Surveillance et diagnostic des défauts dans les machines tournantes.

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1 défauts et symptômes vibratoires1 Surveillance et diagnostic des défauts dans les machines tournantes. Défauts et symptômes

2 défauts et symptômes vibratoires2 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

3 défauts et symptômes vibratoires3 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 ’alarme (alarme de surveillance) Seuil d ’arrêt t

4 défauts et symptômes vibratoires4 Diagnostic des machines tournantes hypothèses générales hypothèses : -système invariant, -« changements dans les signaux mesurés »=évolution du défaut connaissance du système mécanique difficultés: - système variable/ non-stationnaire/ non-linéaire/ Machine, structure Excitations non mesurées = Défauts ? sortiesentrées Vibrations,bruit Forces, Mesurés..

5 défauts et symptômes vibratoires5 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

6 défauts et symptômes vibratoires6 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,..)

7 défauts et symptômes vibratoires7 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

8 défauts et symptômes vibratoires8 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd (1) Défaut le plus fréquent F  m.r.  0²=m.r.2pi.f0² 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 ? m 

9 défauts et symptômes vibratoires9 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd(2) T=1/f0 t f f0 A  F

10 défauts et symptômes vibratoires10 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

11 défauts et symptômes vibratoires11 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

12 défauts et symptômes vibratoires12 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(1) caractéristiques –N=nbr de billes –dm=diamètre de base –db=diamètre billes –  =angle de contact

13 défauts et symptômes vibratoires13 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,)

14 défauts et symptômes vibratoires14 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(3) Fréquences caractéristiques: –piste interne –piste externe: –billes : –train fondamental

15 défauts et symptômes vibratoires15 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

16 défauts et symptômes vibratoires16 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements (5)

17 défauts et symptômes vibratoires17 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 des dents, pitting –écaillage, fissuration –fracture méthodes avancées pour la détection ‘ précoce ’

18 défauts et symptômes vibratoires18 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(1) N1 N2 fr1 fr2 Fe = N1.fr1=N2.fr2 Engrenages droits Engrenages hélicoïdaux Direction des efforts

19 défauts et symptômes vibratoires19 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 fr1 ou fr2 –modulation autour des raies fréquence d ’engrènement Analyse d ’huile

20 défauts et symptômes vibratoires20 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (4)

21 défauts et symptômes vibratoires21 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (5)

22 défauts et symptômes vibratoires22 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

23 défauts et symptômes vibratoires23 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

24 défauts et symptômes vibratoires24 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

25 défauts et symptômes vibratoires25 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (1) Phénomènes à des fréquences multiples Entiers de la rotation f=N*fr –balourd1*frradiale .(fr)² –désalignement1,2,3,4..frAxiale, radiale –fissure d ’arbre1,2,3radialenon-linèaire –pales de ventilateurN*fraxiale/radiale mesure du bruit –moteurs électriquesNspires*frradialecourant –‘ ’Nencoches*fr‘ ’‘ ’ –engrenagesfe=N1.fr=N2.frradiale/axiale

26 défauts et symptômes vibratoires26 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 ’huile0.45*frradialepaliers lisses  –roulementsfbe,fbi,fbAxiale, radialeglissement Phénomènes harmoniques Fréquence produisant des modulations –défauts engrenagesfe+/- fr1,fr2radiale/axialechocs –faux rondpignonidem –roulements : modulations en hautes fréquencesf+/- frichocs HF Autres fréquences caractéristiques –résonance : flexion d ’arbre/ courroie/ structure/ –tourbillons de Von Karman (foc vitesse du fluide)

27 défauts et symptômes vibratoires27 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableau de synthèse (3) Phénomènes caractérisés par des signaux non-stationnaires –cavitationhautes fréquencesbruit caractéristique –frottements –turbulencedécroissance en 1/f –chocs, impacts: diesel, engrenages, jeux, etc

28 défauts et symptômes vibratoires28 Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (3)

29 défauts et symptômes vibratoires29 Diagnostic des machines tournantes conclusions (1)

30 défauts et symptômes vibratoires30 Diagnostic des machines tournantes conclusions (2)