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SAVOIR
AUSCULTER LES MACHINES TOURNANTES
 A
l’image de la médecine, l’analyse vibratoire permet l’élaboration
d’un bilan complet de la machine …
Le contrôle des machines tournantes par analyse vibratoire est couramment
utilisé notamment pour la surveillance des composants fragiles
ou stratégiques d’un système, par exemple les roulements
à billes, les engrenages ou les rotors.
La procédure consiste à détecter l’apparition
d’un défaut sans démontage de la machine en prélevant
le signal vibratoire à l’aide d’un capteur accélérométrique.
On définit alors une procédure de contrôle par comparaison
d’indicateurs avec des seuils d’alarme préalablement
définis. On ne recherche souvent pas plus loin la nature et la
cause du problème.
Cependant, dans la plupart des cas, l’analyse du défaut est
également possible. A l’image de la médecine, l’analyse
vibratoire permet l’élaboration d’un “ bilan mécanique
” complet du système qui caractérise qualitativement
et quantitativement son état à un instant donné,
et ainsi d’y reconnaître d’éventuelles “ maladies
”.
Ce thème représente un des axes de recherche du Laboratoire
d’Analyse des Signaux et des Processus Industriels (LASPI) installé
dans les locaux de l’IUT de Roanne.
Un des projets piloté par le LASPI et soutenu par le conseil régional
Rhône-Alpes, concerne le diagnostic de réducteurs à
trains parallèles de forte puissance (quelques dizaines à
quelques centaines de kW) couramment utilisés dans des applications
de manutention, ponts roulants, remontées mécaniques...
où les problèmes de sécurités peuvent être
primordiaux. Ce projet implique des partenaires universitaires régionaux
: Laboratoire Images et Signaux de INP Grenoble, Laboratoire de Mécanique
des Contacts, INSA de Lyon ainsi que des partenaires industriels, Foc
Transmission implanté à Vienne et Vaulx en Velin et les
remontées mécaniques de Val d’Isère.
Diagnostic en contexte incertain
La complexité
des systèmes rend souvent le contrôle difficile, voire impossible
sans recourir à des méthodes spécifiques. C’est
le cas des réducteurs à fort rapport de réduction
dont le couple de sortie peut varier de plusieurs centaines de kilogrammes
à quelques tonnes par mètre.
Ces réducteurs sont composés de plusieurs trains d’engrenages
dont les axes sont montés sur roulements.
Tout défaut de tolérance, de surface, d’ajustage, de
montage des différents organes du réducteur se manifeste
alors durant la première épreuve du système, par
des chocs plus ou moins audibles.
Nous sommes intervenus dans un cas comparable, avec pour objectif de diagnostiquer
un défaut sur réducteur, parfaitement audible lors de son
fonctionnement. L’anomalie se manifestait par un double choc, dont
il était difficile de mesurer l’écart entre les deux
coups. Le défaut provenait-il d’un des quatre trains d’engrenages,
d’un des huit roulements à billes ou d’un autre composant
mécanique ? Sa source n’avait pu être localisée
par le constructeur.
Sans connaître l’historique du système et sans disposer
de base de données sur ses modes de défaillances, nous devions
procéder en “ aveugle ”. La méthode de diagnostic
devait s’appuyer sur la seule connaissance des caractéristiques
cinématiques du réducteur, ainsi que sur l’emploi d’outils
d’analyse appropriés.
Réglementation
applicable aux concepteurs de machines
Désormais, les fabricants de machines neuves doivent mettre sur
le marché des machines conformes à la directive "Machines"
98/37/CE (ou 89/392/CEE modifiée). Pour cela, ils ont l’obligation
de réaliser une analyse des risques.
La procédure d’évaluation de la conformité repose,
dans la majorité des cas, sur le principe d’autocertification.
Le fabricant construit la machine en respectant les exigences techniques
de la directive, élabore une documentation technique, signe une
déclaration CE de conformité et appose le marquage CE. Pour
certaines catégories de machines (appareils de levage, presses,
…), avant de signer sa déclaration, il doit recourir aux services
d’un organisme notifié qui examinera le matériel et
délivrera une attestation CE de type.
Remarque importante : L’apposition du marquage CE implique de prendre
en compte l’ensemble des directives applicables à la machine
conçue (exemple : directive CEM 89/336/CEE, directive Basse Tension
73/23/CEE, directive Equipements sous pression 97/23/CE, directive ATEX
94/9/CE…).
Retrouver l'organe défaillant
Pour élaborer un diagnostic à partir des signaux vibratoires,
les méthodes classiques de traitement du signal telles que l’analyse
spectrale et l’analyse cepstrale sont particulièrement adaptées.
La contribution de ces techniques d’analyse alliées à
une technique d’acquisition adaptée (synchronisation sur la
machine tournante) a permis tout d’abord de cibler la zone défaillante
du réducteur (arbre concerné) puis de suspecter un roulement
à bille. Une analyse statistique consécutive sur le kurtosis
des signaux vibratoires révéla la présence de chocs
très forts sur ce roulement. Le défaut a été
localisé. Il restait à expliquer sa nature.
La fréquence inhabituelle ne correspondait à aucune fréquence
caractéristique de la cinématique du roulement à
bille. Par contre, elle pouvait être expliquée par des non-linéarités
résultant d’un jeu excessif ou d’un frottement au niveau
de la bague intérieur. C’est ce que confirma une expertise
ultérieure.
Les
conditions du succès
L’étude
de cette intervention illustre bien la démarche classiquement suivie
en diagnostic par analyse vibratoire, qui permet, pas à pas, d’isoler
le composant mécanique défaillant, puis de caractériser
la nature du défaut. Cette démarche a permis le remplacement
de l’élément défaillant sans avoir à
recourir au démontage complet du réducteur, d’où
un gain de temps appréciable.
Rappelons que son succès ne tient qu’à la seule connaissance
de la cinématique du système et bien sûr, à
l’emploi d’outils spécifiques de traitement du signal
ainsi que des techniques adéquates d’acquisition. Nous restons
convaincus qu’une large classe de systèmes peuvent ainsi être
contrôlés ou diagnostiqués de cette façon,
et ceci sans coûts excessifs.
Contact:
Laboratoire
d’Analyse des Signaux et des Processus Industriels
Université Jean
Monnet -IUT de Roanne
20 avenue de Paris, 42334 Roanne cedex
E-mail :
laspi@univ-st-etienne.fr
Pour
tout renseignement complémentaire ou spécifique à
votre cas de figure, n’hésitez pas à contacter Jean-Philippe
LECLERCQ à l'ARATEM.
E-Mail : jpleclercq@aratem.org
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