Application pratique

La surveillance des pannes des roulements présente un grand intérêt pratique. L'analyse des vibrations est l'une des méthodes non destructives les plus utilisées pour évaluer les performances des roulements dans une machine en fonctionnement. Différentes failles de roulement induisent différents modèles dans le plan temps-fréquence [102].

Dans cette section, nous allons calculer les valeurs numériques des fréquences associées à chaque type de défaut d’élément (cage, billes, bague de roulement interne et externe), ensuite des approches d’analyse par les distributions temps-fréquence sont introduites.

II.4.1 Description du roulement et fréquences caractéristiques des défauts

Nous utilisons le roulement PW100 n ° 5 conçu par Pratt & Whitney. Ce roulement est un modèle à une rangée de billes à contact radial. Le roulement PW100 n ° 5 est utilisé par l’arbre de la boîte des vitesses. Ce roulement a été collecté auprès de la société Bombardier et a été identifié comme l’un des composants les plus problématiques (voir Figure II.8).

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Figure II.8. Roulement de Pratt & Whitney considéré pour les tests

Les caractéristiques techniques du roulement utilisées pour calculer les fréquences théoriques de défaut sont extraites de la fiche technique fournie par le constructeur Pratt & Whitney (voir Tableau II.1).

Tableau II.1. Spécifications techniques du roulement PW100 #5

Les fréquences associées aux différents défauts de roulement sont calculées à l'aide des expressions (II.1a), (II.1b), (II.1c) et (II.1d) pour différentes valeurs de 𝑓𝑓_𝑟𝑟 (voir Tableau II.2).

Tableau II.2. Fréquences caractéristiques des défauts du roulement

𝑷𝑷 & 𝑾𝑾 𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩 (𝑰𝑰𝑰𝑰) 𝑷𝑷𝑾𝑾𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 #𝟓𝟓 𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩 (𝑩𝑩𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑩𝑩𝑩𝑩 𝒃𝒃𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩𝑩) Inner diameter 2.8347” 2.8350” Outer diameter 3.9292” 3.9272” Pitch diameter 3.04165” Width 0.625” 0.630” Contact Angle 0o Operating speed 1 1000 rpm Operating speed 2 2000 rpm 𝒇𝒇𝑩𝑩 𝒇𝒇𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒇𝒇𝑶𝑶𝑩𝑩𝑪𝑪 𝒇𝒇𝑰𝑰𝑩𝑩𝑪𝑪 𝒇𝒇𝑩𝑩𝑪𝑪 16.66 Hz 7.64 Hz 108.32 Hz 91.71 Hz 99.54 Hz 33.33 Hz 15.28 Hz 216.64 Hz 183.42 Hz 199.08 Hz

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II.4.2 Tests expérimentaux, acquisition et traitement des données

Plusieurs essais sur le roulement sont effectués dans le laboratoire du département de mécanique de l'Ecole Polytechnique de Montréal. Le banc d’essai a été conçu au laboratoire de la section mécanique appliquée.

II.4.2.1 banc d’essai expérimental

Le banc d’essai est constitué des éléments suivants : Un système de rotor comprenant un arbre supporté à ses extrémités par un ensemble de deux roulements SKF relié à une boîte de vitesses via un système à courroie de transmission.

L'ensemble du système est entraîné par un moteur électrique de 2 CV évalué à 3 600 tr / min et soutenu par un ensemble de deux faisceaux à pondération H de 67 lb / pi chacun. Le banc d’essai a une longueur de 1750 mm et une largeur de 210 mm il est conçu pour tester les défauts typiques des machines tournantes (voir Tableau II.3). Un ensemble de manchon de serrage interne et externe sont conçus pour être adapté à toutes les tailles des roulements Pratt & Whitney.

Tableau II.3. Caractéristiques techniques du banc d’essai

Trois accéléromètres piézoélectriques sont utilisés [103], A1, A2 et A3 (voir Figure II.9), L’accéléromètre A3 est positionné horizontalement sur le roulement, A2 est positionné verticalement sur le côté du roulement pour la surveillance des défauts d'arbre et A1 est positionné horizontalement sur la broche pour la surveillance du moteur.

Les accéléromètres A1 et A2 sont utilisés pour s, assurer de l’alignement de l’arbre, les signaux obtenus par l’accéléromètre A3 sont traiter par le moniteur portable NI PMA61115 pour détecter les défauts du roulement industriel.

Composants Spécifications Fabricant

Base 2 H-Beams W8x8 67lb/ft Prometo

Motor 2Hp, 3600rpm, 575 Volts Toshiba

Couplings 7/8inch-linch Rex Omega

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Figure II.9. Banc d'essai expérimental et Moniteur portable NI PMA61115

Le banc d’essai peut être démonté afin d’enlever l’arbre et l’ancien roulement (Figure II.10 à gauche), ensuite, comme illustré à la Figure II.10 en bas à droite, le nouveau roulement est dilaté par chauffage à 110° C afin de garantir son insertion réussite dans l'arbre. Par la suite, le banc d’essai est soigneusement calibré.

Figure II.10. Montage et démontage des roulements sur le banc d’essai

II.4.2.2 Diagramme des vitesses de rotation de l’arbre du banc d’essai

Les tests sont effectués pour deux vitesses de rotation différentes de l’arbre Sp1 et Sp2 de valeur de 1000 𝑡𝑡𝑡𝑡 / 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 et de 2000 𝑡𝑡𝑡𝑡 / 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 respectivement (voir Tableau II.4).

La plage de variation des vitesses est déterminée par le fait que le facteur de crête de la fréquence de défaut réagit bien sur la plage de rotation allant de 500 à 2200 𝑡𝑡𝑡𝑡 / 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚[104].

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En effet, à basse et à haute vitesse, le signal est moins marqué, moins amplifié par le défaut, pour les vitesses élevées, l’amplitude générée par le défaut ne se distingue pas clairement du bruit de fond et pour les vitesses basses, aucune accélération n’est générée.

De plus, pour des vitesses de rotation élevées, en raison d'un bruit excessif, le risque d'endommager le banc d'essai est imminent.

Tableau II.4. Vitesses de l’arbre de rotation

Les résultats expérimentaux sont pris dans un ordre chronologique sans prendre en compte les temps d’accélération et de décélération du moteur. Nous ne traitons que les résultats obtenus dans les intervalles de temps suivants (t1a-t1b) et (t2a-t2b) qui correspondent aux vitesses de rotation (Sp1, Sp2) de l’arbre (voir Figure II.11).

Figure II.11. Diagramme des vitesses de rotation de l’arbre

II.4.2.3 Logiciel de traitement des données

Les mesures d'accélération prises à la sortie des capteurs sont traitées par le moniteur portable NI PMA61115, puis analysées par le logiciel TF-ANALYSIS développé par l’équipe de recherche à l’école polytechnique de Montréal (voir Figure II.12).

Vitesse de rotation (rpm) Vitesse de rotation (Hz)

Sp1 1000 16.66

Sp2 2000 33.33

Intervalles de mesure de la signature

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Figure II.12. T-F ANALYSIS Toolbox (schéma synoptique)

Ce logiciel propose un large éventail de méthodes d'analyse temporelle, fréquentielle et de temps-fréquence. Les paramètres d’entrée du logiciel sont la fréquence d'échantillonnage, la longueur de la fenêtre temporelle et la longueur de la fenêtre fréquentielle. Il faut chercher un compromis entre la résolution temporelle et la résolution fréquentielle.

Afin d’obtenir une meilleure résolution une méthode d’essai manuel est appliquée à condition que les longueurs des fenêtres temporelles et fréquentielles satisferaient l’équation (2𝑚𝑚 − 1), où 𝑚𝑚 est un entier positif [105].

II.4.2.4 Expérimentation

Pour différentes valeurs de vitesse de rotation de l’arbre, la signature du capteur est analysée par les distributions de Choi-Williams et de Born-Jordan. On ajuste les paramètres du logiciel pour une meilleure résolution du signal.