Défaillances des systèmes de transmission par courroies et poulies

courroies et poulies

5.1.1

Présentation des transmissions par courroies

Un système de transmission par courroies est typiquement composé de deux poulies, d’une ou plusieurs courroies et éventuellement d’autres éléments mécaniques (galet tendeur, galet de renvoi, etc.). L’utilisation de ce type d’accouplement est très répandu dans les systèmes industriels et en particulier dans les applications ciblées par l’étude. Les transmissions par courroies permettent tout d’abord, en fonction du jeu de poulies sélectionné, de générer un rapport de réduction ou de multiplication de vitesse entre le moteur et la charge qu’il entraine. Selon le type de courroies utili- sées, ces systèmes permettent également d’offrir des fonctionnalités supplémentaires (cf. [Far88]) comme la variation de vitesse (poulies à flasques mobiles), l’inversion du sens de rotation (croisement des brins) ou encore le fonctionnement à axes de rotation non-parallèles (galets de renvoi). Enfin, leur faible coût, leur rôle de fu- sible mécanique vis-à-vis des surcharges et leur standardisation (cf. [Yam96]) ont contribué à l’utilisation massive des systèmes de transmission par courroies.

Plusieurs technologies sont actuellement utilisées dans les applications indus- trielles et se divisent en deux grandes familles : les courroies à entrainement par adhérence ([Far88]) et celles à entrainement synchrone ([Far90]). La première ca- tégorie comprend principalement les courroies plates et les courroies trapézoïdales tandis que la seconde est composée des courroies dentées. De par l’importance de leur utilisation dans les systèmes de ventilation, de compression et de pompage, l’analyse

théorique et les campagnes expérimentales présentées dans ce chapitre portent sur les courroies trapézoïdales. Cependant, le fonctionnement et les modes de dégra- dation des courroies plates étant très proches de ceux des courroies trapézoïdales, nous pouvons faire l’hypothèse que les raisonnements théoriques et les méthodes de diagnostic développées dans ce chapitres sont transposables aux courroies plates. Des essais complémentaires sur ce type de courroies seraient cependant nécessaires pour valider cette généralisation. Une représentation schématique d’une courroie trapézoïdale classique avec sa poulie associée est donnée sur la figure 5.1 (a).

Enrobage Cordes de traction

Polymère élastique Poulie

(a) Coupe d’une courroie trapézoïdale. (b) Système de compression industriel uti-

lisant une transmission à 4 courroies en V.

Figure 5.1 – Représentation schématique d’une courroie trapézoïdale (a) et système de compression entrainé par un système de transmission à 4 courroies en V (b).

Ce type de courroie est composé de trois éléments principaux. Les cordes de traction assurent la solidité de la courroie et lui permettent de transmettre le couple du moteur vers la charge. Le polymère élastique lui confère ses propriétés de flexi- bilité. Enfin, l’enrobage en tissu caoutchouté permet d’augmenter l’adhérence de la courroie sur la poulie. Nous verrons que chacun de ces éléments constitutifs peut subir des dégradations au cours de sa durée de vie et ainsi diminuer les performances de l’application. Un exemple de transmission par courroies trapézoïdales entrainant un système de compression d’air est représenté sur la figure 5.1 (b). Nous pouvons remarquer que 4 courroies sont nécessaires dans cet exemple pour transmettre la puissance mécanique du moteur vers le compresseur.

5.1.2

Analyse des défaillances des systèmes de transmission

poulies-courroies

Un système d’entrainement par courroies fonctionnant de manière dégradée peut conduire à terme à une rupture des courroies, à une usure sévère des poulies, à la sortie des courroies en dehors des gorges ou encore à un patinage critique des courroies sur les poulies rendant impossible le bon fonctionnement de l’application (cf. [Car], [Ban], [Tex], [Sey04] et [Bro10]). De nombreuses dégradations peuvent survenir dans ce type de systèmes de transmission, et éventuellement provoquer l’arrêt de l’application entrainée. Une liste non-exhaustive des phénomènes physiques

pouvant provoquer ou accélérer le processus de détérioration des transmissions par poulies-courroies est présentée sur la figure 5.2.

Contamination des poulies et courroies (huile, graisse, etc.),

Température élevée, etc. ↓

Flancs des courroies usés

Contamination, Mauvais align- ement des poulies, Tension

faible des courroies, etc. ↓

Flancs des poulies usés

Variation de l’entraxe moteur/ charge, Étirement des courroies (cordes de traction cassées), etc.

↓

Faible tension des courroies

Diminution du coefficient d’adhérence du système poulies/courroie(s) Diminution de la surface de contact du système poulies/courroie(s) Diminution de la tension de la ou des courroie(s) Augmentation du patinage

de la ou des courroie(s) par rapport aux poulies

P

Accélération du processus de dégradation du système

poulies/courroie(s)

Figure 5.2 – Diagramme représentant les phénomènes physiques de dégradation des systèmes de transmission par poulies-courroies ainsi que leurs conséquences sur le fonctionnement de ces éléments.

Nous pouvons remarquer que les différents phénomènes physiques à l’origine du vieillissement de ces systèmes peuvent provoquer une diminution de l’adhérence des courroies sur les poulies, à travers les différents processus représentés en violet. Le patinage des courroies, qui manifeste cette perte d’adhérence quelle que soit son origine, peut donc être un élément clé dans la surveillance de ce type de transmis- sion. D’autre part, nous pouvons constater sur la figure 5.2 qu’il existe de nombreux phénomènes de dégradation de ce type d’accouplement. Afin de recréer, sur un banc d’essais, la défaillance d’un système de transmission de la manière la plus réaliste possible, il est nécessaire de sélectionner le ou les défauts les plus pertinents à re- produire. Selon la catégorie de défaillance envisagée, plusieurs processus accélérés de dégradation peuvent être mis en œuvre :

– Diminution du coefficient d’adhérence des courroies :

1. Utilisation de plusieurs jeux de courroies présentant des niveaux d’usure croissants de leurs flancs,

2. Ajout d’un contaminant de type huile ou graisse dans le système de trans- mission,

– Diminution de la surface de contact poulies/courroies :

3. Utilisation de plusieurs jeux de poulies présentant des niveaux d’usure croissants de leurs gorges,

– Diminution de la tension des courroies :

4. Utilisation de plusieurs jeux de courroies avec et sans cordes de traction rompues,

5. Diminution de l’entraxe entre le moteur et la charge entrainée.

Parmi ces possibilités, les solutions n˚1, n˚3 et n˚4 n’ont pas été envisagées pour réaliser l’accélération du vieillissement du système de transmission. Ces processus nécessitent en effet une intervention importante sur le système pour modifier l’état de santé de l’application : diminution de la tension, changement des courroies et/ou des poulies, réajustement de la tension pour le nouveau jeu de poulies/courroies utilisé. La complexité et le nombre de ces modifications peuvent alors dégrader la fiabilité des résultats obtenus après l’analyse des données. Un éventuel changement de comportement d’une signature pourrait en effet tout aussi bien être attribué au défaut introduit qu’aux actions de montage/démontage. En revanche, les solutions n˚2 et n˚5 présentent beaucoup d’avantages pour la réalisation d’un protocole de dé- gradation accéléré. D’une part, ces défauts sont réalistes et se produisent de manière récurrente dans les systèmes de transmission par courroies (cf. [Car]). D’autre part, leur mise en place ne nécessite pas de montage/démontage des poulies et des cour- roies. Les changements de comportement observés sur les signaux mesurés entre le fonctionnement sain et défaillant sont dans ce cas uniquement imputables au défaut provoqué. La diminution progressive de l’entraxe entre le moteur et sa charge a été utilisée dans ce chapitre pour simuler un dégradation progressive de l’état de santé des courroies. Le banc expérimental permettant de réaliser ce processus est présenté dans la sous-section 5.2.1.

L’ajout de contaminant dans le système poulies-courroies n’a pas été retenu dans cette étude pour accélérer la dégradation des courroies. Cette possibilité est cependant une perspective de travail très intéressante qui permettra de valider les résultats obtenus dans ce chapitre pour une défaillance d’origine différente.