Analyse et diagnostic des défauts dans les paliers

Défauts des paliers

Les incidents proviennent de l’usure des coussinets qui se traduisent finalement par une fuite latérale importante de l’huile et donc une chute de la pression dans le circuit d’huile, de l’échauffement de l’huile avec les problèmes de dilatation qui en résultent et les risques de serrage et de destruction du palier. Pour analyser l’état de fonctionnement d’un palier, les méthodes qui peuvent être mises en jeu sont: − La détection de la position de l’arbre en rotation dans son plan de rotation. − La mesure de la température de l’huile ou du cratère extérieur du palier. − La détection des débris dans l’huile. − La détection de l’état vibratoire du palier − La mesure du jeu arbre – palier. − La mesure de la pression instantanée de l’huile qui arrive au palier. − La mesure de la température du palier. Les défaillances des paliers apparaissent souvent après un long processus d’usure.

Balourd

Le problème de balourd est probablement la cause la plus commune de vibration. Un balourd se définit comme une masse excentrée en rotation. Quel que soit sont apporté à la fabrication des pièces, il est en effet très difficile de faire coïncide l’axe de rotation du rotor Chapitre 1: Etude bibliographique 20 avec son centre de gravité. Il en résulte que l’arbre en rotation est soumis à des efforts centrifuges qui le déforment [44]. Cette force centrifuge, issue de ces défauts de « nonconcentricité » ou d’ajustage, est proportionnelle à la masse de matière qui crée ce déséquilibre et au carré de la vitesse. Elle génère des efforts tournants qui vont agir sur les différents éléments constitutifs du rotor, les ancrages de la machine et les paliers jusqu’à entraîner leur dégradation. Le défaut de balourd est l’une des principales causes de réduction de la durée de vie des équipements et il constitue l’un des principaux risques pour la sécurité. C’est pour cette raison sans doute qu’il fait l’objet de normes importantes, tant pour son évaluation que pour sa correction. Ainsi, pour une classe d’équilibrage donnée, comparer l’amplitude de la vibration induite à des seuils fixés dans des normes ou à des spécifications de constructeurs, permettra de statuer sur le caractère acceptable ou non du déséquilibre et sur la nécessité de procéder ou non à un équilibrage suivant une procédure bien définie.[2] Le problème de balourd est inévitable, puisque la perfection n’existe pas dans les systèmes mécaniques. La vibration résultante sera donc toujours présente. Puisque la vibration se manifeste à la fréquence de rotation du rotor, une mesure de vibration permet de déterminer la vitesse de rotation sans avoir recours à un tachymètre [32]. Le balourd, déséquilibre massique, peut provenir de défauts d’usinage, d’assemblage et de montage, mais aussi : – d’une altération mécanique (perte d’ailette, érosion ou encrassement…), – d’une altération thermique ou d’une déformation suite à des dilatations différentes des matériaux constituant le rotor ou encore à des différences de température localisées (balourd thermique)

Instabilités

Les paliers lisses sont le siège d’un certains phénomènes et effets physique qui leur sont parfois propres. L’expérience a montré que sous certaines conditions de fonctionnement, les paliers hydrodynamiques ont un comportement dynamique instable. C’est NEWKIRK [49] qui a mis en évidence ce phénomène en identifiant une vibration propre aux arbres supportes par paliers fluides. Ces phénomènes sont connus dans la littérature sous le nom de fréquences subsynchrones. Elles correspondent à des fréquences d’excitations égales à un rapport de 1/n (n entier naturel) de la fréquence de rotation du rotor. Elles proviennent de la génération par le palier de vibrations auto-entretenues [7]. Deux types de fréquences subsynchrones sont répertoriés (Figure 1.10 [7]) : Figure 1.10: Phénomènes de fréquences subsynchrones entre 9200 et 12000 rpm • Tourbillonnement d’huile Selon le type de palier lisse, un problème qui peut survenir est le tourbillonnement d’huile (whirl) se produit lorsque le rotor , qui tourne sur lui même autour de son axe O à la vitesse de rotation  , se met à tourner dans le palier à une vitesse  autour de l’axe du palier O`.[44] Si une perturbation (surcharge, impact, variation de température, vibration de température, vibration provenant de source externe à la fréquence de tourbillonnement, résonance à la fréquence de tourbillonnement, etc.) survient et modifie la position d’équilibre du rotor , celui-ci est excentré et l’huile remplit la place rendue libre, augmentant la pression initiale du film peut alors provoquer la rotation de l’arbre dans le palier à la vitesse  . Si l’amortissement du système est suffisant, l’arbre tournera à sa position d’équilibre, sinon il continuera à tourbillonner. Le problème de tourbillonnement est facilement identifiable puisqu’il paraît à la fréquence de tourbillonnement  qui est inférieur à la fréquence de rotation du rotor. La fréquence théorique de tourbillonnement est la moitié de la vitesse de rotation du rotor . En pratique f varie entre 0.4 et 0.49 f en raison des frottement  Figure 1.11: Problème de tourbillonnement (whirl) • Fouettement d’huile (whip) Un autre problème sur les paliers à fluide est nommé le fouettement d’huile (whip), apparait lorsque la fréquence de whirl est égale ou supérieure à la première fréquence propre de flexion du rotor. Il s’agit d’un phénomène d’excitation par fouettement. En effet, le phénomène de précession étant présent, puisque nous sommes au dessus de la vitesse limite de stabilité, l’amplitude des vibrations engendrées par le palier va augmenter rapidement. Elles sont assez importantes pour provoquer la destruction de la machine [7]. Une vibration du fouettement d’huile ressemble beaucoup au tourbillonnement d’huile , à l’exception que la vibration se produira sur des rotors fonctionnant à au-delà de 2 fois leur première vitesse critique. De plus, la vibration se manifestera à la fréquence de la vitesse critique du rotor.

Désalignement

Avec le défaut de balourd, le défaut d’alignement est l’une des principales causes de réduction de la durée de vie des différents organes (accouplements, palier, engrenages…) constituant un équipement [2]. Il crée des efforts importants qui vont entraîner la dégradation rapide du système d’accouplement . Outre la dégradation de l’accouplement, ces efforts, dus à un défaut de montage ou à une usure des éléments d’entraînement, vont avoir pour effet : – dans le cas de paliers anti friction , de déverser l’une des bagues et de précipiter la dégradation du roulement par aggravation des contraintes exercées par le mouvement des éléments roulants sur les pistes ; – dans le cas de paliers à film d’huile, de décharger l’un des paliers de la ligne d’arbres et d’induire des instabilités mettant très rapidement en péril l’installation par rupture du film d’huile, frottement des labyrinthes d’étanchéité ou des ailettes. Les sollicitations auxquelles sont soumis les paliers hydrodynamiques sont de plus en plus importantes du fait de l’accroissement des vitesses et des charges imposées par les utilisateurs. L’énergie dissipée dans le film étant alors plus grande, la température dans le palier augmente et l’épaisseur minimale du film diminue : les limites d’utilisation du palier peuvent être dépassées. C’est pourquoi le mésalignement est réellement un problème car il modifie sensiblement ces paramètres et augmente le risque d’endommagement du palier. S’il est dû la plupart du temps à un défaut de montage ou d’usinage, il peut être également engendré par la flexion de l’arbre sous l’influence de son propre poids. Le mésalignement n’est donc pas qu’une singularité et il convient d’en tenir compte lorsque l’on s’intéresse aux performances des paliers [37]. Plusieurs études ont donc été menées sur le mésalignement, Depuis les cinquante dernières années, le mésalignement, que ce soit pour des paliers ou pour des butées, fût un phénomène de plus en plus étudié. A notre connaissance, la première personne à s’intéresser au mésalignement fut Fisher [4] qui, en 1922, avait noté que le mésalignement pouvait entraîner des différences notables dans l’écoulement aux extrémités du palier ainsi qu’un échauffement irrégulier de celui-ci. Les premières études furent essentiellement expérimentales. Les premiers travaux concernant le problème de mésalignement sont réalisés en 1932 par Mckee [62] qui mesure les profils de pression dans la direction axiale du palier. Piggott [51] s’y intéresse de plus près et montre en 1942 qu’un mésalignement de 0,0002 radian peut réduire la capacité maximale de chargement d’un palier de 40%. En 1949, Buske et Rolli [6] observent que le mésalignement perturbe la symétrie axiale de la distribution de pression dans le palier. Une autre étude consacrée entièrement au mésalignement est celle que Dubois [15] réalisent sur trois différents cas de mésalignement, où ils montrent que le champ de pression d’un palier mésaligné n’est pas symétrique. Dubois [16] reprennent leurs travaux afin d’évaluer l’excentricité aux extrémités du palier, le débit axial et les températures locales dans le palier. Nicolas et Frêne [51] effectuent une comparaison entre théorie et  expérimentation pour un palier soumis à une charge centrale et un couple quelconque. Mais dans ces études, le mésalignement ne représente qu’une partie du travail et il est étudié en tant que singularité, comme un phénomène qui peut parfois intervenir dans les mesures. 6. Traitement du signal Toute anomalie affectant une machine tournante (balourd, désalignement, phénomène de tourbillon d’huile, déformation d’arbre, jeu excessif, …) se traduit par des vibrations dont les fréquences correspondent aux fréquences fondamentales des forces qui les induisent et à leurs harmoniques (harmonique : composante dont la fréquence est un multiple d’une fréquence de base appelée fréquence fondamentale). La connaissance de la cinématique de la machine permet, sinon d’identifier l’anomalie, tout au moins de la localiser, de suivre l’évolution des amplitudes des vibrations qu’elle induit et, de ce fait, d’en apprécier la gravité [2]. L’analyse spectrale des signaux délivrés par divers capteurs (vibration , pression , courant électrique, tachymètre, jauges de contrainte…) prend une place grandissante dans les techniques de surveillance des machines tournantes et de diagnostic et tend à devenir l’outil d’investigation de base de la maintenance prévisionnelle. Cette promotion parfaitement justifiée est la conséquence de la réduction, ces dernières années, du coût et de l’encombrement des analyseurs de spectres mono et multivoie. Cependant cette technique de traitement de signal ne peut fournir des informations fiables que dans la mesure où l’utilisateur connait [3]: − le processus de calcul de la transformée de Fourier discrète afin de pouvoir palier les conséquences des altérations apportées au spectre réel du signal par cette technique de calcul (bruit d’analyse, incertitude sur l’amplitude et la fréquence des composantes spectrales…). − les fréquences caractéristiques de la machines à surveiller ou à diagnostiquer et les images vibratoires des défauts qu’il recherche. 6.1 Méthodes d’analyse Il existe différents outils d‘analyse vibratoire permettant de détecter et de diagnostiquer l‘apparition des défauts dans les paliers. De nombreuses publications synthétisent ces différentes méthodes ou outils . Elles sont généralement classées en deux grandes familles. 

Représentation temporelle

Le signal vibratoire délivré par un capteur peut être représenté de différentes façons. La première qui vient à l’esprit est la représentation de chaque évènement en fonction de sa progression dans le temps (représentation temporelle). Cette représentation est d’ailleurs utilisée pour suivre le comportement vibratoire d’une machine en fonction de ses paramètres de fonctionnement pour l’étude, par exemple, du comportement vibratoire d’un compresseur à pistons sur un cycle de compression. Elle sert aussi, et de façon très pertinente, à l’élaboration d’un diagnostic pointu lorsque, après dépistage d’une anomalie, il sera possible, grâce à des analyseurs de signaux haut de gamme, de suivre le signal temporel filtré autour de la fréquence générée par le défaut. Cependant, il s’agit là d’une technique qui relève bien souvent à ce jour plus du domaine de l’expertise que de la surveillance [3] Ce type de représentation temporelle est aisé à exploiter lorsque le signal délivré par le capteur est simple (par exemple, signal délivré par un capteur de proximité représentant le déplacement relatif d’un arbre dans son palier (vibration de type sinusoïdal induite par le balourd du rotor)…). Il est encore facile à exploiter lorsque ce signal a fait l’objet d’un traitement approprié (filtrage, moyennage synchrone), mais il devient hélas vite inextricable lorsque le signal a pour origine des sollicitations multiples (figure 1.12). Pour qu’il puisse être plus facilement interprété, le signal doit donc généralement être décomposé en différentes composantes sinusoïdales élémentaires. Si cette décomposition est théoriquement possible par filtrages successifs, sa représentation dans le domaine temporel deviendrait vite trop foisonnante (figures 1.13 et 1.14), donc inexploitable.