Lagouge Tartibu TFE

748 vues

Publié le

0 commentaire
0 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
748
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
9
Actions
Partages
0
Téléchargements
14
Commentaires
0
J’aime
0
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

Lagouge Tartibu TFE

  1. 1. 1 EENNSSEEIIGGNNEEMMEENNTT SSUUPPEERRIIEEUURR EETT UUNNIIVVEERRSSIITTAAIIRREE UUNNIIVVEERRSSIITTEE DDEE LLUUBBUUMMBBAASSHHII FFAACCUULLTTEE PPOOLLYYTTEECCHHNNIIQQUUEE Département d’Electromécanique METHODE APPLIQUEE A LA DETECTION DES DEFAUTS SUR LES SYSTEMES MECANIQUES DANS UN OBJECTIF DE MAINTENANCE PREDICTIVE DES SYSTEMES INDUSTRIELS PAR L’ANALYSE DES VIBRATIONS Présenté par: Lagouge TARTIBU KWANDA Travail présenté en vue de l’obtention du grade d’ingénieur civil électromécanicien Année Académique 2004-2005
  2. 2. 2 EPIGRAPHE « Ce qui me manque, c’est la richesse de mon frère. Ce qui manque à mon frère, c’est ma richesse ».
  3. 3. 3 DEDICACE A vous mes parents TARTIBU NYEMBO et NGALA TSHOBA, Pour tout ce que vous avez pu réaliser pour assurer mon avenir ; A vous mes frères et sœur Willy TARTIBU, Lisette TARTIBU, Herve TARTIBU, Linda TARTIBU, Nel TARTIBU, Tony TARTIBU, Leaticia TARTIBU, JOSEPH TARTIBU , Pour qui je souhaite laisser le secret de la réussite qui réside dans la volonté de ne jamais se décourager ; Je dédie ce travail.
  4. 4. 4 AVANT-PROPOS L’obtention du grade d’ingénieur civil électromécanicien n’aurait pas été réalisable sans le concours réel, le soutien moral et les encouragements reçus, de certaines personnes envers qui nous nous en voudrions de ne pas exprimer ici nos sentiments de profonde gratitude. C’est ainsi que nous tenons à remercier de tout cœur Monsieur François KADINDA NTAMBWE pour son entière disponibilité pendant la direction de ce travail. C’est en effet grâce à ces remarques, observations et conseils que nous avons pu finaliser nos recherches dans les limites du sujet. Nos remerciements s’adresse l’ingénieur civil mécanicien LIANGO MONGANGI pour son entière disponibilité, son ingéniosité, et sa confiance qu’il nous a témoignée tout au long de la codirection de ce travail. Nous remercions sincèrement toutes les autorités académiques ainsi que tous les professeurs, chefs de travaux et assistants de la faculté polytechnique pour leur contribution combien appréciable à notre formation intellectuelle. Que tous nos oncles, tantes, cousins et cousines, qui nous ont soutenus tant matériellement que moralement, trouvent ici l’expression de nos sentiments de profonde gratitude. Nous disons merci à tous nos collègues de promotion pour l’esprit de travail assidu grâce auquel notre réussite a été possible. Nous remercions également les personnes citées ci-dessous dont les apports dans notre vie ne peuvent être passés sous silence. Nous citons : Patrick NKULU, Erick KABANSHI, Demto KIBONDO, Lucien SHIMUNA , Franck MUTSHAKA, Idriss KYONI, Butteur NTAMBA NTAMBA, Mike KANUMBI, Teddy MUKONKI, Passy TSHIBANGU , Bertrand KAMBA KAMBA, Cosmas MUKULUMOYA, Pitchou BACHIZI, Ambroise NGANDU, Papy OKUKA, Deddy MUTUND, Kusky KUSAKANA, Blinco YUMA, JM MUSAS, Joel MUTANGALA , Dikembe MUKUTA Lagouge TARTIBU KWANDA
  5. 5. 5 INTRODUCTION Se pencher sur une machine pour « écouter » les bruits révélateurs de défauts ou contrôler visuellement l’apparition de fissures sur des pièces délicates représentent des opérations courantes. Pour s’affranchir de ces opérations fastidieuses et plus ou moins efficaces, les entreprises industrielles se tournent vers des systèmes de surveillance automatique de leurs machines. Ils leur permettent d’accroître la rentabilité (en diminuant au maximum le travail de l’opérateur), mais aussi de garantir la qualité des produits fabriqués et la sûreté de fonctionnement [18]. L’intérêt de ces systèmes est double [18]: Détecter une anomalie le plus tôt possible Réaliser un diagnostic complet pour en identifier les causes. En surveillant l’apparition de défauts critiques, on peut prévoir les pannes et en minimiser les conséquences, les réparations sont réalisées au moment opportun, elles sont moins coûteuses et les arrêts de production sont limités et surtout justifiés. On essaie ainsi d’anticiper les ruptures d’outil qui peuvent endommager la machine. Cette approche moderne de maintenance consiste à mesurer l’état d’une machine pendant son fonctionnement afin de n’intervenir que lorsque les paramètres l’indiquent. Il s’agit de la maintenance prédictive. Dans le cadre de cette étude, nous nous appesantirons sur le paramètre qui s’avère être le plus fiable dans la mesure où il donne le plus précocement et de la meilleure façon l’état de détérioration d’une machine tournante [13]. Il s’agit des vibrations. Le présent travail énonce et analyse les principes de mise en œuvre de la maintenance prédictive, relève son intérêt économique et technique, justifie son choix en regard de toutes les techniques de maintenance. Ils présentent les différentes méthodes utilisées pour la détection des défauts sur les machines industrielles par le contrôle des vibrations. Pour atteindre les objectifs ci-dessus présentés, le présent travail est structuré selon le plan suivant : o Le premier chapitre concerne les vibrations mécaniques, leurs évaluations dans le cadre de la maintenance prédictive, l’analyse de ceux-ci ainsi que les informations indispensables pour leurs traitements. o Le deuxième chapitre présente les concepts nécessaires à la compréhension de la maintenance prédictive par rapport à l’intérêt économique et technique poursuivi par
  6. 6. 6 la maintenance des équipements industriels. L’intégration des vibrations dans le cadre de la maintenance prédictive étant mis en évidence. o Le troisième chapitre concerne les méthodes de détection des défauts. Il présente les principales activités utilisées pour la détection des défauts des machines tournantes. o Le quatrième chapitre traite des défauts et de leurs manifestations vibratoires. Il présente les principaux défauts observables sur les machines tournantes, leurs manifestations et leurs origines ainsi que le principe d’établissement des niveaux d’alarme et de pré alarme sur les machines. o Le cinquième chapitre concerne la prédiction de l’amplitude vibratoire à l’aide du logiciel MATLAB. Il présente de quelle manière le diagnostic prédictif peut être réalisé en s’appuyant sur un programme de prédiction qui est présenté.
  7. 7. 7 PREMIERE PARTIE GENERALITES
  8. 8. 8 CHAPITRE 1 : VIBRATIONS MECANIQUES 1.1. Introduction L’observation des vibrations d’une machine ou d’une installation en fonctionnement est une source d’information d’une richesse considérable sur son état mécanique et fonctionnel, dont l’exploitation ne fait que commencer (surveillance vibratoire ou monitoring et maintenance prédictive). Cette richesse tient :  A la bonne propagation des vibrations dans les structures permettant de recueillir, sur un seul capteur fixe, des informations de n’importe quel élément de la machine ou de l’installation ;  A la cadence élevée des informations délivrées par un capteur dynamique (accéléromètre) ;  A la multiplicité des traitements du signal que l’on peut appliquer pour interpréter les signaux et leurs changements. La vibration n’est plus considérée uniquement comme un risque, mais plutôt comme un symptôme. Un traitement élaboré des signaux et des informations permet de définir un comportement anormal (au sens des normes) ou inhabituel (évolutions, tendances, corrélations…). Dans ce chapitre, premièrement les vibrations mécaniques sont présentées. Par la suite, l’évaluation de ces vibrations dans le cadre de la maintenance prédictive est décrite. Enfin l’analyse vibratoire ainsi que les informations indispensables pour le traitement des vibrations dans le cadre de notre étude sont présentées. 1.2. Définitions 1.2.1. Définition d’une vibration Une vibration est une oscillation mécanique autour d’une position d’équilibre ou de référence [17].
  9. 9. 9 1.2.2. Les machines et les vibrations Une machine idéale ne vibrerait pas car toute l’énergie serait employée pour effectuer le travail demandé. En pratique, des vibrations apparaissent, sous produits de la transmission normale des forces cycliques à travers le mécanisme. Les éléments de la machine interagissent et une partie est dissipée dans la structure sous forme de vibrations. Une bonne conception produira de faibles niveaux vibratoires. Cependant, la machine vieillissant, les fondations se détériorent, les pièces se déforment, et de légers changements dans ses propriétés dynamiques apparaissent. Les arbres se désalignent, les paliers s’usent, les rotors se déséquilibrent, les jeux augmentent. Tous ces facteurs se traduisent par une augmentation de l’énergie vibratoire qui, puisqu’elle est dissipée à travers la machine, excite les résonances et ajoute une charge dynamique considérable aux paliers. Cause et effet se renforce mutuellement jusqu’à la rupture définitive [12]. Donc les vibrations sont normalement un sous produit de la transmission des forces ; elles provoquent une usure de la machine, puis des pannes. Les éléments qui subissent ces forces, par exemple les supports des paliers, sont habituellement accessibles de l’extérieur, si bien que l’on peut mesurer les vibrations dues à ces forces d’excitation. Aussi longtemps que les forces d’excitation sont constantes ou restent dans certaines limites, le niveau de vibration mesuré est aussi constant ou varie dans les mêmes limites [12]. 1.3. L’étude théorique des vibrations Tout modèle mécanique comporte trois éléments de base : un ressort, un amortisseur, une masse [2]. Figure 1 Système à un degré de liberté Avec x : vecteur unitaire descendant m : masse en translation
  10. 10. 10 c : coefficient d’amortissement k : coefficient de rigidité f(t) : force excitatrice On définit ainsi [2] :  Les oscillations libres pour lesquels f(t) = 0  les vibrations forcées (f(t) ≠ o) L’excitation d’une structure varie selon son mode de fonctionnement. Dans le paragraphe qui suit, le vocable signaux désignera toute grandeur pouvant avoir un effet sur la structure pour modifier son équilibre ou son comportement : force, tension, accélération, vitesse, pression acoustique etc. En simplifiant, on peut classer les différents signaux dans l’une des catégories suivantes [8]: A. Signaux harmoniques Ils sont de la forme (Figure 1) : x(t) = a.cos(ωt + φ) ou x(t) = a.sin(ωt + φ) avec x amplitude du signal a amplitude maximale du signal ω pulsation : ω = 2.π.ν ν  fréquence t temps φ déphasage par rapport à l’origine des temps. Ces signaux sont définis si l’on connaît a, ω et φ La période est donnée par: T = 1 / ν Figure 2 Signal harmonique
  11. 11. 11 B. Signaux périodiques non harmoniques Un signal connu à l’instant t (temps) et qui se retrouve rigoureusement identique à l’instant t ± n.T (n étant un nombre entier) est tel que : x(t) = x(t ± n.T) sa fréquence est ν = 1 / T Si ce signal est la somme de signaux harmoniques de différentes amplitudes maximales (constantes) mais dont les pulsations sont multiple d’une pulsation dite fondamentale, le signal est par définition, périodique non harmonique (Figure 3). Figure 3 Signal périodique non harmonique C. Signaux quasi périodiques C’est le cas de signaux non périodiques, mais qui peuvent être considérés comme la somme de signaux harmoniques dont les fréquences ne sont pas multiples d’une fréquence fondamentale. D. Signaux transitoires Ils sont produits pendant un intervalle de temps limité. Les chocs entre dans cette catégorie (Figure 4). t temps X amplitude du signal
  12. 12. 12 Figure 4 Signaux transitoires E. Signaux aléatoires Leurs caractéristiques d’amplitudes et de fréquences changent continûment en fonction du temps (Figure 5). Figure 5 Signal aléatoire Dans le cadre de la présente étude, la rotation de l’arbre d’une machine tournante est le phénomène excitateur qui donne naissance aux vibrations. Cette rotation étant, par nature, un mouvement périodique, les vibrations enregistrées le sont aussi [6]. 1.4. Evaluation des vibrations 1.4.1. Paramètres caractéristiques La vibration étant le mouvement d’une structure résultant d’un effort, elle pourra être caractérisée par l’un des 3 paramètres suivants (Figure 6) [17]:  Le déplacement
  13. 13. 13  La vitesse  L’accélération Les capteurs associés transforment la vibration mécanique en signal électrique. C’est ainsi qu’on distingue les capteurs de proximité ou de déplacement, les capteurs de vitesse, les accéléromètres. x amplitude du déplacement x’=v amplitude de la vitesse x’’=a amplitude de l’accélération En abscisse le temps t Si d = sin (2f t) Alors v = D (2f t) cos (2f t) a = -D (2f)² sin (2f t) Figure 6 Les paramètres caractéristiques 1.4.2. Domaines d’utilisations Le paramètre à mesurer dépendra de la fréquence à étudier [14], c’est ainsi qu’on a :  Pour le déplacement : fréquence < 100 Hz  Pour la vitesse : 100 Hz < fréquence < 1000 Hz  Pour l’accélération : 1000 Hz < fréquence
  14. 14. 14 1.4.3. Les unités et échelles Pour chacun des paramètres de mesure, on adopte les unités suivantes [17]:  Déplacement [m] = 0.001 mm  Vitesse [m/s] = 0.001 mm/s  Accélération [m/s²] = 0.102 g Avec g qui représente l’accélération due à la pesanteur soit 9.81 m/s² On distingue deux types d’échelles (Figure 7) [4]:  Echelle linéaire  Echelle logarithmique : obtenu par transformation de l’échelle linéaire par la fonction logarithme. Figure 7 Echelles linéaire et logarithmique En effet, bien souvent, les amplitudes relatives des raies sont importantes. Quand elles sont supérieures à 20, les représentations linéaires manquent de précision [8], surtout aux faibles valeurs, il est alors commode d’introduire le décibel (dB). C’est ainsi qu’on définit [4]: A. Niveau d’accélération Le niveau d’accélération en logarithme se définit par : L a = 10 log10 refA A Où A ref est une accélération de référence qui vaut 1μm / s² = 10 6 m / s² B. Niveau de vitesse Le niveau de vitesse en logarithme se définit par : L v = 10 log10 refV V
  15. 15. 15 Où V ref est une vitesse de référence qui vaut 1 nm / s = 10 9 m / s C. Niveau de déplacement Le niveau de déplacement en logarithme se définit par : L d = 10 log10 refD D Où D ref est un déplacement de référence qui vaut 1 pm = 10 6 μm 1.4.4. Capteurs de vibration Il existe plusieurs types de capteurs pour apprécier les mouvements vibratoires. La sensibilité des capteurs représente la proportionnalité de la sortie électrique exploitable (tension, charge, courant) par rapport au paramètre de vibration (accélération, vitesse, déplacement). Elle s’exprime en terme de : sortie électrique/paramètre de vibration. 1.4.4.1. Capteurs de vitesse Il s’agit des types suivants de capteurs : A. Bobine mobile C’est un capteur de vitesse vibratoire de faible impédance électrique. Il est très limité dans ses gammes dynamiques et fréquentielles. Il est sensible aux champs magnétiques et est affecté par son orientation. Avec ses éléments mobiles, il est sujet à une dégradation de ses spécifications initiales [4]. B. Vélocimètre laser à effet doppler C’est un capteur de vitesse relative s’appuyant sur un faisceau laser qui est envoyé vers la cible et dont la fréquence est modulée par la vibration de la surface atteinte. La Figure 8 représente son schéma de principe. Les avantages sont nombreux :  Pas de préparation de la surface  Pas de masse rajoutée  Possibilité de scruter plusieurs centaines ou milliers de points en des temps très réduits.
  16. 16. 16 Mais l’inconvénient majeur reste son prix et la plage de mesure qui n’atteint pas encore celle offerte par une chaîne accélérométrique [4]. Figure 8 Schéma de principe d’un vélocimètre laser à effet doppler 1.4.4.2. Capteurs de déplacement Il s’agit principalement des types suivants de capteurs : A. Sonde capacitive Ce capteur de petite dimension est libre de tout contact. Il est sensible aux déplacements vibratoires relatifs à une grande sensibilité et est opérationnel sur une large gamme fréquentielle. Les inconvénients sont que la surface de vibration doit être électriquement conductrice, que la gamme dynamique de la sonde est très limitée et que la sonde est difficile à calibrer. La figure 9 représente son schéma de principe. Il faut appliquer une différence de potentiel entre la sonde et la pièce en mouvement [4]. Figure 9 Schéma de principe de capteurs capacitifs B. Potentiomètre de position Peu coûteux et de faible impédance, ce capteur est capable de mesurer les déplacements statiques. Cependant, les gammes dynamiques et fréquentielles sont très limités et le capteur a
  17. 17. 17 une courte durée de vie une faible résolution. La figure 10 représente son schéma de principe [4]. Figure 10 Schéma de principe d’un potentiomètre rectiligne C. Capteurs inductifs La structure dont le mouvement est à mesurer est liée mécaniquement à l’armature d’un circuit magnétique entraînant une variation du flux dans un enroulement de mesure. La figure 11 représente son schéma de principe [6]. Figure 11 Schéma de principe du capteur inductif à entrefer variable D. Capteurs à transformateur différentiel C’est un capteur de type électromagnétique, composé d’un enroulement primaire et de deux enroulements secondaires montés en opposition, de manière que les forces électromotrices induites par mutuelle induction avec le primaire se soustraient l’une de l’autre. Un noyau ferromagnétique mobile canalise le flux magnétique entre les différentes bobines. Le signal de sortie, qui est donc la différence entre les signaux des deux enroulements, est proportionnel à la position du noyau. La figure 12 représente son schéma de principe [6].
  18. 18. 18 Figure 12 Schéma de principe du capteur à transformateur différentiel pour déplacement rectiligne 1.4.4.3. Capteurs d’accélération Il s’agit de capteurs suivants : A. Capteur piézorésistif C’est un capteur d’accélération vibratoire capable de mesurer les accélérations quasi- statiques. Les gammes de mesure, fréquentielle et dynamique, peuvent être larges. Sa résistance limitée contre les chocs en fait un capteur vulnérable. L’amortissement visqueux est nécessaire pour le protéger des chocs. Cependant, ceci amène à une compression de la gamme thermique de fonctionnement et altère les caractéristiques de phase. (Figure 13) [4]. Figure 13 Schéma d’accéléromètre piézorésistif B. L’accéléromètre piézoélectrique Il est unanimement considéré comme le meilleur capteur disponible à ce jour pour les mesures des vibrations absolues (figure 14) [4]. Il possède les propriétés suivantes :  Utilisable sur de très grandes gammes fréquentielles.  Excellente linéarité sur une très grande gamme dynamique.
  19. 19. 19  Le signal d’accélération peut être intégré électroniquement pour donner le déplacement et la vitesse.  Les mesures de vibration peuvent être faites sous large éventail de conditions environnementales tout en conservant une excellente précision (typiquement 250°C, 400°C à 700°C pour les modèles spéciaux).  Etant lui-même générateur de charges, il est donc indépendant de toute alimentation externe.  Nécessite malgré tout un conditionnement de sa sortie charge (appelé conditionneur de charge ou préamplificateur de charge) plus coûteux que pour les autres types de capteur.  Aucun élément mobile, donc extrêmement durable.  Extrêmement compact et d’un grand rapport qualité/prix  Ne passe pas la composante statique Figure 14 Exemple d’accéléromètres piézoélectriques C. L’accéléromètre à électronique intégrée Il est semblable à l’accéléromètre piézo-électrique à la différence qu’il possède de manière intégrée un conditionnement de charge représenté par un composant de type MOSFET (figure 15) [4]. Il possède les mêmes propriétés que l’accéléromètre piézo- électrique à l’exception de :  Il est limité en température d’utilisation du fait de l’électronique intégrée (125°C).  Il nécessite une alimentation à courant constant moins onéreuse qu’un conditionneur de charge.  Il a une sortie à basse impédance qui autorise de plus grande longueur de câble.
  20. 20. 20  Dynamique de l’électronique intégrée un peu plus faible que dans le cas de l’électronique déportée.  Pas de réglages pour les filtres passe-haut et passe-bas. Figure 15 Exemple d’accéléromètre à électronique intégrée 1.4.4.4. Critères de sélection des différents types de capteurs [6] Types d’accéléromètres Piézoélectrique Piezorésistif Encombrement faible moyen Masse 0.5 à 100 grammes 10 à 100 grammes Bande de fréquence 0.7 à 100 KHz 0 à 10 KHz Dynamique 0.1 g à 1000 g 0.02 g à 50 g Rapport prix 1 1 Bilan Utilisation standard Mesure BF et choc à longue durée g 9.81 m/s²
  21. 21. 21 Types de capteurs caractéristiques Avantages Inconvénients Capteurs potentiométriques *Etendue de mesure : 0.1 mm à 2000 mm *Résolution : 0.1% EM (étendue de mesure) *fmax : 1 KHz *Coût modéré *Durée de vie limitée à 106 à 108 déplacements *Course limitée *Niveau du bruit important Capteurs capacitifs *Etendue de mesure : 5 à 250 mm *Résolution : 210 8 % EM (étendue de mesure) *Robuste et fiable *Excellente précision absolue *Course limitée Capteurs inductifs *Etendue de mesure : 0.1mm à 500 mm *Sensibilité : 10 à 100mV par millimètre pour une alimentation de 1V *Remplacé par les capteurs à transformateur différentiel *Sensible aux perturbations électromagnétiques *Utilisation limitée aux déplacements de l’ordre du millimètre Capteurs à transformateur différentiel *Etendue de mesure : 0.1 mm à 500 mm *Sensibilité : 1 à 500 mV par millimètre pour une alimentation de 1 V *Très bonne linéarité *Très bonne résolution *Utilisation dans des conditions d’environnements sévères (t° :-250 à 600°C *Course limitée Vélocimètre laser à effet doppler *Etendue de mesure : 0.01 mm à 500 mm *Résolution : 0.25% EM (étendue de mesure) *Course limitée *Grande souplesse sur le nombre de voie de mesure sans coût supplémentaire *Mesures accessibles uniquement sur les points extérieurs *Limitée à 500 Hz
  22. 22. 22 1.4.5. Le conditionnement du signal Le but de la mesure est de faire correspondre, à une grandeur physique (vibration) que l’on désire connaître, une grandeur compréhensible par le système d’acquisition. Il s’agit, de nos jours, presque uniquement de signaux électriques. Ainsi le capteur délivrera un signal qui est amplifié et converti généralement en volt par un conditionneur. Le système d’acquisition n’a plus alors à traiter qu’un courant électrique dont l’intensité est directement reliée à l’amplitude du phénomène vu par le capteur et ce quel que soit le type de capteur. On distingue les deux catégories de système de conditionnement du signal suivantes [17]:  ICP accelerometers (Integrated Circuit Piezoelectric): le conditionnement est inclus dans l’accéléromètre sous forme d’un IC (circuit intégré) (figure 16).  Charge mode accelerometers : le conditionnement est extérieur à l’accéléromètre (figure 17). Les deux schéma d’acquisition se présente alors comme suit : A. « ICP accelerometers » Figure 16 Schéma électrique d’un ICP accelerometers  Nécessite une alimentation constante  Câbles communs  Peu de perturbations  Amplification limitée  Quartz OK pour le milieu industriel [17]
  23. 23. 23 B. « Charge mode accelerometers » Figure 17 Schéma électrique d’un charge mode accelerometers  Nécessite un appareil coûteux (amplificateur)  Câble spécial court et calibré  Sensible aux perturbations  Très précis  Céramique OK pour le laboratoire [17] 1.4.6. L’acquisition numérique et analogique Les signaux qui sortent des capteurs et qui représentent les vibrations, sont sous la forme d’une tension électrique continue. Pour analyser ces signaux, on utilisera [6] :  Un traitement analogique  Un traitement numérique A. Traitement analogique Figure 18 Exemple de chaîne de mesure analogique Capteur Conversion TraitementAmplification Acquisition et visualisation des signaux Conditionneur de signaux
  24. 24. 24 Le signal issu des capteurs est transformé par un conditionneur qui comprend généralement les éléments suivants : o Le convertisseur de mesure : il transforme généralement le signal en un courant électrique aisément transportable ; o L’amplificateur : il a pour but d’augmenter l’intensité du signal et de le rendre en cela moins sensible au bruit de fond ambiant ; o Le traitement du signal : il est dédié à la chaîne d’acquisition et varient en fonction des objectifs fixées par l’utilisateur. Ces dispositifs mettent en œuvre des fonctions très variées allant des filtres aux corrélations entre signaux en passant par la conversion en valeur efficace ou la linéarisation. B. Traitement numérique Figure 19 Exemple de chaîne de mesure numérique Le traitement numérique utilise au départ les mêmes dispositifs que la chaîne de mesure analogique. En sortie du conditionneur de signaux, le signal est échantillonné et numérisé par les éléments suivants : Capteur Conversion TraitementAmplification Conditionneur de signaux Système logique de commande E/B CAN Acquisition et visualisation des signaux Numérisation du signal E/B : Echantillonneur-bloqueur. CAN : Convertisseur analogique- numérique.
  25. 25. 25 o L’echantillonneur-bloqueur (E/B) : il a pour mission, au moment indiqué par le système logique de commande, de figer la valeur instantanée du signal au moins le temps que le convertisseur analogique-numérique effectue la conversion ; o Le convertisseur analogique-numérique (CAN) : il a pour rôle de coder la valeur du signal en entrée en un nombre. Son fonctionnement est géré par le système logique de commande qui peut être un microprocesseur. Avec l’évolution technologique, tout a tendance à devenir numérique. La tension continue est transformée en une suite discrète de niveaux discontinus représentés par des nombres. C’est le rôle des cartes d’acquisition contenues dans tous les appareils de traitement du signal. Ainsi l’acquisition numérique doit répondre aux caractéristiques suivantes [17] :  Filtre anti-repliement efficace [9]  Une meilleure résolution possible (16 bits)  Convertisseur analogique/digital performant  Une fréquence d’échantillonnage suffisante  Une bonne amplification 1.5. Analyse vibratoire Dans la présente étude, l’analyse vibratoire poursuit deux objectifs : 1. La détection des défauts 2. L’analyse détaillée des défauts Ceux-ci seront détaillées dans la suite de l’étude. A cet effet, on utilise des paramètres calculés :  Soit dans le domaine temporel  Soit dans le domaine fréquentiel A. Le domaine temporel Exemple de signaux dans le domaine temporel (figure 20).
  26. 26. 26 Figure 20 Exemple des signaux dans le domaine temporel On analyse directement le signal en fonction du temps. Le signal temporel ne fournit des informations que dans des cas simples. Dès lors on utilise plutôt des valeurs globales, qui rendent compte du signal par un indicateur statistique. Ces valeurs peuvent être déterminées de manière analogique ou digitale et elles forment un ensemble de premier niveau de détection des défauts dans le cadre de la maintenance prédictive objet de la présente étude. C’est ainsi qu’on définit les valeurs du RMS (Root Mean Square), PEAK comme suit [17]: Si s(i) est le signal au temps t(i), N le nombre de points, μ la moyenne temporelle, alors :  Valeur crête à crête : PEAK = max[max s(i), min s(i)]  Valeur efficace: RMS = [Σ (s(i) – μ)²]/N B. Le domaine fréquentiel Lorsqu’on applique à une fonction du temps (comme l’accélération, la vitesse ou le déplacement) la transformée de Fourier, cela nous donne comme résultat une autre fonction dont la variable est la fréquence. Sa représentation graphique s’appelle « spectre ». Appliqué aux vibrations recueillies par l’accéléromètre, il offre une image sur laquelle son dissociés tous les mouvements élémentaires composant le mouvement total de la machine surveillée. Exemple
  27. 27. 27 Fonction du temps (figure 21a) : s(t) = 10.sin(2πt) + 5.sin(6 πt) + 3.sin(11 πt) On applique la transformée de Fourier d’où: Fonction de la fréquence (figure 21b): S(1) = 10, S(3) = 5 et S(4.5) = 3 Le spectre désigne sans équivoque les trois phénomènes. Figure 21a Représentation graphique de la fonction s(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -15 -10 -5 0 5 10 15 Temps Amplitudes s (a) Représentation graphique de la fonction s(t)
  28. 28. 28 Figure 21b Représentation graphique de la transformée de Fourier de la fonction s(t)  Définition et propriété de la transformée de Fourier Si h(t) est le signal, sa transformée de Fourier H(ω) sera définie par [17]: H(ω) =     dt.e).t(h tj Avec ω la pulsation. ω = 2πf ou f est la fréquence(Hz) et e tj = cos(ωt) + i sin(ωt) La transformée de Fourier (TF) est inversible : h(t) = ( 2 1 ).      d.e).(H tj  Calcul de la transformée : FFT (Fast Fourier Transform) Pour effectuer le calcul de la transformée de Fourier, il faut discrétiser le signal temporel (échantillonnage) et le calcul (l’intégral devient la somme). 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 2 4 6 8 10 12 (b) Représentation graphique de la transformée S de la fonction s(t) AmplitudeS S Fréquence (Hz)
  29. 29. 29 Soit fe (avec fe =  1 ) la fréquence d’échantillonnage, le théorème de SHANNON nous indique que toute l’information du signal originale est contenue dans les données discrétisées, à condition que le signal ne contienne pas de fréquence plus grande que fe/2. Si ce n’est pas le cas, il y’aura un effet de repliement illustré sur la figure 22 [9]. C’est ce qui justifie le recours à des filtres anti-repliement placé avant le convertisseur analogique-numérique. Ce sont des filtres passe-bas dont le rôle est de rendre nul le signal au delà de f = 2 1 . Figure 22 Effet de repliement du spectre La transformée de Fourier discrète (outil mathématique de traitement du signal) prend alors la forme [17]: H n = ( 2 1 ).   1N 0k N n.k.2.i k e.h La transformée inverse est [17] : h k = N 1    1Nn 0n N n..2.i n e.H Où N est le nombre de points échantillonnés dans le signal h k De ce qui précède, on obtient ainsi un signal discret renseignant sur le contenu fréquentiel du signal Hn correspondant au spectre échantillonné. Ce calcul nécessite N² multiplications complexes. La FFT par contre est un algorithme de calcul qui nécessite que log 2 N multiplications [17].
  30. 30. 30 1.6. Les fenêtres de pondérations Si le temps total T d’échantillonnage du signal n’est pas un multiple entier de la période du signal, le spectre sera perturbé par la présence de plusieurs raies adjacentes à celle qui correspond à la fréquence du signal. Pour éviter cet inconvénient, on utilise une fonction fenêtre. Le « fenêtrage » consiste à multiplier le signal analogique originale par une fonction fenêtre W(t) qui rend le signal nul en dehors du temps d’échantillonnage. Une fonction usuelle, représentée par la figure 23 est appelée fenêtre de HANNING. Son utilisation diminue l’amplitude de raies « fictives » [2]. Les notations suivantes se retrouvent sur la figure 23 :  f(t) amplitude dans le domaine temporel  kA amplitude dans le domaine fréquentiel  W(t) fenêtre  t et k représentent respectivement le temps et la fréquence Ainsi en sélectionnant N points échantillonnés pour une analyse spectrale, on multiplie en fait un nombre infini de données par une fenêtre finie. Les données sont donc filtrées au travers une fenêtre. Mais dans le cas d’une fenêtre rectangulaire, la transformée de Fourier du produit des deux signaux (celui étudié et la fenêtre) fournira le produit des transformées de Fourier (théorème de convolution). Le gros problème est que dans le cas où on sélectionne la fenêtre rectangulaire, celle-ci possède deux discontinuité (début et fin de fenêtre) qui perturbe un signal périodique. On y remédie en multipliant les données par une fenêtre qui varie progressivement de zéro vers un maximum. Des exemples de fenêtres sont donnés par la figure 24 [17].
  31. 31. 31 Figure 23 Utilisation d’une fenêtre de HANNING pour la correction du spectre
  32. 32. 32 Figure 24 Exemple de fenêtre de pondération On retiendra le choix de fenêtre suivant en fonction du signal [17]: Signal Fenêtre Transitoire Rectangulaire Périodique Hanning Aléatoire Flat top 1.7. Comportement « normale » d’une machine. Les normes Les vibrations sont une image des efforts des machines. Les risques de dégradation sont directement liés aux niveaux observés. Il est donc utile de savoir apprécier à partir de quel moment les risques sont trop élevés pour que la machine puisse être exploitée normalement. Or il n’est pas envisageable pour chaque matériel, de caractériser par des essais ou des calculs, les risques de dommages liés aux vibrations observées. C’est pourquoi en pratique, on se réfère à des normes. Ces documents contiennent des critères quantitatifs issus de l’expérience. Il importe alors de bien définir dans quelles conditions sont effectuées les mesures. C’est pourquoi dans ces différents documents, on retrouve des chapitres concernant :  Les machines ou classes de machines auxquelles s’applique la norme (figure 25): type de machine, taille, montage, fondation, usage ;
  33. 33. 33 Figure 25 Machines ou classes des machines [17]  La grandeur à partir de laquelle est faite cette évaluation, et les points de mesurage : structures fixes ou arbres, plans ou schéma définissant les points de mesure (figure 26) [6]; Figure 26 Localisation des points de mesure pour la motopompe et le motoréducteur [6]
  34. 34. 34  Les grandeurs de mesurage : valeur efficace de la vitesse des vibrations, intensité vibratoire, déplacement dans une direction maximum de la trajectoire ;  Les conditions de la machine lors des contrôles : vitesse ou plage de vitesse de rotation, plage de débit, plage de puissance, états stables ou transitoires. La surveillance réglementaire ou normative repose sur l’utilisation de critères simples, « niveaux limites admissibles », qui définissent :  Une qualité minimale à obtenir sur une machine « neuve » : critère de réception (limite admissible lors des essais de réception) (figure 27) [18]; Limites des vibrations selon CDA/MS/NVHS107 MACHINES NEUVES MACHINES USAGEES (mesurage à puissance et vitesse maximales) Vitesse efficace (mm/s) A longue durée de vie A courte durée de vie Niveau de pré alarme Niveau d’alarme d’urgence Compresseurs  Piston libre  Air HP, air cond.  Air BP  réfrigération 10 4.5 1.4 0.56 32 10 5.6 5.6 32 10 10 10 56 18 18 18 Pompes  plus de 5 hp.  Moins de 5 hp. 1.4 0.79 5.6 3.2 10 5.6 18 10 Ventilateurs  Plus de 1800 RPM  Moins de 1800 RPM 1.0 0.56 3.2 3.2 5.6 5.6 10 10 Moteurs électriques  >5 hp. ou <1200 RPM  <5 hp. ou > 1200 RPM 0.25 0.14 1.8 1.8 3.2 3.2 5.6 5.6 hp. horsepower (cheval vapeur) RPMrevolution per minute (tours par minute) Figure 27 Limites admissibles lors des essais de réception [18]  Un niveau au dessus duquel une action corrective doit être programmé : critère d’alarme (figure 28) ;
  35. 35. 35 Figure 28 Exemple de critère d’alarme en fonction des normes [17]  Un niveau au dessus duquel la machine doit être arrêté pour respecter les objectifs de sécurité. Donc la mise en place d’une surveillance commencera donc en premier lieu par l’analyse des documents normatifs (AFNOR, ISO, CEN) concernant la ou les machines surveillées.
  36. 36. 36 CHAPITRE 2 : LA MAINTENANCE DES EQUIPEMENTS INDUSTRIELS 2.1. Introduction La maintenance est amenée à prendre une importance croissante au fur et à mesure que les équipements deviennent de plus en plus sophistiqués, constituant à la fois une nécessité impérative et un moyen d’optimiser la disponibilité effective des équipements, et donc l’efficacité des entreprises. Elle n’a pas toujours comme seul objectif de réparer l’outil de travail mais aussi de prévoir et éviter les dysfonctionnements. Pour une entreprise, l’enjeu se présente comme suit :  Les arrêts de production suite à une panne coûtent cher  La maintenance préventive systématique n’est pas toujours rentable  La maintenance prédictive, avec l’utilisation de nouvelles technologies est une voie de recherche intéressante. Ce chapitre présente les concepts nécessaires à la compréhension de la maintenance prédictive. Dans un premier temps, les concepts de maintenance sont exposés. Par la suite, les politiques de maintenance sont présentés par rapport à l’intérêt économique et technique poursuivis par la maintenance des équipements industriels. Enfin la maintenance prédictive est décrite et l’intégration des vibrations (paramètre de contrôle) est mise en évidence pour la surveillance des machines tournantes. 2.2. Les principaux concepts de la maintenance 2.2.1. Concepts généraux A. Maintenance (norme AFNOR X 60-010) Ensemble des actions qui permettent de maintenir ou de rétablir un équipement dans un état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé [1]. B. Entretien Ensemble des travaux ayant pour but de maintenir dans leur état initial des ouvrages ou équipements existant, sans changer leur usage et leur fonction [19].
  37. 37. 37 C. Fiabilité (NORME AFNOR X-60-500) [1] Aptitude d’un équipement à accomplir une fonction requise dans des conditions données, pendant un intervalle de temps donné. On suppose en général que l’entité est en état d’accomplir la fonction requise au début de l’intervalle de temps donné. Le concept de fiabilité est traduit souvent dans la pratique comme l’aptitude d’une entité à avoir une faible fréquence de défaillance. D. Mainténabilité (NORME AFNOR X 60-500) [3] Aptitude d’un équipement à être maintenu ou rétabli dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise, lorsque la maintenance est accomplie dans des conditions données, avec des procédures et des moyens prescrits. E. Disponibilité (Norme AFNOR X 60-500) [3] Aptitude d’une entité à être en état d’accomplir une fonction requise dans des conditions données, à un instant donné ou pendant un intervalle de temps donné en supposant que la fourniture des moyens extérieurs nécessaires soit assurée. F. Réparation La réparation consiste en la remise en état de façon durable, dans le but de supprimer ou de réduire les conséquences de la vétusté, de l’usure ou du désordre d’un équipement n’assurant plus dans des conditions acceptables la fonction qui est sienne [19]. G. Panne Inaptitude d’une entité à accomplir une fonction requise [19]. H. Défaillance Evolution des grandeurs caractéristiques (vibration dans ce cas) en dehors de certaines limites de fonctionnement établies auparavant. I. Dépannage Action sur un équipement en panne, en vue de le remettre en état de fonctionnement, au moins provisoirement [19]. J. Diagnostic Analyse d’un ensemble de facteurs ou de symptômes visant à établir l’état d’un élément ou les causes d’un éventuel dysfonctionnement constaté, afin de choisir les mesures à prendre pour y remédier [19]. Examen permettant d’apprécier l’état d’usure d’un composant, afin de déterminer les opérations de maintenance à exécuter, ou la durée de vie restante.
  38. 38. 38 K. GMAO (gestion de maintenance assistée par ordinateur) Système informatique permettant la gestion des moyens nécessaires à la maintenance et la gestion de la mise en œuvre de ces moyens .Une GMAO doit donc permettre [19]: o D’établir l’inventaire des éléments à maintenir ; o De gérer les interventions de maintenance préventive et corrective sur le plan de la programmation technique et sur le plan financier ; o De gérer les stocks et les achats ; o De faire les historiques des interventions ; o D’apprécier l’état global de santé des éléments maintenus ; o De prévoir leur remplacement en fonction des durées de vie théoriques et des interventions. 2.2.2. Concepts relatifs à l’état d’un équipement [19] A. MTBF (mean operating time between failure) Temps de fonctionnement moyen entre défaillances (ou FMED). Moyenne de temps de bon fonctionnement. B. MUT (mean up time) Temps moyen de disponibilité (TMD) C. MDT (mean down time) Temps moyen d’indisponibilité (ou TMI) D. TMED (temps moyen entre défaillances) Il est égal à la somme du MUT et du MDT E. MRT (mean repair time) Temps moyen nécessaire à la réparation F. MTTF (mean operating time to first failure) Durée moyenne de fonctionnement avant la première défaillance (ou FMAP) 2.3. La notion de fiabilité d’un système La fiabilité d’un système étant une probabilité (P) comme défini précédemment, c’est donc une grandeur comprise entre 0 et 1. Nous la désignerons dans ce qui suit par R(t) ou t désigne la durée de la mission [10] [1]. R(t) = P(durée de vie du système < t)
  39. 39. 39 Dans le cadre de cette étude, nous nous intéresserons aux systèmes mécaniques. La durée de vie s’exprimera en heures de fonctionnement. Le fait que la défaillance d’un système puisse survenir à n’importe quel moment nous amène à considérer cette grandeur comme une variable aléatoire à laquelle nous pouvons associer une fonction de densité f(t). f(t).dt étant la probabilité que la durée de vie d’un système soit comprise entre t et t + dt, ou encore la probabilité qu’il tombe en panne entre t et t + dt f(t).dt = P(t < durée de vie du système < t+dt) Avec    0 1dt).t(f Nous désignerons par F(t), la fonction de répartition ou la fonction de distribution associée aux durées de vie. F(t) peut s’interpréter comme la probabilité que la durée de vie du composant soit supérieur ou égal à t F(t) = P(durée de vie du système > ou = t) Nous supposons qu’en tout temps, le système est soit « en opération » ou « hors d’usage », il s’ensuit : Pour tout t, R(t) + F(t) =1 De par la définition de la fonction densité f(t) et en se basant sur les concepts de base de probabilité, nous avons [10] : R(t) =   t dt).t(f F(t) =  t 0 dt).t(f
  40. 40. 40 Figure 29 La défaillance d’un équipement peut être caractérisé par un taux appelé taux de panne. Ce taux est appelé taux de défaillance, taux de hasard ou taux de mortalité. Il est défini comme étant la probabilité conditionnelle que l’équipement tombe en panne entre l’instant t et t + dt sachant qu’il a survécu jusqu’à l’instant t. Il peut être défini comme la proportion de composants ayant survécu jusqu’à l’instant t [19]. t).t(N )tt(N)t(N )t(    N(t) : nombre de composants ayant survécu jusqu’à l’instant t N(t+  t) : nombre de composants ayant survécu jusqu’à l’instant t+  t Si nous représentons le taux de panne en fonction du temps, nous obtenons une courbe appelée « en baignoire » qui est divisé en 3 parties [3]:  La première est appelée période de mortalité infantile ou le taux de panne est en décroissance ce qui correspond aussi au rodage.  (t) décroissant.  La deuxième partie n’est autre que la durée de vie utile : c’est la zone ou le taux de panne est constant.  (t) constant.  La troisième partie est appelée le vieillissement ou l’usure : en atteignant cet âge, le composant commence à vieillir et le taux de panne augmente en fonction du temps.  (t) croissant.
  41. 41. 41 Figure 30 Courbe en baignoire 2.4. Modes de dégradation des équipements Pour mettre en place une politique de maintenance adéquate, il est important de comprendre les phénomènes de défaillance et de dégradation des composants. Il existe deux types de mode de défaillance [3]: A. Défaillance catalectique complète et soudaine Figure 31 Représentation d’une défaillance brusque Maintenance appliquée [3] : maintenance systématique (bien connaître le TBF) TBF temps de bon fonctionnement. TBF Temps Etat de l’équipement
  42. 42. 42 B. Défaillance progressive Figure 32 Représentation d’une défaillance progressive Maintenance appliquée [3]: maintenance conditionnelle ou prévisionnelle (surveillance paramètre). 2.5. Politiques de maintenance Dans la définition de la maintenance, nous retrouvons 2 mots-clés : maintenir et rétablir. Le premier fait référence à une action préventive. Le deuxième fait référence à l’aspect correctif. Nous présentons dans les paragraphes qui suivent les définitions de chaque type de maintenance (figure 33). Figure 33 Les différents types de maintenance TBF Temps Etat de l’équipement MAINTENANCE MAINTENANCE PREVENTIVE MAINTENANCE PREDICTIVE MAINTENANCE CURATIVE MAINTENANCE PALLIATIVE MAINTENANCE CORRECTIVE MAINTENANCE CONDITIONNELLE MAINTENANCE SYSTEMATIQUE
  43. 43. 43 2.5.1. Maintenance corrective Elle est définie comme une maintenance effectuée après défaillance (AFNOR X 60- 010). Le premier type est à caractère provisoire, ce qui caractérise la maintenance palliative. Le deuxième type est à caractère définitif, ce qui caractérise la maintenance curative [1]. On attend la panne pour agir et l’entretien devient synonyme de dépannage ou de réparation. Il y’a lieu d’intervenir rapidement parce que le besoin de la machine est urgent du fait qu’elle se trouve subitement arrêté et que cet arrêt n’est pas programmé. Il en résulte des détériorations profondes alors qu’un arrêt préalable le plus souvent aurait limité la panne en importance d’où les coûts sont conséquents d’autant plus que les coûts augmentent rapidement et d’une façon brusque avec l’âge des machines [15]. C’est donc une politique de maintenance (dépannage et réparation) qui correspond à une attitude de réaction à des événements aléatoires et qui s’applique après la panne, donc qu’elle n’a pas été « pensée » puisque effectuée après défaillance. Par conséquent, la maintenance corrective ne devra s’appliquer automatiquement qu’aux défaillances complètes et soudaines dites catalectiques, comme par exemple la rupture brusque d’une pièce mécanique. Hormis ce cas, ce type de maintenance devrait être réservé à du matériel peu coûteux, non stratégique pour la production et dont la panne aurait peu d’influence sur la sécurité [13]. 2.5.2. Maintenance préventive Elle est définie comme une maintenance effectuée dans l’intention de réduire la probabilité de défaillance d’un équipement ou d’un service rendu. Les activités correspondantes sont déclenchées selon un échéancier établi à partir d’un nombre prédéterminé d’unité d’usage (maintenance systématique) ou de critères prédéterminés significatifs de l’état de dégradation de l’équipement ou du service (maintenance conditionnelle) [1]. C’est une politique qui s’adresse aux éléments provoquant une perte de production ou des coûts d’arrêts imprévisibles, mais importantes. Les matériels visés sont ceux dont le coût des pannes est élevé (20 % des pannes représentant 80 % des coûts). 2.5.2.1. Maintenance préventive systématique Elle est définie comme une maintenance effectuée selon un échéancier établi selon le temps ou le nombre d’unités d’usage (AFNOR) [1]. La périodicité des remplacements est déterminé selon deux méthodes : la première du type bloc et la seconde du type âge.
  44. 44. 44 La politique de remplacement de type âge suggère de remplacer l’équipement à la panne ou après T unités de temps de bon fonctionnement. La politique de type bloc suggère de remplacer l’équipement après une période prédéterminée de temps T, 2T etc. indépendamment de l’âge ou de l’état du composant. Donc pratiquement la maintenance préventive systématique s’exécute sans contrôle préalable de l’état de l’équipement et à des intervalles de temps définis (révision périodique). Elle s’adresse aux éléments dont le coût de pannes est élevé, mais ne revenant pas trop cher en changement (par exemple le changement systématique de l’huile, des filtres, changements de courroie de synchronisation, remplacement préventif de sous ensemble…) [13]. En d’autres mots quant les conséquences de la défaillance en coût et pertes sont plus importantes que le coût et pertes causés par les remplacements de bonnes composantes du produit. Toutefois, il faut noter que dans une maintenance planifiée, le remplacement des composants, se fait dans des échéances inférieures à leur durée de vie, ce qui peut constituer dans d’autres conditions, une sorte de gaspillage. Avantages [13]  Réduction des coûts et des durées de maintenance par rapport à l’entretien curatif ;  Bonne planification des réparations et des ressources ;  Contrôle du niveau de stockage des pièces de rechange ;  Généralement, peu de catastrophes ;  Sécurité accrue. Inconvénients [13]  Révisions non nécessaires (l’entretien n’est pas fonction de l’état de la machine, mais plutôt de la durée d’utilisation) ;  Remplacements de pièces en bon état ;  Création de défauts lors des remontages (si les procédures ne sont pas claires et contrôlées). 2.5.2.2. Maintenance préventive conditionnelle Elle est définie comme une maintenance subordonnée à un type d’événement prédéterminé (AFNOR) [1]. Dans le cadre de notre étude, l’analyse de vibration va permettre de détecter les signes d’usure ou de dégradation de l’équipement. Ceci s’effectue en mesurant, à chaque inspection la valeur d’un paramètre de contrôle tel que l’amplitude de déplacement, de vitesse ou d’accélération des vibrations. L’action ne se déclenche que lorsque le paramètre
  45. 45. 45 de contrôle dépasse un seuil déterminé empiriquement, fixé par le constructeur ou par les normes de santé et de sécurité au travail. En se donnant une dimension de plus : « le temps », dans le but de chercher à prévoir l’évolution des dégradations, pour intervenir au moment le mieux choisi (comme illustré sur la figure 34), la maintenance conditionnelle a évoluée en maintenance « prédictive » [1]. Figure 34 Evolutions des dégradations Ainsi on qualifie de « maintenance prédictive » la maintenance conditionnelle chaque fois que les indications des instruments de mesure permettraient de prévoir la date de l’intervention de maintenance. La maintenance prédictive (ou prévisionnelle) est donc une maintenance préventive subordonnée à l’analyse de l’évolution surveillée de paramètres significatifs de la dégradation de l’équipement permettant de retarder et de planifier les interventions. Tout l’intérêt est porté à la surveillance de paramètre et ses corollaires par l’analyse de tendance et détection d’événements avec l’utilisation indispensable de l’informatique ou de la gestion de la maintenance assistée par ordinateur. Le fait de pouvoir détecter rapidement les anomalies, sans même démonter la machine, ainsi que pouvoir prévenir la panne et en prévoir la réparation le plus tard possible (figure 35), en fonction des impératifs de production, fait de la maintenance prédictive une technique efficace permettant une augmentation perceptible de la productivité.
  46. 46. 46 Figure 35 Représentation graphique des amplitudes vibratoire ainsi que leur évolution dans le temps En d’autres termes, l’intervention n’aura lieu que si nécessaire en établissant au préalable un diagnostic avant de programmer la réparation. La pratique de la maintenance prédictive comporte 3 phases [15] :  La détection du défaut qui se développe  L’établissement d’un diagnostic
  47. 47. 47  L’analyse de tendance A. La détection du défaut qui se développe A la mise en route de chaque équipement, les principaux caractéristiques de base des appareils sont enregistrées notamment la signature vibratoire (paramètres intéressant dans le cas de machines tournantes) et de divers paramètres de fonctionnement (température, usure, performances…). Ces caractéristiques ou signatures, serviront de référence pour suivre, par comparaison, l’évolution d’éventuels défauts ultérieurs. Nous détaillons cet aspect dans la suite de notre étude. B. L’établissement d’un diagnostic Dès qu’une anomalie est détectée par les outils caractéristiques, au sens d’analyse de paramètres, un diagnostic concernant l’origine et la gravité du défaut constatée sera établi. Nous détaillons également cet aspect dans la suite de notre étude C. L’analyse de la tendance La courbe de tendance est établie en reliant les différentes amplitudes prélevées à différents instants. Son établissement permet de préjuger du temps dont on dispose avant la panne pour laisser la machine fonctionner mais sous surveillance renforcée et prévoir d’ores et déjà la réparation. Les figures 36 et 37 représentent des courbes de tendance des résultats de mesure effectuées selon une certaine périodicité. Dans le cadre de cette étude, il s’agira des amplitudes des vibrations mesurées selon une périodicité qui représente les mois ou les semaines.
  48. 48. 48 Figure 36 Courbes de tendance  1: Mise en marche de l’équipement machine neuve ou réparée  1 à 2 : Période de jeunesse ou rodage  2 à 3 : Niveau normal de bon fonctionnement, partie linéaire avec mesures périodiques normales  3 : Le défaut s’annonce ou la détection du défaut donne le seuil minimum d’alarme  3 à 4 : la durée entre les mesures diminue et le défaut se développe selon une courbe non linéaire 1 2 3 4 5 6 Temps (mois ou semaines) Evolution paramètre significatif (mm/s ou mg) Niveau d’alarme
  49. 49. 49  4 : diagnostic du défaut, l’avertissement est donné, il y’a lieu de programmer la réparation.  4 à 5 : surveillance accrue et décision de procéder à la réparation  5 : maintenance effectuée pour rétablir le niveau de tendance normal de la courbe de fonctionnement similaire à la partie 2 à 3 et un nouveau cycle reprend  6 : panne inévitable qui constitue le seuil maximum Figure 37 Courbe de tendance après que la maintenance soit effectuée  5 à 2’ : signifie que la maintenance a été effectuée et que la courbe a repris son allure de bon fonctionnement. La prochaine maintenance sera effectuée probablement au point 5’. Les cycles suivants sont similaires. La maintenance préventive conditionnelle dite prédictive s’adresse aux pièces des machines coûtant chers en remplacements et pouvant être surveillées par des méthodes non destructives (vibration, huile, température…) [13]. Pratiquement, il s’agit de vérifier l’état de fonctionnement avant d’effectuer tout travail. Changer l’élément que lorsque celui-ci présente des signes de vieillissement ou usure affectant les performances. Avantages [13]  Réduction de coût et de la durée de réparation par rapport à l’entretien préventive ;  Peu de stockage (juste à temps) ; 3 4 5 6 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ Temps (mois ou semaines) Evolution paramètre significatif (mm/s ou mg) Niveau d’alarme
  50. 50. 50  L’accroissement de la durée de vie des pièces par rapport à une politique de changement systématique ;  Remplacement de pièces défectueuses uniquement ;  Pas de catastrophes et sécurité accrue ;  Planification optimisée des périodes de travail ;  Meilleur rendement de la production ;  La suppression des défauts de jeunesse lors de la remise en route après un entretien systématique Inconvénients [13]  Nécessite une équipe de maintenance formée en analyse vibratoire et en essais non destructifs .Niveau technologique plus élevé. 2.5.2.3. Intérêt économique de la maintenance prédictive Une installation en fonctionnement même dans des conditions normales entraîne un certain vieillissement des matériels, et parfois même des incidents ou accidents. Pour une exploitation correcte, il est nécessaire de maintenir cette installation en bon état. La maintenance a un coût et il importe de trouver le niveau optimum qui maintiendra au moindre coût l’installation à niveau sans mettre en danger la sécurité des personnes. Comme illustré sur la figure 38, si l’on ne maintient pas l’installation, on aura trop d’incidents et leur coût va croître. A l’inverse, si l’on fait trop de maintenance préventive, le coût va augmenter [7]. Figure 38 Optimisation de la politique de maintenance Le but de cette section est de présenter les principaux facteurs économiques qui justifient l’installation d’un système de détection de défauts sur les machines. Premièrement, les gains
  51. 51. 51 escomptés de l’utilisation d’un système de surveillance sont exposés. Certains de ceux-ci sont difficilement estimables en valeur monétaire mais représentent un avantage certain pour l’entreprise qui les détient. Deuxièmement, les différents coûts associés aux arrêts de production non planifiés sont présentés. A. Gains encourus par l’utilisation d’un système de surveillance Les gains encourus par l’utilisation de la surveillance sont :  La diminution du nombre d’arrêts planifiés et non planifiés ;  La diminution du temps de réparation dû au meilleur ciblage des causes ;  L’augmentation de la sécurité pour les équipements et le personnel ;  L’augmentation de la compréhension du système ;  L’augmentation de la durée de vie des équipements. B. Analyse des coûts des arrêts de production Les arrêts de production peuvent mener à des pertes de profits substantielles. Par exemple, pour une industrie dont la marge de profits est de 10%, la perte de 3% de la production dû aux arrêts non planifiés ou aux arrêts planifiés qui n’ont menés à aucun réajustement représentent une diminution des profits de l’ordre de 30%. Compte tenu que les marges de profits sont relativement faibles, chaque pourcent d’arrêt qui est évité représente un gain de profit intéressant. Trois catégories des coûts doivent être pris en compte lors de l’analyse des coûts d’arrêts de production :  les pertes de revenus ;  les coûts du matériel entreposé pour pallier aux défaillances ;  les coûts associés au retour à la normale après une défaillance. Les pertes de revenus représentent l’entrée d’argent perdue à cause des défaillances et des arrêts pour maintenance. Le coût du matériel entreposé pour pallier aux défaillances inclut la dépréciation des équipements, le coût de leur entreposage et la perte de revenus par rapport à l’utilisation de ces fonds à meilleur escient. En diminuant le nombre d’arrêts non planifiés, le stockage de matériel pour pallier à ces imprévus est diminué. Les coûts associés au retour à la normale comprennent les heures supplémentaires payées aux employés qui réparent les bris, les coûts supplémentaires liés à la livraison du matériel nécessaire dans de courts délais et tous les autres coûts engendrés pour retourner à l’état initial.
  52. 52. 52 Donc, plusieurs avantages sont espérés de l’utilisation d’un système de surveillance sur les machines. Ils sont principalement liés à la diminution du nombre d’arrêts, à l’augmentation de la sécurité et de la durée de vie des équipements ainsi qu’une meilleure compréhension du système. Les coûts des arrêts de production peuvent être décomposés en pertes de revenus, en coûts associés au retour à la normale tel que présenté. 2.5.2.4. Les outils de la maintenance prédictive Hormis le contrôle des vibrations, l’appellation maintenance prédictive concerne également plus particulièrement la surveillance d’équipements grâces à des techniques ne nécessitant ni arrêt de production, ni démontages tels que [15] [1] :  La dissipation d’énergie par thermométrie ou thermographie par infrarouge ;  La tribologie (étude dynamique des paliers lubrifiés par analyse du lubrifiant, des particules d’usure ou ferrographie) ;  Le contrôle des paramètres de processus (pression, intensité électrique, vitesse…)  L’inspection visuelle ;  Le contrôle ultrasonique ;  Le contrôle des émissions acoustiques ; Le suivi régulier des paramètres dont il est question permet de se rendre compte :  De l’évolution dans le temps du comportement dynamique des machines et de leur éventuels dysfonctionnements ;  De la durée résiduelle probable de bon fonctionnement, en fonction du seuil d’arrêt, la valeur préalablement fixée et ne devant pas être dépassée.
  53. 53. 53 2.5.3. Algorithme du choix du type de maintenance. [13] La panne sur cette machine a-t-elle une incidence importante sur la production ou la sécurité ? Le coût de panne est-il acceptable ? L’utilisation de ces techniques est-elle rentable ? Est-il possible d’utiliser des techniques de surveillance ? Maintenance corrective Maintenance conditionnelle Maintenance systématique Non Oui Non Oui Non NonOui Oui
  54. 54. 54 2.5.4. Synoptique récapitulatif Type Corrective Systématique Conditionnelle Conditions d’intervention Fonctionnement jusqu’à rupture Basée sur l’estimation de la durée de vie moyenne du composant Intervention conditionnée par la dérive d’un paramètre significatif Aide au diagnostic Les outils utilisés ne servent qu’à déterminer la cause de la panne Ajuster les échéanciers en fonction des états d’usure constatés Analyse de l’évolution des paramètres de fonctionnement et le diagnostic sur l’origine du défaut Applications Machines doublées, panne acceptable et imprévisible Graissage, petites pièces et impossibilité d’obtenir des mesures fiables Machines stratégiques, à problèmes et risque panne dangereuse Durée de vie d’un organe Rupture Remplacement Détection de défaut, analyse de tendance et réparation programmée Coûts Coûte cher en perte de production et en sécurité Coûte cher en matériel Optimise les coûts des matériels au plus près de la rupture et augmente la productivité par la programmation des arrêts nécessaires
  55. 55. 55 2.6. Techniques de mise en œuvre La mise en œuvre de technologie de maintenance diffère selon le type de maintenance effectuée. Une maintenance curative ne nécessite aucune structure spécifique, alors qu’une maintenance préventive nécessite au minimum la mise en place d’une base de données contenant les temps de fonctionnement moyens de chaque pièce incluse dans le programme de maintenance. Dans le cadre de la maintenance prédictive, plusieurs étapes sont nécessaires [6]:  Classement « VIS » des machines ;  Cinématique ;  Points de mesure. 2.6.1. Classement « VIS » des machines La surveillance des machines est indispensable si l’on veut remplacer l’entretien systématique par l’entretien préventif conditionnel « en cas de besoin ». Mais elle a un coût. Il est ruineux de vouloir tout contrôler sur des machines bon marché dont la défaillance n’est pas gênante pour l’exploitation ou la sécurité. A l’inverse il ne serait pas raisonnable de laisser tomber une machine importante et complexe sans un minimum de contrôles. Afin de ne pas surveiller inutilement des machines qui n’ont pas une importance capitale, on établira le classement suivant (selon le site) [6] :  Machines Vitales : machines non doublées dont la panne entraîne l’arrêt de la production. Les frais et les délais de remise en état sont importants. Les pertes de production sont inacceptables ;  Machines Importantes : machines doublées ou non dont la panne entraîne une baisse sensible de la production. Les frais et les délais de remise en état sont importantes, les pertes de production aussi ;  Machines Secondaires : machines doublées ou dont une panne ne remet pas en cause les capacités de production. En fonction de ce classement, d’un indice de vétuste, d’un indice de complexité des machines, on détermine les outils de surveillance ou de diagnostic (tableau 1) [6] qui seront explicité en détail dans la suite de l’étude.
  56. 56. 56 Exemple de surveillance à mettre en oeuvre Complexité de la machine machine Vitale Importante Secondaire Complexe (présence de réducteurs) Surveillance spectrale Surveillance spectrale Surveillance par niveaux globaux Simple (une seule ligne d’arbre) Surveillance spectrale Surveillance par niveaux globaux Surveillance par niveaux globaux Tableau 1 2.6.2. Cinématique Avant de recueillir quelque signal vibratoire que ce soit, il faut prendre connaissance de la cinématique de l’installation à surveiller. Parmi les indications les plus importantes, il faudra connaître [6]:  La vitesse de rotation de chaque ligne d’arbre ;  Le nombre de pales ou d’aubages sur les ventilateurs et les pompes ;  Le nombre de dents des engrenages ;  Le diamètre de poulies et la longueur des courroies ;  Le type de roulement ;  Le nombre de barres de la cage d’écureuil du moteur etc. Ces renseignements sont indispensables pour déterminer les outils adéquats à la surveillance efficace. Ils permettent de calculer les fréquences caractéristiques des défauts susceptibles sur les machines. Ceux-ci seront présentés dans la suite de l’étude. 2.6.3. Points de mesure Le placement de l’accéléromètre sur les machines est très important dans la mesure ou un phénomène mécanique peut donner des images sensiblement différentes en fonction du point de mesure. Pour cela, il est nécessaire de coller sur les machines des « pastilles filetées » aux emplacements définis [6]. Pour avoir une image complète des vibrations, il faut prendre les mesures selon trois directions perpendiculaires sur chaque ligne d’arbre de la machine surveillée : deux directions radiales (horizontale et verticale) et une direction axiale (figure 39).
  57. 57. 57 Figure 39 Emplacement des points de mesure selon la norme ISO 10816 2.7. Moyens matériels et logiciels Dans ce qui précède, nous avons répertorié :  Les machines à surveiller ;  Les points de mesure pour chaque machine ; Dans la suite de l’étude, nous évoquerons les types d’indicateurs mesurés en chacun des points (indicateurs de surveillance et de diagnostic) La surveillance à réaliser dans le cadre de la maintenance prédictive nécessite comme moyens matériels [6] :  Un micro-ordinateur (figure 40b);  Un collecteur de données (figure 40a) ;  Un capteur de vibration (figure 40a);  Des pastilles (figure 40a). Figure 40a Collecteur de données, accéléromètre et pastille
  58. 58. 58 Figure 40b micro-ordinateur Et comme moyens logiciels [6]:  Un logiciel d’analyse du signal. Le matériel de mesure (capteur et collecteur) enregistre le signal vibratoire brut. En fonction des besoins de l’analyste, on définit ensuite des indicateurs calculer à partir de ce signal. L’évolution de ces indicateurs renseigne sur l’usure de la machine. C’est ainsi qu’on procédera successivement:  Au paramétrage du logiciel de surveillance (outils de surveillance et de diagnostic)  Au chargement du collecteur de données à partir du micro-ordinateur sur lequel est installé le logiciel d’analyse du signal : Le collecteur ainsi préparé va guider l’opérateur sur le site afin de réaliser dans le bon ordre les mesures constituants l’itinéraire paramétré.  A la mesure à l’aide du collecteur + capteur qui s’effectue selon une certaine périodicité fonction : Du degré d’importance des machines ; Des objectifs de la surveillance Exemple : les pompes, compresseurs, moteurs sont suivies sur une base hebdomadaire.  Au déchargement du collecteur de données dans le micro-ordinateur.  A la visualisation grâce au logiciel : Des mesures en effectuant les comparaisons avec les valeurs de référence (la signature) et aussi d’établir :
  59. 59. 59 o Un seuil d’alerte au dessus duquel on considère que l’état de la machine est préoccupant ; o Un seuil de danger au dessus duquel une panne imminente est probable Des résultats de mesures utilisés pour le diagnostic des défauts. Ce diagnostic permet de statuer sur l’état de la machine et de décider ou non une intervention sur celle-ci. Nous pouvons citer deux principaux logiciels d’analyse disponibles : SENTINEL (BRUEL ET KJAER) SURVAODIAG (STEEL DIAGNOSTIC)
  60. 60. 60 DEUXIEME PARTIE LA DETECTION DES DEFAUTS
  61. 61. 61 CHAPITRE 3 : LES METHODES DE DETECTION DES DEFAUTS 3.1. Introduction Le but de ce chapitre est de présenter les principaux procédés utilisées dans la détection des défauts par l’analyse vibratoire des machines tournantes il s’agit successivement des procédés de surveillance et de diagnostic. En effet, le fonctionnement des machines engendre des efforts qui seront souvent la cause des défaillances ultérieures (efforts tournants, turbulence, choc, instabilité). Ces efforts seront à leur tour les causes de vibrations qui vont endommager les structures et les composants des machines. L’analyse de ces vibrations va permettre d’identifier les efforts dès qu’ils apparaissent, avant qu’ils n’aient causés de dommage irréversible. Elle permettra après analyse d’en déduire l’origine et d’estimer les risques de défaillances. Analyse vibratoire Suivre la santé des machines tournantes en fonctionnement Surveillance Mesures comparatives Evolutions d’indicateurs Notions de « signature » Outils : Niveaux globaux Spectres PBC Spectres RC Diagnostic Analyse approfondie Fréquences de défauts Forme du signal Outils : Spectres RC/ZOOM Spectres enveloppes Cepstres
  62. 62. 62 3.2. La surveillance 3.2.1. But La surveillance permet de suivre l’évolution d’une machine par comparaison des relevés successifs de ses vibrations. Une tendance à la hausse de certains indicateurs par rapport à des valeurs de référence constituant la signature alerte le technicien sur un dysfonctionnement probable [6]. Il faut noter que la surveillance n’agit pas sur la cause des incidents, mais elle permet par une détection précoce d’en minimiser les conséquences. 3.2.2. Les outils de surveillance 3.2.2.1. Niveaux globaux (NG) La méthode de niveau global consiste à apprécier le niveau vibratoire de la machine en mesurant la valeur de ces vibrations et de la comparer aux seuils de jugement préconisées par les normes. A. Indicateurs basses fréquences [6]  Déplacement crête-crête entre 10 et 1000Hz : Dcc [10-1000Hz](en µm) C’est un indicateur préconisé par l’API (American petroleum institute) Le niveau maximal acceptable est donné quelle que soit la machine, par la formule suivante : Dcc max = 25.4 N 12000 Avec N vitesse de rotation (tr/min) Dcc déplacement crête-crête (µm)  Vitesse efficace entre 10 et 1000Hz : Veff [10-1000Hz] (en mm/s) C’est un indicateur pris comme référence dans la norme ISO 10816. Veff =  T 0 dt).t²(V. T 1 Avec T période du phénomène Le niveau acceptable de vibration est donné selon le type de machine en se referant au tableau2 donnant l’amplitude des vibrations selon ISO 10816 et à l’abaque représentant le schéma d’appréciation de la sévérité vibratoire.
  63. 63. 63 Tableau- amplitude des vibrations selon norme ISO 10816 Veff (mm/s) Types de machines 15< P < 300 KW (1) 160< H <315 mm (2) 0.3 < P < 50 MW (1) H > 315 mm (2) Pompes P > 15 KW Motopompes P > 15 KW Support rigide souple rigide souple rigide souple rigide Souple 0.0 à 1.4 A A A A A A A A 1.4 à 2.3 B A A A A A B A 2.3 à 2.8 B B B A A A B B 2.8 à 3.5 C B B A B A C B 3.5 à 4.5 C B B B B B C B 4.5 à 7.1 D C C B C B D C 7.1 à 11.0 D D D C D C D D 11.0 à ∞ D D D D D D D D (1) P Puissance des machines industrielles autres que les pompes ou motopompes (2) H Hauteur d’arbre des moteurs électriques Tableau 2 o A bon o B acceptable pour un service de longue durée sans restriction o C à peine tolérable pour un fonctionnement de courte durée o D vibrations suffisamment importantes pour endommager la machine à court terme Support souple : la fréquence naturelle fondamentale du système machine/support est inférieure à sa fréquence d’excitation principale. Support rigide : la fréquence naturelle fondamentale du système machine/support est supérieure à sa fréquence d’excitation principale.
  64. 64. 64 Figure 41 Schéma d’appréciation de la sévérité [6] B. Indicateurs hautes fréquences [6]  Accélération efficace entre 1 et 10 KHz : Acceff [1000-10000 Hz) (en g ou mg) C’est un indicateur révélateur des phénomènes dits « hautes fréquences » tels que les défauts de roulement, de denture… A effcc = dt).t²(A. T 1 T 0 cc Le niveau acceptable de vibration est donné selon le type de machine en se referant au tableau donnant l’amplitude des vibrations selon ISO10816 et à l’abaque représentant le schéma d’appréciation de la sévérité vibratoire. C. Indicateurs spécifiques aux roulements Un roulement neuf et bien lubrifié n’émet, en théorie, aucun signal. Lorsqu’il se dégrade, cela commence très souvent par un trou (dit trou de pitting) à la surface de la piste interne. Le passage des billes sur cette irrégularité provoque un choc de faible amplitude à la fréquence f .int . En fin de vie, les trous de pitting se sont développés partout sur les pistes de roulement (figure 42) [5].
  65. 65. 65 Figure 42 Evolution du niveau global en fonction de l’état du roulement
  66. 66. 66  Facteur de crête entre 1 et 10 KHz : FC [1000-10000Hz] (sans unité) [6] FC = eff crete Acc Acc Il faut analyser son évolution en fonction du temps (figure 43): o si FC augmente, la situation n’est pas alarmante o si FC diminue, le roulement est en fin de vie Figure 43 Evolution du facteur de crête FC en fonction du temps  Facteur K entre 1 et 10 KHz : K [1000-10000Hz]( en g² ou mg²) [6] K = Acc crete Acc eff Le facteur K est plus sûr pour effectuer une analyse ponctuelle (analyse « spot ») des roulements. Sa valeur est directement liée à l’état du ou des roulements. C’est ainsi qu on a (figure 44): o si K< 0.8 g² roulement en bon état o si K> 8 g² roulement dégradé Figure 44 Variation du facteur K en fonction du temps De ce qui précède, on constate que la surveillance par niveaux globaux bien que permettant de détecter un fonctionnement anormal et de déclencher un arrêt avant la panne
  67. 67. 67 des installations ne peut convenir que dans le cadre d’une politique de sécurité. En aucun cas, on ne pourra identifier la cause de ce fonctionnement anormal avec un tel outil. 3.2.2.2. Spectre PBC (pourcentage de bande constant) Le spectre PBC (figure 45) se présente sous forme de « bandes » juxtaposées selon une échelle logarithmique en abscisse (accélération) et en ordonnée (fréquence) [6]. Le rapport « largeur de bande/valeur de fréquence centrale » reste constant. Il est normalement égal à 6.23% Toutefois, une largeur de bande relative de 6% apporte une solution optimale à tous les problèmes courants sur les machines simples [6]. C’est ainsi que par exemple la bande centrée sur 25.90 Hz a une largeur de : (6/100) 25.90 = 1.55Hz La surveillance des installations s’effectue alors par comparaison des spectres PBC de référence, alerte et danger dont les niveaux sont définis comme suit : o Le niveau de référence : il représente la signature de la machine. Cette signature est établie lors des premières campagnes de mesures. o Le niveau d’alerte : il est déduis du niveau de référence de la façon suivante : Alerte = référence + X dB o Le niveau de danger : il est déduis du niveau de référence de la façon suivante : Danger = référence + Y dB X et Y étant définies par le logiciel utilisé. Il existe des « standards » tels que X= 6dB et Y= 20dB Figure 45 Exemple de spectre PBC
  68. 68. 68 De ce qui précède, on constate que la technique de surveillance des installations par comparaison de spectres PBC est une technique fiable et rapide. Toutefois elle présente une faiblesse en fournissant rarement des informations sur l’origine des évolutions. 3.2.2.3. Synthèse Indicateurs de surveillance Indicateurs Phénomènes surveillés Observations Dcc [10-1000 Hz] Basses fréquences API Veff [10-1000Hz] Basses fréquences NORME ISO 10816 Acc eff [1000- 10000Hz] Hautes fréquences Indicateur général FC [1000- 100000Hz] Roulements Indicateur stable Analyse « spot »impossible K [1000-10000Hz] Roulements Indicateur instable Analyse « spot » PBC [10-10000Hz] Tout phénomène Bon compromis entre simplicité et exhaustivité de l’information
  69. 69. 69 3.3. Le diagnostic 3.3.1. But Le diagnostic permet de designer l’élément de la machine défectueux suite à une évolution anormale constatée lors de la surveillance [6]. Il n’est réalisé que lorsque la surveillance a permis de détecter une anomalie ou une évolution dangereuse du signal vibratoire. 3.3.2. Les outils de diagnostic 3.3.2.1. Spectre RC (résolution constante) ou FFT (fast Fourier transform) et le Zoom C’est une représentation de l’amplitude vibratoire (en accélération) sur un axe linéaire des fréquences. Le spectre obtenu sera une courbe passant par une multitude de points régulièrement espacés en fréquence [6]. La figure 46 est un exemple de spectre RC d’un moteur actionnant une pompe. Ce moteur tourne à 1492 tr / min soit 1492/60 = 24.87 Hz. Le passage d’aubes sur cette pompe est visible à 7 fois la fréquence de rotation soit 724.87 =174.07 Hz. On distingue donc 2 pics, l’un à 24.87 Hz et l’autre à 174.07 Hz. Figure 46 Exemple de spectre RC (0-500 Hz) [6] Avant de procéder aux mesures sur site, il importe de designer la bande de fréquence, c’est ainsi qu’on distingue :
  70. 70. 70 o Les spectres BF (basses fréquences [0-50 Hz] ; o Les spectres MF (moyennes fréquences [0-500 Hz] ; o Les spectres HF (hautes fréquences [0-10000] ; o Le zoom haute résolution [f1-f2], f1 et f2 définissent la gamme de fréquence analysée. Pour la définition de l’image, on exprime le pas par : Pas = Δf / 400 La définition de l’image sera d’autant meilleure que la bande de fréquence analysée sera étroite : o Un spectre BF [0-50Hz] a un pas de 50/400 =0.125Hz o Un zoom [152-158] a un pas de 6/400 = 0.015Hz o Un spectre HF [0-10000 Hz] a un pas de 10000/400 =25 Hz De ce qui précède, on procède aux choix de bande de fréquence en fonction de défauts comme suit [6] : A. Le spectre BF C’est un outil pour le diagnostic courant des défauts de grande énergie (basses fréquences) tels que balourd, le défaut d’alignement, les jeux excessifs... B. Le zoom C’est un outil qui permet de repérer les défauts d’énergie beaucoup plus faible comme les défauts de denture d’engrenages (moyennes et haute fréquences). C. Le spectre HF C’est un outil de surveillance sur lequel on pourra suivre l’évolution du niveau vibratoire de la machine. Si un phénomène anormal apparaît, on pourra distinguer s’il s’agit d’un problème de roulement (hautes fréquences), d’engrènement (fréquences caractéristiques prédéfinies)…Son utilisation est comparable à celle d’un spectre PBC. Il faut noter que le spectre RC (ou le spectre FFT) est très sensible aux variations de vitesse de rotation, par conséquent, il faut veiller à maintenir celle-ci constante entre 2 campagnes de mesure pour ne pas déclencher des alarmes intempestives. 3.3.2.2. Cepstre C’est la représentation de la transformée de Fourier du spectre. L’image obtenue est obtenue une courbe fonction du temps (quéfrence) mesuré en secondes. C’est un outil de diagnostic, utilisé pour distinguer des défauts qui donnent des images spectrales complexes dues à plusieurs modulations d’amplitudes concomitantes (figure 47).
  71. 71. 71 Les engrenages peuvent nécessiter ce type d’analyse. En effet la fréquence d’engrènement est souvent modulée par les fréquences de rotation des roues menantes et menées. A l’aide du spectre, on peut ainsi séparer et identifier sur une seule image toutes les fréquences de modulation (fréquence de rotation des arbres d’entrée, intermédiaire et de sortie dans un réducteur). La figure 48 illustre l’utilisation d’un cepstre pour la surveillance d’un engrenage [6]. Figure 47 Cepstre
  72. 72. 72 Figure 48 Utilisation du cepstre pour la surveillance d’un engrenage [6] 3.3.2.3. Spectre enveloppe C’est une technique utilisée pour la détection des défauts se manifestant dans les hautes fréquences. Ceux-ci étant de faible énergie (petits chocs qui excitent la structure de la machine), ils n’émergent en général pas de bruit de fond sur un spectre RC dans les hautes fréquences. La figure 49 en illustre l’utilisation. Pour être utilisé au mieux, un spectre enveloppe (SE) doit se paramétrer de façon précise sur deux gammes de fréquences différentes [6]: A. Gamme HF C’est la gamme de fréquences excitée par les défauts sur laquelle réagit la structure. Elle est généralement comprise entre 1 et 10 KHz B. Gamme de fréquences de défauts « excitateurs » Ces défauts sont ceux des roulements. Le choix de la gamme de fréquence s’effectue en fonction du type de roulement et de la vitesse de rotation de l’arbre qui permettent de déterminer toutes les fréquences caractéristiques possibles pour un roulement que nous évoquerons dans la suite.
  73. 73. 73 Figure 49 Exemple d’utilisation d’un spectre enveloppe [6] 3.3.2.4. Synthèse Outils de diagnostic Outil Phénomènes surveillés Observations Spectre RC (ou FFT) Indicateur général Nombreuse application en fonction de la bande de fréquence choisie Zoom Engrènements Précision au diagnostic Spectre enveloppe Roulements Précision du diagnostic mais paramétrage délicat (deux gammes de fréquences)
  74. 74. 74 CHAPITRE 4 : LES DEFAUTS ET LEURS MANIFESTATIONS VIBRATOIRES 4.1.Introduction Il n y’a pas de maintenance prédictive sans un diagnostic minimum des défauts et leur gravité. C’est ce qui justifie la première démarche d’une action de surveillance qui est de se demander quels types des défauts sont susceptibles de se rencontrer sur la machine à surveiller. La connaissance de ces défauts va permettre d’établir la (les) fréquence(s) caractéristique(s) de leurs apparitions. Dans ce chapitre, d’abord nous présenterons les principaux défauts observés sur les machines tournantes, leurs manifestations et leurs origines. Ensuite le principe d’établissement des niveaux d’alarme et de pré alarme sur les machines sont décrites. Ceux-ci peuvent constituer un premier guide dans une action de maintenance. 4.2. Principaux défauts 4.2.1. Balourd (ou défaut d’équilibrage) A. Manifestations Le balourd se traduit sur l’image vibratoire par [6]: o Une augmentation du niveau global choisi en basses fréquences : Soit Dcc [10-1000 Hz] Soit Veff [10-1000Hz] (Outils de surveillance). o Une nette augmentation de l’amplitude de la fréquence fondamentale (fréquence de rotation, fr) sur un spectre RC : fr = N/60 (outil de diagnostic) avec N  vitesse de rotation (tr/min) Ce défaut n’est pas directionnel : on recueille la même image dans toutes les directions radiales (verticale, horizontale ou oblique). La figure 50 illustre la manifestation d’un défaut de balourd pour une machine tournant à 975 tours/minute:
  75. 75. 75 Le spectre bleu est relatif à la machine en bon état de fonctionnement (amplitude de la fréquence fondamentale 1.323 mg pour 16.25 Hz). Le spectre rouge est relatif à la machine en fonctionnement dégradé (défaut d’équilibrage : amplitude de la fréquence fondamentale 14.199 mg pour 16.25 Hz). Figure 50 Mise en évidence d’un défaut de balourd B. Origine Elle peut être : o Mécanique : dégradation des pales ou aubages (dépôt d’impuretés…) o Thermique : modification de la géométrie des parties tournantes en fonction de la température. Dans la plupart des cas on peut y remédier par un nettoyage ou si nécessaire, un équilibrage. 4.2.2. Désalignement (ou mauvais alignement) L’arbre moteur et l’arbre récepteur ne sont pas parfaitement alignés. A. Manifestations. Le désalignement se traduit sur l’image vibratoire par [6]: o Une augmentation du niveau global choisi en basses fréquences : Soit Dcc [10-1000 Hz] Soit Veff [10-1000 Hz] o Une augmentation des proches harmoniques de fr. Le plus souvent l’harmonique de rang 2 tend à s’élever au delà de la fréquence fondamentale. Parfois le phénomène se transmet aux 3e et 4e harmoniques.
  76. 76. 76 Ce défaut est directionnel. On ne recueille pas le même signal sur les différentes directions radiales. Sa direction préférentielle est la direction axiale. La figure 51 illustre la manifestation d’un défaut de désalignement. Figure 51 Mise en évidence d’un défaut de désalignement B. Origines Elle peut être : o Mécanique : desserrage des pieds de fixation d’une ou des machines ; o Thermique : excroissance thermique des pieds en fonctionnement. Dans la plupart des cas on peut y remédier par un lignage. 4.2.3. Frottement, desserrage, fissuration et jeu. A. Manifestations Ces défauts se traduisent sur l’image vibratoire par [6]: o Une augmentation de la fréquence fondamentale fr et ses harmoniques. Contrairement au défaut d’alignement, les harmoniques peuvent ressortir sur une gamme très étendue de fréquence et pas seulement jusqu’au 4e ordre. Il peut aussi parfois faire apparaître la fréquence ½ fr et ses harmoniques à un niveau toutefois moindre que les harmoniques de la fréquence fondamentale. Ce genre de défaut est, en général, directionnel (desserrage selon un axe, fissuration beaucoup plus apparente dans la direction de la charge que dans les autres directions…)
  77. 77. 77 La figure 52 illustre la manifestation de jeux importants ou fissuration. Figure 52 Mise en évidence d’un défaut de jeu ou de fissuration B. Origines Elles peuvent être très diverses ainsi que les remèdes ; s’il s’agit d’un défaut de serrage, il est très facile d’y remédier. Une fissuration sur un arbre de turbine demandera une intervention beaucoup plus lourde. 4.2.4. Défauts de courroies A. Manifestations o Pour une mesure effectuée sur le palier de la roue 1 : Pics visibles à f 1c et 2 f 1c sur un spectre RC. o Pour une mesure effectuée sur le palier de la roue 2 : Pics visibles à f 2c et 2 f 2c sur un spectre RC. f 1c et f 2c désignant les fréquences caractéristiques d’un défaut de courroie (figure 53) [6]. Ce défaut est directionnel. Sa direction privilégiée est celle de la tension des courroies.
  78. 78. 78 Figure 53 Fréquences caractéristiques d’un défaut de courroie B. Origines Ce peut être la conséquence d’une mauvaise pose, d’une usure ou d’un défaut d’alignement entre les 2 poulies. 4.2.5. Défauts de denture d’engrenages Un arbre tournant à la fréquence fr sur lequel est monté un pignon ou une roue comptant z dents sera soumis à z chocs par tour. La fréquence caractéristique de l’engrènement fe sera donc [6]: fe = zfr A. Origine et manifestation Si cet arbre ou le pignon présente un défaut d’excentricité, ou si une dent du pignon présente un défaut localisé, il va apparaître une modulation d’amplitude du signal par la fréquence de rotation fr. Cela se traduira, sur le spectre, par un peigne de raies centré sur la fréquence d’engrènement fe et de pas fr. ce peigne n’est visible que sur un zoom centré lui aussi sur la fréquence d’engrènement fe. Si une même machine est le siège de plusieurs engrènements, les images caractéristiques de chacun peuvent se superposer de manière à ne plus être reconnaissables. Pou dissocier les différents phénomènes, on recourt au cepstre. Il fait apparaître un pic caractéristique pour chaque fréquence de modulation. Cela permet de séparer les phénomènes de chaque ligne d’arbre. B. Gravité des défauts On retiendra deux règles toujours vérifiées [6]: o Si les amplitudes du peigne de raies ne dépassent pas celle de la fréquence centrale (fe), l’engrènement peut être considère comme en bon état (figure 54a) ;
  79. 79. 79 o Un zoom présentant une image dissymétrique des modulations autour de la fréquence centrale est caractéristique d’un engrènement dégradé (figure 54b). Figure 54 Mise en évidence d’un défaut de denture d’engrenage 4.2.6. Passages d’aubes A. Manifestations Le passage des aubes devant le bec de la volute d’une pompe provoque un pic à la fréquence f aubes [6]: f aubes = n.fr n  nombre d’aubes.
  80. 80. 80 Ce défaut n’est pas directionnel, il se repère aussi bien en radial qu’en axial. B. origine Elle peut être : o Mécanique : mauvais calage axial de l’impulseur ou jeu de bec de volute insuffisant ; o Hydraulique : débit trop bas ; o Encrassement des aubes qui peut aussi provoquer du balourd ; 4.2.7. Cavitation Le phénomène de cavitation se traduit au niveau vibratoire, par une augmentation général du bruit de fond. Il n’y’ a pas de raie caractéristique. Toutes les fréquences sont excitées de façon aléatoire. 4.2.8. Défauts électrique A. Manifestations Plusieurs types d’images caractéristiques peuvent témoigner d’un défaut d’ordre électromagnétique dans un moteur [6]: o Un pic important à deux fois la fréquence du courant d’alimentation (100 Hz). Afin de bien l’identifier il est parfois nécessaire de faire un zoom sur cette fréquence pour la différencier du 2 e ou 4e harmonique de la fréquence fondamentale (figure 55a). o Une modulation de la fréquence de rotation(fr) par 2P.f g , P et f g étant respectivement le nombre de paire(s) de pôles et la fréquence de glissement(f g ) du moteur (tableau 3). f g = N NNchamp  Avec N champ vitesse du champ tournant du moteur ; N vitesse de rotation réelle de son arbre ; o Un pic à la fréquence d’encoche (f enc ) éventuellement modulée par 2 fois la fréquence du courant d’alimentation (100Hz) (figure 55b): fenc = n enc fr nenc  nombre d’encoches du moteur surveillé
  81. 81. 81 Nombre de paires de pôles (moteurs asynchrones) N champ 500 750 1000 1500 3000 P 6 4 3 2 1 Tableau 3 Figure 55 Mise en évidence de défauts électriques B. Origines Elles peuvent être multiples : o Barre de rotor cassée ; o Entrefer inégal (excentricité statique ou dynamique) ;
  82. 82. 82 o Problèmes statoriques (fer qui bouge) ; o Déséquilibre des phases ; o Défauts géométriques du rotor qui peut aussi engendre du balourd. 4.2.9. Roulements A. Manifestations Un défaut de roulement se traduit sur une image vibratoire par une nette augmentation du niveau de fréquences supérieures à 1 KHz [6]: o L’ensemble des fréquences supérieures à 1 KHz augmente sur un spectre PBC ou un spectre RC HF ; o Le facteur K augmente ; o Le facteur de crête FC diminue ; o Le niveau global Acc eff [1000-10000] augmente. Les fréquences de défauts de roulement de la machine surveillée se déterminent à l’aide des formules suivantes [17] [6]: o Un défaut sur la piste externe se repère sur un spectre « enveloppe » à : fext . = )cos.1.(fr. 2 n moyen bille     o Un défaut sur la piste interne se repère sur un spectre « enveloppe » à : fint . = )cos.1.(fr. 2 n moyen bille     o Un défaut sur la bille, un rouleau ou une aiguille (élément roulant) se repère sur un spectre « enveloppe » à : f bille = )²]cos.(1.[fr. moyen bille bille moyen       o Un défaut sur la cage se repère sur un spectre « enveloppe » : à : fcage = )1.(fr. 2 1 moyen bille    Avec n  nombre d’éléments roulants (billes, rouleaux, aiguilles), fr fréquence de rotation de l’arbre, bille Diamètre des éléments roulants, moyen Diamètre moyen d’évolution des éléments roulants,  Angle de contact (figure 56)
  83. 83. 83 Figure 56 Caractéristiques d’un roulement A. Origines Ce peut être : o Un écaillage de la piste interne (sur l’arbre) ; o Un écaillage de la piste externe (sur l’alésage) o Un défaut localisé sur un élément roulant (billes ou rouleaux) Pour statuer sur un défaut de roulement, les étapes suivantes sont conseillées [6]: o Premier temps : détection de la présence du défaut sur un indicateur tel qu’un PBC ou un spectre RC HF (figure 57b) ; o Deuxième temps : paramétrer une analyse d’enveloppe en fonction : Des fréquences dont le niveau a augmenté. On parle de «gamme fréquentielle de filtre » : c’est la gamme HF Des fréquences caractéristiques du (ou des) roulement(s) suspecté(s). On parle de « gamme fréquentielle d’analyse » : c’est une gamme BF ou MF o Troisième temps : analyse du spectre enveloppe obtenu (figure 57c).
  84. 84. 84 Figure 5 Mise en évidence d’un défaut de roulement 4.2.10. Fréquences propres mal placées Ce défaut est d’un genre différent. La vibration observée est le produit de la force d’excitation par la fonction de transfert de la structure. Elle peut être importante parce qu’elle est amplifiée. C’est le cas lorsque les fréquences propres des machines coïncident avec les fréquences des efforts (fréquence de rotation et ses harmoniques etc.). Cette vibration forcée induit une instabilité du système. On dit qu’il y’a résonance du système vibrant [16]. Manifestations [7] o variabilité du comportement : Si la machine a un comportement vibratoire qui varie beaucoup d’un jour à l’autre, ou si elle est sensible à la modification de ses conditions de fonctionnement ; Si dès qu’on la démonte, elle se met à vibrer ;
  85. 85. 85 Si on doit souvent la rééquilibrer. o Anomalies de déformées : Si la déformées de la machine est assez dissymétrique ou si l’on peut y observer des singularités. Exemple : si les vibrations observées sont deux à trois fois plus forte dans une direction que dans une autre sans que rien ne le justifie (machine symétrique), ou, si l’on observe qu’un point, ou une zone vibre de façon excessive alors que le reste de la machine se comporte normalement. o Sensibilité excessive au balourd 4.3. Etablissement des niveaux d’alarme dans le domaine des fréquences Dans les sections précédentes, certaines figures présentent des niveaux d’alarme et de pré alarme sur base desquels on se réfère pour statuer sur l’état de la machine, le franchissement de ceux-ci indiquant la présence d’un ou de plusieurs défauts probables. Dans cette section, nous étudierons le principe d’établissement de niveau d’alarme et de pré alarme que nous illustrerons par un exemple. En effet, plutôt que de définir des niveaux d’alarme à chaque fréquence, on regroupe les fréquences en 6 bandes pour simplifier la gestion et l’analyse des données [18]. Pour faciliter le diagnostic des défauts, on définit chaque bande de fréquence en fonction des défauts attendus. On définit ensuite des niveaux d’alarme différents pour chaque bande comme un pourcentage du niveau global choisi d’après les tables (ANNEXES H). Ce pourcentage est pondéré selon la probabilité d’occurrence de la fréquence. Les bandes doivent être définies différemment si on analyse : o Un arbre sur roulement o Un arbre sur palier lisse o Une boite d’engrenages o Un moteur o Une machine à pales sur roulement o Une machine à pales sur palier lisse Pour chaque configuration, on doit établir : o La fréquence maximale d’analyse o Le niveau d’alarme global NAG o les bandes de fréquence
  86. 86. 86 o le pourcentage de NAG par bandes NAG =  6 1i 2 iAl. 2 1 Ali = niveau d’alarme pour une bande i Ainsi, le principe est de choisir la largeur de chaque bande de fréquence en fonction des fréquence de défauts attendues. L’amplitude du niveau d’alarme est imposée en fonction de l’amplitude de vibration usuellement présente dans le signal, en étant moins sévère lorsque la probabilité d’occurrence du défaut est forte et étant de plus en plus sévère lorsque la probabilité d’occurrence du défaut est indésirable. Ces niveaux d’alarmes (gabarits spectraux) se présentent comme suit [18]: Figure 58 Rotor monté sur roulements
  87. 87. 87 Figure 59 Rotor monté sur palier lisse Figure 60 Engrenages
  88. 88. 88 Figure 61 : Moteur coté opposé à la charge Figure 62 : Moteur coté charge
  89. 89. 89 Figure 63 Machine centrifuge montée sur roulements Figure 64 : Machines centrifuges montés sur paliers lisses Exemple d’établissement des niveaux d’alarme : On considère un moteur tournant à 1780 tours par minute qui entraîne une pompe horizontale à 6 aubes. Tous les paliers sont montés sur roulements. Le problème consiste à déterminer les niveaux d’alarme à prescrire à chaque point de mesure décrit à la figure 65.

×