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Étude des Principaux défauts des machines tournantes par l’analyse vibratoire
Les machines tournantes jouent un rôle souvent stratégique dans un procédé de fabrication. Ce chapitre donne une explication générale sur les principaux défauts des machines tournante par l’analyse fréquentielle ; de but pour voir les forces excessives appliqué sur les systèmes de machine et intégrer dans l’analyse ODS.
Machines tournantes
Les machines tournantes sont des systèmes (figure II.1) dans lesquels peut se distinguer :
Un rotor.
Une structure.
Des liaisons.
Un rotor
Le rotor est une structure dont les éléments tournant autour d’une ligne de rotation. Le rotor fait de plusieurs matériaux (acier, cuivre, bois, plastique…), réalise une fonction bien définie : (manipulation de fluides, de solides, parcours dans un champ électromagnétique…).
La structure
La structure non rotative comprend les éléments essentiels suivants :
Les coussinets de faibles dimensions au droit des tourillons du rotor. Des bagues peuvent être substituées aux coussinets : roulements.
Les paliers qui relient les coussinets (bague) au stator.
Le stator ou enveloppe de la machine ; il contient des éléments essentiels : circuit magnétique dans les machines électriques, ailette pour les turbomachines…etc.
Le massif des systèmes embraqués peut prendre des formes beaucoup plus variées que celles des systèmes terrestres dont les massifs sont liés aux radies. Une interface adapte le stator au massif. Cette adaptation exige de résoudre un problème qui relève de la suspension des machines dont peut dépendre la tranquillité vibratoire, spécialement celle de l’envenimement.
Le radier est un élément spécifique aux systèmes terrestres. Il assure la liaison entre le massif et sols et a pour mission de diminuer les pressions exercées au sol dans des limites acceptables. C’est par lui que les séismes perturbent les machines tournantes ; il peut être responsable de certains délignages entre les paliers.
Les liaisons
Le rotor est lié à la structure non rotative par des liaisons qui assurent le guidage du rotor. Les liaisons sont classées dans trois ensembles :
Les liaisons à fluides ;
Les liaisons à roulements ;
Les liaisons magnétiques.
La surveillance vibratoire appliquée sur les machines tournantes
L’analyse vibratoire est un moyen utilisé pour suivre l’état des machines tournantes en fonctionnement.
A partir des vibrations régulièrement recueillies sur une machine tournante, l’analyse vibratoire consiste à détecter d’éventuels les dysfonctionnements et à suivre leur évolution dans le but de planifier ou reporter une intervention mécanique.
Définition de la maintenance
C’est l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifie ou en mesure d’assurer un service déterminé «extrait de norme AFNOR X60-010».
Différentes types de maintenance
Ces actions se différent selon les techniques de mises en œuvre à savoir :
Maintenance corrective.
Maintenance préventive.
La fonction maintenance est bien détaillée par la norme : AFNOR X60-000 d’où on peut extraire trois stratégies de maintenance préventive.
(A) : Méthodes de maintenance
(B) : Evènements
(C) : Opération de maintenance
Type des signaux vibratoires
Un système mécanique est dit en vibration lorsqu’il est animé d’un mouvement de va-et-vient rapide autour d’une position moyenne appelée « position d’équilibre ».
Vibrations harmoniques
Une vibration harmonique est une vibration dont le diagramme amplitude-temps est représenté par une sinusoïde (figure II.4).Le meilleur exemple d’une vibration harmonique est celle qui est générée par le balourd d’un rotor en mouvement.ω = vitesse angulaire ou pulsation du mouvement (2πf) f = fréquence du mouvement = phase du mouvement par rapport à un repère dans le temps
Vibrations périodiques
Une vibration périodique est telle qu’elle se reproduit exactement après un certain temps appelé période (figure II.5). Une telle vibration est créée par une excitation elle-même périodique. C’est le cas le plus fréquent rencontré sur les machines.
Vibrations apériodiques
Une vibration apériodique est telle que son comportement temporel est quelconque, c’est-à-dire que l’on n’observe jamais de reproductibilité dans le temps (figure II.5). C’est le cas des chocs que l’on enregistre sur un broyeur.En fonction sérié fourrier en peut décomposée signaux périodique et les signaux apériodique à sous signaux harmonique pour résoudre l’équation de mouvement.
Transformé de Fourier rapide (FFT)
FFT est un moyen de transformation les signaux temporels aux signaux fréquentielle. (Figure II.7) représenter la transformée d’un signale harmonique.
Les modes de détection
En mesure vibratoire, on utilise couramment trois modes de détection (figure II.8) :
• Valeur efficace
• Valeur crête
• Valeur crête à crête
Chaine de mesure vibratoire :
Il existe deux type de surveillance vibratoire, online donc les capteurs sont installés à demeure sur la machine et off line dans ce cas le mesure se fait manuellement avec le capteur.
La figure(II.9) représenté la chaine de mesure vibratoire.
Figure II.9 Chaine de mesure
Les caractéristiques et type de capteurs
Le capteur illustrer au-dessous (figure II.10), quelle que soit la nature du signal qu’il délivre (accélération, vitesse, déplacement…) constitue le premier maillon de la chaîne de mesure. Sa fonction est de transformer le mouvement vibratoire en un signal électrique. Un capteur se caractérise principalement par :
Bande passante.
Dynamique
Sensibilité.
Tenue en température.
Grandeurs d’influence.
Masse et ses dimensions.
Figure II.10 Capteur vibrotest.
Capteur de déplacement
Aujourd’hui, le proximètre le plus utilisé pour la surveillance de machines est le capteur inductif à courants de Foucault. Ce capteur, représenté en figure II.11, est relié à un émetteur-démodulateur-conditionneur.
Capteur de vitesse
Les capteurs de vitesse ou vélocimètres sont constitués d’une sonde à contact dite sonde sismique qui mesure le mouvement absolu de l’organe sur lequel elle est fixée. Ce type de capteur présente l’avantage de ne nécessiter ni source d’alimentation ni préamplificateur.
Capteur d’accélération :
Les accéléromètres piézoélectriques tendent à devenir les capteurs de vibrations absolues les plus utilisés pour la surveillance des machines tournantes. Leur principe de fonctionnement repose sur la propriété des matériaux piézoélectriques de générer une charge électrique proportionnelle à la contrainte de compression ou de cisaillement subie.
Figure II.13 Principe de fonctionnement d’un accéléromètre
Les types des signaux vibratoires :
La figure II.14 illustre les déférents types des signaux rencontrés.
Figure II.14 Les déférents signaux vibratoires
Etude principaux du défaut des machines tournantes
L’identification d’anomalies à un stade précoce, le suivi de leurs évolutions et le diagnostic de l’état d’une machine ne sont possibles que si, préalablement, l’on connaît les symptômes vibratoires associés à chaque défaut susceptible de l’affecter, c’est-à-dire si l’on connaît les images vibratoires induites par ces défauts.
Déséquilibre (défaut de balourd)
Quel que soit le soin apporte à la construction des machines, il n’est pas possible de faire coïncider l’axe de rotation avec le centre de gravité de chaque tranche élémentaire du rotor [figure II.15].
Ce balourd provient généralement de défauts d’usinage, d’assemblage et de montage, ou sont la conséquence :
d’une altération mécanique : perte d’ailette, érosion ou encrassement.
d’une altération thermique : déformation suite à des dilatations différentes des matériaux constituant le rotor ou a des différences de température localisées …
Généralement, le spectre est issu d’une mesure prise radialement (souvent dans la direction radiale horizontale) [figure II.16].
Le balourd va induire, dans un plan radial, une vibration dont le spectre présente une composante dont la fréquence de base correspond à la fréquence de rotation Fr. Elle représente alors le pic le plus élevé avec des pics d’amplitudes plus faibles sur les harmoniques de Fr [figure II.17]
Il existe deux types de balourd statique et dynamique :
Balourd statique
Même phase sur chaque roulement
Principalement des vibrations radiales Balourd (équilibrage)
Balourd dynamique
Déphasage de 180° autour du roulement
Principalement des vibrations radiales
Défaut d’alignement
Le défaut d’alignement est l’une des principales causes de réduction de la durée de vie des équipements. Il concerne soit deux arbres lies par un accouplement, soit deux paliers soutenant le même axe.
Désalignement d’arbres accouples
Les axes des deux rotors peuvent présenter un désalignement angulaire au niveau de l’accouplement ou un désalignement radial (défaut de concentricité) ou la combinaison des deux..
Désalignement radial :
Un défaut d’alignement est révèle par un pic d’amplitude prépondérante généralement 2 fois la fréquence de rotation (parfois 3 ou 4 fois).Il apparait une vibration dans la direction radiale de composante d’ordre 2 de la fréquence de rotation (rarement d’ordre 3, voire exceptionnellement d’ordre 4), avec des amplitudes supérieures aux composantes d’ordre 1 [figure II.21].
Figure II.21 Image vibratoire d’un défaut d’alignement radial.
Désalignement angulaire :
Il apparait une vibration axiale de composante d’ordres 1, 2, 3 ou 4 de la fréquence de rotation avec des amplitudes supérieures à celles des composantes radiales correspondantes [figure II.22].
Figure II.22 Images vibratoires d’un défaut d’alignement angulaire.
Défauts de serrage :
Le mauvais serrage de la structure de la machine génère des vibrations et un certain bruit. Le spectre typique mesure sur une machine dans laquelle il existe un jeu contient un grand nombre de pic a des fréquences multiples de la fréquence de rotation.
Il est également parfois possible de retrouver des pics à l’harmonique. (1/2 x la fréquence de rotation de l’arbre) et ses multiples.
La figure II.23 montre un exemple spectre sur une machine dont le joint de l’accouplement est use. La fréquence de rotation est de 24,25 Hz.
Figure II.23 Défaut d’usure d’accouplement.
Défauts de transmission par courroies
Fréquence caractéristique :
Le principal défaut rencontre sur ce type de transmission est lie a une détérioration localisée d’une courroie : partie arrachée, défaut de jointure, la fréquence de passage Fc de ce défaut définie par :
(2.4)
FC : fréquence de passage de la courroie.
D1 et D2 : diamètres des poulies 1 et 2.
F1 et F2 : fréquences de rotation des poulies 1 et 2.
L : la longueur de la courroie.
Généralement, le spectre est issu d’une mesure prise radialement dans la direction de l’effort de tension de la courroie.
L’image vibratoire donne un pic d’amplitude importante à la fréquence de passage des courroies, et ses harmoniques [figure II.24].
Figure II.24 Image vibratoire théorique d’un défaut de transmission par corrois.
Les défauts des engrenages
Un engrenage est compose de l’ensemble de deux roues dentées engrenant l’une avec l’autre, permettant de transmettre de la puissance entre deux arbres rapproches avec un rapport de vitesse constant. Selon la position relative des deux arbres, on distingue trois classes d’engrenages [figure II.25] :
Les engrenages parallèles (les 2 arbres sont par parallèles).
Les engrenages concourants (les 2 arbres sont tels que leurs prolongements se coupent).
Les engrenages gauches (les 2 arbres occupent une position relative quelconque)
Figure II.25 Différents types d’engrenage.
Fréquence d’engrènement
Observons un engrenage, compose de deux roues dentées 1 et 2, présentant Z1 et Z2 dents et tournant aux fréquences F1 et F2. Chaque fois qu’une dent de la roue menante 1 s’engage dans la roue menée 2, il se produit une prise de charge périodique au rythme d’engagement des dents selon une fréquence d’engrènement Fe égale à la fréquence de rotation de la roue multipliée par son nombre de dents.
Fe= F1. Z1 = F2. Z2
Fe : fréquence d’engrènement
F1 et F2 : fréquences de rotations des roues 1 et 2
Z1 et Z2 : Nombre des dents des roues 1 et 2.
Si la denture est correcte, le spectre [figure II.26], est constitué de composantes dont les fréquences correspondent à la fréquence d’engrènement ou à ses harmoniques.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Description de sonatrach du site Hassi R’mel
I-1- Situation géographique
I-2. Répartition des installations de Hassi R’mel
I-3. Développement du champ de Hassi-R’mel
I-4.Les directions et les déviations de la division production
I-5. Présentation de service mécanique
I-6 Description du procédé de traitement du gaz à module IV
CHAPITRE II : Etude des principaux défauts des machines tournantes par l’analyse vibratoire
II-1. Machines tournantes
II-1.1. Un rotor
II-1.2. La structure
II-1.3. Les liaisons
II-2. La surveillance vibratoire appliquée sur les machines tournantes
II-2.1.Définition de la maintenance
II-2.2.Différentes types de maintenance
II-3.Type des signaux vibratoires
II.3.1- Vibrations harmoniques
II-3.2. Vibrations périodiques
II-3.3.Vibrations apériodiques
II-4- Transformé de Fourier (FFT)
II-4.1. Les Modes de Détection.
II-5.Chaine de mesure vibratoire
II-5.1.Les caractéristiques et type de capteurs
II-5.1.1.Capteur de déplacement
II-5.1.2. Capteur de vitesse
II-5.1.3. Capteur d’accélération
II-6. Les types des signaux vibratoires
II-6. Etude principaux du défaut des machines tournantes
II-6.1. Déséquilibre (défaut de balourd)
II-6.1.1.Balourd statique
II-6.1.2. Balourd dynamique
II-6.2. Défaut d’alignement
II-6.2.1. Désalignement d’arbres accouples
II-6.3.Défauts de serrage
II-6.4. Défauts de transmission par courroies
II-6.4.1. Fréquence caractéristique.
II-6.5. Les défauts des engrenages
II-6.5.1. Fréquence d’engrènement
II.6.5.2-Signatures vibratoires des défauts d’engrènement
II-6.6. Les défauts de roulement
II-6.6.1. Signatures vibratoires des principaux défauts des roulements
CHAPITRE III : Méthode ODS (la déformée opérationnelle)
III-1-Introduction
III-2. La déformée opérationnelle (ODS)
III.3-La forme de mode
III-4.Les avantages et les inconvénients de ODS à l’égard de l’analyse modale
III-4.1. Les avantages d’ODS
III-4.2. Les inconvénients.
III-5. ODS avec l’analyseur monocanal et multicanaux.
III-5.1. ODS avec l’analyseur monocanal
III-5.2. ODS avec analyseurs multicanaux
III-6. Mesures D’ODS
III-6.1. Domaine de temps ODS (Time Domain)
III-6.2. Domaine de fréquence ODS (Frequency Domain)
III-6.3. Run-up/down ODS
III-7. Essai structures réelles
III-8. Difficulté avec des mesures d’ODS
III-8. Difficulté avec des mesures d’ODS
III-9.1. Calcul des fréquences naturelles
III-9.1.1. Calculs détaillés des fréquences naturelles
III-9.2. Affectation des transducteurs et le dessin du modèle géométrique
III-9.3. L’acquisition de la Transformée de Fourier Rapide (FFT)
III-9.4. Obtention de l’ODS
III-10. ODS et forme de mode (contrastes)
CHAPITRE IV: Formulation générale du rotor
IV-1. Modélisation du rotor et équations du mouvement
IV-1.1 Disque
IV-1.1.1 Energie cinétique de disque
IV-1.2 L’arbre
IV-1.2.1 L’énergie cinétique
IV-1.2.2 Energie de déformation
IV-1.3 Equation de mouvement
IV-2 Calcule par la méthode des éléments finis
IV-3 rotor de la pompe P105
CHAPITRE V : L’application ODS sur la pompe centrifuge P105
V-1.L’application ODS sur la pompe P105A/B.
V-1.1 Problématique
V-1.2 La situation géographique de P105A/B .
V-1.3 Description de la pompe P105
2 V-1.4 Causes d’usure des bagues des paliers
V-2 Réalisation par la méthode des éléments finis
V-2.1 Logiciel Ansys
V-3 Modalisation du rotor
V-3.1 Les éléments de modalisation du rotor
V-3.1.1 BEAM188
V-3.1.2 COMBIN14
V-3.1.3 MASS21
V-4 Les caractéristiques et propreté des éléments rotor de la pompe P105
V-4.1.L’arbre
V-4.2 Les disques
V-4.3 Les paliers
V-5 Résulta et interprétation
V-5.1 Analyse modale
V-5.2 Analyse Harmonique
V5.2.1 Interprétation générale sur l’analyse harmonique
V-5.3 Analyse transitoire
V-5.3.1 Comparaison entre les deux Cas
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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