La maintenance par analyse vibratoire

L’activité de maintenance des installations industrielles fait appel depuis une vingtaine d’années à des techniques de diagnostic de plus en plus sophistiquées. Plusieurs techniques de détection de défauts sont aujourd’hui à la disposition des ingénieurs de maintenance .parmi celles-ci on peut citer la thermographie infrarouge, pour la détection de défauts d’origine électrique ou mécanique, l’analyse des huiles pour le suivi de dégradation et la contamination des fluides hydrauliques ainsi que l’évaluation du stade d’usure des pièces mécanique, la détection ultrasonore et l’analyse des vibrations mécaniques.

Parmi les outils de la maintenance conditionnelle, l’analyse des vibrations est celui qui Connaît aujourd’hui un des développements les plus importants du fait de l’évolution des Techniques dans les domaines de l’informatique et du traitement du signal. La finalité de ce Type de surveillance est destinée à assurer la sécurité de l’installation en évitant des Dégradations importantes par le déclenchement d’alarmes, lorsque le niveau des vibrations Atteint des valeurs jugées excessives pour le bon fonctionnement ou l’intégrité de cette Dernière. Il existe différentes techniques d’investigation utilisées dans le domaine du suivi Vibratoire des machines tournantes.

Cette dernière technique est couramment utilisée pour le diagnostic des machines tournantes et fait appel à des outils de traitement du signal qui ont vu leur champ d’application s’élargir d’année en année. Il existe de nombreux nécessaires pour mettre en œuvre les outils classiques de traitement du signal, tels que la transformée de Fourier (pour le tracé et l’analyse du spectre), la transformation de Hilbert [5], (pour la recherche de modulations d’amplitude et/ou de fréquence utilisé souvent pour la détermination du BCU) , ainsi que le calcul d’indicateurs scalaires tels que la valeur efficace, le facteur décrète et kurtosis.

La maintenance par analyse vibratoire

Les différents types de maintenance 

Selon la norme NF-X60-010. [1], « la maintenance est définie comme étant un ensemble d’activités destinées à maintenir ou rétablir un bien dans un état ou dans des conditions données de sûreté de fonctionnement, pour accomplir une fonction requise ».

En effet, aussi bien pour des raisons de sécurité que pour des raisons de rentabilité, les activités de maintenance sont essentielles pour la pérennité des machines industrielles. Elles permettent une diminution des coûts de production et l’amélioration de la qualité des produits. Il est possible de distinguer trois stratégies de maintenance :

❖ la maintenance corrective correspondant à une action effectuée après la panne
❖ la maintenance préventive systématique effectuée selon un échéancier fixé sur la base du minimum de durée de vie des composants mécaniques.
❖ la maintenance préventive conditionnelle subordonnée à un type d’événement Prédéterminé.

Le principe de la maintenance conditionnelle consiste à estimer l’état des composants Mécaniques en effectuant différents types de mesure. La nature de ces mesures dépend de la Machine à suivre. Cela peut être des mesures de vibration, des analyses d’huile, des Thermographies infrarouges… . Lorsque le seuil admissible de ces défauts est dépassé, il Devient nécessaire de programmer l’arrêt de la machine. Ceci doit être fait en perturbant au Minimum le cycle de production, c’est à dire entre deux séries ou lors d’un arrêt programmé. Ce type de maintenance se caractérise par :

● l’emplacement et le nombre de points de mesure
● la collecte et le traitement des informations
● la nécessité d’obtenir un diagnostic précis
● un investissement important .

Parmi les méthodes utilisées en maintenance conditionnelle l’analyse vibratoire est une des plus utilisée pour le suivi des machines tournantes. En effet, un ensemble de pièces en Mouvement, quelque soit la forme de la structure porteuse, génère des vibrations, et ce, même si les machines analysées sont en bon état de fonctionnement. Les vibrations dans les bâtis de Machine peuvent avoir plusieurs origines telles que des arbres mal équilibrés, mais aussi des Roulements, des engrenages ou des courroies en parfait état de marche qui viennent Exciter les bâtis. Le comportement non linéaire de certains composants modifie les raideurs de Ces organes et donc par voie de conséquence, les efforts induits.

Les vibrations recueillies lors des campagnes de mesures sont porteuses d’informations qui Caractérisent l’état de fonctionnement de certains composants mécaniques constituant la Machine analysée. C’est grâce à l’analyse de ces vibrations qu’il est possible de détecter les Composants défectueux et éventuellement de les localiser. Lorsqu’un certain seuil (correspondant à un niveau de vibration limite) fixé est atteint, il est possible d’estimer la durée de vie résiduelle du composant dans les conditions de fonctionnement données à partir de la connaissance de lois d’endommagement.

Surveillance et diagnostic 

La comparaison des mesures vibratoires effectuées à intervalles de temps déterminés dans des conditions si possible identiques permet de suivre l’évolution d’un défaut en exploitant le signal vibratoire [4]. A partir de ces mesures, il est possible d’obtenir un historique de l’évolution du défaut par rapport à un niveau de référence caractérisé par la signature vibratoire de la machine en bon état. La norme [5] fixe des critères d’évaluation des niveaux vibratoires permettant d’estimer la sévérité des défauts et donc de l’état de fonctionnement de la machine. La sévérité  bande fréquentielle 10-1000 Hz sachant que les critères d’évaluation dépendent de la classe dans laquelle la machine se situe. Mais ces méthodes dites « mesures des niveaux globaux » restent imprécises et ne permettent pas la détermination de la cause de l’augmentation du niveau vibratoire.

Pour établir un diagnostic vibratoire, il est souvent nécessaire de faire appel à des outils Mathématiques relativement élaborées. Ces outils doivent assister l’opérateur et lui permettre de Remonter aux origines du ou des défauts. Mais dans l’absolu, les signaux vibratoires sont Insuffisants pour établir un diagnostic. C’est pourquoi il est indispensable de connaître non Seulement la cinématique de la machine, mais également les caractéristiques de ses composants Ainsi que leurs différents modes de dégradation. La connaissance de ces modes de défaillance et De leurs influences sur le niveau de vibration est à la base d’un diagnostic et d’une surveillance Fiable.

Les vibrations des paliers à roulements

Les roulements sont extrêmement utilisés dans les machines tournantes. Leur durée de vie est estimée à partir de modèles fiabilistes tels que Weibull. Cette estimation de durée de vie peut Néanmoins varier dans de grandes proportions pour des machines identiques. L’analyse vibratoire des roulements permet de dépasser cet aspect systématique du suivi en d’envisageant un démarche basée sur le conditionnel.

Les pistes des roulements et les billes ou les rouleaux sont chargées cycliquement, ce qui engendre à la surface une dégradation par fatigue qui se présente sous la forme de fissures qui conduisent aux écaillages [6]. Puis à la ruine du roulement. Ces fissures peuvent être d’origine superficielle ou provenir de la dégradation de la sous-couche du matériau. Cette ruine peut être détectée sur un spectre à partir de l’identification des fréquences caractéristiques du roulement. Celles-ci correspondent aux fréquences des impacts lorsqu’un élément roulant rencontre un défaut. Elles sont données en écrivant que les vitesses aux points de contact entre billes et bagues sont nulles).

Surveillance vibratoire de l’évolution d’un défaut

Le dépistage des défauts

Pour éviter toute dégradation intempestive de la machine, il importe, dès l’apparition d’un Défaut et le plus tôt possible, de programmer une intervention de maintenance. Cette démarche Ne peut reposer que sur un choix d’indicateurs significatifs caractérisant la sévérité du défaut Avec quantification d’un seuil limite admissible. En ce qui concerne les roulements, les indicateurs de dépistage favoris sont la valeur efficace, les indicateurs crêtes ou encore le Kurtosis définis dans une bande de fréquences précise afin de minimiser l’effet de masque.

Le diagnostic des défauts

Connaître l’existence d’un défaut n’est pas une fin en soi. Il importe également de déterminer la nature et la gravité du défaut. Etablir un diagnostic consiste donc à rechercher la présence d’images vibratoires de l’ensemble des défauts susceptibles d’affecter la machine. Cette Démarche est rendue possible en s’appuyant sur une analyse systématique du signal. L’analyse Spectrale par transformée de Fourier, ainsi que les outils d’analyse qui lui sont associés, sont les Moyens les plus efficaces pour diagnostiquer un défaut dans un matériel de production [4].

Suivi de l’évolution d’un défaut
Lorsque le défaut est détecté et la sévérité quantifiée, il faut suivre son évolution dans le temps. Ce suivi permet de modéliser son évolution et de définir une durée de vie résiduelle.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
I-1. Introduction
I-2. La maintenance par analyse vibratoire
I-2-1.Les différents types de maintenance
I-2-2. Surveillance et diagnostic
I-3. Les vibrations des paliers à roulements
I-4.Détection d’un défaut dans les roulements
I-4-1. Paramétrage de l’échantillonnage
I-4-2. Résolution
I-5. Surveillance vibratoire de l’évolution d’un défaut
I-5-1. Le dépistage des défauts
I-5-2. Le diagnostic des défauts
I-6.Les outils de l’analyse vibratoire
I-6-1. La chaîne d’acquisition
I-6-2. Le capteur de vibrations
I-7.Conclution
CHAPITRE II : ETUDE THEORIQUE DES VIBRATIONS
II1.Introduction
II-2. Nature des vibrations
II-2-1.Vibrationharmonique
II-2-2. Vibration périodique
II-2-3.vibrations aléatoire apériodique (choc)
II-3.Grandeurs utilisée pour la mesure vibratoire
II-3-1.Deplacements vibratoire s(t)
II-3-2.Vitesse vibratoire v(t)
II-3-3.Accélération vibratoire a(t)
II-.4. Mesure des vibrations
II-4.1 Capteur de vibration
II-4-2. Collecteur de donnée portable
II-4-3. Logiciel de traitement
II-4-4.Point de mesure
II-5.Définition des alarmes
II-5-1.Seuil d’alarme en basse et moyenne fréquence
II-5-2. Outil de surveillance
II-6. Les méthodes d’analyse
II-6-1. Les méthodes temporelles
II-6-1-1. La valeur efficace ou valeur RMS (Root Mean Square)
II-6-1-2. Les indicateurs crêtes
II-6-1-3. Niveau global de vibration
II-6-1-4. Le cepstre
II-6-2. Les méthodes fréquentielles
II-6-2-1. L’analyse en fréquence
II-6-2-1-1. Analyse spectrale
II-6-3. Analyse d’enveloppe ou signature BCU (Bearing Condition Unit)
II-6-3-1 .La méthode de l’enveloppe
II-6-3-2. Application de la méthode de l’enveloppe
Conclution
CHAPITR III : ETUDE THEORIQUE SUR LES ROULEMENTS
III-1/ INTRODUCTION
III-2/ Conception d’un roulement
III-3/ Acier pour roulement
III-4/ Types de roulements
III-4-1/ Roulement rigide à une seule rangée de billes (contact radial)
III-4-2/ Roulement à contact oblique à une seule rangée de billes
III-4-3/ Roulement à contact oblique sur deux rangées de billes
III-4-4/ Roulement à rotule sur deux rangées de billes
III-4-5/ Roulements montés par paire
III-4-6/ Roulements à une seule rangée de rouleaux cylindriques
III-4-7/ Roulements à rotule sur deux rangées de rouleaux
III-4-8/ Butée à billes
III-4-9/ Butée à rouleaux cylindriques
III-4-10/ Roulements à aiguilles
III-4-11/ Roulements à rouleaux coniques
Montage en X ou montage direct
Montage en O ou montage indirect
III-5- Capacité de charge des roulements
III-5-1/ Charge de base statique C0
III-5-2/ Charge dynamique de base C
III-5-3/ Charge dynamique équivalente des roulements
III-6/ Etude analytique de la durée de vie des roulements
III-6-1/ modélisation de la durée de vie des roulements
III-6-1-a/ Modèle de Lundberg – Palmgren
III-6-1-b/ Modèle Ioannides- Harris (I-H)
III-6-2.Correction de la durée de vie calculée
III-6-3.Vitesses de rotation d’un roulement
III-6-3-1-La vitesse de base pour le calcul d’un roulement
III-6-3-2-Vitesse limite ou admissible
Conclusion générale

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