Surveillance et diagnostic des dfauts dans les machines

Surveillance et diagnostic des défauts dans les machines tournantes. Défauts et symptômes défauts et symptômes vibratoires 1

Diagnostic des machines tournantes importance • Machines tournantes présentes dans tous types d ’industries. • Les détériorations de ces machines conduisent : – indisponibilité des machines d ’où une perte de production – coûts de maintenance important – nuisance de bruit et de vibrations (Normes de plus en plus sévères) • D ’où la nécessité : – de la surveillance – du diagnostic • actuellement plusieurs méthodes utilisées, y compris la référence à des normes défauts et symptômes vibratoires 2

Diagnostic des machines tournantes principe de la surveillance des machines • En général, on réalise des mesurages de paramètres physiques sur une machines. Les paramètres physiques choisis doivent être sensibles à l ’apparition et/ou à l ’évolution de celui-ci. • Le Traitement du signal devra extraire du signal le meilleur ‘ indicateur ’. Paramètre caractéristique du défaut Seuil d ’arrêt Seuil d ’alarme (alarme de surveillance) t défauts et symptômes vibratoires 3

Diagnostic des machines tournantes hypothèses générales entrées Excitations non mesurées = Défauts ? sorties Machine, structure Vibrations, bruit Forces, Mesurés. . • hypothèses : • -système invariant, • - « changements dans les signaux mesurés » =évolution du défaut • connaissance du système mécanique • difficultés: • - système variable/ non-stationnaire/ non-linéaire/ défauts et symptômes vibratoires 4

Diagnostic des machines tournantes quels défauts, quels symptômes ? • Plusieurs défauts peuvent apparaître. Il est important de connaître – leur criticité, leur occurrence – l ’expérience, les données statistiques (société d ’assurance Alianz) – les analyses de sûreté de fonctionnement ( AMDEC) – leur(s) symptômes – quels sont les paramètres physiques qu ’ils affectent – quelles sont les caractéristiques de ces symptômes en terme de signaux – les méthodes de TS pressenties sont-elles suffisantes – les contraintes spécifiques de la machine – impossibilité de certains types de mesures, etc • Il faut enfin prendre en compte le fait : – des défauts peuvent avoir des manifestations similaires – plusieurs défauts peuvent apparaître en même temps défauts et symptômes vibratoires 5

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes. Intérêt des vibrations • Les vibrations sont d ’intérêt pour la surveillance et le diagnostic des machines : – les phénomènes dynamiques sont bien appréhendés par les vibrations, • plusieurs défauts ont des caractérisations bien identifiées. – les mesures de vibrations et l ’analyse du signal associée sont en général de mise en œuvre simple – il ne faut pas arrêter les machines, ce qui est important dans un contexte industriel. • Néanmoins, il ne faut pas négliger les autres informations disponibles. (capteurs/expérience, . . ) défauts et symptômes vibratoires 6

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : hypothèses de base • Conditions de fonctionnement constantes – vitesse de rotation constante – couple (charge) constant • Mesurages contrôlés – point de mesures – répétabilité – capteurs • Connaissance de la cinématique défauts et symptômes vibratoires 7

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd (1) • Défaut le plus fréquent m F m. r. 0²=m. r. 2 pi. f 0² Existence d ’une force tournante (centrifuge) à la vitesse de rotation avec une réaction sur les paliers. déplacement /accélération au niveau des paliers direction radiale caractéristiques fréquentielles ? défauts et symptômes vibratoires 8

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd(2) t T=1/f 0 A F f f 0 défauts et symptômes vibratoires 9

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd (3) • Attention : un « choc » par tour génère également une augmentation de • la raie à la fréquence de rotation • autre symptôme (paliers lisses): – orbite de 2 capteurs de déplacement placés sur le palier à 90° : ovalisation de l ’orbite • Equilibrage : – Rotor rigide • résonance de flexion >> vitesse de rotation – Rotor flexible • vitesse de rotation au dessus de(s) résonance de flexion défauts et symptômes vibratoires 10

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : désalignement Caractéristiques harmoniques: - fr - 2*f_r, 4*fr, … - N*fr accouplement à denture - direction axiale plus marquée - dépend de l ’accouplement défauts et symptômes vibratoires 11

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(1) • caractéristiques – N=nbr de billes – dm=diamètre de base – db=diamètre billes – =angle de contact défauts et symptômes vibratoires 12

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(2) • Défauts : écaillage, usure, lubrification – piste externe – piste interne – billes • symptômes: – chocs répétitifs à la fréquence de l ’élément considéré (billes, pistes, ) défauts et symptômes vibratoires 13

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(3) • Fréquences caractéristiques: – piste interne – piste externe: – billes : – train fondamental défauts et symptômes vibratoires 14

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(4) • Considérations pratiques: – nécessité de connaître les dimensions du roulements – glissement dans les fréquences – les chocs répétitifs ne sont pas suffisamment énergétiques pour faire apparaître les raies correspondantes dans le spectre – utilisation courantes de descripteurs statistiques pour la détection des chocs (variance, Kurtosis) – une méthode ‘ avancée ’: • l ’analyse d ’enveloppe – choix de la bande de filtrage – outil de détection parfois trop sensible défauts et symptômes vibratoires 15

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements (5) défauts et symptômes vibratoires 16

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(1) • Eléments mécaniques complexes : – conception, fabrication – défauts pouvant évoluer rapidement vers la rupture • plusieurs type de défauts – – faux rond usure uniformes dents, pitting écaillage, fissuration fracture • méthodes avancées pour la détection ‘ précoce ’ défauts et symptômes vibratoires 17

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(1) fr 1 N 1 Engrenages droits fr 2 Direction des efforts Engrenages hélicoïdaux N 2 Fe = N 1. fr 1=N 2. fr 2 défauts et symptômes vibratoires 18

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(3) • Symptômes vibratoires – on distingue les défauts • uniformes sur toutes les dents (usure, pitting) – fréquence d ’engrènement fe • localisées sur des dents particulières (écaillage, fissures, fracture) – chocs localisés – fréquence de chaque arbre fr 1 ou fr 2 – modulation autour des raies fréquence d ’engrènement • Analyse d ’huile défauts et symptômes vibratoires 19

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (4) défauts et symptômes vibratoires 20

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (5) défauts et symptômes vibratoires 21

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : pompes/ventilateurs. . • Roulements • fréquences caractéristiques • défauts de pales, aubes • fréquence de passages des aubes fa= Na. fr • turbulences : • phénomènes aléatoires en hautes fréquence » spectres en 1/f • cavitation : • idem défauts et symptômes vibratoires 22

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : machines alternatives(2) • Moteurs à combustion – diesel, essence – automobiles, marine – production d ’électricité • Compresseurs alternatifs • Plusieurs types de défauts: – – soupapes, pompes à injection, combustion réglages : avance à l ’allumage, cliqueti défauts et symptômes vibratoires 23

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : machines alternatives • Vibrations: – Signaux non-stationnaires : des événements temporels marqués • compression, injection, combustion, fermeture des soupapes, • temps-fréquence, etc • Pression dans les cylindres – bon indicateur, mais mesurages délicats • Analyse d ’huile défauts et symptômes vibratoires 24

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (1) • Phénomènes à des fréquences multiples Entiers de la rotation f=N*fr – – – – balourd désalignement fissure d ’arbre pales de ventilateur moteurs électriques ‘ ’ engrenages 1*fr 1, 2, 3, 4. . fr 1, 2, 3 N*fr Nspires*fr Nencoches*fr fe=N 1. fr=N 2. fr radiale Axiale, radiale axiale/radiale ‘ ’ radiale/axiale défauts et symptômes vibratoires . (fr)² non-linèaire mesure du bruit courant ‘ ’ 25

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (2) • Phénomènes harmoniques Fréquence NON Multiples Entiers de la rotation f=N*fr – tourbillons d ’huile – roulements 0. 45*fr fbe, fbi, fb radiale Axiale, radiale paliers lisses glissement • Phénomènes harmoniques Fréquence produisant des modulations – défauts engrenages fe+/- fr 1, fr 2 radiale/axiale – faux rond pignon idem – roulements : modulations en hautes fréquences f+/- fri • chocs HF Autres fréquences caractéristiques – résonance : flexion d ’arbre/ courroie/ structure/ – tourbillons de Von Karman (foc vitesse du fluide) défauts et symptômes vibratoires 26

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableau de synthèse (3) • Phénomènes caractérisés par des signaux non-stationnaires – cavitation – frottements – turbulence hautes fréquences – chocs, impacts : diesel, engrenages, jeux, etc bruit caractéristique décroissance en 1/f défauts et symptômes vibratoires 27

Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (3) défauts et symptômes vibratoires 28

Diagnostic des machines tournantes conclusions (1) défauts et symptômes vibratoires 29

Diagnostic des machines tournantes conclusions (2) défauts et symptômes vibratoires 30