CHAPITRE II THEORIE SUR LES VIBRATIONS
II- 10 Défauts spécifiques aux roulements
Outil puissant de diagnostic , le cepstre peut aussi servir efficacement d’indicateur de dépistage , capable avec une fiabilité accrue de détecter l’apparition d’un certain nombre de défauts et d’en suivre l’évolution . Certains systèmes de surveillance autorisent aujourd’hui ce type de suivi .
II.10 Défauts spécifiques aux roulements :
Les roulements sont , sans doute , les organes les plus sensibles d’un parc de machines . Lorsque l’on sait que , d’après une étude menée par la société SKF , 27 % des dégradations de roulements ont pour origine des maladresses de montage , on imagine l’intérêt que l’on peut avoir à les remplacer le moins souvent possible , donc à éviter les démontages systématiques en optant pour une stratégie de surveillance appropriée .
Rappelons que , bien qu’il existe des techniques simples dédiées au suivi en mode global des roulements , seule l’analyse fréquentielle permet de déterminer si l’impulsion de type chocs est produite par une dégradation d’engrenage , une turbulence aéraulique ou un défaut de roulements . En outre , l’image spectrale et ses analyses complémentaires permettent de situer le défaut sur la bague tournante ou sur la bague fixe du roulement , de savoir s’il s’agit d’un écaillage ou d’un manque de graisse , mais aussi de dépister un début de grippage .
II.10.1 Fréquences des éléments du roulement :
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 chocs à chaque passage .
Figure II-15 [ 29]
Pour chaque type de roulement et en fonction de ses cotes de fabrication , on peut considérer quatre fréquences caractéristiques :
- la fréquence de passage des billes (ou rouleaux ) sur la bague externe du roulement , fbe ;
- la fréquences de passage des billes (ou rouleaux ) sur la bague interne du roulement , fbi ;
- la fréquence de rotation des billes (ou rouleaux) sur eux-même , fe ; - la fréquence de passage d’un défaut de cage , fc.
lorsqu’il y a écaillage ou indentation sur l’un de ces éléments du roulement , le choc se produit donc à la fréquence correspondante donnée par les formules ci-dessous tirées de la formule de Willis , habituellement appliquée aux engrenages épicycloïdaux (figure II-15) , avec
• N , le nombre d’éléments roulants (billes, rouleaux ou aiguilles ) , b • D , le diamètre primitif ,
• d, le diamètre des éléments roulants , • α , l’angle de contact ,
• frot, la fréquence de rotation de la bague interne (la bague externe étant supposée fixe ) .
Ainsi , nous avons :
- La fréquence de passage d’une bille (ou d’un rouleau ) sur un défaut de bague externe (la bague externe étant supposée fixe ) . fbe, est donnée par l’équation suivante : [ 31]
(
1 cosα)
2 D d N f fbe= rot× b − [ 31]- La fréquence de passage d’une bille (ou rouleau ) sur un défaut de bague interne (la bague interne étant supposée montée sur l’arbre tournant ) , fbi, est donnée par l’équation suivante :
(
1 cosα)
2 D d N f fbi= rot× b + [ 31]- La fréquence de passage d’un défaut de cage , fc, est donnée par l’équation suivante :
(
1 cosα)
2 D d f fc= rot − donc b be c N f f = [ 31]- La fréquence de passage d’un défaut de bille (ou de rouleau) sur la bague externe ou sur la bague interne , fe, est donnée par l’équation suivante :
(
)
− × = 1 cos 2 2 D d d D f fe rot α [ 31]Mais comme le choc dû au défaut se produit à chaque tour de bille (ou rouleau ) , à la fois sur la bague interne et sur la bague externe , on donne généralement :
2
(
)
− × = 1 cos 2 D d d D f fe rot α [ 31]II.10.2 Images vibratoires des principaux défauts :
II.10.2.1. Défaut de type écaillage affectant la bague externe :
Un défaut de type écaillage affectant la bague externe d’un roulement a pour image vibratoire un peigne de raies . A chaque composantes de ce peigne , est associée une paire de bandes latérales espacées de la fréquence de rotation , en cas de charge dynamique importante : l’image théorique et le spectre réel sont donnés sur les figure II-16 et figure II-17 .
II.10.2.2. Défaut de type écaillage affectant la bague interne :
Un défaut de type écaillage affectant la bague interne de roulement a pour image vibratoire un peigne de raies . A chaque composantes de ce peigne , sont associées plusieurs paires de bandes latérales espacées de la fréquence de rotation (figure II-18 et figure II-19 )
II.10.2.3. Défaut de type écaillage sur un élément roulant :
Un défaut de type écaillage sur un élément roulant (bille , rouleau ou aiguille ) a pour image vibratoire un peigne de raies . A chaque composante de ce peigne , sont associées plusieurs paires de bandes latérales espacées de la fréquence de rotation (figure II-19) .
II.10.2.4. Défaut de type déversement de bague : (désalignement )
* Le défaut de type déversement de bague externe a pour image vibratoire une raie importante à la fréquence du défaut de cette bague , qui est généralement prépondérante par rapport à ses premières harmoniques (figure II-20a et figure II-21 b ) .
* Le déversement de bague interne a pour image vibratoire une raie importante à la fréquence du défaut de cette bague , qui est généralement modulée par la fréquence de rotation (figure II-20 b ) .
* Le déversement simultané des deux bagues a évidemment une vibratoire conjuguant les images des deux types de défauts (figure II-20 c ) .
Remarques :
Il ne faut pas confondre défaut de type écaillage et défaut de type déversement de bague .
Le défaut de type écaillage est un défaut de type choc dont le spectre (figure II-21 a ) présente :
- de nombreuses composantes harmoniques jusqu’en hautes fréquences ,
- les harmoniques d’ordre n généralement d’amplitude plus grande que la composante fondamentale .
Le défaut de type déversement de bague est un défaut de type vibration sinusoïdale dont le spectre (figure II-21 b) présente :
- peu de composantes harmoniques,
- la composante fondamentale de la fréquence du défaut, nettement prépondérante par rapport à ses quelques harmoniques.
Figure II-16 : Image vibratoire théorique d’un défaut de type écaillage sur bague externe d’un roulement . [ 29]
mg
frot
< >
( K – 1 ) fbi K fbi ( K + 1 ) fbi
Hz Figure II-18 : Image vibratoire théorique d’un défaut de type écaillage sur bague
interne d’un roulement (charge axiale ) [ 29]
g
<-> fcage
<->
K fd Hz
Figure II-19 : Image vibratoire théorique d’un défaut de type écaillage sur un élément roulant ou une bague interne d’un roulement ( charge radiale ) . [ 29] La fréquence du défaut ( fd) est égale à fbiou fe , selon la localisation de l’écaillage .
Figure II-20 : Images vibratoires théoriques de défauts de type déversements de bagues externe et/ou interne . [ 29]
a) Spectre réel d’un défaut de type écaillage .
b) Spectre réel d’un défaut de type déversement de bague externe .
Figure II-21 : Comparaison de spectres réels pour des défauts de types écaillage et déversement de bague externe . [ 29]
Les chocs produits par défauts excitent les structures qui répondent par leur fréquences propres ; en particuliers par leur fréquences propres élevées ;
Une grandeur γ ( valeur efficace , moyenne des amplitudes redressés … ) est élaborée à partir des amplitudes des composantes : un descripteur qui " mesure " les chocs est élaboré ( SPM : shock pulsemeter ) :
dBn (décibel ) = 20.logγγr−20.logγiγr [ 31 ]
avec
γi : grandeur de l’état initial du roulement
γr : grandeur de référence ; dBn est indépendant de γr
En état initial γ = γi donc dBn = 0 ; cette valeur est obtenue par ajustage manuel
sur l’appareil de mesurage .
Aux domaines de dBn sont associes des états du roulement ; comme montre le
tableau
Tableau II-4 : Description de chocs : Etat d’un roulement [ 31 ]
dBn ( décibel ) Etat probables
0 à 20 Satisfaisant
20 à 35 Petit défaut ou manque de lubrifiant
35 à 50 Défaut
50 à 60 Défaut ; risque de détérioration
La figure II- 17 définit un spectre qui fait apparaître les 7 premiers harmoniques due à un défaut sur la bague extérieure il est supérieur de 125 Hz .
Lorsque l’harmonique dus à un défaut d’élément roulants la fréquence théorique est inférieure de 125 Hz ça exprime un glissement anormal de quelques éléments roulants endommagés .
II.11 Différentes approches de la maintenance pour minimiser les défaillances