Comment les performances des capteurs permettent-elles l'avènement de solutions de surveillance conditionnelle ?

Exploiter ces nouvelles capacités et retirer les bénéfices de la surveillance conditionnelle exige de nouvelles solutions précises, fiables et robustes pour que la surveillance en temps réel puisse aller au-delà de la simple détection de défaillances matérielles potentielles et produise des informations pertinentes et exploitables. Les performances des technologies de nouvelle génération combinées à des informations système permettent une meilleure compréhension de l'application et des spécifications requises pour relever ces défis.

La vibration, l'un des composants clés du diagnostic machine, a été utilisée de manière fiable pour surveiller les équipements les plus critiques au sein d'une vaste gamme d'applications industrielles. Les différentes capacités de diagnostic et de prédiction requises pour des solutions de surveillance des vibrations avancées sont largement documentées. En revanche, la relation entre les paramètres de performance des capteurs de vibrations, tels que la bande passante et la densité de bruit, et les capacités de diagnostic des défauts des applications finales est beaucoup moins couverte. Cet article aborde les principaux types de défaillances machine dans l'automatisation industrielle et identifie les paramètres de performance des capteurs de vibrations qui s'appliquent aux différentes défaillances.

Vous trouverez ci-dessous différents types de défauts communs avec leurs caractéristiques qui vous décriront certaines des spécifications système clés devant être prises en compte pour le développement d'une solution de surveillance conditionnelle. Il s'agit notamment des défauts affectant l'équilibre, l'alignement, les engrenages et les roulements.

Déséquilibre

Qu'est-ce que le déséquilibre et quelle en est l'origine ?

Le déséquilibre résulte d'une mauvaise distribution de la masse qui entraîne le déplacement de la charge et l'éloignement du centre de gravité par rapport au centre de rotation. Les déséquilibres système peuvent être attribués à des défauts d'installation tels que : excentricité de couplage, erreurs de conception système, défauts de pièce voire accumulation de débris ou d'autres contaminants. Par exemple, les ventilateurs de refroidissement intégrés dans la plupart des moteurs à induction peuvent se déséquilibrer pour cause d'accumulation inégale de poussière et de graisse, ou en raison d'un bris de pale de ventilateur.

En quoi le déséquilibre du système est-il problématique ?

Les systèmes déséquilibrés engendrent un excès de vibrations qui sont mécaniquement couplées à d'autres composants du système tels que les roulements, les couplages et les charges, risquant d'accélérer la détérioration de pièces qui sont en bon état de fonctionnement.

Comment détecter et diagnostiquer un déséquilibre ?

Une hausse générale des vibrations dans le système peut être symptomatique d'un défaut de déséquilibre, mais le diagnostic de la source du problème nécessite une analyse fréquentielle. Les systèmes déséquilibrés produisent un signal à la vitesse de rotation du système — que l'on appelle généralement 1× — avec une magnitude qui est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation, F = m × w2. Le composant 1× est normalement toujours présent dans le domaine fréquentiel, de sorte que l'identification d'un système déséquilibré s'effectue en mesurant la magnitude du 1× et des harmoniques. Si la magnitude du 1× est supérieure à la mesure de base et que les harmoniques sont très inférieures au 1×, on est probablement en présence d'un système déséquilibré. On est également susceptible de trouver des composants de vibration déphasés horizontalement et verticalement dans un système déséquilibré.

Quelles spécifications système doivent être prises en compte lors du diagnostic d'un système déséquilibré ?

Un faible bruit est requis pour réduire l'influence du capteur et permettre la détection des petits signaux créés par un système déséquilibré. C'est important pour le capteur, le conditionnement du signal et la plateforme d'acquisition.

Le système d'acquisition doit avoir une résolution suffisante pour extraire le signal (en particulier le signal de base) et détecter ces petits déséquilibres.

Il faut également disposer d'une bande passante suffisante pour capturer suffisamment d'informations au-delà de la simple vitesse de rotation afin d'améliorer la précision et la fiabilité du diagnostic. L'harmonique du 1× peut être influencée par d'autres défauts du système tels des désalignements ou des desserrements mécaniques, de sorte que l'analyse des harmoniques de la vitesse de rotation, ou de la fréquence du 1×, peut contribuer à faire la distinction entre le bruit du système et d'autres défauts potentiels. Pour les machines à rotation plus lente, les vitesses de rotation fondamentales peuvent être très inférieures à 10 tr/min, ce qui signifie que la réponse de basse fréquence du capteur est cruciale pour détecter les vitesses de rotation fondamentales. La technologie de capteurs MEM d'Analog Devices permet de détecter des signaux jusqu'au CC et offre la possibilité de mesurer des équipements à rotation plus lente, tout en permettant également de mesurer des bandes larges pour des contenus à fréquence plus élevée généralement associés aux défauts de roulement et de boîte de vitesses.

Figure 1. Le risque de déséquilibre du système existe en cas d'augmentation de l'amplitude à la vitesse de rotation ou de la fréquence 1×.

Désalignement

Qu'est-ce que le désalignement et quelle en est l'origine ?

Comme le nom le suggère, le désalignement du système se produit lorsque deux arbres rotatifs ne sont pas alignés. La Figure 2 illustre un système idéal où l'alignement est obtenu en commençant par le moteur, puis l'arbre, le couplage, jusqu'à la charge (qui, dans le cas présent, est une pompe).

Figure 2. Alignement système idéal.

Des désalignements peuvent se produire dans la direction parallèle ainsi que dans la direction angulaire, ou dans une combinaison des deux (voir Figure 3). Un désalignement parallèle se produit lorsque les deux arbres sont déplacés horizontalement ou verticalement. Un désalignement angulaire se produit lorsque l'on observe un angle entre les deux arbres.

Figure 3. Exemples de désalignements : (a) angulaire, (b) parallèle ou combinaison des deux.

En quoi le désalignement est-il problématique ?

Les erreurs d'alignement peuvent affecter le système dans son ensemble en forçant des composants à fonctionner à des niveaux de pression, ou de charge, supérieurs à ceux pour lesquels ils étaient conçus. Il peut en résulter des défaillances prématurées.

Comment détecter et diagnostiquer un désalignement ?

Les erreurs d'alignement se signalent généralement sous forme de deuxième harmonique de la vitesse de rotation du système, qualifiée de 2×. Le composant 2× n'est pas toujours présent dans la réponse de fréquence, mais le cas échéant, la relation de la magnitude par rapport au 1× peut permettre de confirmer la présence d'un désalignement. Des désalignements plus importants peuvent susciter des harmoniques jusqu'à 10× suivant le type de désalignement, l'endroit de la mesure et les informations de direction. La Figure 4 illustre les signatures associées aux possibles échecs d'alignement.

Figure 4. Une harmonique 2× en hausse, combinée à des harmoniques de plus en plus importantes, signale un problème d'alignement potentiel.

Quelles spécifications système doivent être prises en compte lors du diagnostic d'un système désaligné ?

Faible bruit et résolution suffisante sont requis pour détecter les petits désalignements. Les types de machines, les spécifications système et process ainsi que les vitesses de rotation dictent les niveaux de tolérance de désalignement.

Il faut disposer de la bande passante nécessaire pour capturer suffisamment de plage de fréquence et améliorer la précision et la fiabilité du diagnostic. L'harmonique du 1× peut être influencée par d'autres défauts du système tels qu'un désalignement, de sorte que l'analyse des harmoniques de la fréquence du 1× peut contribuer à faire la distinction avec d'autres défauts système. Cela est particulièrement vrai pour les machines à vitesse de rotation supérieure. Par exemple, les machines opérant à plus de 10 000 tr/min, telles que les machines-outils, nécessiteront généralement des informations de qualité supérieures à 2 kHz pour détecter un déséquilibre avec fiabilité.

Les informations multidirectionnelles améliorent également la précision du diagnostic et renseignent sur le type et la direction du désalignement.

La phase du système, combinée aux informations de vibration directionnelles, améliore encore le diagnostic du désalignement. Mesurer la vibration à différents points sur la machine et déterminer la différence dans les mesures de phase ou sur l'ensemble du système renseigne sur la nature du désalignement, à savoir s'il est parallèle, angulaire ou une combinaison des deux types.

Défauts de roulement d'élément roulant

Qu'est-ce qu'un défaut de roulement d'élément roulant et quelle en est l'origine ?

Les défauts de roulement d'élément roulant résultent généralement de tensions mécaniques ou de problèmes de lubrification qui créent de petits fissures ou des déformations à l'intérieur des composants mécaniques du roulement qui engendrent des vibrations. La Figure 5 fournit quelques exemples de roulements d'éléments roulants et illustre quelques défauts pouvant se produire.

Figure 5. Exemples de roulements d'éléments roulants (en haut) et de défauts de lubrification et de décharge (en bas).

En quoi le défaut de roulement d'élément roulant est-il problématique ?

On trouve des roulements d'éléments roulants dans presque tous les types de machines tournantes, qui vont des grandes turbines aux moteurs rotatifs plus lents, des pompes et des ventilateurs relativement simples jusqu'aux axes CNC à haute vitesse. Les défauts de roulement peuvent être un signe de lubrification contaminée (Figure 5), d'installation mal faite, de courants de décharge de haute fréquence (Figure 5) ou de charge accrue du système. Ces défauts peuvent avoir des conséquences catastrophiques sur le système et endommager gravement les composants du système.

Comment les défauts de roulement d'élément roulant sont-ils détectés et diagnostiqués ?

Différentes techniques permettent de diagnostiquer les défauts affectant les roulements. Vu la physique qui sous-tend la conception des roulements, les fréquences de défaut de chaque roulement peuvent être calculées d'après les paramètres géométriques, la vitesse de rotation et le type de défaut, ce qui facilite le diagnostic des défauts des roulements. Les fréquences des défauts des roulements sont listées dans la Figure 6.

Figure 6. Les fréquences des défauts des roulements dépendent des types, des géométries et des vitesses de rotation des roulements.

L'analyse des données de vibration d'une machine ou d'un système donné repose souvent sur une combinaison d'analyses de durée et de fréquence. L'analyse du domaine de fréquence est utile pour détecter les tendances en matière d'augmentation générale des niveaux de vibration du système. Toutefois, cette analyse contient très peu d'informations de diagnostic. L'analyse du domaine de fréquence améliore les données de diagnostic, mais l'identification des fréquences de défaut peut être complexe en raison de l'influence d'autres vibrations système.

Pour un diagnostic précoce des défauts de roulement, les harmoniques des fréquences des défauts permettent d'identifier les défauts dès leurs premiers stades de sorte qu'ils puissent être surveillés et entretenus avant une panne de grande ampleur. Pour détecter, diagnostiquer et comprendre les implications pour le système d'un défaut de roulement, des techniques telles que la détection d'enveloppe, illustrées dans la Figure 7, combinées à une analyse spectrale dans le domaine fréquentiel fournissent généralement des informations plus riches.

Figure 7. Des techniques telles que la détection d'enveloppe permettent d'extraire des signatures de défaut de roulement dès leur apparition à partir des données de vibration de bande large.

Quelles spécifications système doivent être prises en compte lors du diagnostic d'un défaut de roulement d'élément roulant ?

Faible bruit et résolution suffisante sont cruciaux pour détecter les défauts de roulements dès leur apparition. En règle générale, les signatures de ces défauts sont faibles en amplitude à ce stade. Les patinages mécaniques, inhérents à la tolérance dans la conception des roulements, réduisent encore la magnitude des vibrations en répandant des informations d'amplitude dans plusieurs cases dans la réponse de fréquence d'un roulement, exigeant dès lors un bruit faible pour détecter les signaux plus tôt.

La bande passante est cruciale pour la détection précoce des défauts de roulement. Une impulsion contenant des contenus de haute fréquence est créée chaque fois que le défaut est touché pendant une révolution (voir Figure 7). Les harmoniques des fréquences des défauts de roulements, pas la vitesse de rotation, sont surveillées pour y déceler des défauts au plus près de leur apparition. Étant donné la relation des fréquences des défauts de roulement et des vitesses de rotation, ces signatures précoces peuvent se produire dans la plage des kilohertz et s'étendre bien au-delà de la plage des 10 à 20 kHz. Même pour les équipements plus lents, la nature même des défauts de roulement exige des bandes plus larges pour pouvoir être détectés précocement afin d'éviter les influences de résonances et de bruit du système sur les bandes de fréquences plus basses.

La plage dynamique est également importante pour la surveillance des défauts des roulements dans la mesure où les charges et les défauts du système peuvent affecter les vibrations ressenties par le système. Des charges accrues entraînent une augmentation des forces sur le roulement et le défaut. Les défauts des roulements créent également des impulsions qui excitent les résonances structurelles, amplifiant les vibrations ressenties par le système et le capteur. Lors des phases d'accélération et de décélération des machines pendant les démarrages/arrêts ou en fonctionnement normal, les vitesses changeantes créent des opportunités d'excitation des résonances du système, et de plus grande amplitude des vibrations. La saturation du capteur peut occasionner des pertes d'information, des erreurs de diagnostic et, avec certains technologies, des dommages aux éléments du capteur.

Défauts d'engrenage

Qu'est-ce qu'un défaut d'engrenage et quelle en est l'origine ?

Les défauts d'engrenage se produisent le plus souvent au niveau des dents d'un mécanisme d'engrenage pour cause d'usure, d'éclatement ou de cavitation. Ils peuvent se manifester sous forme de craquelures à la base des dentures ou de perte de matière à la surface de la dent. Ils peuvent être causés par usure, charges excessives, lubrification insuffisante, jeu entre dents, voire installation non conforme ou défauts de fabrication.

En quoi les défauts d'engrenage sont-ils problématiques ?

Principaux éléments de transmission de la puissance dans de nombreuses applications industrielles, les engrenages sont soumis à des pressions et des charges importantes. Leur intégrité est cruciale pour la bonne opération du système mécanique tout entier. Un exemple bien connu de cet état de fait dans le domaine des énergies renouvelables est le fait que le facteur d'immobilisation numéro un des éoliennes (et de l'érosion des revenus qui en découle) est la panne du multiplicateur polyétagé du groupe motopropulseur principal. Des considérations similaires s'appliquent dans les applications industrielles.

Comment les défauts d'engrenage sont-ils détectés et diagnostiqués ?

Les défauts d'engrenage sont délicats à détecter en raison de la difficulté de l'installation des capteurs de vibration à proximité du défaut et de la présence d'un important bruit de fond émanant des diverses excitations mécaniques au sein du système. Cela est notamment le cas dans les boîtes de vitesses complexes, où l'on peut trouver plusieurs fréquences de rotation, rapports d'engrenage et fréquences d'engrènement. Par conséquent, plusieurs approches complémentaires peuvent être suivies pour détecter les défauts d'engrenage, comme l'analyse des émissions acoustiques, l'analyse de la signature de courant ou l'analyse des débris de graisse.

En ce qui concerne l'analyse des vibrations, le carter de la boîte de vitesses est l'emplacement habituel d'installation d'un accéléromètre, le mode de vibration dominant étant la direction axiale. Des engrenages en bon état de marche produisent une signature de vibration à une fréquence qu'on appelle fréquence d'engrènement. Elle est égale au produit de la fréquence de l'arbre et du nombre de dents d'engrenage. En règle générale, il existe également des bandes latérales de modulation associées à des tolérances de fabrication et de montage. Vous en trouverez l'illustration pour un engrenage en bon état de marche dans la Figure 8. Lorsqu'un défaut localisé comme une craquelure au niveau d'une dent se produit, le signal de vibration à chaque révolution comprendra la réponse mécanique du système à un impact de courte durée à un niveau d'énergie relativement faible. Il s'agit le plus souvent d'un signal à large bande et faible amplitude qui est généralement considéré comme non périodique et non stationnaire.

Figure 8. Spectre de fréquence d'un engrenage en bon état avec une vitesse de vilebrequin d'environ 1 000 tr/min, vitesse d'engrenage d'environ 290 tr/min et denture de 24 dents.

En conséquence de ces caractéristiques particulières, on ne considère pas que les techniques de domaine de fréquence standard puissent être utilisées pour identifier les défauts d'engrenage avec précision. L'analyse spectrale peut ne pas permettre de détecter précocement les défauts d'engrenage car l'énergie d'impact est contenue dans la modulation à bande latérale, qui peut aussi contenir de l'énergie provenant d'autres paires d'engrenage et composants mécaniques. Les techniques de domaine temporel telles que le calcul de moyenne synchrone ou les approches de domaine mixte telles que l'analyse par ondelettes et la démodulation d'enveloppe sont généralement plus appropriées.

Quelles spécifications système doivent être prises en compte lors du diagnostic d'un défaut d'engrenage ?

Une large bande passante est généralement cruciale dans la détection des défauts d'engrenage, dans la mesure où le nombre de dents sert de multiplicateur dans le domaine de fréquence. Même pour les systèmes relativement lents, la plage de fréquence de détection requise est rapidement haussée dans la région des kHz multiples. De plus, les défauts localisés allongent encore les exigences en matière de bande passante.

Résolution et faible bruit sont extrêmement importants pour plusieurs raisons. La difficulté de monter des capteurs de vibration à proximité immédiate de zones de défauts spécifiques signifie que les signaux de vibration peuvent être encore atténués par le système mécanique et qu'il est plus que jamais nécessaire de pouvoir détecter les signaux de faible énergie. En outre, étant donné que les signaux ne sont pas statiques ou périodiques, les techniques FFT standard d'extraction de signaux de faible amplitude d'un niveau de bruit de fond élevé ne sont pas fiables. Le bruit de fond du capteur lui-même doit être faible. Cela est particulièrement vrai dans un environnement de boîte de vitesses où les différents éléments de la boîte produisent un mélange de signatures vibratoires. Il faut ajouter à ces considérations l'importance d'une détection précoce pas uniquement pour des raisons de protection des ressources, mais aussi pour des raisons de conditionnement du signal. Il a été montré que la gravité des vibrations peut être supérieure dans le cas d'un défaut de bris de dent unique, contrairement à un défaut de bris de deux dents ou plus, qui implique que la détection peut être relativement plus facile dans les premiers stades d'apparition.

Récapitulatif

S'ils sont communs, les défauts de déséquilibre, de désalignement, de roulement d'élément roulant et de dent d'engrenage ne sont que certains des nombreux défauts pouvant être détectés et diagnostiqués à l'aide de capteurs de vibrations performants. Des capteurs plus performants combinés aux considérations système appropriées permettent l'avènement de solutions de surveillance conditionnelle de nouvelle génération qui apporteront des niveaux inédits de consultation du fonctionnement mécanique d'une vaste gamme d'équipements et d'applications industriels. Ces solutions transformeront les méthodes de maintenance et le fonctionnement des machines, et réduiront au bout du compte les temps d'immobilisation des machines, amélioreront leur efficacité et procureront des capacités nouvelles aux équipements de prochaine génération.