Niveau : deuxième année Licence Génie Mécanique …ltechnologie.com/fichiers/TDS.pdf · machines industrielles. La mise en œuve de ette analyse est simple et presque tous les

المعهد العالي للّدراسات التكنولوجية بجربة Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Djerba

Département Génie Mécanique

2015

Elaboré par : KHALFALLAH Jamil

TECHNIQUES DE SURVEILLANCE

Elaboré par : KHALFALLAH Jamil

Année universitaire : 2015-2016

TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Niveau : deuxième année Licence Génie Mécanique

parcours maintenance industrielle

ISET de Djerba Techniques de surveillance

KHALFALLAH Jamil

Sommaire

Chapitre I : Généralités ........................................................................................................................ 1

I. Maintenance : ........................................................................................................................................ 2

II. Surveillance vibratoire : ......................................................................................................................... 2

III. Thermographie infrarouge .................................................................................................................... 3

IV. Surveillance ultrasonore ........................................................................................................................ 4

V. analyse d’huiles ..................................................................................................................................... 6

Chapitre II: Notions vibratoires............................................................................................................ 7

I. Définitions ............................................................................................................................................. 8

II. Transformée rapide de Fourier (FFT) : .................................................................................................. 9

III. Grandeurs vibratoires ............................................................................................................................ 9

Chapitre III : Mesurage et Acquisition de données ............................................................................ 11

I. Choix des grandeurs vibratoires à mesurer ......................................................................................... 12

II. Les capteurs de vibration .................................................................................................................... 13

III. Choix de type de mesurage : ............................................................................................................... 16

IV. Collecteur analyseur de vibration ....................................................................................................... 19

V. Base de données et logiciel de surveillance vibratoire ....................................................................... 20

Chapitre IV : Diagnostique de l’état mécanique d’une machine tournante ....................................... 21

I. Introduction ......................................................................................................................................... 22

II. Phénomènes vibratoires dépendant de la fréquence de rotation du rotor ....................................... 22

III. Phénomènes vibratoires non liées à la fréquence du rotor ................................................................ 31

IV. Application: .......................................................................................................................................... 34

Chapitre V : équilibrage des rotors .................................................................................................... 37

I. Bases de l’équilibrage : ........................................................................................................................ 38

II. Principe de l’équilibrage : .................................................................................................................... 40

III. Différents types d’équilibrage : ........................................................................................................... 40

Chapitre VI : thermographie infrarouge ............................................................................................. 47

I. Introduction ......................................................................................................................................... 48

II. Définition ............................................................................................................................................. 48

III. Principe ................................................................................................................................................ 48

IV. Rayonnement infrarouge .................................................................................................................... 49

V. La thermographie ................................................................................................................................ 51


KHALFALLAH Jamil

VI. Techniques d'analyse d'images thermiques ........................................................................................ 52

Chapitre VII : Analyse d’huile ........................................................................................................... 55

I. Vérification quotidienne[4] ................................................................................................................. 56

II. Examens en laboratoire [5] ................................................................................................................. 57

III. Règles de prélèvement d'huile [4] ....................................................................................................... 60

IV. Fréquence de prélèvement d'huile [4] ................................................................................................ 61

Bibliographie ...................................................................................................................................... 62


1 KHALFALLAH Jamil

CChhaappiittrree II :: GGéénnéérraalliittééss

Objectif :

Connaître les notions de base des techniques de surveillance.

Prérequis :

Introduction à la maintenance

Eléments du contenu :

I. Maintenance

II. Surveillance vibratoire

III. Thermographie infrarouge

IV. Surveillance ultrasonore

V. analyse d’huiles


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Généralités A

I. Maintenance :

1-1 Définition :

La maintenance vise à maintenir ou à rétablir un bien dans un état spécifié afin que celui-ci soit en mesure d'assurer un service déterminé.

La maintenance regroupe ainsi les actions de dépannage et de réparation, de réglage, de révision, de contrôle et de vérification des équipements matériels (machines, véhicules, objets manufacturés, etc.) ou même immatériels (logiciels).

Un service de maintenance peut également être amené à participer à des études d'amélioration du processus industriel, et doit, comme d'autres services de l'entreprise, prendre en considération de nombreuses contraintes comme la qualité, la sécurité, l'environnement, le coût, etc.

1-2 Types de maintenance :

Maintenance curative

Effectuée après une défaillance ; c’est le dépannage, la réparation ; cette maintenance est dite également corrective. C’est le plus connu des types de maintenance et malheureusement, dans certains cas, le seul à être appliqué. Cette maintenance intervient a posteriori, toujours trop tard, lorsque la panne survient souvent avec des conséquences graves. Les coûts sont généralement très élevés.

Maintenance améliorative

La maintenance Améliorative est celle qui a pour but de modifier les équipements afin de faciliter et de réduire leur maintenance.

Maintenance préventive systématique

En s’appuyant sur une gestion rigoureuse, et sur une connaissance statistique de la vie des composants de chaque machine, on programme l’arrêt du matériel pour une révision systématique avant usure ou panne.

Maintenance préventive conditionnelle

Son principe consiste à estimer et suivre l’état de marche (et son évolution) du matériel en fonctionnement, de manière à diagnostiquer des anomalies et programmer à l’avance les interventions de maintenance. On utilise dans ce cas différentes techniques appelées techniques de surveillance, basées sur la mesure de paramètres physiques, tels que :

la mesure de vibrations

la thermographie infrarouge

l’analyse des mesures ultrasonores

l’analyse d’huile

II. Surveillance vibratoire :

Toute machine, et particulièrement les machines tournantes, en fonctionnement induit des vibrations. Ces dernières, sont des traductions directes des forces dynamiques engendrées par les pièces en mouvement et occupent de ce fait une place privilégiée parmi les grandeurs à prendre en considération pour assurer la surveillance d’une machine.

http://fr.wiktionary.org/wiki/d%C3%A9pannage

http://fr.wiktionary.org/wiki/r%C3%A9vision

http://fr.wiktionary.org/wiki/v%C3%A9rification

http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Objet_manufactur%C3%A9



http://fr.wikipedia.org/wiki/Maintenance_du_logiciel


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Ces machines vibrent et l’image vibratoire de leurs vibrations a un profil très particulier lorsqu’elles sont en état de bon fonctionnement. Dés que des phénomènes d’usure, de fatigue, de vieillissement, de désalignement, de balourd, etc.. apparaissent, l’allure de cette image change, ce qui permet, de quantifier l’intervention. La plupart des défauts mécaniques peuvent être détectés par cette technique.

III. Thermographie infrarouge

3-1 Principe :

Tout corps dont la température est supérieure à zéro degré absolu émet un rayonnement électromagnétique. Et on est capable de détecter ce rayonnement sous la forme de sensation de chaleur.

La thermographie infrarouge est la technique permettant de mesurer, par l’intermédiaire d'un détecteur, la puissance du rayonnement électromagnétique dans le spectre des infrarouges, émis par chaque point d’une scène ou d’un objet observé.

Le détecteur ou caméra infrarouge reçoit ce rayonnement, le convertit en signal électrique et reconstitue sur un écran une image thermique visible de l’objet émetteur. Cette image est le thermogramme.

Le thermogramme est constitué par l'ensemble des points de valeurs de mesures thermiques. Ces valeurs thermiques (en °C) sont obtenues par transcription des valeurs radiométriques données par la caméra infrarouge.

figure 1 : Caméra infrarouge Image thermographique

figure 2 : Inspection d’un motoréducteur


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3-2 Inspections :

Surveillance des installations électriques sous tension

Les défauts des installations ou matériels électriques sous tension se traduisent souvent par des échauffements anormaux.

Ces défauts sont :

un mauvais serrage de fixation ;

une cosse mal sertie ;

un contact trop résistant ou défectueux ;

une connexion mal réalisée ;

un appareillage défectueux.

Inspection des briques réfractaires d'un four et des réseaux de chauffage

On utilise la thermographie infrarouge pour déterminer les défaut d’isolation.

figure 3 : Inspection d’un four

IV. Surveillance ultrasonore

Le contrôle ultrasonore utilisé en maintenance préventive consiste à « écouter », avec un appareil appelé contrôleur ou détecteur ultrasonore, les ultrasons émis par les machines en fonctionnement. L’appareil de contrôle détecte les ondes ultrasonores de fréquence supérieure à 20 kHz, et ils les convertissent en sons audibles (de 50 Hz à quelques kHz). Le bruit que l’on entend révèle alors la présence d’éventuels dysfonctionnements. Le défaut est d’autant plus fort que l’on se rapproche de la source.

figure 4 : Inspection d’une motopompe par ultrason


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Inspection des machines tournantes

Dans le domaine des machines tournantes, la méthode permet de détecter les ultrasons induits par le frottement de pièces mécaniques (au niveau des roulements, des engrenages, des paliers, etc.). Elle détecte tous types de défauts, pourvu qu’ils se manifestent à haute fréquence. C’est le cas par exemple des défauts spécifiques aux roulements (usure, roulement défectueux, mauvais graissage, etc.).

Les défauts sur les machines rotatives produisent des sons de large spectre sonore qui sont généralement surveillés par la mesure de vibration à basse fréquence. Toutefois, certains défauts spécifiques produisent des ondes acoustiques à forte teneur en hautes fréquences : impacts (roulements et boîtes de vitesses), friction (éléments mécaniques nécessitant lubrification) et cavitation (pompes).

Par conséquent, l'un des principaux avantages des ultrasons, par rapport à l'analyse de vibration, est la facilité de surveillance de la détérioration des roulements et des boîtes de vitesses qui pourraient être masqués dans l'analyse à basse fréquence.

Inspection des équipements électriques

Les inspections à l’aide des ultrasons sont applicables à tous les niveaux de tensions (faibles, moyennes et hautes tensions).

Elles sont utilisées pour détecter les:

Effets couronnes

Décharges partielles ou problèmes de conduction électriques

Arcages

Vibrations Mécaniques (Transformateurs)

Détection des fuites

Un gaz, lorsqu'il s'échappe par un orifice de fuite, passe instantanément de la pression interne du circuit à la pression atmosphérique. Cette détente brutale s'accompagne du frottement du gaz sur les bords de l'orifice de fuite. Ces deux phénomènes génèrent des turbulences et produisent un son de spectre très étendu, comprenant de riches composantes ultrasonores.


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V. analyse d’huiles

L’analyse d’huiles est d’une importance primordiale dans tout programme de maintenance des machines industrielles. La mise en œuvre de cette analyse est simple et presque tous les mécanismes lubrifiés sont susceptibles d’être sujets à ce diagnostic. L’huile est en contact permanent avec les pièces en mouvement. Elle fournit de nombreuses informations sur l’état de la machine. Lorsque l’équipement est mis à rude épreuve, la qualité du lubrifiant s’en ressent. L’analyse d’huile permet de suivre dans le temps les caractéristiques physico-chimiques du lubrifiant. Cela permet d’apprécier son état de dégradation et donc son aptitude à remplir sa fonction dans la machine.

Les résultats de l’analyse permettent de déceler des anomalies telles que :

La contamination par des particules internes de l’équipement

La pollution par des agents extérieurs

L’usure par abrasion

L’analyse d’huile fait partie des moyens mis en œuvre pour faire la maintenance préventive. Avec l’analyse vibratoire et la thermographie, elle permet d’éviter les pannes imprévues et les réparations coûteuses.


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CChhaappiittrree IIII:: NNoottiioonnss vviibbrraattooiirreess

Objectif :

Connaître les notions de base sur la vibration.

Prérequis :

Notions de base en physique


I. Définitions

II. Transformée rapide de Fourier (FFT)

III. Grandeurs vibratoires


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Notions vibratoires

I. Définitions

Vibrations

Une vibration est un mouvement d'oscillation autour d'une position d'équilibre stable ou d'une trajectoire moyenne.

vibration périodique

On appelle mouvement périodique un mouvement qui se répète et dont chaque cycle se reproduit identiquement. La durée d'un cycle est appelée période T.

La fréquence f est l’inverse de la période

f : fréquence en [Hz] T : période en [s]

Vibration sinsoidale

Ce type de mouvement est défini par les paramètres suivants :

X(t) = a sin (ωt + 𝝋) : Equation du mouvement

f : fréquence en [Hz]

T : période en [s]

𝜑 : phase en [rd]

: pulsation du mouvement en [rd/s]

Vibration aléatoire

Une vibration aléatoire, contrairement à une vibration périodique, consiste en un mouvement irrégulier dont l'amplitude en fonction du temps ne se répète jamais d'une façon identique.

Les vibrations aléatoires ne peuvent être représentées mathématiquement que par une série de relations de probabilités, car il faudrait théoriquement, un temps infini pour les analyser, mais on peut considérer que la fonction aléatoire est une fonction périodique dont la périodicité est égale à l’infinie et que cette fonction est constituée d’une infinité de fonction sinusoïdales dont la fréquence varie de façon continue.

𝑓 =1

𝑇

ω = 2πf

Amplitude

Temps

Temps

Amplitude

T

Temps

Amplitude

T


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II. Transformée rapide de Fourier (FFT) :

La transformée rapide de Fourier (en anglais FFT : Fast Fourier transform) est la transformation d’un signal temporelle (amplitude en fonction du temps) en un spectre d’amplitude en fonction de la fréquence.

figure 5 : FFT (spectre de vibration)

III. Grandeurs vibratoires

3-1 Déplacement :

C’est une grandeur vibratoire qui définit le changement de position d’un capteur ou d’un point matériel par rapport à un système de référence.

Unité de mesure : [µm]

3-2 Vitesse :

C’est un vecteur qui représente la dérivée du déplacement par rapport au temps.

Unité de mesure : [mm/s]

3-3 Accélération :

C’est un vecteur qui représente la dérivée de la vitesse par rapport au temps.

Unité de mesure : [G] (1 G=10 m/s-2)

3-4 Relation entre les grandeurs d’un mouvement vibratoire sinusoïdal :

Relations mathématique:

x(t) = X0 Sin(t)

x’(t) = X0 Cos(t) = X0 Sin(t+/2)

x’’(t) = - X02 Sin(t) = X02 Sin(t+)


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3-5 Valeur de Niveau Global (NG) de vibration

La mesure de la valeur globale est une méthode approximative d'analyse du signal qui fait abstraction du paramètre fréquentiel pour ne mesurer que l'amplitude évaluée :

figure 6 : Valeurs de Niveau Global

Valeur moyenne : T

0m f(t)dt

T1 V

Valeur efficace (en anglais RMS) :

T

0

2eff dt)t(f

T1 V

Valeur crête : Valeur maximal Valeur crête à crête : Ecart maximal dans Δt Intensité vibratoire : C’est la valeur efficace de la vitesse entre 10Hz et 1000Hz


11 KHALFALLAH Jamil

CChhaappiittrree IIIIII :: MMeessuurraaggee eett AAccqquuiissiittiioonn ddee

ddoonnnnééeess

Objectif :

Connaître les différents types de capteurs de vibration Connaitre les différentes techniques de mesurage de vibration

Prérequis :

Principes de base en physique Mesures et instrumentation


I. Choix des grandeurs vibratoires à mesurer II. Les capteurs de vibration III. Choix de type de mesurage IV. Collecteur analyseur de vibration V. Base de données et logiciel de surveillance vibratoire


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Mesurage et Acquisition de données

I. Choix des grandeurs vibratoires à mesurer

Par rapport à une mesure effectuée en mode vitesse, la mesure en mode déplacement aura pour effet d’atténuer toutes les composantes moyennes et hautes fréquences et d’amplifier les composantes basses fréquences. En revanche, la mesure en mode accélération aura pour effet d’atténuer les composantes basses fréquences et d’amplifier les composantes hautes fréquences.

figure 7 : Variation des grandeurs vibratoires en fonction de la fréquence

Pour s’affranchir des défauts des instruments, on aura intérêt à utiliser la grandeur qui représente le mieux ce que l’on veut voir :

Déplacement :

Cette grandeur est utilisée souvent pour surveiller les jeux mécaniques ou les dilatations. Il favorise les basses fréquences qui se situent à 1 ou 2 fois la fréquence de rotation (déséquilibre, déformation, désalignement, desserrage, …), voire en dessous da la fréquence de rotation (instabilité, frottement, …). On l’utilise en général pour la mesure des déplacements absolus des arbres ou des déplacements relatifs arbre-coussinets.

Vitesse :

Proportionnelle à l’énergie dissipée dans un système, la vitesse vibratoire est aussi une image du risque. La mesure en mode vitesse permet d’observer correctement des phénomènes dont la fréquence n’est pas trop élevée, c’est-à-dire ne dépassant pas 4000 à 5000 Hz ( passage de pales d’un ventilateur ou d’une pompe, engrènement sur réducteur, …), et bien évidemment les défauts traditionnels des lignes d’arbres (déséquilibre, désalignement, déformation, instabilité, frottement, …).


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Accélération :

L’accélération est une bonne image des efforts à hautes fréquences engendrés par les chocs, les fuites ou les turbulences. Elle représente bien le dommage. Elle est utilisée par exemple, pour la surveillance des roulements ou des vannes d’admission vapeur.

II. Les capteurs de vibration

Un capteur est un dispositif qui transforme un type d'énergie, comme la vibration, en un autre type d'énergie, généralement en un courant électrique ou en une tension.

On utilise Généralement comme capteurs de vibration les senseurs de vitesse (vélocimétres), des accéléromètres piézoélectriques et des proximités à Courant de Foucault.

2-1 Capteur de vitesse (vélocimétre)

Les senseurs de vitesse ont été utilisés comme des capteurs de vibration des machines tournantes depuis longtemps et ils sont encore utilisés pour une variété d'applications. Ces capteurs sont disponibles sous plusieurs configurations et avec différentes sensibilités.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement de se capteur est fondé sur la loi d’induction électromagnétique : le mouvement d’une bobine à proximité d’un champ magnétique va induire une tension électrique à ces bornes proportionnelle à la vitesse de son mouvement.

Ce transducteur est composés par l’ensemble masselotte et bobine, reliée au boîtier par un élément élastique et un amortisseur, qui se déplace dans un champ magnétique permanent crée par un aimant. La vibration de la machine sur lequel est fixé le capteur, génère une tension aux bornes de la bobine proportionnelle à la vitesse du mouvement vibratoire.

Avantages

Facile à installer

Très bonne sensibilité

Pas d’alimentation extérieure

Inconvénients :

Relativement lourd et encombrant

Bande passante limitée (10-1000 Hz)

Pièces mobiles.

sensible aux champs magnétiques


14 KHALFALLAH Jamil

2-2 Accéléromètre (capteur piézoélectrique)

Il est considéré comme le meilleur capteur disponible à ce jour pour les mesures de vibrations absolues et il est efficace pour une grande variété d’applications.


Les accéléromètres sont des instruments de mesure inertielle qui convertissent le mouvement mécanique en un Signal électrique. Le signal est proportionnel à l'accélération de la vibration utilisant l’effet piézoélectrique.

Ce capteur est composé d’un cristal piézoélectrique et une petite masse tous deux fixés sur son embase. Quand l'accéléromètre est soumis à une vibration, la petite masse exerce une force variable sur Le cristal piézoélectrique, qui est directement proportionnel à l'accélération du mouvement vibratoire. Sous l’effet de cette force le cristal piézoélectrique va produire une charge électrique proportionnelle aussi à la vibration de la machine.

figure 8 : Accéleromètre

Avantages

Facile à installer

Robuste, peut travailler dans des environnements sévères

Grande bande passante

Excellente linéarité

Faible sensibilité aux parasites

Petit et léger

Inconvénients :

Haute impédance

Nécessite des préamplificateurs, ou adaptateurs d’impédance


15 KHALFALLAH Jamil

2-3 Capteur de déplacement (Sonde de proximité)

Ces capteurs sont utilisés principalement sur les paliers lisses des turbomachines. Ils permettent de mesurer le déplacement relatif de l’arbre par rapport au palier.

figure 9 : Capteur de déplacement (proximité)


Un oscillateur envoie un signal d'amplitude constante à très haute fréquence au capteur. Le signal, appelé signal porteur, produit un champ magnétique en passant au travers de la petite bobine située à l'extrémité du capteur (figure suivante).

L'arbre situé à proximité absorbe une partie de l'énergie du champ magnétique qui, à son tour, produit une réduction proportionnelle de l'amplitude du signal porteur (modulation).

figure 10 : Principe de fonctionnement d’une proximité

Plus l'arbre se rapproche du capteur, plus l'amplitude du signal s'en trouve affectée. La modulation du signal porteur traduit donc l'importance du déplacement relatif de l'arbre par rapport au palier. Le signal est ensuite démodulé et la vibration est mesurée.

figure 11 : Proximité


16 KHALFALLAH Jamil

Avantages

la mesure directe du mouvement de l'arbre ;

l'absence d'usure (aucun élément mobile) ;

la mesure faite directement en unités de déplacement ;

le fonctionnement jusqu'à des fréquences extrêmement faibles. Inconvénients

la mauvaise qualité du signal occasionnée par la présence d'irrégularités à la surface des arbres ;

l'installation minutieuse requise ;

la très faible gamme dynamique du capteur (la gamme dynamique est le rapport de l'amplitude la plus élevée à l'amplitude la plus faible qui puisse être mesurée) qui est de l'ordre de 100/1 ;

III. Choix de type de mesurage :

3-1 Direction de mesure

Il est insuffisant de surveiller le comportement d’une machine dans une seule direction, car l’effort dominant est lié à la rotation, et par suite sollicitant directement les structures dans aux moins deux directions radiales (RH et RV) et par fois même axial ( Ax ) par des phénomènes de couplage.

figure 12 : Directions de mesure

3-2 Emplacement des capteurs :

Le choix des emplacements des capteurs sera déterminé en fonction des paramètres suivant :

Orientation du capteur ( RV, RH, Ax )

Matériel support ( paliers, corps, massif, … )

Mode de fixation ( par vis, par aimant ou emplacement à la main )

Problèmes d’accessibilité ( encombrement, complexité de la machine, ... )

Type du capteur ( sismique, vélocimètre, accéléromètre, …) Le type de défaut n'étant généralement pas connu à priori et le type d'effort généré étant

souvent un mélange d'efforts tournants et directionnels, il convient, selon les possibilités

réelles de la prise de mesure afférents à la machine surveillée, d'appliquer les règles générales

ci-dessous.


17 KHALFALLAH Jamil

Règle 1 : Pour chaque ligne d'arbre, les emplacements choisis pour placer les capteurs

doivent permettre:

Une mesure radiale horizontale

Une mesure radiale verticale

Une mesure axiale sur le palier d'arbre situé du coté du roulement butée (s'il y en a

un), ou du coté de la transmission.

figure 13 : Points de mesure

Règle 2 : les capteurs doivent être placés en liaison mécanique aussi directe que possible

avec l'élément mobile, c'est-à-dire le plus près possible des paliers, en limitant au strict

minimum le nombre de pièces assurant l'interface entre l'élément mobile et le capteur

figure 14 : Emplacement du capteur

Règle 4 : l'emplacement des points de mesure doit être propre et les surfaces de contact

avec les capteurs lisses, planes et perpendiculaires à la direction de la mesure. La direction

de la mesure doit respecter au maximum l'axe radial ou axial ; les déviations directionnelles

sont responsables de beaucoup de résultats erronés.

Règle 7: les mesures sont effectuées toujours au même endroit sur la machine. Les points

de mesure sont repérés, soit par de la peinture, soit par la mise en place de goujons (collés

ou vissés).


18 KHALFALLAH Jamil

Règle 8: pour de la prise de la mesure sur des appareils électriques (par exemple, sur des

moteurs), le capteur est isolé par l'interposition entre sa surface de contact et la machine

d'un matériau isolant. Cette précaution évite les courants d'arbres nuisibles à la mesure, et

parfois, générateurs de dégradations sur la machine.

Règles spéciales concernant les proximètres:

Mesure de vibrations radiales: les prises de mesure de vibrations radiales s'effectuent

dans un plan perpendiculaire à l'axe au moyen de deux sondes disposées à 90%

soit une sonde verticale et l'autre horizontale,

soit les deux sondes disposées symétriquement à 45° par rapport A la verticale

figure 15 : Mesures radiales avec une proximité

Mesure de vibrations axiales: les prises de mesure des vibrations axiales s'effectuent en

disposant la sonde parallèlement à l'axe de l'arbre, l'extrémité de celle-ci faisant face soit à

l'extrémité de l'arbre, soit à un épaulement.

figure 16 : Mesure axiale avec une proximité

Signal de phase: le signal de phase est souvent donnée par un capteur de déplacement

placé perpendiculairement à l'arbre du rotor observé, arbre sur la surface duquel on a

placé une discontinuité de défilement (trou, rainure ou bande réfléchissante). Qui crée une

impulsion à chaque tour.


19 KHALFALLAH Jamil

3-3 Type de mesure :

Un signal est une fonction de temps que l’on cherche à réduire (sauf dans le cas d’analyse) à une ou quelques valeurs caractéristiques.

Valeur moyenne

Valeur efficace

Valeur crête

Valeur crête à crête

IV. Collecteur analyseur de vibration

Les capteurs de vibration convertissent le mouvement de vibration d'une machine en un signal électrique. Cependant, ce signal en forme brute est inutile à moins qu'il ne soit conditionné pour fournir des informations significatives reflétant l’état mécanique de la machine. Ainsi, on a besoin d’un collecteur analyseur de vibration qui peut collecter un signal électrique d'un capteur et le transformer en données significatives.

figure 17 : Collecteur analyseur de vibration


20 KHALFALLAH Jamil

V. Base de données et logiciel de surveillance vibratoire

Le collecteur de vibration recueille et stocke une quantité limitée de données. Donc, ces informations doivent être téléchargées à un ordinateur pour former un historique de mesures vibratoire sur les différentes machines. Pour exécuter les susdites tâches et aider aussi dans la collecte, la gestion et l'analyse de données des machines, on a besoin d’un progiciel de surveillance vibratoire. Ces programmes de gestion de données pour la maintenance des machines tournantes stockent des données de vibration et font des comparaisons entre des mesures récentes, des anciennes mesures et les seuils prédéfinies d'alarme. Les mesures transférées au logiciel d'analyse de vibration sont rapidement examinées pour des écarts(déviations) de conditions normales. Niveaux globaux de vibration, Spectres, signal temporelle et d'autres paramètres sont produits pour aider analyser ces changements de vibration. On peut aussi générer des rapports montrant les machines qui ont une vibration excessive dépassant les seuils d’alarme.

figure 18 : Fenêtre d’un logiciel de surveillance vibratoire


21 KHALFALLAH Jamil

CChhaappiittrree IIVV :: DDIIAAGGNNOOSSTTIIQQUUEE DDEE LL’’EETTAATT

MMEECCAANNIIQQUUEE DD’’UUNNEE MMAACCHHIINNEE TTOOUURRNNAANNTTEE

Objectif :

Connaître les différents défauts mécaniques d’une machine tournante et leurs images vibratoires

Etre capable de diagnostiquer l’état mécanique d’une machine tournante.

Prérequis :

Technologies de construction


I. Introduction

II. Phénomènes vibratoires dépendant de la fréquence de rotation du rotor

III. Phénomènes vibratoires non liées à la fréquence du rotor

IV. Application


22 KHALFALLAH Jamil

Diagnostique de l’état mécanique d’une machine tournante

I. Introduction

Le signal vibratoire contient des informations sur les efforts engendrés par le fonctionnement de la machine, mais aussi, sur la façon dont ils sont perçus par les capteurs, c'est-à-dire sur l'état mécanique des structures qui constituent la machine. II permet par conséquent d'avoir une image des contraintes internes et de diagnostiquer un certain nombre de défauts de fonctionnement. Mais, en raison même de la richesse des renseignements qu'il peut apporter, il n'est en général pas directement utilisable, il contient trop d'informations qu'il faut traiter et trier. Les traitements des signaux, dans les domaines temporels et fréquentiels, livrent des informations pour des diagnostics. Diagnostiquer, c'est relier des situations observées, caractérisées par des descripteurs qualitatifs et quantitatifs à des causes. La recherche d'un diagnostic est en général engagée lorsque des signes jugés anormaux se manifestent.

II. Phénomènes vibratoires dépendant de la fréquence de rotation du rotor

2-1 Défaut de balourd Généralités C'est la cause de vibration la plus commune et la plus fréquemment rencontrée. Il est facile à détecter et à réparer. Il est du à la mauvaise distribution de masse autour de l’axe de rotation du rotor : l’axe d’inertie du rotor n’est pas confondu avec l’axe de rotation.

figure 19 : Défaut de balourd

Il est impossible d’équilibrer parfaitement un rotor, il existe donc toujours une vibration à la fréquence de rotation dont l'amplitude est directement proportionnelle à l'importance du balourd et au carré de vitesse de rotation. Une modification brusque de l'amplitude correspond systématiquement à une modification du balourd dont l'origine peut-être une rupture ou la déformation d'une partie du rotor (ailettes de turbine par exemple). Si cette modification


23 KHALFALLAH Jamil

d'amplitude est plus lente, il peut s'agir d'une usure ou d'un encrassement de la partie tournante (suie, dépôt, etc.). Le phénomène se caractérise par une vibration radiale importante à la fréquence de rotation. Il y’a trois types de balourd :

Balourd statique (l’axe de rotation et l’axe d’inertie sont parallèles)

Couple de balourd (le point d’intersection des deux axes est le centre de gravité du rotor)

Balourd dynamique (les deux axes ne sont pas confondus) Image vibratoire Le défaut de balourd est caractérisé par un pic à haute amplitude à une fois la fréquence de rotation de la machine (1xfr) :

figure 20 : Image vibratoire d’un défaut de balourd

Si le déphasage entre deux mesures vibratoires sur les deux paliers de la machine :

est égale à 0° alors le balourd est statique

est égale à 180° alors c’est un couple de balourd

est quelconque alors le balourd est dynamique.

2-2 Arbre fléchi L’amplitude de la vibration axiale est plus importante que celle de la vibration radiale. Sur le spectre de vibration on va observer deux pics à 1xfr et à 2xfr.

figure 21 : Image vibratoire d’un défaut d’arbre fléchi

Si la composante d’ordre 1 (1xfr) est supérieure à la composante d’ordre 2 (2xfr) alors le point de déformation est au milieu de l’arbre.

Si la composante d’ordre 2 (2xfr) est supérieure à la composante d’ordre 1(1xfr) alors le point de déformation est sur l’une des deux extrémités de l’arbre.


24 KHALFALLAH Jamil

2-3 Désalignement L’arbre moteur et l’arbre récepteur ne sont pas parfaitement alignés. C’est l'une des principales causes de réduction de la durée de vie des machines tournantes. Il y’a deux types de désalignement

Désalignement angulaire

Désalignement radial

Désalignement angulaire Se défaut se traduit par une vibration élevée à 1xfr dans la direction axiale

figure 22 : Défaut d’alignement

On doit observer aussi un déphasage de 180° entre deux mesures axiales réalisées sur les deux roulements situés de coté de l’accouplement.

Désalignement radial

Se défaut se traduit par une vibration élevée à 2xfr dans la direction radiale


25 KHALFALLAH Jamil

On doit observer aussi un déphasage de 180° entre deux mesures radiales réalisées sur les deux roulements situés de coté de l’accouplement

2-4 Jeu mécanique Un tel défaut peut être causé par un jeu excessif entre le roulement et son logement, entre les éléments roulants et les bagues de roulements ou entre un impulseur et son arbre. Généralement c’est du à un mauvais montage Qui produira plusieurs harmoniques dans le spectre de vibration. Le signal temporel va avoir une forme tronquée. La phase de signal est instable et elle peut varier d’une mesure à une autre. Ce défaut peut présenter plusieurs images caractéristiques. Il fait ressortir la fréquence fondamentale fr et ses harmoniques. Contrairement au défaut d’alignement, les harmoniques peuvent ressortir sur une gamme très étendue de fréquences et pas seulement jusqu’au 4e ordre. Il peut aussi parfois faire apparaître la fréquence 1/2 fr et ses harmoniques à un niveau toutefois moindre que les harmoniques de la fréquence fondamentale.

2-5 Défaut de serrage Généralités

C’est une vibration due au desserrage des boulons d'ancrage ou de fixation des paliers sur le

châssis de la machine. Cette vibration se produit sous l'effet du balourd initial et elle peut prendre

une amplitude élevée en fonction du degré de desserrage du palier

Image vibratoire:

Lorsqu'un palier est desserré ou présente une possibilité de mouvement partiel dans le plan

radial, il apparaît une vibration radiale à la fréquence de rotation.

Une analyse du déphasage permet de différencier une anomalie due à un balourd (force tournante) d'un défaut de serrage (force directionnelle due à la contrainte). On observera un déphasage de 180° entre deux mesures radiales verticales réalisées sur la pate de fixation de la machine et le châssis.

figure 23 : Défaut de serrage


26 KHALFALLAH Jamil

2-6 Défaut de frottement Ce défaut fait ressortir la fréquence fondamentale fr et ses harmoniques. Contrairement au défaut d’alignement, les harmoniques peuvent ressortir sur une gamme très étendue de fréquences et pas seulement jusqu’au 4e ordre. Il peut aussi parfois faire apparaître la fréquence 1/2 fr et ses harmoniques à un niveau toutefois moindre que les harmoniques de la fréquence fondamentale.

figure 24 : Image vibratoire d’un frottement

Le signal temporel va avoir une forme tronquée :

figure 25 : Signal temporelle d’un défaut de frottement

2-7 Palier hydrodynamique Généralités: Dans un palier lisse, l'arbre est porté par l'huile sous pression. Il prend une position d'équilibre

sous l'effet de son poids, de la vitesse de rotation, et de la force liée à la pression de l'huile. Toute

variation de ces forces ou tout effort supplémentaire s'exerçant sur le rotor modifie cette position

d'équilibre.

figure 26 : Palier lisse


27 KHALFALLAH Jamil

Image vibratoire: Indépendamment des défauts affectant tous les types des paliers, l'analyse spectrale sur paliers

fluides peut mettre en évidence un déséquilibre des forces qui maintiennent l'arbre en position

stable, il s'agit des défauts de type:

Tourbillon d'huile se produisant à une fréquence dépendante de la vitesse de l'huile dans

le palier, soit 0,42 à 0,48 fois la fréquence de rotation de l'arbre;

Fouettement d'huile lorsque la fréquence de précession dépendante de la vitesse de l'huile

(0,42 à 0,48 fois la fréquence de rotation) coïncide ou est supérieure à la fréquence

critique de l'arbre. Ce dernier défaut, extrêmement grave, peut entraîner des dégradations

rapides et catastrophiques pour la machine.

figure 27 : Image vibratoire d’un défaut au niveau de palier lisse

2-8 Défaut de roulement Un roulement est composé de bague intérieure, bague extérieure, cage et d’éléments roulants. Dans la plupart des cas, la dégradation se traduit par un écaillage d’une des pistes ou d’un élément roulant du roulement, produisant un choc à chaque passage induisant des vibrations à haute fréquence. En effet le modèle de vibration obtenu dépend de la sévérité du défaut sur le roulement. Connaissant les fréquences caractéristiques de chaque composant du roulement dans la majorité des cas il est possible d’identifier l’élément endommagé (bague intérieure, bague extérieure ou éléments roulants). Fréquences caractéristiques des composants d’un roulement :

𝑓𝑏𝑒 = 𝑁𝑏

2 (1-

𝑑

𝐷cos𝛼). 𝑓r

𝑓𝑏𝑖 = 𝑁𝑏

2 (1+

𝑑

𝐷cos𝛼). 𝑓r

𝑓𝑐 = 1

2 (1-

𝑑

𝐷cos𝛼). 𝑓r

𝑓𝑏 = 𝐷

2𝑑 (1- (

𝑑

𝐷cos𝛼) 2). 𝑓r


28 KHALFALLAH Jamil

Avec : Nb, le nombre d’éléments roulants D, le diamètre primitif d, le diamètre des éléments roulants

α , l’angle de contact fr, la fréquence de rotation de la bague interne (la bague externe étant supposé fixe)

La dégradation d’un roulement passe par quatre stades. Au début on va observer uniquement des impulsions à haute fréquence ensuite (deuxième stade) il y’aura des vibrations qui coïncident avec la fréquence de résonance du roulement. Durant le troisième stade on va voir apparaitre des pics liés aux fréquences caractéristiques du roulement. Au stade final (roulement complètement détériorer) il y’aura apparition d’une grande densité spectrale de bruit à haute fréquence. Premier stade Le spectre de mesure vibratoire sur un roulement peut être divisé en trois zones :

Zone A : fréquence de rotation de la machine et ces harmoniques

Zone B : fréquences caractéristiques du roulement (80 - 500Hz)

Zone C : fréquence propre du roulement (500 – 2000 Hz)

Zone D : Détection à haute fréquence (HFD : High Frequency Detection )(20 – 60 KHz) Les premiers signes de fatigue d’un roulement se manifestent avec des gammes de fréquence ultrasoniques (20 - 60 KHz). Ces fréquences sont évaluées par La méthode de détection à haute fréquence (HFD) : « pointes d'énergie » ou « ondes de choc »….

figure 28 : Image vibratoire d’un défaut de roulement au premier stade

Deuxième stade Durant cette phase il y’aura création de micro fissures interne par fatigue. Le passage des éléments roulants à proximité de ces fissures va engendrer des vibrations ayants des fréquences égales aux fréquences de résonance du roulement. L’image vibratoire va se caractériser par un pic et une paire de bandes latérales espacées de la fréquence de rotation dans la zone C. D’autre part l’amplitude HFD va doubler par rapport à celle obtenue au premier stade.

figure 29 : Image vibratoire d’un défaut de roulement au deuxième stade


29 KHALFALLAH Jamil

Troisième stade Durant cette phase les micros fissures vont se propager jusqu’à la surface des pistes du roulement et leurs nombres va augmenter. L'analyse spectrale de ce phénomène montre un ou plusieurs peigne de raies dans la zone B ayant comme composantes principales la fréquence caractéristique du ou des composants endommagés et ces harmoniques. A chaque composante de ce peigne, sont associées plusieurs paires de bandes latérales.

figure 30 : Image vibratoire d’un défaut de roulement au troisième stade

Quatrième stade En phase finale de petites particules de matériau du roulement se détachent de la surface du chemin de roulement ou des éléments du roulement (Ecaillage) le roulement est complètement endommagé. Sur le spectre de vibration on va voir une densité spectrale de bruit dans la zone C et qui s’étend vers la zone B aussi.

figure 31 : Image vibratoire d’un défaut de roulement au quatrième stade

2-9 Défauts d’engrènement : Généralités:

Dans le phénomène d'engrènement, il se produit un choc chaque fois qu'une dent menante est en

contact avec une dent menée. Ceci génère une vibration dont la fréquence est égale à la vitesse de

rotation du pignon multipliée par son nombre des dents.

fe=Z1 .f1=Z2.f2 Il existe plusieurs types d'engrenages:

Les engrenages parallèles, coniques (à renvoi d'angle), ou à roue et vis sans fin,

Les engrenages à denture droite, à denture en chevrons ou à denture hélicoïdale,

Les efforts sont:

Uniquement radiaux sur les engrenages parallèles, à denture droite ou à chevrons,

Mixtes (radiaux et axiaux) sur les engrenages à denture hélicoïdale, les engrenages

coniques et les engrenages à roue et vis sans fin.


30 KHALFALLAH Jamil

Causes:

les causes les plus souvent rencontrées sont l'excentricité de denture, le faux rond, le défaut de

parallélisme (d'orthogonalité), la déformation d'arbre, la détérioration des dentures,

Image vibratoire:

Détérioration d’une dent:

Si l’une des deux roues possède une dent détériorée, il se produit un choc périodique à la

fréquence de rotation de la roue considéré.

figure 32 : Image vibratoire d’un défaut d’engrènement

Fe=Z.fr

Fréquence de coïncidence :

Au cas où les deux roues dentées comportent chacune une dent détériorée, le spectre montre

aussi un peigne de raies de pas correspondant à la fréquence de coïncidence de deux dents

cassées.

𝑓𝑐 = 𝑓𝑒

𝑁𝑐

Avec : Nc , est le plus petit commun multiple des deux nombres de dents des roues menante et menée 𝚣₁ et 𝚣 ₂ ;

fe , la fréquence d’engrènement.

2-10 Défauts de transmission par courroies: Généralités:

Le mauvais état d'une courroie crée des variations de

tension susceptible d'induire des vibrations de

fréquence égale à celle de la rotation de la courroie.

Si les poulies ne sont pas bien alignées, il y aura une

composante axiale importante à cette fréquence.


31 KHALFALLAH Jamil

Causes:

Le principal défaut rencontré sur ce type de transmission est lié à une détérioration localisée d'une

courroie (partie arrachée, défaut de jointure, ...) impliquant un effort ou un choc particulier à la

fréquence de passage de ce défaut.

Image vibratoire:

L’image vibratoire donne donc un pic d'amplitude importante à la fréquence de passage des

courroies, ou de ses harmoniques. la fréquence de passage fc est telle que:

fc=𝛑.𝐝

𝐋. 𝐟𝐫 Avec : L, la longueur de la courroie,

fr, la fréquence de rotation de la poulie de diamètre d,

fc, la fréquence de passage de la courroie

III. Phénomènes vibratoires non liées à la fréquence du rotor

3-1 Résonance Chaque sous- ensemble de la machine possédé une fréquence propre de résonance qui est

fonction des paramètres multiples tels que la rigidité, la masse, la forme géométrique,….

Si une excitation quelconque possède une fréquence voisine de celle de la résonance, un pic apparaît dans le spectre. Les machines sont toujours conçues pour que ces fréquences de résonance ne se rencontrent que dans les régimes transitoires et non au régime de fonctionnement.

3-2 Défaut d’aubes Passage d’une aube mobile devant un point fixe : il crée une pulsation de pression à chaque

passage faube

𝑓𝑎𝑢𝑏𝑒 = 𝑁𝑅 . 𝑓rot Avec : NR : nombre d’aubes du rotor Cette fréquence et généralement générée par le jeu entre les aubes du rotor et le stator. L’accroissement de ce jeu ou son irrégularité va produire des pics à haute amplitude de fréquence égale à faube et ces harmoniques :

figure 33 : Image vibratoire d’un défaut d’aube


32 KHALFALLAH Jamil

3-3 Cavitation Ce phénomène hydrodynamique induit des vibrations aléatoires qu'il faut pouvoir reconnaître pour les éliminer en modifiant les caractéristiques d'aspiration de la pompe. II se reconnaît également par un bruit caractéristique. Pour détecter ce défaut il faut faire des mesures sur la volute de la pompe (coté aspiration) et non sur le palier On va observer une densité spectrale de bruit de cavitation à haute fréquence :

figure 34 : Image vibratoire d’un défaut de cavitation

3-4 Défauts électriques [1]

Les vibrations des parties métalliques du stator et du rotor sous l'excitation du champ électromagnétique vont apparaître aussi dans les spectres et peuvent fournir des informations sur la nature des défauts électriques. Ces défauts vont se manifester avec les fréquences suivantes :

fL : Fréquence du réseaux électrique (50 Hz)

fg : Fréquence de glissement =2.𝒇𝑳

𝒑− 𝒇𝒓𝒐𝒕

fp : Fréquence de passage de pôles = 𝒑.𝒇𝒈

fb : Fréquence de passage des barres du rotor = 𝑏.𝒇𝒓𝒐𝒕 p : nombre de pôles b : nombre des barreaux du rotor

Images vibratoires : Barres du rotor fissurées ou cassées

figure 35 : Image vibratoire de barres du rotor fissurées ou cassées


33 KHALFALLAH Jamil

figure 36 : Barres avec entrefer inégal

figure 37 : Excentricité du rotor


34 KHALFALLAH Jamil

figure 38 : Problèmes statoriques : excentricité du stator, fer qui bouge, spires en court circuit….

figure 39 : Déséquilibre des phases

IV. Application:

Nous voulons surveiller l’état d’un groupe moto-compresseur par analyse vibratoire. La machine est constituée par :

Un moteur électrique asynchrone tournant à 1440 tr/mn fL=50 Hz p=4 b=12

Un compresseur à vis : Z1 = 52 dents Z2 = 78dents n1 = 4 filets n2 = 6 filets

Le compresseur à vis est entrainée par deux poulies P1 et P2 de diamètres respectives D1 = 210 mm et D2 = 110 mm et une courroie de longueur L = 1507 mm.

Quatre roulements R1, R2,R3 et R4 pour le guidage des vis du compresseur.


35 KHALFALLAH Jamil

figure 40 : Compresseur à vis

Diamètre Primitif D

Diamètre des billes d

Nombre des billes Nb

Angle de contact α

Roulement R1 et R2 30 mm 6 mm 8 10°

Roulement R3 et R4 26 mm 4 mm 6 8°

1. Calculer les fréquences caractéristiques de ce mécanisme.

2. Placer les points de mesure de vibration


36 KHALFALLAH Jamil

3. Analyser le spectre suivant

figure 41 : Mesure verticale sur R4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

01

10

12

01

30

14

01

50

16

01

70

18

01

90

20

02

10

22

02

30

24

02

50

26

02

70

28

02

90

30

03

10

32

03

30

34

03

50

36

03

70

38

03

90

40

0

V (mm/s)

f (Hz)

Mesure vertical sur R4


37 KHALFALLAH Jamil

CChhaappiittrree VV :: EEQQUUIILLIIBBRRAAGGEE DDEESS RROOTTOORRSS

Objectif :

Connaître les techniques d’équilibrage des rotors

Prérequis :

Dynamique des solides


I. Bases de l’équilibrage

II. Principe de l’équilibrage

III. Différents types d’équilibrage


38 KHALFALLAH Jamil

Equilibrage des rotors

I. Bases de l’équilibrage :

1-1 Définition : L’équilibrage c’est l’amélioration de la répartition des masses d’un rotor de telle sorte que les vibrations crées par les forces centrifuges ne dépassent pas les tolérances admises. De façon générale équilibrer signifie : mesurer et compenser un balourd.

1-2 Causes du déséquilibre [2]

Plusieurs facteurs, voire même une combinaison de plusieurs facteurs, peuvent expliquer la présence d'un balourd sur le rotor d'une machine. Les causes les plus communes sont la non-homogénéité des matériaux, les tolérances de fabrication et d'assemblage ainsi que modification physique du rotor en opération.

Non-homogénéité des matériaux

Il existe parfois des cavités dans les rotors de fonte tels les rotors de pompe ou les poulies de grandes dimensions comme celle montrée à la figure ci-contre. Ces cavités, appelées "soufflures de fonte" ou "Inclusion", se forment lors du procédé de moulage. Un tel défaut ne peut être détecté par une simple inspection visuelle de la pièce. Il constitue néanmoins une source potentielle de déséquilibre.

Tolérances de fabrication et d'assemblage

Une des sources courantes de déséquilibre est l'amoncellement de tolérances de jeu possibles dans le montage d'une machine. L'exemple de la figure suivante est typique de la façon dont les tolérances pour différentes pièces s'accumulent pour produire un déséquilibre. L'alésage de la poulie est nécessairement plus grand que le diamètre de l'arbre et, lorsqu'une clavette ou une vis d'arrêt est employée, le rattrapage de jeu cause un déplacement de poids de la poulie vers un côté de l'axe de rotation de l'arbre.

Modification du rotor en opération

Même si une pièce est raisonnablement bien équilibrée lors de sa fabrication, la déformation thermique, la corrosion et l'usure ou encore l'encrassement du rotor sont susceptibles d'en modifier l'équilibre original. Déformation thermique On appelle "déformation thermique" la déformation d'un rotor qui se produit à cause d'un changement de température. Il s'agit d'une notion avec laquelle vous devriez être maintenant familier ou familière. En effet, ne devez-vous pas tenir compte de la déformation thermique des arbres lorsque vous procédez à leur alignement ? Le métal se dilate naturellement lorsqu'il est chauffé. Toutefois, il arrive qu'un rotor, à cause d'imperfections mineures et d'un chauffage non uniforme, se dilate inégalement. Il s'ensuit une déformation thermique du rotor. Ce phénomène est plutôt fréquent dans les moteurs électriques, les compresseurs et les turbomachines qui fonctionnent à des températures élevées. La déformation thermique peut exiger que le rotor soit équilibré à sa température normale de fonctionnement même s'il a été bien équilibré à la température ambiante.


39 KHALFALLAH Jamil

Corrosion et usure Les rotors utilisés dans la manutention de produits sont sujets à la corrosion, à l'abrasion ou à l'usure. Le déséquilibre apparaît quand l'effet de la corrosion ou de l'usure n'est pas uniforme sur toute la surface du rotor. Encrassement Les rotors peuvent devenir déséquilibrés à cause de dépôts inégaux de sédiments sur leurs pales (ventilateurs) ou leurs aubes (pompes). L'accumulation graduelle de sédiments augmente le déséquilibre et la vibration qui en résulte peut rapidement devenir excessive. Il arrive que l'encrassement du rotor soit plutôt uniforme. Les problèmes de vibration surgissent alors quand une partie des dépôts se détache.

1-3 Différents types de balourd : Un rotor est parfaitement équilibré si son axe principal d’inertie et son axe de rotation sont confondus. Dans le cas contraire, on dit le rotor est non équilibré et il est affecté d’un balourd B. suivant la répartition des masses autour de l’axe de rotation on distingue trois types de balourd : Balourd statique L’axe principal d’inertie est parallèle avec l’axe de rotation.

figure 42 : Balourd statique

Balourd dynamique L’axe principal d’inertie forme un angle non nul par rapport à l’axe de rotation, et leur intersection ne coïncide pas avec le centre de masse.

figure 43 : Balourd dynamique


40 KHALFALLAH Jamil

Couple de balourd L’axe principal d’inertie forme un angle non nul par rapport à l’axe de rotation, et leur intersection coïncide avec le centre de masse.

figure 44 : Couple de balourd

II. Principe de l’équilibrage :

Considérons un disque mince de masse M et de rayon r tournant au tour de point O avec une vitesse angulaire ω. Son centre de masse G est situé à une distance e de son centre de rotation O. Le balourd causé par cette excentricité va crée une force centrifuge Fb=M.e.ω2.

figure 45 : Principe d’équilibrage

Pour équilibrer ce disque il faut créer une autre force centrifuge Fc opposée à Fb en ajoutant une masse sur le rayon du disque. Fc =m.r.ω2

Fc = Fb donc m=𝑀.𝑒

𝑟

III. Différents types d’équilibrage :

Pour éliminer le balourd, il faut rétablir une répartition homogène des masses par apport (ajout) ou par enlèvement de matière. En fonction du type de balourd, on distingue deux types d’équilibrage.

e

Fb

r

Fc

O


41 KHALFALLAH Jamil

3-1 Equilibrage statique : [2] Lancer N°1 : Mesure du balourd initial ( V1 et 1) La procédure d'équilibrage consiste d'abord à mesurer la vibration causée par le déséquilibre du rotor. La mesure de l'amplitude vibratoire, proportionnelle à la force produite par le balourd, requiert l'emploi d'un accéléromètre monté sur le palier du roulement. La mesure de la phase, essentielle pour localiser la "partie lourde" dans le rotor à équilibrer, requiert l'emploi d'un capteur tachymétrique. Le capteur tachymétrique, monté à une distance appropriée de la surface du rotor, peut aussi bien être une sonde photo-électrique ou une lumière stroboscopique. La figure suivante montre le montage de l'accéléromètre et de la sonde photo-électrique de même que celui d'une bande réfléchissante fixée sur le rotor. Le passage de la bande réfléchissante déclenche la sonde photo-électrique une fois par tour et une impulsion est envoyée à l'analyseur de vibrations.

figure 46 : Equilibrage statique

On va obtenir alors les deux résultats de mesure suivants : 1, soit l'angle de phase du signal vibratoire par rapport à l'impulsion du capteur tachymétrique ; V1, soit la vibration causée par le balourd, aussi appelée "amplitude initiale".

Lancer N°2 : Vibration avec une masse d'essai (V2 et 2)

Après avoir établi l'état initial du rotor sous la forme des valeurs V1 et 1, on doit placer une masse d'essai mt connue sur le rotor. La masse d'essai a pour effet de modifier l'amplitude et l'angle de

phase de la vibration. On va obtenir alors les mesures suivantes : V2et 2, soit l'amplitude et la phase de la vibration avec la masse d'essai. Exploitation des mesures : Les valeurs mesurées seront exploitées de deux manières ; graphiquement et analytiquement.

On note : 1V

: Le vecteur représentant la force due au balourd initial

1

1

1

VV

2V

: Le vecteur représentant la force due au balourd résultant

2

2

2

VV

V

: Le vecteur représentant la force due au balourd de tarage

VV


42 KHALFALLAH Jamil

figure 47 : Représentation graphique

Exploitation analytique des mesures :

On peut écrire que l’ajout du balourd Bt*mt.rt , t] produit une variation ΔV = V2 – V1 = [ΔV , Δ] On peut alors calculer le coefficient d'influence C :

] , .r[m

]V[

B

V C

tttt

Ce coefficient permet de calculer la valeur du balourd Bi qui crée la vibration V1.

t

11i B .

V

V

C

V B

Avec :

ttttttt

11221122

22222

11111

.sinri.m .cosrm B

.sinV .sinV i. .cosV .cosV V

.siniV .cosV V

.siniV .cosV V

Le balourd de compensation Bc qui permet d’équilibrer le balourd initial Bi est son opposé.

ccccccc

cc

11221122

tttttt1111

tttttt

11221122

1111c

.sinri.m .cosrm BOr

i.Y X

.sinV .sinV i. .cosV .cosV

.sinri.m .cosrm..siniV .cosV

.sinri.m .cosrm . .sinV .sinV i. .cosV .cosV

.siniV .cosV - B

t11

ic B . V

V-

C

V- B- B

V2

V1

V

2


43 KHALFALLAH Jamil

c

c

c

c

22

c

tc

tc

X

YArctg

r

cc m

r r

où D'

r r : poseOn

YX

Exploitation graphique des mesures : Pour exploiter graphiquement les résultats, on trace, avec une échelle adéquate, les vecteurs de balourd sur un cercle trigonométrique représentant le plan de compensation sur l’arbre. Lancé N°1 :

Le vecteur due au balourd initial

1

1

1

VV

Lancé N°2 :

Le vecteur due au balourd résultant

2

2

2

VV

0°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

V1

1

V2

V

Echelle : 1 m …. mm

0°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

V1

1

Echelle : 1 m …. mm


44 KHALFALLAH Jamil

On pose Bc[mc.rc , c] le balourd de compensation : On peut alors calculer le composante du vecteur Bc :

1c

1

tc

tc

V- , V

V

V.m m

r r

3-2 Equilibrage dynamique : L’équilibrage sera réalisé sur deux plans et pour cela il faut relever le niveau de vibration sur les deux paliers de La machine. La préparation de la mesure est identique à celle de l’équilibrage en un plan. Il suffit, dans ce cas, de fixer les capteurs sur deux paliers et de choisir deux plans de compensation aussi distants que possible l’un de l’autre.

figure 48 : Equilibrage dynamique

Trois lancés de mesure sont nécessaires : Lancé N°1 :

Lancer la machine à la vitesse d’équilibrage choisie ;

Mesurer le module et la phase de la vibration due aux balourds initiaux dans les plans de mesure P1 et P2;

Arrêter la machine.


45 KHALFALLAH Jamil

Lancé N°2 :

Fixer une masse de tarage connue dans le plan de compensation P1 du rotor. La position angulaire et la valeur de la masse de tarage sont choisies arbitrairement.

(Exemple : mt = 10g à rt = 100 mm à t = 0°)


Noter les nouvelles mesures dans les deux plans ;

Arrêter la machine ;

Retirer la masse de tarage. Lancé N°3 :

Fixer la même masse de tarage dans le plan de compensation P2 du rotor.


Noter les nouvelles mesures dans les deux plans ;

Arrêter la machine ;

Retirer la masse de tarage. Exploitation analytique des mesures : Les valeurs consignées au cours des différents lancés seront exploitées analytiquement.

N°L.

Caractéristiques

Masse d’essai

Plan 1

Plan 2

m1

m2

Amp.

Amp.

L 1

Lancé initial

0

0

V11

11

V21

21

L 2

Lancé de tarage sur

P1 (mt, rt,t)

mt

0

V12

12

V22

22

L 3

Lancé de tarage sur

P2 (mt, rt,t)

0

mt

V13

13

V23

23

Lorsqu’on ajoute une masse m1 dans le plan P1, on crée une variation de vibrations aux points 1 et 2.

2point au V - V

1point au V - V P1plan le dans m

212221

111211

1V

V

Lorsqu’on ajoute une masse m2 dans le plan P2, on crée une variation de vibrations aux points 1 et 2.

2point au V - V

1point au V - V P2plan le dans m

212322

111312

2V

V


46 KHALFALLAH Jamil

Calculons maintenant les vibrations créées par un ajout de x1 fois la masse m1 dans le plan P1 et x2 fois la masse m2 dans le plan P2.

Vibration due à

x1.m1

+

x2.m2

Vibration au point 1

x1.ΔV11

+

x2.ΔV12

Vibration au point 2

x1.ΔV21

+

x2.ΔV22

Pour que les masses ajoutées dans les plans P1 et P2 équilibrent le rotor, il faut que les vibrations qu’elles créent annulent les vibrations initiales, c’est-à-dire :

21222211

11122111

V - . x .x

V - . x .x

VV

VV

Ceci est système de deux équations à deux inconnues (x1 et x2) dont la solution est :

22

21122211

112121112

11

21122211

221112211

i.b a .V - .V

.V - .V x

i.b a .V - .V

.V - .V x

VV

VV

VV

VV

Rappelons que x1 et x2 sont des valeurs vectorielles caractérisées par une amplitude et une phase.

2

22

2

2

2

22

2

1

11

2

1

2

11

1

a

bArctg

b a x

et x

a

bArctg

b a x

x

D’où les masses de compensations à ajouter sur les plans P1 et P2 seront :

2

22

22c2

c2

1

11

11c1

c1

a

bArctg

m . xm

met

a

bArctg

m . xm

m


47 KHALFALLAH Jamil

CChhaappiittrree VVII :: TTHHEERRMMOOGGRRAAPPHHIIEE IINNFFRRAARROOUUGGEE

Objectif :

Connaitre les techniques de surveillance par thermographie infrarouge

Prérequis :

Notions de base en physique


I. Introduction

II. Définition

III. Principe

IV. Rayonnement infrarouge

V. La thermographie

VI. Techniques d'analyse d'images thermiques


48 KHALFALLAH Jamil

Thermographie infrarouge [3]

I. Introduction

La thermographie infrarouge est une technique qui permet la mesure de température, sans contact, de faire un diagnostic sur l'état d'un système électrique, mécanique, thermique en fonctionnement. Elle est largement utilisée pour optimiser les tâches de maintenance sans interrompre le flux de production, et réduire au maximum les coûts d'entretien.

II. Définition

La thermographie infrarouge est une technique permettant d'obtenir, au moyen d'un appareillage approprié, l'image thermique d'une scène thermique observée dans le domaine spectral de l'infrarouge. Autrement dit la thermographie infrarouge permet de visualiser des gradients de température que l’on ne peut voir dans le visible.

III. Principe

Tout objet dont la température dépasse le zéro absolu (soit 0°Kelvin = -273,15°C), émet un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement dépend directement de la température de surface de l'objet.

L’œil humain peut « voir » la chaleur pour des hautes températures : soleil (6000°C) ; filament de tungstène (2200°C), fer rouge (600°C), mais pour les objets à basse température (<500°C) qui émettent peu de rayonnement, l’oeil humain est inadapté (voir courbe de Planck). L’utilisation de capteurs de rayonnement infrarouge pallie à ce défaut : les caméras infrarouges, qui captent le rayonnement entre 3,6 et 13 microns de longueurs d'onde, convertissent ce rayonnement en image thermique, et elles permettent l’intégration des températures.

figure 49 : Courbe de Planck


49 KHALFALLAH Jamil

Une caméra infrarouge est un radiomètre ayant comme signal d'entrée une puissance de rayonnement (W/m²) et comme signal de sortie une tension électrique proportionnelle au signal d'entrée. Cette tension est traduite en indications visuelles et numériques. Les caméras thermographiques ont été conçues pour fournir une image, appelée thermogramme, de phénomènes statiques ou dynamiques dans le domaine spectral de l'infrarouge.

figure 50 : Thermogramme

IV. Rayonnement infrarouge

4-1 Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est divisé plus ou moins arbitrairement en plages appelées bandes, principalement suivant les méthodes d'émission ou de détection des rayonnements. Il n'y a pas de différence fondamentale entre les rayonnements des différentes bandes du spectre électromagnétique. Ils respectent tous les mêmes lois, avec des nuances résultant des différences de longueur d'onde.

figure 51 : Spectre électromagnétique

La lumière visible, les ondes radio, TV, les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques. Le

domaine visible s’étend des longueurs d’onde allant de 0,4 à 0,8 μm.

La bande infrarouge [figure 51] s’étend de 0,8 à 1000 μm. En thermographie infrarouge, on

travaille généralement dans une bande spectrale qui s’étend de 2 à 15 μm et plus

particulièrement dans les fenêtres 2-5 μm et 7-15 μm.

Les longueurs d'ondes sont exprimées le plus souvent eu m (micromètres) ou nm (nanomètre) mais une unité ancienne est encore souvent utilisée : l’Ångström (Å). La relation entre ces

différentes unités est : 10 000 Å = 1 000 nm = 1 m.


50 KHALFALLAH Jamil

4-2 Eléments de radiométrie a) Principe

On appelle incident l'ensemble des rayonnements extérieurs a un objet qui viennent le frapper.

figure 52 : Radiométrie

Dans la figure, le rayonnement incident, noté WINCID, est l'ensemble des rayonnements qui heurtent l'objet cible provenant d'une ou plusieurs sources. Une certaine partie du rayonnement, notée W, sera toujours absorbée, et l'objet cible en retiendra alors l'énergie. Une certaine quantité, notée W, sera réfléchie. Cette dernière n'affectera aucunement l'objet cible. Il est enfin possible qu’une certaine proportion de rayonnement, notée W, traverse l’objet cible. Comme la quantité réfléchie, elle n’affecte pas l’objet. Si nous écrivons cela sous forme d'une équation mathématique, nous obtenons:

Wα + Wρ + Wτ = WINCID = 100%

Un objet possède une certaine capacité ou aptitude a :

Absorber : ce que l'on appelle l'absorptivité,

Réfléchir : ce que l'on appelle la réflectivité,

Transmettre : ce que l'on appelle la transmissivité,

La somme des trois est toujours égale à 1 : + + = 1.

Le rayonnement résultant, capté par une camera infrarouge, est constitue de la somme de tous les rayonnements qui quittent la surface d'un objet, quelles qu’en soient les sources d'origine. Il provient de trois types de sources. Sur la figure, nous sommes en présence de trois sources de rayonnement : l'objet cible lui-même, une source devant et une source derrière. Si nous observons l'objet cible depuis la droite, le rayonnement résultant est une combinaison du rayonnement de l'objet cible lui-même, du rayonnement provenant de la réflexion sur l’objet de la source de chaleur avant (située sur la droite) et du rayonnement issu de la source de chaleur arrière (située sur la gauche) traversant l'objet cible.

figure 53 : Rayonnement d’un objet


51 KHALFALLAH Jamil

b) Emissivité En thermographie infrarouge, la part la plus importante du rayonnement résultant est généralement constituée par la partie émise. Un objet dispose d’une certaine capacité ou aptitude

à émettre, caractérisée par l'émissivité ε. Elle est notée ɛ et varie avec la température et la longueur d'onde.

ɛ =Quantité de rayons émis par l'objet réel/Quantité de rayons émis par le corps noir c) Notion de corps noir Un corps noir est un élément rayonnant idéal qui absorbe 100 % d'un rayonnement incident, ce qui signifie qu'il ne réfléchit ni ne transmet aucun rayonnement. Cela n'existe pas dans la réalité, puisqu’il y a toujours un petit quelque chose de réfléchi par exemple. Pour un corps noir,

l’émissivité ɛ = 1 (et + = 0).

d) Notion de corps gris

Le terme de corps gris est une notion abstraite qui permet d'effectuer des mesures relatives. On

pose comme hypothèse de base que dans la bande des 3 à 5m, l'objet mesuré est un corps gris.

e) Les corps brillants

Les corps brillants, tels les miroirs, ont une très grande réflectivité. En se reportant à l'équation de

Drapper, on a : () = 0.

V. La thermographie

5-1 Fiabilité des mesures

Un des principaux problèmes posé par la thermographie infrarouge réside dans la fiabilité des mesures. Elle dépend :

du contrôle de la dérive des températures absolues;

du contrôle du bruit, c’est-à-dire de la perturbation, générée par l'élévation de température du capteur.

Pour éviter ce phénomène, on peut refroidir le capteur mais les cameras de dernière génération n'ont plus besoin d'être refroidies, un système logiciel de correction de la dérive des mesures est inclus dans l'appareil. Régulièrement (toutes les 30 s) des sondes de température intégrées dans la caméra informent de la température. La partie traitement peut ainsi en tenir compte pour recalibrer la mesure.

5-2 Détection Les caméras à infrarouge sont équipées d'une matrice en oxyde de vanadium regroupant une multitude de capteurs qui transforment le rayonnement reçu en tension électrique.

figure 54 : Principe de détection


52 KHALFALLAH Jamil

5-3 Résolution thermique

C'est la plus petite variation de température discernable par l'appareil. C'est aussi ce l'on appelle le M.R.T.D (Minimum Resolvable Temperature Difference).

En d'autres termes il s'agit du contraste de températures apparentes nécessaire pour séparer les détails d'une image. Exemple : 0,1°C à 30°C.

Elle dépend :

de la surface du détecteur;

de la bande passante de l'électronique (le bruit augmente avec la bande);

de la détectivité spécifique du capteur (minimum requis);

de la quantité de flux émise.

5-4 Précision thermique (justesse)

C'est la valeur absolue de la mesure, connue avec plus ou moins de précision. Exemple : 0,5°C d'erreur pour 15°C soit 3 %. Cette précision est appelée aussi N.E.T.D. : Noise Equivalent Temperature Difference. Le bruit apparaît comme l'effet de neige lorsqu'une caméra travaille avec une luminosité trop faible. Il ne faut pas confondre précision et résolution.

5-5 Résolution spatiale

C'est la capacité à mesurer avec précision la température de petits objets, "petit" étant défini par rapport à la dimension totale de l'image. C'est aussi le nombre de points séparables. La résolution spatiale est liée à des facteurs tels que la qualité de l'optique, la bande passante de l'électronique, les caractéristiques du balayage donc du détecteur. Elle définit la taille du phénomène que l'on peut observer sur un corps en fonction de la distance d'enregistrement.

On sait que :

Lreçu = Lobjet + Lenvironnement

5-6 Conditions des mesures

Il faut respecter les conditions suivantes :

angle de mesure ne dépassant pas 45 ° par rapport à l'objet;

émissivité > 0,6 ;

taille de l'objet conforme à la résolution spatiale;

prise en compte de l'environnement extérieur.

VI. Techniques d'analyse d'images thermiques

L'analyse d'images thermiques se traduit souvent par la recherche de zones singulières dont le comportement différé du reste de l’image. C'est la raison pour laquelle les appareils disposent de nombreuses fonctions permettant d’augmenter artificiellement les contrastes locaux. Le maniement de ces fonctionnalités permet de trouver plus facilement ce qu’on cherche a mettre en évidence dans une image. Les trois fonctions les plus importantes pour l'amélioration des images thermiques sont le cadrage thermique, l'isotherme et les palettes.

6-1 Cadrage thermique

Le cadrage thermique est l'ajustement de l'échelle de l'image permettant d'optimiser le contraste pour les besoins de l'analyse. Le cadrage thermique suppose l’utilisation des contrôles de niveau et de gain de la caméra. Lorsque la zone d'intérêt de l'image est choisie, il faut ajuster ces deux paramètres de telle sorte que les couleurs de la palette couvrent au plus juste cette partie de


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l'image. Les zones moins intéressantes de l'image peuvent, quant à elles, se situer en dehors de l'échelle. Elles seront alors généralement représentées en noir ou blanc.

Sur l’exemple de la figure 5.1, dans l'image de droite, le gain est plus réduit et le niveau est sensiblement plus élevé. Il en résulte un meilleur contraste. Cette image est plus facile à analyser car la zone thermique est mieux mise en évidence.

figure 55 : Même image, réglée automatiquement (gauche) et cadrée thermiquement sur le composant

(droite)

6-2 Isotherme

L'isotherme remplace certaines couleurs dans l'échelle par des tons opposes. Il marque un intervalle de température apparente égale. L'isotherme remplace uniquement une plage de couleurs par une autre contrastant plus avec les couleurs utilisées dans l'image. L'isotherme peut être déplacé de haut en bas sur l'échelle et élargi ou réduit selon vos besoins. Un exemple est illustre sur la figure suivante.

figure 56 : Tête de transformateur haute tension avec une isotherme

6-3 Palettes

Une palette assigne différentes couleurs pour marquer des niveaux de température apparente définis. Elle peut être plus ou moins contrastée selon les couleurs utilisées.

Une image thermique peut être généralement affichée avec un maximum de 256 nuances de couleur ou de gris simultanément. Sur une échelle de gris, la couleur noire se trouve a l'une des extrémités et elle s'éclaircit progressivement a chacun des 256 pas jusqu'a devenir blanche. Ce qui signifie en fait qu'il n'y aura que très peu de contraste entre, par exemple, la 93eme et la 94eme nuance de gris. L'image couleur permet, quant à elle, d'utiliser une large gamme de couleurs pour obtenir un meilleur contraste. Les couleurs doivent être judicieusement assorties les unes aux autres, pour donner un semblant de lisse a l'image, et pour qu’elle ne soit pas pénible a observer. Un exemple de thermogramme d’une cuve de stockage pris aves différentes palettes est illustre sur la figure suivante.


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figure 57 : Exemples de différentes palettes

Une règle d'or est à appliquer pour le choix de palettes:

Utilisez des palettes très contrastées sur des objets cible peu contrastes

utilisez des palettes peu contrastées sur des objets cible très contrastes


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CChhaappiittrree VVIIII :: AANNAALLYYSSEE DD’’HHUUIILLEE

Objectif :

Connaitre les techniques d’analyses d’huile Etre capable d’interpréter une analyse d’huile

Prérequis :

Notions de base en chimie Lubrification des machines


VII. Vérification quotidienne

VIII. Examens en laboratoire

IX. Règles de prélèvement d'huile

X. Fréquence de prélèvement d'huile


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Analyse d’huile

Le lubrifiant est comparable au sang de la machine. Il reflète le comportement et l’état du système dans lequel il circule. Le suivi de ses caractéristiques physico-chimiques permet d'apprécier l’état de dégradation de l’huile et de connaitre son aptitude à accomplir totalement ses fonctions initiales de lubrification. L'évolution de cette dégradation peut être un indicateur des conditions d’exploitation de l’équipement. Elle va permettre d’optimiser les fréquences des vidanges, dans le cas de quantités importantes. Le suivi de la contamination permet :

de situer l’organe défectueux, d’apprécier l’évolution et le type d’usure dans le cas d’une pollution par des particules internes ;

D’apprécier la nature et l’origine des agents extérieurs. On prend comme référence les caractéristiques de l’huile neuve et on compare les résultats obtenus à chaque analyse. Si l’on constate une évolution brutale des caractéristiques ou si l’on atteint des valeurs trop éloignées des valeurs initiales, il faut soit intervenir au niveau de matériel, soit remplacer l’huile.

I. Vérification quotidienne[4]

1-1 Examen de l’aspect Un simple examen visuel de l’aspect du lubrifiant permet quelque fois de détecter une pollution :

pollution par un liquide : aspect trouble dans le cas d’une pollution par l’eau, ou changement éventuel de couleur en cas de pollution par un liquide soluble dans l’huile ;

pollution par des solides : présence de poussières, de particules métalliques, de rouilles, d’écailles de peinture, de débris de joints...

1-2 Observation de la couleur L’observation de la couleur de l’huile peut aussi renseigner sur une forte dégradation du lubrifiant par oxydation ou par altération thermique. Si la couleur de l’huile est très voisine de celle de l’huile neuve, en principe elle est en bon état. Et elle est considérée comme étant encore bonne si sa teinte reste claire et brunit légèrement. Mais quand la couleur est nettement foncée, elle est très oxydée et il faut envisager une vidange. Il n'est pas normal qu’une huile industrielle noircisse en service; une huile de moteur noircit parce qu’elle se charge des suies de la combustion. Si une huile industrielle noircit, il peut avoir un craquage de la molécule par suite :

d’un chauffage avec une résistance électrique dont la puissance de chauffe dépasse 1 W/cmz;

du passage de l'huile dans une zone où la température dépasse 330 °C, au voisinage d’un four par exemple ;

d’un phénomène de micro-diesel provoqué dans un circuit hydraulique par des bulles d’air brutalement comprimées sous haute pression.

L’huile en service peut prendre aussi d’autres colorations :

jaune beurre : émulsion avec une huile de couleur ambre ;

chocolat : émulsion avec une huile assez foncée, une huile moteur ;

rouge : mélange avec un combustible ou une huile colorée en rouge, détérioration d’une peinture ou d’un produit anticorrosion ou détérioration d’un additif;

verte: détérioration d’une peinture verte ou attaque d'un organe en métal jaune.


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1-3 Sensation de l’odeur En complément de la description de l’aspect et de la couleur de l’huile, on peut ajouter une appréciation de l’odeur. Une huile en service ayant l’odeur d’un produit pétrolier est en bon état. Elle pourra avoir aussi des odeurs typiques des huiles neuves :

odeur agréable d’amande amère de certaines huiles pour turbines ;

odeur légèrement désagréable d’ail ou d’œuf pourri de certaines huiles de transmission. Une odeur de rance indiquera une oxydation :

l’huile est encore bonne si l’odeur est légère et si la couleur est claire ;

si l’odeur est forte et la couleur est foncée, une vidange sera nécessaire. Une odeur de brûlé signifie que l’huile a été soumise à des températures élevées :

si la couleur est légère, l'huile est encore bonne ;

si la couleur est foncée ou noire, il est nécessaire de faire une analyse. Et si l’on trouve des particules de charbon, une vidange, un nettoyage et une vérification de l’installation seront indispensables.

Une odeur chimique indique que l’huile a été polluée par certains produits, un solvant ou une huile synthétique. Une analyse en laboratoire sera utile.

1-4 Test d’huile à la tache Une goutte d’huile moteur déposée sur un papier filtre s’étale et présente les différentes zones circulaires suivantes :

une ronde centrale plus ou moins grise ou noire (A) ;

une auréole plus foncée limitant la partie centrale (B) ;

une zone circulaire dans laquelle se diffusent les impuretés (C) ;

une zone circulaire extérieure où l'huile seule pénètre (D).

Examens des taches :

plus la tache centrale est foncée, plus la pollution est importante ;

plus l’auréole est large et grise, plus l’huile conserve ses propriétés détergentes.

II. Examens en laboratoire [5]

2-1 Teneur en eau Les possibilités d'entrée d'eau dans un circuit sont nombreuses : fuite de réfrigérant, passage de vapeur dans une huile turbine, passage de fluide de coupe aqueux dans une huile de graissage de machine-outil, etc.... La présence d'eau peut résulter tout simplement de la respiration du circuit d'huile. L'eau est un mauvais lubrifiant, elle peut donc provoquer des incidents mécaniques. Elle favorise le vieillissement de l'huile et la corrosion des métaux. La teneur en eau est déterminée à l'Hydro-test. La méthode est basée sur une mesure de volume d'hydrogène résultant de l'action de l'eau contenue dans l'huile d'essai sur un excès d'hydrure de calcium.


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figure 58 : Hydro-test

2-2 Métaux d’usure [4] Le lubrifiant véhicule les particules provenant de l'usure et, éventuellement de la pollution. Les teneurs en métaux d'usure fournissent des renseignements précieux sur les conditions de fonctionnement du matériel. Leur évolution peut permettre de détecter des usures anormales et d'intervenir avant incident. Les métaux d'usure sont dosés par spectrométrie d'émission à torche à plasma d'argon : un courant d'argon circule dans un tube de quartz où il est porté à très haute température de l'ordre de 10.000 degrés Kelvin - par une décharge électromagnétique. A cette température élevée, les chocs violents entre atomes provoquent l'arrachement d'électrons et l'on obtient un mélange d'atomes, d'électrons libres, d'ions positifs, de particules excitées. Ce plasma d'argon émet de la lumière et prend l'allure d'une torche. Une solution de concentration connue de l'huile d'essai est nébulisée dans un autre courant d'argon et amenée régulièrement dans ce plasma qui va la porter à une température du même ordre. Les atomes des éléments à doser sont excités, c'est-à-dire qu'un ou plusieurs de leurs électrons sont portés à un niveau d'énergie supérieur. Au retour à l'état normal, l'électron restitue de l'énergie sous forme de rayonnement dont la longueur d'onde est spécifique de l'élément à doser. Le polychromateur isole chacun de ces rayonnements et le dirige sur un photomultiplicateur d'électrons qui convertit la lumière reçue en courant électrique. De l'intensité de ce courant, on déduit la teneur en élément. La torche à plasma remplace de plus en plus les autres méthodes de spectrométrie d'émission - flamme, étincelle, arc - qui sont moins sensibles et souvent moins répétables Elle remplace aussi la spectrométrie d'absorption atomique qui a l'inconvénient d'être une méthode séquentielle et donc trop lente. La température très élevée de la torche à plasma accroît la sensibilité puisque l'excitation augmente. Les effets de matrice sont réduits, le domaine de linéarité de réponse en fonction de la concentration est plus large parce que, le pourcentage d'atomes excités étant élevé, l’influence de la réabsorption de la lumière est diminuée. La torche à plasma d'argon multicanaux permet le dosage simultané de 21 éléments. Les 6 principaux métaux couramment représentatifs de l'usure sont : l'étain (Sn), le plomb (Pb), le fer (Fe), le chrome (Cr), l'aluminium (Al), le cuivre (Ou). Le Silicium (Si) est toujours dosé également. Il est habituellement représentatif d'une pollution par des poussières, mais il faut interpréter le résultat par comparaison avec l'huile neuve car celle-ci peut contenir des silicones comme antimousse. Une bonne interprétation des dosages de métaux d'usure nécessite une bonne connaissance des composants en contact avec l'huile. Il est également très souhaitable de pouvoir comparer avec les analyses antérieures du même circuit d'huile et avec des valeurs de référence établies à partir d'un grand nombre de résultats obtenus sur du matériel identique ou semblable et utilisé dans des conditions voisines.


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figure 59 : Torche à plasma

Les éléments mesurés peuvent provenir des sources suivantes : Silicium Poussière, sable et

salissure, additif mousse, huile synthétique

Molybdène Segment de piston, additifs

Sodium Additifs, réfrigérants, eau de lac contaminée, huile

Etain Dépôt, brasure, refroidisseur

Aluminium Piston, dépôt, poussière, graisse

Baryum Est employé comme produit fluorescent

Chrome Cylindre, segments de piston, vilebrequin, engrenage

Calcium Est employé comme oxydant pour alliages

Fer Cylindre, vilebrequin, roues dentées, corrosion

Magnésium Sous-produit lors du processus d'électrolyse

Cuivre Dépôt, refroidisseur, bronze Zinc Brasure

Iode Dépôt, carburant, graisse, peinture

Phosphore Se forme lors d'un embrasement

2-3 Comptage des particules [5] Les particules solides peuvent provenir d'un défaut de rinçage du circuit à l'origine, d'une filtration insuffisante de l'huile neuve lors du remplissage, de l'usure des pièces en frottement, de la pollution externe. Le comptage automatique se fait sur le compteur HIAC. L'huile circule à une vitesse déterminée dans un tube disposé perpendiculairement à un faisceau lumineux. Un photodétecteur enregistre la variation d'intensité lumineuse au passage de chaque particule. Le capteur détecte donc le nombre et les dimensions des particules. Ces informations sont transmises à un compteur qui classe les particules suivant leurs tailles :

de 5 à 15 µm ;

de 15 à 25 µm ;

de 25 à 50 µm ;

de 50 à 100 µm ;

supérieur à 100 µm.


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figure 60 : Comptage des particules

2-4 Viscosité cinématique et indice de viscosité La viscosité représente la résistance qu'oppose le lubrifiant au déplacement de ses molécules les unes par rapport aux autres. La viscosité cinématique est obtenue en comparant le temps d'écoulement de l'huile d'essai à celui d'une huile d'étalonnage, dans un même capillaire, dans des conditions identiques et, en particulier, à la même température. L'indice de viscosité est un nombre caractérisant la variation de la viscosité en fonction de la température. Plus cette variation est faible et plus l'indice de viscosité est élevé. La viscosité peut être influencée dans un sens ou dans l'autre par divers facteurs :

elle peut être augmentée par l'oxydation, par un appoint d'huile plus visqueuse.

elle peut être abaissée par des gaz solubles dans l'huile ou par un appoint d'huile plus fluide. Le cracking d'un fluide caloporteur, provoqué par un chauffage excessif, entraîne également une chute de viscosité.

La viscosité et l'indice de viscosité d'une huile hydraulique HV peuvent être abaissés par le cisaillement partiel du polymère. Les viscosités sont mesurées sur 2 viscosimètres à tubes capillaires Houillon semi-automatisés, à détection laser et réglés l'un sur 40 °C, l'autre sur 100 °C. Ces 2 viscosimètres sont couplés avec un calculateur qui fournit, à partir des temps d'écoulement, les viscosités aux deux températures et l'indice de viscosité.

III. Règles de prélèvement d'huile [4]

L'application de quelques règles simples permet d'avoir un échantillon approprié, quelle que soit l'analyse :

Effectuer le prélèvement par la prise de contrôle ou mieux par une vanne spéciale en un point dont le régime d'écoulement est turbulent. Éviter de recueillir les volumes d'huile piégés dans la zone morte.

Prélever l'échantillon lorsque le matériel est en cours de fonctionnement ou immédiatement après son arrêt.

Ne pas recueillir le premier soutirage à la purge, ni à la fin de la vidange. Laisser couler de 0,5 I environ avant de remplir le flacon.

Le flacon d'échantillon doit être propre et sec (fourni par le laboratoire) et ouvert seulement au moment de son remplissage.

Éviter le prélèvement dans la bâche à l'arrêt.


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Il est important de joindre à l'emballage partant au laboratoire quelques éléments :

références de la machine ;

référence de l'huile ;

nombre d'heures d'utilisation d'huile depuis son remplacement ;

nombre d'heures de fonctionnement de la machine ;

interventions importantes effectuées depuis les derniers prélèvements.

IV. Fréquence de prélèvement d'huile [4]

La fréquence de prélèvement doit être fixée en fonction de la criticité du matériel concerné et des éléments suivants :

la charge permanente appliquée au matériel ;

la pollution éventuelle du lubrifiant par l'environnement ;

la pollution éventuelle du lubrifiant par le process ;

le rapport coût/efficacité ;

le dysfonctionnement de l'organe, décelé par le personnel d'entretien ou de production.


62 KHALFALLAH Jamil

BBIIBBLLIIOOGGRRAAPPHHIIEE

[1] Practical machinery vibration analysis and predictive maintenance

Paresh Girdhar Editions Elsevier 2004

[2] http://www.maxicours.com/ [3] http://www.polytech-instrumentation.fr/ [4] Pratique de la maintenance

Jean Héng Editions Dunod 2002

[5] Formation maintenance des machines tournantes M. Galtié ENSPM

Documents

Niveau : deuxième année Licence Génie Mécanique …ltechnologie.com/fichiers/TDS.pdf · machines industrielles. La mise en œuve de ette analyse est simple et presque tous les