Analyse et modélisation multi-échelle de la morphologie de l'usure de concasseurs de roche

Multi-scale analysis and modeling of rock crushers wear morphology

• Auteur / Autrice : Julie Lemesle
• Direction : Maxence Bigerelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Ange Bueno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxence Bigerelle, Christian Gauthier, Denis Mazuyer, Raphaël Deltombe, Laurent Dubar, Frédéric Robache, Gaëtan Le Goïc, Christopher Brown
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Gauthier, Denis Mazuyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fatigue

Revêtement de céramique

Mesure

Usure (mécanique)

Mots clés libres

Multi-échelle

Usure

Réflectance

Réplication

Base de données

Topographie

Composite à matrice métallique

Multi-scale

Wear

Reflectance

Replication

Database

Topography

Metal matrix composite

Résumé

Les concasseurs de roches sont des systèmes de production utilisés pour produire de la matière première fine à partir de matières récoltées grossières (agricole ou minière). Le concassage est un processus tribologique complexe qui provoque une usure importante des pièces à cause de fortes contraintes locales et globales. La durée de fonctionnement des pièces des concasseurs est alors remise en cause par cette usure prononcée. Les galets des broyeurs verticaux spécialement étudiés ici sont composés d’une matrice métallique et d’inserts céramiques. Des méthodes de caractérisation sont alors mises en place pour quantifier cette usure qui apparaît multi-échelle (système, macroscopique, mésoscopique et microscopique). Ces méthodes sont principalement adaptées aux mesures sur le terrain dues à une réelle demande de contrôler les galets directement sur la ligne de production pour éviter tout arrêt prolongé du système. Une méthode de caractérisation des dommages de surfaces exposées à l’usure est développée. Cette méthode qui consiste à éclairer une surface selon des angles différents, se révèle être une réelle alternative à la topographie pour caractériser l’usure aux échelles mésoscopiques et microscopiques. Un appareil portable utilisant cette méthode est alors développé pour analyser en détail l’usure des pièces de concasseurs directement en environnement industriel. Des indicateurs morphologiques sont calculés pour chaque échelle à partir des données obtenues. Une base de données est implémentée afin d’organiser au mieux les différentes données récoltées de nature et d’échelle différentes, et de corréler les usures des différentes échelles.

Rock crushers are production systems used to produce fine raw material from coarse collected material (agricultural or mining). Crushing is a complex tribological process which causes significant wear on work pieces due to strong local and global stresses. The working life of the crusher parts is therefore questioned because of this high wear. The vertical roller mill is especially studied here, whose rollers are manufactured with a metal matrix and ceramic inserts. Methods of characterization are therefore developed to quantify this wear which appears to be multi-scale (system, macroscopic, mesoscopic and microscopic). These methods are mainly adapted to in-situ measurements due to a real demand to directly control rollers on the production line in order to avoid any prolonged time stop of the system. A method for characterizing damage of surfaces exposed to wear is developed. This method, which consists in illuminating a surface from different lighting angles, is proving to be a real alternative to the topographical method for characterizing wear in mesoscopic and microscopic scales. A portable apparatus using this method is developed to analyze in detail wear of crusher parts directly in an industrial environment. Morphological indicators are calculated for each scale from collected data. A database is implemented to organize data of different type and scale, and to correlate the different scales.