Soutenance mémoire
Importance de la maintenance d’équipements industriels
Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale la machine industrielle tourne à une cadence infernale afin de rétablir ce que cette guerre a démoli. Les besoins de l’homme en produits de consommation divers ont augmenté et se sont amplifiés d’une année à l’autre. La complexité et le coût croissant des appareils de production ont entraîné une forte augmentation de leur intensité d’utilisation, mettant en évidence le besoin d’une bonne maintenance afin d’assurer une meilleure performance des installations et machines. Le développement, qui ne cesse d’accroître, des moyens de production et les notions de qualité des produits ont nécessité la mise en place de plusieurs outils de maintenance moderne. Les études de fiabilité, de maintenabilité ou de disponibilité, les méthodes et techniques de maintenance, la gestion de la maintenance assistée par ordinateur et les outils modernes de la prédiction, ont largement succédé à notre vieil entretien simple. L’enjeu, bien qu’il apparaisse technique, est beaucoup plus économique, notion qui est présente dans la définition même de la maintenance. Pour consommer il faut produire, et pour produire il faut conserver au maximum le potentiel de production avec le minimum coût possible. La maintenance est donc une fonction importante et intégrée dans la vie de l’entreprise et comme Monchy [Mon 95] le décrit, le maintenicien est un homme de contact, faisant illusion aux diverses interfaces que la maintenance peut avoir avec les différentes structures de l’entreprise.
Politiques de maintenance
Choisir entre un type ou un autre de maintenance est une question cruciale, ceci constitue la stratégie de maintenance le plus souvent appelée politique de maintenance. Selon Mechin [Mec 05_b] une stratégie de maintenance doit être fondée sur :
1. La connaissance technologique des biens concernés;
2. Leurs conditions d’exploitation dans le système productif;
3. Leur criticité dans le processus de production;
4. Les coûts directs et indirects engendrés.
En général, et ceci depuis les premières normes de maintenance, les politiques peuvent être classées en deux catégories : la première est une maintenance exécutée après la détection d’une panne et destinée à remettre un bien dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise, appelée maintenance corrective. La deuxième est une maintenance destinée à réduire la probabilité de défaillance ou de dégradation du fonctionnement d’un bien, appelée maintenance préventive. Le choix entre ces deux politiques est un mélange harmonieux entre préventif et correctif afin de minimiser le coût total de maintenance.
Les études de fiabilité, exprimées le plus souvent par des modèles mathématiques, permettent de connaître exactement la probabilité d’avoir une avarie entre un temps t et t+dt, appelée taux de défaillance. L’allure du taux de défaillance sur toute la durée de vie du matériel a une forme en baignoire selon la figure (1.2) et sa courbe peut alors être classée en trois grandes périodes; jeunesse, maturité et vieillesse. A titre de prévention, des contrôles très renforcés seront appliqués au cours de la première période. En maturité, considérée comme la plus grande période de vie d’un matériel, on appliquera les deux formes de maintenance. Quant à la période de vieillesse, il faut à tout prix surveiller le matériel, une maintenance préventive spécifique (qu’on notera plus loin conditionnelle) sera appliquée [Lyo 92]. Dire maintenance préventive met immédiatement à l’esprit des opérations réalisées selon un échéancier établi en avance selon les unités d’usage, ceci ne constitue en réalité qu’une de ses formes appelée maintenance systématique. La deuxième est une maintenance préventive réalisée sur la base d’indicateurs de l’état du bien, tels que les vibrations, le bruit, la température et la pression, appelée maintenance conditionnelle, qui se montre donc comme une maintenance que l’on réalise uniquement lorsque l’état du bien le nécessite.
Approche de maintenance conditionnelle
En réalité les surcharges d’utilisation des matériels peuvent entraîner des défaillances précoces bien avant la date optimale prévue par l’échéancier, ceci constitue une sérieuse limite de la maintenance préventive systématique. C’est pourquoi pour les systèmes mécaniques où la sécurité est de grande importance, la maintenance conditionnelle est appliquée [Bre 02]. Le principe de cette maintenance est d’intervenir lorsqu’un seuil prédéfini d’un indicateur est atteint. Bien que le problème de ce type soit la prédéfinition de ces seuils, plusieurs méthodes et techniques sont utilisées et constituent actuellement le pilier d’une stratégie de maintenance moderne.
Les mesures de température et de pression permettent un suivi et donc une surveillance permanente de l’état de l’installation. En les comparant à des seuils prédéfinis, elles permettent un verdict rapide sur l’état de fonctionnement entraînant l’arrêt de tout le système si besoin est. Le problème de cette technique est le fait qu’elle ne permet pas de savoir l’origine du problème, ni d’ailleurs un diagnostic précis. L’analyse des lubrifiants permet la mesure de la teneur en polluants de l’huile issus de la dégradation des pièces mécaniques (présence de métaux ferreux ou non ferreux) ou représentatifs d’un type de fonctionnement (résidus de combustibles, produits de combustion) [Duc 05]. C’est donc un bon indicateur de la présence d’une avarie, mais pas de sa(ses) origine(s) car les particules, détectées le plus souvent par une spectrométrie, peuvent provenir de n’importe quelle pièce du système. Malgré cette limite, l’analyse d’huile reste très utilisée notamment dans les moteurs thermiques. Enfin l’analyse vibratoire est sans doute la technique la plus fiable car elle permet la détection et le diagnostic à la fois. Dans les conditions normales toutes les machines vibrent et ont donc une signature vibratoire particulière. Une première manifestation physique d’une anomalie, cause potentielle d’une panne, produit une modification dans cette signature. Par conséquent les images vibratoires des principaux défauts qui peuvent parvenir sur une machine ont été définies tout au long de ces dernières années [Mor 92]. Ainsi est fondée cette approche qui, profitant du magnifique développement des techniques de traitement de signal, constitue aujourd’hui le moyen le plus efficace permettant la détection, le diagnostic voire la prédiction.
Défauts rencontrés sur les roulements
En effet les roulements sont les éléments les plus importants des machines tournantes. Souvent, ils sont soumis à des excitations qui provoquent dans la majorité des cas des défauts cause d’une défaillance partielle ou totale de la machine dont les conséquences sont catastrophiques. D’après les statistiques [Bre 02], les roulements sont dans 19% des cas la cause de la défaillance de la machine. En réalité il est rare que le roulement lui-même soit mis en cause lors d’une défaillance prématurée.
Outils de base de détection des défauts de roulements
Influence d’un défaut sur le signal vibratoire
Le signal vibratoire mesuré sur une machine tournante contient toutes les informations sur son état de santé. Les grandeurs mesurées sont le déplacement, la vitesse ou l’accélération le plus souvent utilisée pour les roulements. Ce signal est donc la signature vibratoire caractéristique de la machine ou de chacun de ces élements. Lors de l’apparition d’un défaut sur le roulement cette signature est modifiée, en effet une impulsion se produit à chaque passage de l’élément roulant sur le défaut, le signal résultant est donc un signal modulé typique de chocs périodiques dont la période est fonction de la nature du défaut (bague ext. ou int.). Pour les défauts dus à la détérioration de l’élément roulant cette périodicité n’est pas toujours évidente à cause de son roulement chaotique, encore moins évidente pour les défauts de cage qui n’induisent pas forcément des chocs périodiques. Malheureusement ces impulsions sont souvent noyées dans le bruit aléatoire ainsi que les autres composantes de la machine notamment lorsque le défaut est naissant, alors que pour un défaut de grande gravité les vibrations induites sont d’un niveau supérieur à ceux des autres composantes (balourd, mésalignement, mauvais serrage, …etc.) et de ce fait les impulsions sont très claires sur le signal d’accélération.
Analyse spectrale
C’est sans doute la technique la plus ancienne, ses bases mathématiques remontent au dix septième siècle suite aux travaux de Sir Isac Newton, le premier qui a introduit le mot spectre comme terme scientifique. Ce n’est qu’en 1822 que l’ingénieur Français Jean Baptiste Joseph Fourier introduisît sa célèbre transformée qui porte d’ailleurs toujours son nom [Mar 87]. Plusieurs travaux ont succédé à ceux de Fourier, les plus marquants sont sûrement ceux des Américains Cooly et Tuky qui, en 1956, ont donné naissance à un algorithme permettant une transformée de Fourier rapide, fréquemment nommée FFT (Fast Fourier Transform).
Le principe de l’analyse spectrale en vibrations est le fait que chaque composante de la machine induit une fréquence caractéristique fonction de la vitesse de rotation. Chaque défaut possède sa propre composante fréquentielle qui le distingue d’un autre et permet sa détection facilement sur le spectre. Ainsi les signatures fréquentielles des différents défauts qui peuvent se manifester sur une machine tournante ont été définies [Mor 92]. Interpréter un pic sur un spectre nécessite donc le maximum d’informations sur la cinématique ainsi que les différents organes constitutifs. Pour un roulement, les quatre familles de défauts induisent des vibrations dont les fréquences sont fonction de la vitesse de rotation du roulement et de ses caractéristiques géométriques. Une présence d’un pic sur le spectre correspondant à l’une de ces fréquences ou de leurs harmoniques, est signe de la présence d’un défaut.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Notions générales et synthèse bibliographique
1. Introduction
1.1. Importance de la maintenance d’équipements industriels
1.2. Politiques de maintenance
1.3. Approche de maintenance conditionnelle
1.4. Défauts rencontrés sur les roulements
2. Outils de base de détection des défauts de roulements
2.1. Influence d’un défaut sur le signal vibratoire
2.2. Analyse spectrale
2.3. Analyse d’enveloppe
2.4. Analyse cepstrale
2.5. Analyse statistique
2.6. Analyse par ondelettes
3. Synthèse bibliographique
4. Pose du problème
Chapitre 2 : Etude et optimisation de la sensibilité des indicateurs scalaires aux chocs
1. Introduction
2. Modélisation des défauts de roulements induisant des forces impulsives périodiques
2.1. Fondements mathématiques du modèle utilisé
2.2. Influence des différents paramètres du modèle sur la réponse du choc
2.2.1. Influence du temps de relaxation
2.2.2. Influence de la fréquence de chocs
2.2.3. Influence de la fréquence propre
2.3. Modélisation des défauts induisant deux chocs
3. Indicateurs scalaires de détection
3.1. Kurtosis et facteur de crête
3.2. Optimisation de la sensibilité des indicateurs scalaires aux chocs
3.2.1. Influence du bruit
3.2.2. Influence des autres composantes de la machine
3.2.3. Influence de la fréquence de choc
3.2.4. Influence de la fréquence propre
3.2.5. Influence du temps de relaxation
3.2.6. Influence du nombre de points du signal
3.2.7. Influence du nombre de chocs
3.2.8. Choix de l’indicateur le plus sensible aux chocs
4. Synthèse du chapitre
Chapitre 3 : Optimisation de l’analyse multirésolution en ondelettes des signaux de chocs
1. Introduction
2. Transformée de Fourier
3. Transformée de Fourier à court terme
4. Transformée en ondelettes
4.1. Propriétés de l’AMRO
5. Adaptation de l’AMRO à la détection des défauts de chocs
5.1. Choix du nombre optimal de niveaux
5.2. Choix du vecteur optimal de la décomposition en ondelettes
5.3. Choix de la fréquence de choc et d’échantillonnage optimales
5.4. Choix d’une famille d’ondelettes optimale
5.5. Choix de la fréquence maximale du signal
6. Validité de la méthode proposée en fonction du bruit et des fréquences parasites
7. Application sur des signaux pré-filtrés et comparaison avec un filtrage passe bandes
8. Synthèse du chapitre
Conclusion générale
