40 MESURES 754 - AVRIL 2003

Tendances

M A I N T E N A N C E P R É V E N T I V E

Les roulements, des composantsà surveiller de près

Des roulements, il y en a partout...Des pédales de vélos au ventila-teur des PC en passant par lescompresseurs ou les roues de

véhicules, un très grand nombre de systèmesen rotation en sont équipés. Et dans l’indus-trie, ce sont des composants stratégiques desmachines tournantes : situés entre les par-ties fixes et les parties mobiles de la structu-re, ils assurent la transmission des efforts etla rotation de l’arbre.Mais s’ils sont les plus courants, ces compo-sants sont aussi les plus fragiles. Il faut direque les différents éléments qui les consti-tuent (les billes, la cage et les bagues) sonten permanence sollicités. Le passage répéti-

tif des billes sur les pistesengendre de fortescontraintes mécaniquesqui entraînent peu à peuune dégradation dumétal par fatigue, et finis-sent par provoquer l’ap-parition de défauts ponc-tuels (des fissures, unécaillage des surfaces,etc.). Autre cause d’ava-rie, les défauts de mon-tage et de conception. Ilsprovoquent en effet dessurcharges qui entraî-nent, à terme, l’usureprématurée du roule-ment. Enfin, comme toutsystème de précision, leroulement est sensible àla pollution extérieure.

Un environnement poussiéreux, la présencede copeaux ou d’impuretés dans le corps dusystème,des lubrifiants pollués ou une atmo-sphère humide… sont autant d’agents exté-rieurs susceptibles de causer d’importantsdégâts.Pour éviter des arrêts de production impré-vus et coûteux, il faut alors surveiller en per-manence l’état des roulements, et “traquer”tous les signes précurseurs des défauts : unbruit inhabituel, des vibrations anormales,une élévation de température, etc.

De nombreux outilsde surveillanceIl existe pour cela une grande variété deméthodes. Le plus souvent, on emploie destechniques d’analyse vibratoire en exploi-tant le signal fourni par un accéléromètre(fixé à proximité du roulement). Cesméthodes, utilisées en maintenance préven-tive depuis de nombreuses années, ont lar-gement fait leurs preuves. Elles permettentde détecter de façon précoce l’apparitiond’un défaut, et même, pour certaines d’entreelles, d’en connaître l’origine.Leur principe est simple. A chaque foisqu’une bille entre en contact avec un écailla-ge ou une fissure, il se produit des chocs (denature périodique), qui se caractérisent parun signal vibratoire particulier. Une analysetemporelle, et surtout fréquentielle, de cesignal permet d’en déduire une mine d’in-formations : l’amplitude des chocs dépend dela dimension et de la géométrie du défaut, dela vitesse de rotation, de la charge… et leurfréquence de répétition est liée notamment

à la localisation du défaut (bague, bille, etc.).En comparant le signal obtenu avec un cer-tain nombre de fréquences “caractéristiques”connues, on en déduit alors la nature dudéfaut…Dans la pratique, la présence des défauts auxfréquences caractéristiques n’est pas toujoursfacile à déceler. Pour les mettre en évidence,il existe alors toutes sortes d’outils plus oumoins complexes de traitement du signal.C’est le cas notamment de certains indica-teurs statistiques ou temporels, tels que lefacteur de crête du signal vibratoire. Ce des-cripteur, qui se définit comme le rapportentre la valeur crête et la valeur efficace, don-ne une information précoce sur la dégrada-tion du roulement tout en étant indépen-dant des caractéristiques de fonctionnement(les dimensions du roulement, la charge, lavitesse de rotation, etc.). Seul inconvénient,le facteur de crête décroît lorsque les défautsse développent…À côté de ces grandeurs de base (valeur effi-cace, valeur crête et facteur de crête), il exis-te un autre indicateur plus complexe, le kur-tosis. Celui-ci est relié à la forme de la courbereprésentant l’amplitude du bruit généré parun roulement. En temps normal, la distri-bution statistique de cette variable obéit àune loi gaussienne. Mais lorsqu’un défautapparaît, l’allure de la courbe est modifiée. Lekurtosis (ou moment statistique d’ordre 4)permet alors d’en caractériser “l’aplatisse-ment”.Cet indicateur ne manque pas d’avantages.

� Analyse vibratoire, ondede choc, analyse d’huile,mesure de température…il existe de nombreusesméthodes de surveillancedes roulements.

� L’analyse vibratoire est laplus courante, et notam-ment les méthodes spec-trales. Elles permettent àla fois de détecter lesdéfauts et d’en connaîtrel’origine.

� Les autres techniques,telles que la thermogra-phie ou l’analyse d’huile,peuvent ensuite confir-mer le diagnostic.

� L’outil de surveillance“idéal” est alors celui quiassocie le plus grandnombre de méthodes…

L’essentiel

▼

Les roulements sont les composants les plus fragiles des machines tournantes. Pour éviter desarrêts de production coûteux dus à la défaillance imprévue de l’un d’entre eux, il faut donc enpermanence les surveiller, et “traquer” l’apparition du moindre défaut… Pour cela, ce ne sontpas les techniques qui manquent. Des méthodes classiques d’analyse vibratoire (détectiond’enveloppe, analyse du cesptre, kurtosis, facteur de crête, etc.) à des techniques plus spéci-fiques telles que l’onde de choc, elles permettent de détecter les défauts à un stade plus oumoins précoce, et parfois même d’en déterminer l’origine exacte. Bien sûr, il n’existe pas deméthode universelle. Le meilleur outil de surveillance est alors celui qui associe plusieurs tech-niques…

SKF

Comme il est calculé sur plusieurs bandesde fréquences à partir d’à peine quelqueshertz et que les premiers défauts se mani-festent par des chocs à basse fréquence, lekurtosis permet de détecter la dégradationdes roulements à un stade précoce. De plus,« il est adapté à la surveillance des roulements des arbrestournants à de faibles vitesses de rotation (moins de600 tours par minute) », indique David Bouin,ingénieur technico-commercial chez Prüf-technik.L’inconvénient, c’est que tout comme le fac-teur de crête, le kurtosis décroît lorsque lesdéfauts se développent.A un stade avancé dela détérioration du roulement, il reprend unevaleur proche de 3, c’est-à-dire celle de l’étatinitial sans défaut. Pour pallier cet inconvé-nient, certains constructeurs d’outils de dia-gnostic ont alors défini leur propre descrip-teur. Suivant les cas, le langage employé estdifférent mais il s’agit presque toujours d’unecombinaison plus ou moins complexe desindicateurs classiques. C’est le cas parexemple du facteur de défaut défini par 01dB-Stell. « C’est une combinaison linéaire du facteur de crê-te et de la valeur efficace, précise Jacky Dumas,directeur marketing de 01dB-Stell. Il en associedonc les avantages (une détection précoce,une faible sen-sibilité aux conditions de fonctionnement…),mais sur-tout, il croît pendant toute la phase de dégradation duroulement ».En revanche, aucun de ces différents indica-teurs ne permet vraiment de réaliser un dia-gnostic fiable. Pour aller plus loin et com-prendre l’origine du défaut détecté, on utilisealors des méthodes d’analyse spectrales.

Tout est dans le spectreOutre l’analyse fréquentielle “classique”(obtenue à partir d’une transformée de Fou-rier du signal temporel), il existe des tech-niques d’analyse particulières qui permet-tant de réaliser un diagnostic de l’état desroulements.C’est le cas notamment de la détection d’en-veloppe (ou “démodulation d’amplitude”).Son principe consiste à filtrer en passe-ban-de le signal temporel, et à réaliser ensuite latransformée de Fourier de l’enveloppe dusignal obtenu. La méthode permet donc des’affranchir des signaux parasites basse fré-quence émis par d’autres défauts de la machi-ne (balourd, désalignement, etc.), et de negarder que les signaux émis par les défautsdes roulements (à haute fréquence). Ensui-te, il ne reste plus qu’à rechercher les fré-quences caractéristiques des défauts sur lespectre de l’enveloppe du signal filtré… « Cet-te méthode est intéressante pour réaliser un diagnostic à unstade précoce, et pour mettre en évidence des défauts géné-

ralement difficiles à observer (lorsque la puissance dusignal est faible ou distribuée sur une large plage fréquen-tielle),souligne M. Dumas (01dB-Stell). Elle per-met aussi de déterminer de manière fiable et rapide lesfréquences de répétition des chocs, même dans le cas deschocs périodiques noyés dans du bruit de fond ».Néan-moins, elle nécessite de connaître le domai-ne fréquentiel d’intérêt pour le filtrage, etelle ne convient pas dans le cas de vitessesou de charges variables. Enfin, comme lesautres techniques d’analyse fréquentielle, ellemontre ses limites dans les faibles vitesses derotation.Autre méthode, l’analyse cepstrale. Dans cecas, on observe les raies présentes sur unspectre tout particulier : le cepstre. Souventqualifié de “spectre du spectre”, le cepstreest utilisé pour mettre en évidence les phé-nomènes périodiques qui se cachent derriè-re un spectre. Il est donc très efficace pour

rechercher et suivre l’évolution des chocsrépétitifs, tels que ceux qui sont créés par unécaillage du roulement.Mais les vibrations ne sont pas les seuls phé-nomènes à trahir la présence de défauts surun roulement.Certains constructeurs exploi-tent directement les chocs causés par le pas-sage répété des billes sur les défauts. Laméthode d’onde de choc (mise en œuvrenotamment chez SPM Instrument ou Prüftechnikpour ne citer qu’eux) est employée exclusi-vement dans la surveillance des roulements.« Lorsqu’elles tournent sur les bagues,les billes émettent engénéral des chocs à haute fréquence, autour de 30 kHz,explique Christian Cintrat, ingénieur com-mercial chez SPM Instrument. En utilisant un cap-teur spécifique dont la bande passante correspond à cettefréquence,on se concentre donc sur les signaux provenantdes défauts de roulements. Les vibrations de la machinesituées à des fréquences inférieures sont filtrées ».

41MESURES 754 - AVRIL 2003

Tendances

Les défauts qui apparaissent sur les roulements se manifestent par l’apparition dechocs périodiques à des fréquences particulières. Pour réaliser un diagnosticfiable à partir d’un spectre, on peut donc utiliser un certain nombre de fréquences“caractéristiques” :➜ Fréquence de rotation de la cage :

1Fcage = . Farbre. (1- d cos α)

2 Dm

➜ Fréquence de défaut de la bague extérieure :Fext = N . Fcage

➜ Fréquence de défaut de la bague intérieure :Fint = N . (Farbre – Fcage)

où Farbre est la fréquence de rotation de l’arbre, d le diamètre d’une bille, Dm le dia-mètre moyen du roulement, α l’angle de contact et N le nombre de billes.

A chaque défaut sa fréquence

Le résultat peut être donné sous la formed’une simple indication qualitative. En fixantau préalable un seuil de référence, l’analy-seur de SPM Instrument indique ainsi le résul-tat sous forme de trois indicateurs différents :vert lorsque l’état du roulement est normal,jaune lorsqu’il y a un signe de dégradation,et rouge lorsque l’état de détérioration esttrès avancé… Mais il est également possiblede localiser le défaut et d’en comprendrel’origine. « On utilise alors un “spectre de choc”,à par-tir de la transformée de Fourier du signal temporel obte-nu avec le capteur d’onde de choc », indique LaurentPapillon, chef de produit chez SPM Instrument.La méthode d’onde de choc permet aussid’évaluer la qualité de la lubrification.« Lorsquele film d’huile n’est pas suffisamment épais, le niveaud’onde de choc,habituellement faible, se met à augmen-ter », précise M. Cintrat (SPM Instrument).Autreintérêt, « comme il est excité à sa fréquence de réso-nance, un capteur d’onde de choc réagit avec une ampli-

tude importante à des ondes de choc faibles, poursuitM. Cintrat. Il est donc très sensible,et cela dès l’initia-tion des défauts.Cela peut être utile pour s’assurer dès ledépart que le roulement est correctement monté et qu’il n’apas subi de chocs durant le transport ».À côté de l’analyse des chocs ou des vibra-tions, la surveillance thermique du roule-ment constitue une autre méthode de sur-veillance. Toute élévation anormale de latempérature trahit en effet la présence d’undéfaut dans le roulement.On utilise alors soitdes thermocouples placés à proximité du

composant, soit des techniques de mesuresans contact telles que la thermographieinfrarouge.Une autre méthode consiste à analyser l’hui-le présente dans le roulement. Parfois, unsimple examen visuel est riche d’enseigne-ments : une graisse noire est le signe d’uneusure anormale,une graisse rouge brun peuttrahir la présence d’une corrosion,une grais-se polluée d’éléments métalliques révèle unécaillage des surfaces, etc. Mais on peut aus-si prélever un échantillon du fluide de grais-sage et l’analyser avec des méthodes quanti-tatives d’analyse chimique (telles que laferrographie).Enfin, il ne faut pas oublier qu’un bruit anor-mal peut aussi alerter le technicien de main-tenance de l’apparition d’un défaut. L’analyseacoustique, basée sur une écoute en conti-nu des bruits émis par la machine, se révèlealors intéressante…

42 MESURES 754 - AVRIL 2003

Tendances

Principaux avantages Principales limitations

Indicateurs simples

- Niveau global (mesure d’accélération) - Indicateur simple et fiable - Détection tardive

- Diagnostic difficile

- Peu adapté aux faibles vitesses de rotation

- Détermination des seuils empirique

- Kurtosis (moment statistique d’ordre 4) - Adapté à la surveillance des roulements des arbres - Décroissance de l’indicateur en fin de vie du roulement

tournant à de faibles vitesses de rotation (<600 t/min) - Diagnostic souvent difficile

- Détection à un stade précoce

- Grande sensibilité aux chocs périodiques et non périodiques

- Facteur de crête - Indépendant des conditions de fonctionnement - Décroît lorsque les défauts se développent

(rapport entre la valeur crête et la valeur efficace) (dimensions du roulement, charge, vitesse de rotation…)

- Facteur de défaut - Croît pendant toute la phase de dégradation du roulement - Diagnostic souvent difficile

(combinaison du facteur de crête - Détection à un stade précoce - Peu adapté aux faibles vitesses de rotation

et de la valeur efficace) - Peu sensible aux conditions de fonctionnement

Méthodes d’analyse qualitative

- Analyse temporelle - Adaptée aux faibles vitesses de rotation - Diagnostic souvent difficile

- Permet d’analyser des phénomènes non périodiques

(chocs aléatoires, chocs répétitifs à vitesse ou charge variable)

- Analyse fréquentielle - Permet de localiser les défauts et de réaliser un diagnostic fiable - Interprétation des spectres parfois difficile

- Ne nécessite pas de mesures supplémentaires - Détection tardive

- Inopérant à vitesse ou charge variable

- Détection d’enveloppe - Diagnostic de défauts à un stade précoce - Interprétation des spectres parfois difficile

- Permet de déterminer de manière fiable et - Nécessite de connaître le domaine fréquentiel d’intérêt

rapide les fréquences de répétition des chocs - Inopérant si vitesse ou charge variable

- Généralement associé à d’autres méthodes (kurtosis par exemple)

- Analyse cepstrale - Met en évidence les composantes périodiques d’un spectre - Utilisation en complément d’autres techniques

- Permet de localiser et déterminer l’origine des défauts

induisant des chocs périodiques

- Interprétation de spectres complexes

Principales méthodes de surveillance vibratoire

Cetim

43MESURES 754 - AVRIL 2003

Tendances

On l’aura compris, pour surveiller l’état desroulements, ce ne sont pas les techniquesqui manquent. Et le choix de l’une oul’autre d’entre elles est loin d’être une min-ce affaire.

Un choix bien difficileL’analyse vibratoire, par exemple, ne fait pastoujours l’unanimité. « Elle convient surtout poursurveiller l’état général de la machine tournante : la pré-sence d’un balourd, d’un désalignement, de pièces desser-rées, etc., tranche M. Cintrat (SPM Instrument).De plus,elle nécessite de bien connaître les différentes carac-téristiques de la machine (le nombre de dents des pignons,le diamètre de l’arbre, etc.) et d’avoir une certaine expé-rience dans ce domaine pour interpréter correctement lesspectres ». M. Bouin (Prüftechnik) fait la mêmeanalyse. « Les vibrations conviennent bien pour des pro-blèmes “classiques”de machines tournantes mais l’analysedes chocs est plus adaptée à la surveillance spécifique desroulements »… Mais tous ne partagent pas cetavis. « L’analyse vibratoire a largement fait ses preuves dansla surveillance des roulements.Elle offre d’ailleurs un avan-tage de taille par rapport à l’émission acoustique ou àl’onde de choc :elle ne nécessite pas de capteur spécifique.Contrairement à la méthode d’onde de choc, n’importequel accéléromètre peut convenir. Pour le personnel demaintenance, c’est donc une technique peu coûteuse »,souligne M. Dumas (01dB-Stell).Pour Dominique Carreau, responsable desproduits bruits et vibrations au Cetim (CentreTechnique des Industries Mécaniques), « quelle que soitla technique, il s’agit toujours de détecter un choc ou laréponse à un choc.Ces méthodes ont donc plus ou moinsles mêmes avantages et les mêmes limitations. Le choixdépend surtout de l’application, et notamment de l’envi-ronnement vibratoire ». Il existe toujours des situa-tions où des phénomènes parasites se super-posent aux signaux provenant desroulements. En analyse vibratoire, parexemple, des défauts d’engrenages peuventcacher les défauts de roulements. Il en est demême avec la méthode d’onde de choc. « Cer-taines soupapes de moteurs engendrent des chocs à une

fréquence proche de celle du capteur que l’on utilise(30 kHz),précise M. Cintrat (SPM Instrument).Mais ce sont des cas particuliers, et en général, on s’enaperçoit tout de suite… ».Tout dépend aussi du type de surveillanceque l’on souhaite effectuer. Si une sur-veillance périodique est généralement suffi-sante, il est parfois indispensable de réaliserune surveillance en ligne, notamment pourdes applications exigeantes en termes desécurité ou de cadences. Dans ce cas, laméthode d’analyse d’huile (qui nécessite deprélever un échantillon de fluide avant del’examiner) ne peut pas convenir. On utilisealors des capteurs d’onde de choc,d’émissionacoustique ou de vibrations que l’on fixe àdemeure sur une structure fixe à proximitédu roulement.

Quoi qu’il en soit, ilest toujours possiblede combiner diffé-rentes méthodes pourconfirmer le résultat.La mesure de tempé-rature et l’analysed’huile, par exemple,s’y prêtent particuliè-rement. « L’analyse ther-mique ne peut pas vraimentpermettre de détecter lesdéfauts à un stade précoce,où la température varie relativement peu.En revanche,elleest utilisée pour confirmer le diagnostic, car la tempéra-ture évolue assez rapidement lorsqu’on se rapproche de ladégradation du roulement », souligne M. Carreau(Cetim). M. Dumas (01dB-Stell) fait la mêmeanalyse. « La thermographie et l’analyse d’huile sontcomplémentaires aux autres méthodes,car elles sont géné-ralement plus tardives. Lorsqu’on détecte des paillettesmétalliques dans le fluide de graissage, il est déjà un peutard… ».S’il n’existe pas de méthode universelle, lasolution “idéale” consiste alors souvent àcoupler les différentes techniques. Dans ladétection d’enveloppe, par exemple, la pré-sence d’un peigne de raies n’est pas néces-sairement la conséquence de chocs pério-diques provenant des roulements. Pour éviterdes erreurs de diagnostic, on peut alors l’as-socier à un traitement statistique tel que lekurtosis. De même, « en combinant le kurtosis àune mesure de niveau global, il est possible d’avoir uneidée de l’aggravation du défaut », souligne M.Carreau(Cetim).Pour M.Dumas (01dB-Stell), il faut donc pou-voir disposer « d’une sorte de “boîte à outils”compo-sée de différentes méthodes que l’on peut employer,ou pas,suivant les applications. Ainsi on utilisera par exempledes méthodes classiques d’analyse vibratoire pour les cas lesplus courants, et le kurtosis pour les applications où l’ona de faibles vitesses de rotation ».Bien sûr, il n’est pas toujours nécessaire deréaliser un diagnostic pour connaître l’ori-gine exacte du défaut sur le roulement. « Dans80 % des cas, ce qui intéresse l’industriel est surtout desavoir s’il y a un défaut ou pas,et non pas de savoir s’il vientdes billes ou des cages.Le diagnostic de l’origine du défautn’est utile que dans des cas particuliers où les roulementssont très onéreux (certains coûtent plus de 10000 euros),ou pour des modèles spéciaux tels que des composants àrevêtement céramique pour les machines d’usinage »,souligne M. Papillon (SPM Instrument). PourM. Dumas (01dB-Stell), « les descripteurs classiquestels que les facteurs de crête ou de défaut suffisent à lamajorité des applications. Le but de l’industriel est sim-plement d’avoir un indicateur suffisamment précoce pourminimiser ses pertes… ».

Marie-Line Zani

� Techniques de l’Ingénieur,traité Mesures et Contrôle(R600)

� http://www.maintexpert.com(Portail spécialisé en maintenance)

� 01dB-StellTél. : 04 72 52 48 00Fax : 04 72 52 47 47http://www.01db-stell.com

� PrüftechnikTél./Fax : 01 30 83 09 70http://www.pruftechnik.fr

Pour en savoir plusPour connaître l’état des roulements, on utilise leplus souvent des méthodes de surveillance pério-dique.Moins coûteuses que les méthodes de sur-veillance continue, elles sont basées sur des appa-reils portables tels que les collecteurs de données.Reste ensuite au service maintenance à détermi-ner la périodicité des contrôles…

Il existe une grande variété de roulements.Les éléments roulantssont tantôt des billes, tantôt des rouleaux, tantôt des aiguilles…,le diamètre du composant peut varier entre quelques millimètreset plusieurs mètres, sa masse entre quelques grammes et plusieursdizaines de tonnes, etc.Suivant les cas, on n’utilise pas forcémentles mêmes techniques de surveillance.Pour les roulements les plusonéreux,par exemple, il ne suffit pas de détecter l’apparition d’undéfaut,mais d’en connaître précisément l’origine pour ne rempla-cer que l’organe défaillant.

Prüf

techn

ik

SKF