dossier probatoire.doc

Conservatoire National des Arts et Métiers
Centre Régional Associé d'Aix-en-Provence | |
|Examen probatoire |
|du diplôme d'ingénieur C.N.A.M. |
|en |
|MECANIQUE |
|option Structures et Systèmes |
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|présenté par |
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|Armand RUSSO |
|Les outils de diagnostic et de surveillance vibratoire sur les machines|
|tournantes |
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|Sujet de M. François MALBURET |
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|[pic] |
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AVANT-PROPOS SUJET :
Les outils de diagnostic et de surveillance vibratoire sur les machines
tournantes. Ce rapport a pour objectifs :
- de décrire les sources de vibration,
- d'étudier les outils adaptés aux excitations,
- d'en voir l'intérêt industriel.
SOMMAIRE AVANT-PROPOS 2
SOMMAIRE 3 I. Introduction 4
2.1) Le balourd 5
2.2) Le délignage 5
2.3) Le frottement, les fissurations, le desserrage et les jeux 6
2.4) Les défauts de courroies 6
2.4) Les défauts de denture d'engrenages 7
2.5) Les roulements 7
2.6) Les passages d'aubes 8
2.7) La cavitation 8
2.8) Les défauts électriques 8
II. Outils de surveillance vibratoire 9
3.1) Niveaux globaux 9
3.2) Les spectres PBC 11
III. Outils de diagnostic vibratoire 12
4.1) Le spectre RC ou FFT & le Zoom 12
4.2) Le cepstre 13
4.3) L'analyse enveloppe 13
IV. Intérêt industriel 16
5.1) La maintenance prédictive 16
5.2) Le classement V.I.S. des machines 16
5.3) Cinématique et points de mesure sur la machine 16
5.4) Exemple industriel : le système HUMS 18
V. Conclusion 21
VI. Bibliographie 22
VII. Annexes 23
Introduction La disponibilité et la fiabilité des machines pour une entreprise de
production sont des facteurs essentiels à sa pérennité. Les outils de
surveillance et de diagnostic vibratoire ont donc été élaborés pour
améliorer la gestion du parc de machine, essentiellement le coté
maintenance. Après avoir effectué une recherche sur ces outils, et pour une
meilleur compréhension, je me suis intéressé à ce qui été à la source de
ces vibrations. Je me suis ensuite efforcé de comprendre et expliquer le
principe de chacun des outils. Enfin j'en ai présenté l'intérêt industriel
et détaillé le déroulement sur un exemple réel. Les sources de vibrations Il existe un nombre très important de sources d'excitation pouvant
engendrer des vibrations, je vais en décrire quelques uns sans que cette
liste ne soit exhaustive :
. Le balourd
. Le délignage
. Le frottement, les fissurations, le desserrage et les jeux
. Les défauts de courroies
. Les défauts de denture d'engrenages
. Les roulements
. Les passages d'aubes
. La cavitation
. Les défauts électriques 2.1) Le balourd Le balourd est la source la plus classique sur les systèmes tournants. Il
est dû à un défaut d'équilibrage, le centre d'inertie de chaque section de
la pièce tournante n'est pas confondu avec l'axe de rotation. Il en résulte
une pulsation basse fréquence correspondant à la vitesse de rotation de la
pièce, on parle d'excitation en 1 ?. 2.2) Le délignage L'arbre moteur et l'arbre récepteur ne sont pas parfaitement alignés. Ce
défaut va engendrer des efforts alternés et ainsi des excitations suivant
différentes directions :
Les excitations seront différentes suivant les 2 directions radiales,
mais vont aussi apparaître suivant la direction axiale contrairement au
balourd.
L'excitation due aux efforts alternés va, en basse fréquence, faire
vibrer le système sur une base de 2 pulsations par tour. On parle cette
fois-ci du 2 ?. 2.3) Le frottement, les fissurations, le desserrage et les jeux
2.3.1) Le frottement Ce défaut se crée au passage d'un orifice (palier, joint
d'étanchéité,...) l'arbre s'échauffe de manière dissymétrique, soit en
frottant, soit en subissant un brassage d'huile non homogène. Ce type de
défaut engendre des efforts alternés qui créent des pulsations basses
fréquences en 2 ?. 2.3.2) Les fissurations Un arbre fissuré a pour caractéristique d'avoir une variation angulaire
de sa raideur. Essentiellement liée au poids propre et aux réactions aux
appuis, la flèche de l'arbre sera différente suivant que la fissure soit en
position haute ou basse (fissure fermée ou ouverte). 2.3.3) Le desserrage et les jeux Ce genre de défaut est de type directionnel car le desserrage est suivant
un axe. Dans ce cas le fonctionnement n'est plus linéaire et le mouvement
vibratoire sinusoïdal devient un mouvement périodique déformé. Dans le cas
des jeux cela engendre carrément des chocs. 2.4) Les défauts de courroies Ce défaut est aussi directionnel. La direction principale est celle de la
tension de la courroie.
Les fréquences caractéristiques dépendent de la roue sur laquelle on fait
la mesure. 2.4) Les défauts de denture d'engrenages Les engrenages de part leur conception sont une source d'excitation.
Chaque contact de dents engendre un effort Z fois répété par tour (Z étant
le nombre de dents de l'engrenage). Généralement les engrenages subissent
des dégradations de la denture (cassée, abîmée, usée, etc....). En cas de
décentrage on peut observer une modulation de l'effort
Même sur une machine saine, les dentures créent une vibration proche de
la fréquence d'engrènement liée à chaque contact entre les dents.
[pic]
Vu le nombre de dents, on va généralement retrouver ce défaut dans une
gamme de fréquences située généralement dans la haute fréquence.
Pour détecter un défaut, il faut donc surveiller l'amplitude du signal. 2.5) Les roulements Les roulements sont les composants les plus sollicités sur les machines
tournantes. Ils sont donc fréquemment source de pannes. Les défauts
génèrent la perte de fragment de matière. Les trous ainsi créés provoquent
des chocs à chaque passage de billes.
L'ensemble des chocs augmente le niveau énergétique du signal.
Les fréquences caractéristiques des défauts de roulement sont spécifiques
suivant la partie du roulement qui est endommagée :
Pour la cage :
Pour la bague externe :
Pour la bague interne :
Avec [pic] [pic] > Fréquence de rotation de l'arbre
[pic] > Nombre de bille
[pic] > Diamètre d'une bille
[pic] > Diamètre moyen du roulement
[pic] > Angle de contact 2.6) Les passages d'aubes L'origine du défaut peut être due à un mauvais calage axial, un jeu de
bec de volute insuffisant, un débit hydraulique trop faible ou un
encrassement des aubes qui provoque du balourd.
Le passage des aubes devant le bec de la volute d'une pompe provoque un
pic à la fréquence :
[pic] 2.7) La cavitation Ce phénomène se traduit par un bruit de fond accentué. Il n'y a pas de
fréquence caractéristique, toutes les fréquences sont excitées de manière
aléatoire. 2.8) Les défauts électriques La source de ces défauts provient des moteurs électromagnétiques :
- Barre de rotor cassée
- Entrefer inégal (excentricité statique ou dynamique)
- Problèmes statoriques (fer qui bouge)
- Déséquilibre des phases
- Défaut de balourd du rotor Outils de surveillance vibratoire
3.1) Niveaux globaux
Les possibilités de surveillance par niveaux globaux sont limitées. Les
indicateurs scalaires les constituant sont sensibles à de nombreux
phénomènes. Si le bruit ambiant de la machine est déjà très élevé,
l'apparition d'une vibration supplémentaire ne pourra pas se remarquer
distinctement et rapidement. Il faudra attendre que le niveau vibratoire du
défaut soit assez important pour qu'on puisse le remarquer. La surveillance
de ces indicateurs convient pour détecter un niveau vraiment anormal de
vibration et permet de stopper la machine avant la casse.
Tous les indicateurs ne permettent en aucun cas de diagnostiquer la
panne, ou de planifier une maintenance suffisamment à l'avance.
Il existe 3 types d'indicateurs :
- Les indicateurs basses fréquen