  • 50 capteurs de vibrations
  • 21 capteurs d’huile en ligne (qualité de l’huile, usure de l’huile, niveau d’huile)
  • 26 capteurs de distance à ultrasons (épaisseur de la garniture de frein, du câble de levage, des balais de charbon)

Les mesures d'épaisseur sont transmises avec le même système sans fil et les résultats sont disponibles dans le même logiciel d'analyse.

 

 

Conclusion

Le système sans fil Wi-care 200 permet d’accroître encore la fiabilité du programme de surveillance des grues, tout en éliminant les inconvénients du programme périodique existant (réussi).

Fort de ses connaissances et de ses nombreuses années d’expérience sur le terrain, I-care a été en mesure de relever le défi consistant à automatiser la surveillance de l’état des grues et à mettre au point un système de surveillance sans fil extrêmement performant qui relève les défis difficiles propres à cette application.

La série Wi-care 200 parvient à produire des mesures fiables dans des conditions jugées pratiquement impossibles, alors que la communication sans fil permet un niveau d’investissement acceptable.

En outre, l’élimination des mesures portables exigeant une main-d’œuvre relativement lourde, qui perturbe souvent aussi la production, produit un taux de rendement très lucratif.

La technologie Wi-Care permet ainsi au client de résoudre les problèmes et de trouver la meilleure solution pour optimiser la maintenance de ses machines. Ce projet fait partie intégrante d’une évolution vers la maintenance 4.0, une maintenance automatisée visant à réduire les coûts.

 

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