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Analyse et diagnostic des défauts (2)

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1. Excentricité

Un rotor excentrique possède un axe de rotation qui diffère de son axe géométrique, avec un rayon plus grand pour sa partie excentrique. Dans le cas d'une poulie, cela a pour conséquence de causer une variation de la tension des courroies qui produit une vibration élevée à la vitesse de rotation de la poulie (figure suivante) avec des composantes radiales verticale et horizontale qui sont en phase.

Excentricité :

Le phénomène s'apparente beaucoup à un balourd puisque la masse du rotor n'est pas également répartie autour de son axe. Toutefois, contrairement au déséquilibre, la force appliquée sur la poulie n'est pas également répartie sur 360°.

Vous pouvez voir à la figure 3.16 comment la force générée est en ligne droite en direction des deux arbres. De même, le déplacement maximal dans la direction verticale se produit en même temps que dans la direction horizontale.

C'est pourquoi vous ne pourrez compenser l'excentricité du rotor par une simple correction d'équilibrage. Le résultat d'un équilibrage dans une situation semblable donne une réduction de la vibration dans l'une des directions tout en provoquant une augmentation des vibrations dans l'autre.

Un défaut de courroie est souvent caractérisé par un harmonique élevé de la fréquence de la courroie.

2. Jeu mécanique

La figure suivante vous montre le spectre typique d'un jeu mécanique associé au mauvais serrage d'un roulement et à celui d'un jeu d'arbre excessif. La vibration causée par un problème de jeu mécanique est souvent caractérisée par un deuxième harmonique élevé (2 ) de la fréquence de rotation, accompagné de composantes interharmoniques (0,5 , 1,5 , etc.).

Jeu mécanique :

3. Vibrations des roulements

Les roulements sont les éléments de transmission des forces entre les composants mobiles et statiques d'une machine. A ce titre, ils contribuent considérablement au bon fonctionnement d'un équipement. C'est pourquoi la surveillance de leur état est un des points clés de la réussite de tout programme de maintenance conditionnelle.

a. Défauts dans les roulements

Les roulements se détériorent à la suite d'erreurs de fabrication, d'un montage incorrect, de charges statiques et dynamiques, d'une lubrification déficiente ou à cause de la sévérité de l'environnement. Cependant, même si un roulement est parfaitement fabriqué, assemblé, etc, il finira par présenter un défaut causé tout simplement par une usure normale des éléments qui le composent.

Les vibrations générées par un roulement neuf et en bon état sont faibles et ressemblent à un bruit aléatoire. Lorsqu'un défaut commence à se développer dans un des éléments du roulement (couronne interne, externe, cage, etc.), les vibrations changent. Le diagnostic du défaut est possible par l'identification dans le spectre vibratoire des fréquences caractéristiques aux roulements défectueux.

b. Fréquences caractéristiques

Chaque fois qu'une bille, dans un roulement à billes, rencontre un défaut isolé, par exemple une fissure, un écaillage ou une empreinte laissée par un corps étranger, cela provoque un impact. La répétition de ces impacts entraîne la vibration du roulement à des fréquences qui sont déterminées par l'emplacement du défaut, la géométrie du roulement et par la vitesse de rotation de l'arbre. Les fréquences caractéristiques de roulement sont notées :

• BPFO : la fréquence de passage des billes (ou rouleaux) sur la couronne externe pour un défaut sur la couronne externe ;

• BPFI : la fréquence de passage des billes (ou rouleaux) sur la couronne interne pour un défaut sur la couronne interne ;

• FER : la fréquence de rotation des billes (ou rouleaux) pour un défaut sur l'élément roulant ;

• FC : la fréquence de cage pour un défaut de cage.

Remarque : SKF fabricant de roulement vend un logiciel qui, en fonction de la référence du roulement et de la fréquence de rotation, calcule les différentes fréquences des défauts.

Les défauts de roulements dominent rarement le spectre de vibrations d'une machine. Vous devez comprendre que l'impact généré par le défaut qui entre en contact avec la bille produit une vibration beaucoup moins élevée que celle provenant d'un déséquilibre de rotor, par exemple.

Par contre, les impacts répétés excitent les fréquences naturelles des paliers qui se situent dans une gamme habituellement comprise entre 2 et 14 kHz. Il en résulte donc une augmentation des vibrations dans les hautes fréquences qui peut être facilement détectée au moyen d'une comparaison de spectres appropriée.

4. Détection et diagnostic

Pour la détection des défauts, vous procéderez à la comparaison des spectres d'accélération, et préférablement, en pourcentage de bande constant (PBC), sur une pleine échelle d'au moins 10 kHz. Les augmentations en hautes fréquences seront considérées comme un indice sérieux du développement d'un défaut de roulement.

Le diagnostic précis d'un défaut de roulement requiert souvent l'utilisation de techniques d'analyse plus élaborées que la simple acquisition d'un spectre FFT. Une méthode éprouvée consiste à procéder à une analyse d'enveloppe du signal. Dans un signal vibratoire complexe issu d'une machine industrielle, l'analyse d'enveloppe permet d'extraire des impacts périodiques comme ceux produits au cours de la détérioration d'un roulement.

La figure suivante vous montre les spectres obtenus par une analyse de spectres conventionnelle (FFT) et par une analyse d'enveloppe. Le défaut n'est pas du tout apparent dans le spectre FFT, alors que le spectre d'enveloppe indique un défaut sévère sur la couronne externe (BPFO). La sévérité du défaut s'explique par la présence de nombreux harmoniques dans le spectre.

Diagnostic d'un défaut de roulement :

5. Vibrations des engrenages

Les vibrations des engrenages proviennent de diverses sources parmi lesquelles vous pouvez compter le fléchissement des dents sous la charge et l'usure uniforme de la denture.

Il y aura toujours des vibrations dues aux fléchissements des dents sous la charge, et ce, même avec des engrenages droits ayant des profils parfaits. L'effet de fléchissement des dents se produit à la fréquence d'engrènement (et à ses harmoniques) et dépend énormément de la charge. Des composantes apparaissent également aux harmoniques de l'engrènement à cause des déviations par rapport au profil idéal.

Éventuellement, la déformation du profil idéal sera dominée par les effets d'une usure uniforme de la denture. La figure suivante vous montre le profil typique d'une dent usée. L'usure a tendance à être plus forte de chaque côté du point de contact primitif.

Profil d'usure typique :

Vous pouvez constater à la figure 3.20, l'augmentation typique des harmoniques due à l'usure uniforme des dents. L'effet de l'usure est souvent visible dans le 2^e harmonique, mais il s'étend en général aux harmoniques supérieurs au fur et à mesure de la détérioration du profil. Il est recommandé de surveiller au moins l'évolution de l'amplitude des trois premiers harmoniques de la fréquence d'engrènement pour détecter une usure de denture.

Effet de l'usure dans le spectre :

6. Résumé sur l'analyse et diagnostic des défauts

Le tableau de la figure ci-après présente plusieurs éléments importants associés aux vibrations liées à la vitesse de rotation de l'arbre :

• les fréquences dominantes aux premiers harmoniques de la vitesse de rotation (1 f_rot., 2 f_rot., parfois davantage) ;

• la direction de la vibration, qui est surtout radiale et parfois axiale ;

• les relations de phase, qui varient selon le défaut.

Un tableau récapitulatif de plusieurs défauts mécaniques susceptibles d'être suivi lors de l'analyse des vibrations vous est présenté à la figure suivante. Vous y trouvez, entre autres, la fréquence et la direction de la vibration dominante pour chaque défaut. Le diagnostic repose alors essentiellement sur l'identification dans le spectre de fréquences de la composante (il peut y en avoir plusieurs) qui pose problème.

Défauts liés à la rotation de l'arbre :