g2 vibrations mt
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défauts et symptômes vibratoires 1
Surveillance et diagnostic des défauts dans les machines
tournantes.
Défauts et symptômes
défauts et symptômes vibratoires 2
Diagnostic des machines tournantesimportance
• Machines tournantes présentes dans tous types d ’industries.
• Les détériorations de ces machines conduisent :– indisponibilité des machines d ’où une perte de production
– coûts de maintenance important
– nuisance de bruit et de vibrations (Normes de plus en plus sévères)
• D ’où la nécessité :– de la surveillance
– du diagnostic
• actuellement plusieurs méthodes utilisées, y compris la référence à des normes
défauts et symptômes vibratoires 3
Diagnostic des machines tournantesprincipe de la surveillance des machines
• En général, on réalise des mesurages de paramètres physiques sur une machines. Les paramètres physiques choisis doivent être sensibles à l ’apparition et/ou à l ’évolution de celui-ci.
• Le Traitement du signal devra extraire du signal le meilleur ‘ indicateur ’.
Paramètrecaractéristique du défaut
Seuil d ’alarme(alarme de surveillance)
Seuil d ’arrêt
t
défauts et symptômes vibratoires 4
Diagnostic des machines tournantes hypothèses générales
• hypothèses : • -système invariant,
• -« changements dans les signaux mesurés »=évolution du défaut
• connaissance du système mécanique
• difficultés:• - système variable/ non-stationnaire/ non-linéaire/
Machine, structureExcitations non mesurées= Défauts ?
sortiesentrées
Vibrations,bruitForces, Mesurés..
défauts et symptômes vibratoires 5
Diagnostic des machines tournantesquels défauts, quels symptômes ?
• Plusieurs défauts peuvent apparaître. Il est important de connaître– leur criticité, leur occurrence
– l ’expérience, les données statistiques (société d ’assurance Alianz)
– les analyses de sûreté de fonctionnement ( AMDEC)
– leur(s) symptômes– quels sont les paramètres physiques qu ’ils affectent
– quelles sont les caractéristiques de ces symptômes en terme de signaux
– les méthodes de TS pressenties sont-elles suffisantes
– les contraintes spécifiques de la machine– impossibilité de certains types de mesures, etc
• Il faut enfin prendre en compte le fait :– des défauts peuvent avoir des manifestations similaires– plusieurs défauts peuvent apparaître en même temps
défauts et symptômes vibratoires 6
Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes . Intérêt des vibrations
• Les vibrations sont d ’intérêt pour la surveillance et le diagnostic des machines :– les phénomènes dynamiques sont bien appréhendés par les
vibrations, • plusieurs défauts ont des caractérisations bien identifiées.
– les mesures de vibrations et l ’analyse du signal associée sont en général de mise en œuvre simple
– il ne faut pas arrêter les machines, ce qui est important dans un contexte industriel.
• Néanmoins, il ne faut pas négliger les autres informations disponibles. (capteurs/expérience, ..)
défauts et symptômes vibratoires 7
Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : hypothèses de base
• Conditions de fonctionnement constantes
– vitesse de rotation constante– couple (charge) constant
• Mesurages contrôlés
– point de mesures
– répétabilité
– capteurs
• Connaissance de la cinématique
défauts et symptômes vibratoires 8
Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : balourd (1)
• Défaut le plus fréquent
F m.r.0²=m.r.2pi.f0²
Existence d ’une force tournante (centrifuge) à la vitesse de rotation
avec une réaction sur les paliers.
déplacement /accélération au niveau des paliersdirection radialecaractéristiques fréquentielles ?
m
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Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : balourd(2)
T=1/f0
t
ff0
A F
défauts et symptômes vibratoires 10
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : balourd (3)
• Attention : un « choc » par tour génère également une augmentation de• la raie à la fréquence de rotation
• autre symptôme (paliers lisses):– orbite de 2 capteurs de déplacement placés sur le palier à
90° : ovalisation de l ’orbite• Equilibrage :
– Rotor rigide • résonance de flexion >> vitesse de rotation
– Rotor flexible • vitesse de rotation au dessus de(s) résonance de flexion
défauts et symptômes vibratoires 11
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : désalignement
Caractéristiques harmoniques:- fr- 2*f_r, 4*fr,…- N*fr accouplement à denture- direction axiale plus marquée- dépend de l ’accouplement
défauts et symptômes vibratoires 12
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(1)
• caractéristiques
– N=nbr de billes– dm=diamètre de base– db=diamètre billes =angle de contact
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Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(2)
• Défauts : écaillage, usure, lubrification
– piste externe– piste interne– billes
• symptômes:– chocs répétitifs à la fréquence de l ’élément considéré
(billes, pistes,)
défauts et symptômes vibratoires 14
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(3)
• Fréquences caractéristiques:
– piste interne
– piste externe:
– billes :
– train fondamental
RIf
Db
DbiNf )].cos(1[
2
rEf
Db
DbiNf )].cos(1[
2
Rf
Db
Dbi
Db
Dbifbi )].cos(1[
2
)]cos(1[2
1 Db
Dbif
T
défauts et symptômes vibratoires 15
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : roulements(4)
• Considérations pratiques:– nécessité de connaître les dimensions du roulements
– glissement dans les fréquences
– les chocs répétitifs ne sont pas suffisamment énergétiques pour faire apparaître les raies correspondantes dans le spectre
– utilisation courantes de descripteurs statistiques pour la détection des chocs (variance, Kurtosis)
– une méthode ‘ avancée ’:• l ’analyse d ’enveloppe
– choix de la bande de filtrage
– outil de détection parfois trop sensible
défauts et symptômes vibratoires 16
Diagnostic des machines tournantesdéfauts et symptômes : roulements (5)
0 500 1000 1500 2000 2500-1
-0.5
0
0.5
1
0 500 1000 1500 2000 2500-20
-10
0
10
20
défauts et symptômes vibratoires 17
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(1)
• Eléments mécaniques complexes :– conception, fabrication
– défauts pouvant évoluer rapidement vers la rupture
• plusieurs type de défauts– faux rond
– usure uniformes des dents, pitting
– écaillage, fissuration
– fracture
• méthodes avancées pour la détection ‘ précoce ’
défauts et symptômes vibratoires 18
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(1)
N1
N2
fr1
fr2
Fe = N1.fr1=N2.fr2
Engrenages droits
Engrenages hélicoïdaux
Directiondes efforts
défauts et symptômes vibratoires 19
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : cas des engrenages(3)
• Symptômes vibratoires – on distingue les défauts
• uniformes sur toutes les dents (usure, pitting)– fréquence d ’engrènement fe
• localisées sur des dents particulières (écaillage, fissures, fracture)
– chocs localisés
– fréquence de chaque arbre fr1 ou fr2
– modulation autour des raies fréquence d ’engrènement
• Analyse d ’huile
défauts et symptômes vibratoires 20
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (4)
0 200 400 600 800 1000 1200-4
-2
0
2
4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000010
-5
100
105
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Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : engrenages (5)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-10
-5
0
5
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-4
-2
0
2
4
défauts et symptômes vibratoires 22
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : pompes/ventilateurs..
• Roulements • fréquences caractéristiques
• défauts de pales, aubes • fréquence de passages des aubes fa= Na.fr
• turbulences : • phénomènes aléatoires en hautes fréquence
» spectres en 1/f
• cavitation : • idem
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Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : machines alternatives(2)
• Moteurs à combustion– diesel, essence
– automobiles, marine
– production d ’électricité
• Compresseurs alternatifs
• Plusieurs types de défauts:– soupapes,
– pompes à injection,
– combustion
– réglages : avance à l ’allumage, cliqueti
défauts et symptômes vibratoires 24
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : machines alternatives
• Vibrations:– Signaux non-stationnaires : des événements temporels marqués
• compression, injection, combustion, fermeture des soupapes,
• temps-fréquence, etc
• Pression dans les cylindres– bon indicateur, mais mesurages délicats
• Analyse d ’huile
défauts et symptômes vibratoires 25
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (1)
• Phénomènes à des fréquences multiples Entiers de la rotation f=N*fr
– balourd 1*fr radiale .(fr)²
– désalignement 1,2,3,4..fr Axiale, radiale
– fissure d ’arbre 1,2,3 radiale non-linèaire– pales de ventilateur N*fr axiale/radiale mesure du bruit
– moteurs électriques Nspires*fr radiale courant
– ‘ ’ Nencoches*fr ‘ ’ ‘ ’
– engrenages fe=N1.fr=N2.fr radiale/axiale
défauts et symptômes vibratoires 26
Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (2)
• Phénomènes harmoniques Fréquence NON Multiples Entiers de la rotation f=N*fr
– tourbillons d ’huile 0.45*fr radiale paliers lisses – roulements fbe,fbi,fb Axiale, radiale glissement
• Phénomènes harmoniques Fréquence produisant des modulations – défauts engrenages fe+/- fr1,fr2 radiale/axiale chocs– faux rond pignon idem– roulements : modulations en hautes fréquences f+/- fri chocs HF
• Autres fréquences caractéristiques– résonance : flexion d ’arbre/ courroie/ structure/– tourbillons de Von Karman (foc vitesse du fluide)
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Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableau de synthèse (3)
• Phénomènes caractérisés par des signaux non-stationnaires
– cavitation hautes fréquences bruit caractéristique
– frottements
– turbulence décroissance en 1/f
– chocs, impacts : diesel, engrenages, jeux, etc
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Diagnostic des machines tournantes défauts et symptômes : tableaux de synthèse (3)
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