DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI ET DE L‘ANALYSEUR DE VIBRATIONS

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Définition du volume de l’usure

Les premiers modèles de quantification de l’usure ont débuté depuis les années 50. Holm [26] a montré que le volume usé est proportionnel au rapport de la charge normale et de la dureté. Archard [24] reprend les travaux de Holm en étudiant l’usure de matériaux mous contre un matériau dur et établit une loi d’usure en considérant comme paramètres tribologiques la charge appliquée au contact, la pression de plastification locale du matériau, et la distance de glissement.

Analyse du grippage

Le grippage se définit comme un arrêt du mouvement relatif entre deux matériaux en contact soumis à des forces de frottement
Le grippage dépend des propriétés des matériaux, de la géométrie du contact, du lubrifiant ainsi que des conditions de sollicitation et souligne que les origines majeures sont une généralisation des interactions adhésives entre les surfaces frottantes et le blocage des surfaces frottantes par des débris.
Le grippage est considéré comme une dégradation catastrophique des tribosystèmes concerne exclusivement des sollicitations aux déplacements relativement grands dans les contacts secs ou lubrifiés. Pour le cas du fretting radial où il n’y a que des microdéplacements, le grippage ne se manifeste pas. Pour cela la bibliographie n’offre presque pas des études pour ce cas.
Le phénomène de fretting est un mode d’endommagement localisé au sein des zones de contact dans les structures mécaniques (roulement) soumises à des chargements auxquels s’ajoutent des micro-déplacements dus à des vibrations.
Ces sollicitations engendrent l’usure, la corrosion et la fissuration des interfaces ce qui implique une maintenance coûteuse des systèmes de liaison par contact. Notre travail étude ce phénomène et en particulier l’endommagement par fretting des roulements au niveau du contact billes-bague.

DEFEAUTS DE MACHINES

Introduction

Le banc de simulation de fretting comme toute les machines tournantes produit des vibrations lorsqu’il fonctionne. La mise en place d’une maintenance conditionnelle basée sur l’analyse vibratoire permet d’obtenir une disponibilité accrue de ce banc et d’éviter des arrêts non planifiés dus aux pannes. Elle permet notamment de détecter et d’identifier tous les défauts en particulièrement les défauts de roulements, l’un des éléments importants des machines tournantes et l’élément étudié dans cette thèse. Il peut s’agir d’un défaut de cage, de bille ou de piste sur la bague intérieure ou extérieure. Ces défauts se traduisent par des chocs périodiques.
Dans le cas d’une identification des défauts de machines, des études ont montré que l’analyse du contenu fréquentiel (spectre, cepstre, détection d’enveloppe…) est un outil essentiel pour les localiser avec précision [27].

Principaux défauts dans la machine

Une étude statistique menée par IEEE nous révèle que certaines pannes sont plus fréquentes que d’autres; à savoir : défauts de roulement, stator, rotor,…
La (Figure I.10) représente les pourcentages des défauts dans la machine, où on remarque que les roulements ont la portion la plus grande.

Roulements supportant des charges radiales pures

Roulements à rouleaux cylindriques: supportent des charges plus élevées que les roulements à billes. Ils sont conseillés en cas de chocs, vibrations et surcharges possibles. Ils convient aux gros paliers fortement chargés. Les vitesses autorisées sont plus faibles que dans le cas de roulement à billes. Seuls les roulements munis d’épaulements supplémentaires acceptent des charges axiales faibles (de l’ordre du 1/10 de la charge radiale.
Roulements à aiguilles: comparables aux précédents, les roulements à aiguilles ont des éléments roulants cylindriques (aiguilles) de grande longueur par rapport à leur diamètre, et son donc moins encombrants que les roulements à rouleaux cylindriques.
Les roulements à aiguilles conviennent particulièrement pour les montages où l’espace radial est limité.

Roulements supportant des charges combinées

Roulements à billes. Il en existe trois types :
Roulements à billes à gorges profondes: supportent tous les types de charges (modérées à moyennes). Ils convient parfaitement aux petits paliers fonctionnant à grande vitesse.
Roulements à contact oblique: supportent tous les types de charge mais uniquement des charges axiales dans un seul sens. Ils doivent être montés au minimum par paire et en opposition. La version à deux rangées peut être utilisée seule (cas d’arbre court). Leurs chemins de roulements sont inclinés d’un angle de 15°, 30° ou 45°.
Roulements à rotule sur billes: supportent tous les types de charges, mais faiblement les charges axiales. Dans les roulements à rotule sur billes, la bague extérieure possède un chemin de roulement sphérique. La bague intérieure et les billes peuvent osciller autour du centre du roulement. Cet angle d’oscillation peut varie de 1,5 à 38, autorisent les défauts d’alignement des portées de paliers et des flexions d’arbres élevées. Ils sont utilisés où il y a des défauts d’alignement appréciables et des flexions importantes de l’arbre.
Roulements à rouleaux coniques: présentent les mêmes principes que les billes à contact oblique. La bague extérieure est séparable. Ils n’acceptent, comme les roulements à billes à contact oblique, des charges axiales que dans un seul sens. Ils sont montés par paire en opposition. Ces roulements supportent des charges axiales et radiales très importantes. Ils sont utilisés dans de nombreuses transmissions: automobiles, camions, hélicoptères, avions, bateaux.

Roulements supportant des charges axiales pures

Butées à billes: supportent uniquement des charges axiales dans un seul sens. Les vitesses de rotation sont limitées à cause de la force centrifuge sur les billes. Ne réalisant aucun centrage arbre/moyeu, elles doivent être montées avec d’autres types de roulements.
Butées à aiguilles : Elles peuvent supporter de fortes charges axiales et sont peu sensibles aux chocs. Les montages obtenus sont très rigides et d’un encombrement réduit.
De nombreux roulements subissent lors de leurs fonctionnements des endommagements provoquent des perturbations dans les machines tournantes.

ENDOMMAGEMENT DES ROULEMENTS

Les principales causes d’endommagement et avaries de roulements se résument en 13 causes :

Écaillage de fatigue

Le fonctionnement élastohydrodynamique crée, par dépassement de la limite d’élasticité, des microdéformations permanentes et des criques qui cheminent vers la surface et provoquent l’élimination de particules de métal. La dégradation cyclique de la martensite crée des « papillons », amas lenticulaires de carbures parallèles à la direction du cisaillement maximal, sous l’effet des déformations qui produisent un échauffement à la température d’austénisation. Il se forme par la suite, toujours par décomposition de la martensite sous la surface de roulement, des bandes blanches de ferrite très écrouie (figure I.18).

Types de fretting

Le fretting est une forme d’usure qui est propre aux mécanismes soumis à de petits déplacements tangentiels rapides ou à des vibrations sous forte charge. Il se produit entre deux surfaces en contact. Le phénomène concerne les matériaux métalliques et non-métalliques. Pendant que les surfaces frottent, de fins oxydes abrasifs se forment, et contribuent ainsi à rayer les surfaces [40]. Ce phénomène peut provoquer plusieurs sortes de détériorations :
le fretting corrosion : la corrosion est une conséquence de l’endommagement et non sa cause. Des oxydes dus à la dégradation, et appelés « poudres rouges » pour les pièces en aciers apparaissent à l’interface, le fretting wear : il s’agit d’usure lors de vibrations externes (déplacements de très faible amplitude environ 10nm) appliquées aux surfaces en contact qui ne sont pas soumises à des déplacements imposés, le fretting fatigue : ce terme est employé lorsque des phénomènes de fatigue se produisent au niveau des contacts soumis au fretting.
Les endommagements occasionnés par ces phénomènes observés sont le plus souvent : fissures, oxydes, débris, rayures, transferts, déformation plastique, cratères, fissurations en sous-couche et en surface, etc. Selon les cas, l’usure par petits débattements provoque une prise de jeu des pièces en contact conduisant à une rupture en fatigue. Le fretting peut accélérer l’apparition du processus de fissuration ou provoquer une prise de jeu des pièces en contact conduisant à une rupture en fatigue.
Les principaux paramètres qui influencent le comportement des matériaux en fretting sont les suivants :
. amplitude des déplacements relatifs entre les surfaces,
. charge appliquée,
. température au niveau du contact,
. environnement,
. type de matériau en contact,
. type de vibrations,
. fréquences des oscillations,
. nombre de cycles,
. état et traitement des surfaces.
De nombreuses études actuelles se penchent sur ces phénomènes encore mal maîtrisés et qui pourtant conditionnent de plus en plus le fonctionnement des machines. Il demeure aujourd’hui impératif de maîtriser ces phénomènes afin d’améliorer la durée de vie des mécanismes puisque le fretting peut se manifester dans tous les assemblages mécaniques soumis à des vibrations.

MACHINES DE FRETTING EXISTANTES

Selon le mode de fretting

Pour étudier le phénomène de fretting, les chercheurs à travers le monde ont mis au point plusieurs dispositifs simulant ce genre d’avarie, commençant par celui de Kennedy [41], qui est le premier à avoir simulé le fretting radial, jusqu’à ceux qui existent aujourd’hui dans les laboratoires de recherche, on représente ci-dessous quelques uns.

Dispositif de fretting radial

Le schéma ci-dessous (Figure II.3) montre un dispositif de fretting radial (mode II) [42] qui a été développé à partir d’une machine hydraulique de traction-compression, ce dispositif a été conçu pour une configuration de contact sphère sur plan, les conditions expérimentales principales sont: l’amplitude de la charge normale de 200 à 800 N, le nombre de cycles de 1 à 105 cycles et la vitesse de déplacement du piston de 20 à 200 µm/s. Le plan (1) (éprouvette supérieure) est fixé sur le support supérieur à la cellule de charge (3), la sphère (2) (éprouvette inférieure) de diamètre 100 mm est fixée, à son tour, sur le piston (4) qui est soumis au mouvement oscillatoire. La déformation cyclique entre les deux surfaces en contact est mesurée par l’extensomètre (5), le processus de fretting entier est automatisé et la variation de la charge normale en fonction de la déformation peut être enregistrée en fonction des cycles.

Dispositif de fretting composé

La figure ci-dessous est un dispositif de fretting composé (mode I et mode II) [39] (Figure II.4), les conditions expérimentales sont les mêmes que le dispositif précédent, la surface (de contact) entre les corps en contact n’est pas perpendiculaire à la direction du mouvement du piston, mais peut être inclinée par rapport à cette direction avec de différents angles.

Dispositif de fretting tangentiel

Le schéma (Figure II.5) montre un dispositif de fretting tangentiel (mode I) [43]. Cette machine d’essai emploie un électro-déclencheur pour un déplacement entre les spécimens d’essai, ces derniers peuvent être de formes et de dimensions variées. La valeur maximale de la course de fretting dépend de la fréquence d’essai et de l’amplitude de la force de frottement (la valeur maximale utilisée sur ce dispositif est de 200 µm à 200 Hz).
L’éprouvette inférieure peut être chauffée par des réchauffeurs à résistance pour permettre les essais à hautes températures. Ce dispositif se compose de trois unités principales : L’unité de commande, le banc de simulation et l’acquisition avec le traitement de données. La charge normale est appliquée à l’éprouvette supérieure à l’aide d’un ressort comprimé par un axe soutenu par une armature rigide, le système qui applique la charge normale comporte un capteur de force pour mesurer cette charge, une chambre d’isolement qui permet d’imposer des atmosphères différents d’essai y compris la commande de l’humidité relative. L’unité d’acquisition de données permet l’acquisition en temps réel des paramètres de fretting mesurés.

Table des matières

Introduction
CHAPITRE I : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.1.1 Bref historique
I.1.2 Configurations de contacts
I.1.3 Origines du fretting
I.1.4 Endommagements causés en fretting
I.2 ANALYSE DES DEGRADATIONS INDUITES PAR LE FRETTING
I.2.1 Analyse de la fissuration
I.2.1.1 Amorçage des fissures
I.2.1.2 Propagation des fissures
I.2.2 Analyse de l’usure
I.2.2.1 Analyse qualitative de l’usure
I.2.2.2 Définition du volume de l’usure
I.2.3 Analyse du grippage
I.3 DEFEAUTS DE MACHINES
I.3.1.Introduction
I.3.2 Principaux défauts dans la machine
I.3.3 Constituants des roulements
I.3.4 Description du contact d’un roulement à billes
I.3.5 Introduction à la fatigue de contact de roulement
I.3.6 Contact normal de solides élastiques
I.3.6.1 Cas du contact ponctuel
I.3.6.2 Cas du contact linéique
I.3.7 Charges supportées par les roulements
I.3.7.1 Roulements supportant des charges radiales pures
I.3.7.2 Roulements supportant des charges combinées
I.3.7.3 Roulements supportant des charges axiales pures
I. 4 ENDOMMAGEMENT DE ROULEMENT
I. 4.1 Écaillage de fatigue (flaking)
I.4.2 Écaillage superficiel (peeling)
I.4.3 Grippage (smearing)
I.4 Empreintes par déformation (indentation)
I. 4.5 Incrustation de particules étrangères
I. 4.6 Corrosion
I. 4.7 Corrosion de contact (fretting corrosion)
I.4.8 Faux effet Brinell (false brinnelling)
I.4.9 Cratérisation (electrical pitting)
I.4.10 Cannelures (fluting)
I.4.11 Criques (cracks)
I.4.12 Usure par abrasion (wear)
I.4.13 Coloration
CHAPITRE II : DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI ET DE L‘ANALYSEUR DE VIBRATIONS
II.1DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI
II.1.1 INTRODUCTION
II.1.1.1 Définition
II.11.2 Modes de fretting
II.1.1.3 Types de fretting
II.1.2 CLASSIFICATION DES BANCS D’ESSAI DU FRETTING
II.1.2.1 Selon le mode de fretting
II.1.2.1.1 Dispositif de fretting radial
II.1.2.1.2 Dispositif de fretting composé
II.1.2.1.3 Dispositif de fretting tangentiel
II.1.2.1.4 Le Vibro-Cryo-Tribomètre
II.1.2.1.5 Dispositif de fretting torsionnel
II.1.2.2 Selon le type de fretting
II.1.2.2.1 Fretting Wear
II.1.2.2.2 Fretting Fatigue
II.I.2.2.3 Fretting corrosion
II.1.3 LE BANC D’ESSAI DE FRETTING RADIALE
II.1.3.1 Description générale
II.1.3.1.1 Partie mécanique
II.13.1.2 Partie mesure
II.1.3.2 Amélioration du bâti
II.2 DESCRIPTION DE L‘ANALYSEUR DE VIBRATIONS
II.2.1 INTRODUCTION
II.2.2 L‘ANALYSEUR DE VIBRATIONS
II.2.2.1 Définition
II.2.2.2 Détermination des fréquences propres
CHAPITRE III : PREPARATION DU MATERIEL EXPERIMENTAL POUR L’APPLICATION DE L’ESSAI DE FRETTING
III.1 MODIFICATION DU BANC D’ESSAI DE FRETTING
III.1.1 Changement de la table
III.1.2 Modification du porte tares
III.1.3 Modification du porte-éprouvette inférieure
III.1.4 Modification du porte-éprouvette supérieure
III.1.5 Protection par la peinture
III.1.6 Réglage du jeu de la barre d’articulation
III.1.7 Description du banc de simulation du fretting après modification
III.2 APPLICATION D’UN ESSAI DE FRETTING
III.2.1 Présentation de l’essai de fretting
III.2.2 Caractéristiques et préparation des échantillons de l’essai
III.2.2.1 Caractéristiques échantillons
III.2.2.1 Préparation des échantillons
III.2.2.2.1 Traitements thermiques
III.2.2.2.2 L’enrobage
III.2.2.2.3 Le polissage
III.2.2.2.4 L’attaque chimique
III.2.2.2.5 Observation microscopique
III.2.3 Gamme de chargement et conditions d’essai
III.2.4 Observation microscopique après essai
III.2.5 Pesage des éprouvettes
III.3 DETERMINATION DES FREQUENCES PROPRES DU SYSTEME
III.3.1 A l’aide de l’analyseur de vibration
III.3.2 A l’aide du logiciel SolidWorks
CHAPITRE IV : ETUDE ET ANALYSE DE LA STABILITE DU BANC D’ESSAI DE FRETTING
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 EFFET DU NOMBRE DE CYCLE SUR LES DIMENSSIONS DES TRACES D’USURE PAR FRETTING
IV.3 COMPARAISON DES TRACES D’USURE AVEC DES RESULTATS BIBLIOGRAPHIQUES
IV.3.1 Aspect général des traces de fretting (allure)
IV.3.2 Comparaison des traces de fretting
IV.3.3 Description de profil d’usure
IV.3.4 Comparaison de profil d’usure
IV.3.5 Evolution de l’aire de contact
IV.3.5.1 Evolution de l’aire de contact en fonction du nombre de cycles
IV.3.5.2 Evolution de l’aire de contact en fonction de la nature de l’interface
IV.4 ANALYSE VIBRATOIRE
IV.4.1 Introduction
IV.4.2 Analyse des spectres
Conclusions et perspectives
Références bibliographiques
Annexes

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