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

défauts et symptômes vibratoires 1

Surveillance et diagnostic des défauts dans les machines

tournantes.

Défauts et symptômes


Diagnostic des machines tournantesimportance

• 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


Diagnostic des machines tournantesprincipe 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 ’.

Paramètrecaractéristique du défaut

Seuil d ’alarme(alarme de surveillance)

Seuil d ’arrêt

t


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, structureExcitations non mesurées= Défauts ?

sortiesentrées

Vibrations,bruitForces, Mesurés..


Diagnostic des machines tournantesquels 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


Diagnostic des machines tournantesdéfauts 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, ..)


Diagnostic des machines tournantesdéfauts 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


Diagnostic des machines tournantesdéfauts 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 paliersdirection radialecaractéristiques fréquentielles ?

m


Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : balourd(2)

T=1/f0

t

ff0

A F


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


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


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 : écaillage, usure, lubrification

– piste externe– piste interne– billes

• symptômes:– chocs répétitifs à la fréquence de l ’élément considéré

(billes, pistes,)



• Fréquences caractéristiques:

– piste interne

– piste externe:

– billes :

– train fondamental

RIf

Db

DbiNf )].cos(1[

2

rEf

Db

DbiNf )].cos(1[

2

Rf

Db

Dbi

Db

Dbifbi )].cos(1[

2

)]cos(1[2

1 Db

Dbif

T



• 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


Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : roulements (5)

0 500 1000 1500 2000 2500-1

-0.5

0

0.5

1

0 500 1000 1500 2000 2500-20

-10

0

10

20


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 ’



N1

N2

fr1

fr2

Fe = N1.fr1=N2.fr2

Engrenages droits

Engrenages hélicoïdaux

Directiondes efforts



• 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


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

0 200 400 600 800 1000 1200-4

-2

0

2

4

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000010

-5

100

105


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

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-10

-5

0

5

10

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-4

-2

0

2

4


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


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


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


Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (1)

• Phénomènes à des fréquences multiples Entiers de la rotation f=N*fr

– balourd 1*fr radiale .(fr)²

– désalignement 1,2,3,4..fr Axiale, radiale

– fissure d ’arbre 1,2,3 radiale non-linèaire– pales de ventilateur N*fr axiale/radiale mesure du bruit

– moteurs électriques Nspires*fr radiale courant

– ‘ ’ Nencoches*fr ‘ ’ ‘ ’

– engrenages fe=N1.fr=N2.fr radiale/axiale



• Phénomènes harmoniques Fréquence NON Multiples Entiers de la rotation f=N*fr

– tourbillons d ’huile 0.45*fr radiale paliers lisses – roulements fbe,fbi,fb Axiale, radiale glissement

• Phénomènes harmoniques Fréquence produisant des modulations – défauts engrenages fe+/- fr1,fr2 radiale/axiale chocs– 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)


Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableau de synthèse (3)

• Phénomènes caractérisés par des signaux non-stationnaires

– cavitation hautes fréquences bruit caractéristique

– frottements

– turbulence décroissance en 1/f

– chocs, impacts : diesel, engrenages, jeux, etc




Diagnostic des machines tournantes conclusions (1)


Diagnostic des machines tournantes conclusions (2)

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