Analyse vibratoire des roulements

L'ANALYSE VIBRATOIRE DES ROULEMENTS

Notions

6- La surveillance vibratoire des roulements:

Les roulements sont les composants les plus fragiles des machines tournantes. Pour éviter des arrêts de production coûteux dus à la défaillance imprévue de l’un d’entre eux, il faut donc en permanence les surveiller, et “traquer” l’apparition du moindre défaut… Pour cela, ce ne sont pas les techniques qui manquent. Des méthodes classiques d’analyse vibratoire (détection d’enveloppe, analyse du cesptre, kurtosis, facteur de crête, etc.) à des techniques plus spécifiques telles que l’onde de choc, elles permettent de détecter les défauts à un stade plus ou moins précoce, et parfois même d’en déterminer l’origine exacte. Bien sûr, il n’existe pas de méthode universelle. Le meilleur outil de surveillance est alors celui qui associe plusieurs techniques…


vibration des roulements

Il existe pour cela une grande variété de méthodes. Le plus souvent, on emploie des techniques d’analyse vibratoire en exploitant le signal fourni par un accéléromètre (fixé à proximité du roulement). Ces méthodes, utilisées en maintenance préventive depuis de nombreuses années, ont largement fait leurs preuves. Elles permettent de détecter de façon précoce l’apparition d’un défaut, et même, pour certaines d’entre elles, d’en connaître l’origine. Leur principe est simple. A chaque fois qu’une bille entre en contact avec un écaillage ou une fissure, il se produit des chocs (de nature périodique), qui se caractérisent par un signal vibratoire particulier. Une analyse temporelle, et surtout fréquentielle, de ce signal permet d’en déduire une mine d’informations : l’amplitude des chocs dépend de la dimension et de la géométrie du défaut, de la vitesse de rotation, de la charge… et leur fréquence de répétition est liée notamment à la localisation du défaut (bague, bille, etc.). En comparant le signal obtenu avec un certain nombre de fréquences “caractéristiques” connues, on en déduit alors la nature du défaut…

Dans la pratique, la présence des défauts aux fréquences caractéristiques n’est pas toujours facile à déceler. Pour les mettre en évidence, il existe alors toutes sortes d’outils plus ou moins complexes de traitement du signal. C’est le cas notamment de certains indicateurs statistiques ou temporels, tels que le facteur de crête du signal vibratoire. Ce descripteur, qui se définit comme le rapport entre la valeur crête et la valeur efficace, donne une information précoce sur la dégradation du roulement tout en étant indépendant des caractéristiques de fonctionnement (les dimensions du roulement, la charge, la vitesse de rotation, etc.). Seul inconvénient, le facteur de crête décroît lorsque les défauts se développent…

À côté de ces grandeurs de base (valeur efficace, valeur crête et facteur de crête), il existe un autre indicateur plus complexe, le kurtosis. Celui-ci est relié à la forme de la courbe représentant l’amplitude du bruit généré par un roulement. En temps normal, la distribution statistique de cette variable obéit à une loi gaussienne. Mais lorsqu’un défaut apparaît, l’allure de la courbe est modifiée. Le kurtosis (ou moment statistique d’ordre 4) permet alors d’en caractériser “l’aplatissement”. Cet indicateur ne manque pas d’avantages. Comme il est calculé sur plusieurs bandes de fréquences à partir d’à peine quelques hertz et que les premiers défauts se manifestent par des chocs à basse fréquence, le kurtosis permet de détecter la dégradation des roulements à un stade précoce. De plus, « il est adapté à la surveillance des roulements des arbres tournants à de faibles vitesses de rotation (moins de 600 tours par minute) », indique David Bouin, ingénieur technico-commercial chez Prüftechnik. L’inconvénient, c’est que tout comme le facteur de crête, le kurtosis décroît lorsque les défauts se développent.A un stade avancé de la détérioration du roulement, il reprend une valeur proche de 3, c’est-à-dire celle de l’état initial sans défaut. Pour pallier cet inconvénient, certains constructeurs d’outils de diagnostic ont alors défini leur propre descripteur. Suivant les cas, le langage employé est différent mais il s’agit presque toujours d’une combinaison plus ou moins complexe des indicateurs classiques. C’est le cas par exemple du facteur de défaut défini par 01dBStell. « C’est une combinaison linéaire du facteur de crête et de la valeur efficace, précise Jacky Dumas, directeur marketing de 01dB-Stell. Il en associe donc les avantages (une détection précoce, une faible sensibilité aux conditions de fonctionnement…),mais surtout, il croît pendant toute la phase de dégradation du roulement ». En revanche, aucun de ces différents indicateurs ne permet vraiment de réaliser un diagnostic fiable. Pour aller plus loin et comprendre l’origine du défaut détecté, on utilise alors des méthodes d’analyse spectrales.

Outre l’analyse fréquentielle “classique” (obtenue à partir d’une transformée de Fourier du signal temporel), il existe des techniques d’analyse particulières qui permettant de réaliser un diagnostic de l’état des roulements. C’est le cas notamment de la détection d’enveloppe (ou “démodulation d’amplitude”). Son principe consiste à filtrer en passe-bande le signal temporel, et à réaliser ensuite la transformée de Fourier de l’enveloppe du signal obtenu. La méthode permet donc de s’affranchir des signaux parasites basse fréquence émis par d’autres défauts de la machine (balourd, désalignement, etc.), et de ne garder que les signaux émis par les défauts des roulements (à haute fréquence). Ensuite, il ne reste plus qu’à rechercher les fréquences caractéristiques des défauts sur le spectre de l’enveloppe du signal filtré…« Cette méthode est intéressante pour réaliser un diagnostic à un stade précoce, et pour mettre en évidence des défauts généralement généralement difficiles à observer (lorsque la puissance du signal est faible ou distribuée sur une large plage fréquentielle), souligne M. Dumas (01dB-Stell). Elle permet aussi de déterminer de manière fiable et rapide les fréquences de répétition des chocs,même dans le cas des chocs périodiques noyés dans du bruit de fond ».Néanmoins, elle nécessite de connaître le domaine fréquentiel d’intérêt pour le filtrage, et elle ne convient pas dans le cas de vitesses ou de charges variables. Enfin, comme les autres techniques d’analyse fréquentielle, elle montre ses limites dans les faibles vitesses de rotation.

Autre méthode, l’analyse cepstrale. Dans ce cas, on observe les raies présentes sur un spectre tout particulier : le cepstre. Souvent qualifié de “spectre du spectre”, le cepstre est utilisé pour mettre en évidence les phénomènes périodiques qui se cachent derrière un spectre. Il est donc très efficace pour rechercher et suivre l’évolution des chocs répétitifs, tels que ceux qui sont créés par un écaillage du roulement. Mais les vibrations ne sont pas les seuls phénomènes à trahir la présence de défauts sur un roulement. Certains constructeurs exploitent directement les chocs causés par le passage répété des billes sur les défauts. La méthode d’onde de choc (mise en oeuvre notamment chez SPM Instrument ou Prüftechnik pour ne citer qu’eux) est employée exclusivement dans la surveillance des roulements. « Lorsqu’elles tournent sur les bagues,les billes émettent en général des chocs à haute fréquence, autour de 30 kHz, explique Christian Cintrat, ingénieur commercial chez SPM Instrument. En utilisant un capteur spécifique dont la bande passante correspond à cette fréquence,on se concentre donc sur les signaux provenant des défauts de roulements. Les vibrations de la machine situées à des fréquences inférieures sont filtrées ».


Spectre de défauts de roulements

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