Origines et effets d’un déséquilibre mécanique dans un système d’en-

dans un système d’entrainement

Le défaut de déséquilibre mécanique, ou balourd, est présenté dans cette section. Les différentes origines possibles de cette dégradation dans les principales applica- tions industrielles seront tout d’abord détaillées. Nous présenterons également ses effets et les harmoniques caractéristiques qu’il génère afin de sélectionner les signa- tures de défaut brutes les plus pertinentes.

4.1.1

Description et origines du défaut de balourd.

On dit qu’un balourd est présent dans un système tournant lorsque la masse de celui-ci n’est pas parfaitement répartie autour de son axe de révolution. Ce phéno- mène engendre des vibrations qui nuisent au bon fonctionnement des applications entrainées et qui peuvent accélérer la dégradation de certains éléments mécaniques qui les composent, en particulier les roulements (cf. [Pan12], [Kuc13]). Deux cas de figure permettent d’expliquer la présence d’un balourd dans les applications ciblées par l’étude.

Premièrement, un déséquilibre mécanique peut être initialement présent dans le système d’entrainement surveillé. Il peut être dû à des imperfections d’usinage, d’assemblage et/ou d’installation. Cependant, le balourd résiduel existant dans un moteur, ou dans la charge qui lui est associée, doit être suffisamment faible pour respecter les normes réglementant l’équilibrage de ces systèmes (cf. [ISO-1940/1] et [ISO-2372]). Le balourd initial présent dans le système n’est donc pas susceptible d’altérer ses performances ni de dégrader les autres parties mécaniques. De plus, un tel balourd ne pourrait pas être détecté à l’aide du protocole de diagnostic développé dans les chapitre 2 et 3 puisque le système est considéré comme sain lors de la phase d’apprentissage. Si un défaut est initialement présent, il ne pourra être détecté par la suite que si sa sévérité augmente.

Deuxièmement, un défaut de balourd peut apparaître au cours du fonctionnement de l’application. L’origine de ce déséquilibre mécanique peut varier selon le type d’application mais nous pouvons notamment citer :

• Pour les ventilateurs ([Fan08]) :

– usure irrégulière des pales due à l’écoulement de gaz corrosifs, – détérioration d’une pale par un objet extérieur,

– accumulation irrégulière de graisse et/ou de poussières, • Pour les pompes ([Sul10], [Sul12]) :

– érosion des pales par cavitation, corrosion et/ou abrasion, – dépôt asymétrique de matière dans les partie tournantes,

De manière générale, un déséquilibre mécanique peut apparaitre dans les ventila- teurs, pompes et compresseurs à cause d’une courbure de l’arbre mécanique ou d’une dégradation des roulements (cf. [Pan12]).

Il est alors intéressant de chercher à détecter l’apparition précoce de ce dé- faut pour plusieurs raisons. D’une part, son importance dans la répartition des dé- faillances présentée dans le chapitre 1 n’est pas négligeable. D’autre part, la présence de ce défaut peut provoquer l’accélération du vieillissement d’autres parties méca- niques. Sa détection peut alors permettre de protéger le système d’un vieillissement prématuré. Enfin, les différents phénomènes responsables de l’apparition d’un ba- lourd ont pour la plupart une faible dynamique de développement. L’érosion d’une pale ou le dépôt de graisse et de poussière ne sont en effet pas des phénomènes rapides. Il est donc possible de détecter et de corriger ce défaut avant que les consé- quences sur les autres éléments mécaniques ne soient trop importantes.

4.1.2

Effets d’un déséquilibre mécanique sur les différentes

grandeurs électriques et mécaniques

Comme nous l’avons présenté dans la sous-section précédente, un déséquilibre mécanique est présent dans un système tournant lorsque la masse de celui-ci n’est pas uniformément répartie autour de son axe de rotation. Le balourd résultant peut alors être modélisé par une masse m située à une distance R de l’axe de rotation, comme l’illustre la figure 4.1.

R

Masse m

O ω

Figure 4.1 – Représentation schématique d’un déséquilibre mécanique par une masse m située à une distance R de l’axe de rotation O du système.

Cette masse, qui modélise l’asymétrie du système par rapport à son centre de rotation, est responsable de différents phénomènes mécaniques.

D’une part, la masse m subit un effet centrifuge représenté par la force−−→Fcen ([N])

sur la figure 4.2 (a). La valeur de cette force est donnée par l’équation (4.1) :

|−−→Fcen| = m.R.ω2 (4.1)

où m représente la masse ([kg]) de déséquilibre, R sa distance ([m]) par rapport à l’axe de rotation O et ω la vitesse angulaire ([rad/s]) du système.

O ω

Fcen

(a) Force centrifuge exer- cée sur la masse.

O ω

P θ

(b) Force de gravité exer- cée sur la masse.

Figure 4.2 – (a) Représentation de la force centrifuge exercée sur la masse de déséquilibre m. (b) Représentation du poids de la masse m pour une position θ donnée du système.

La plupart des effets néfastes associés à la présence d’un balourd sont provoqués par la force centrifuge −−→Fcen. Celle-ci exerce en effet une poussée radiale qui accé-

est également responsable des vibrations engendrées [Kuc13]. Des signatures brutes caractéristiques de ce défaut pourront être observées sur le spectre des grandeurs vibratoires. Cependant, cet effet centrifuge ne génère pas d’oscillations de couple puisque la force −−→Fcen suit une direction radiale. Les signatures présentées dans la

sous-section 3.1.1 ne sont donc pas générées, a priori, par la force −−→Fcen. Enfin, une

excentricité dynamique du rotor peut potentiellement être provoquée par cet effet centrifuge. L’amplitude des courants statoriques des moteurs serait alors dans ce cas modulée à la fréquence de rotation du système [Blo06]. Dans cette éventualité, l’harmonique AI(fr) peut être utilisé comme signature de défaut brute (cf. section

3.1).

La présence d’un déséquilibre mécanique ne génère pas uniquement la force cen- trifuge−−→Fcen. Le poids

− →

P ([N]) de la masse m, représenté sur le figure 4.2 (b), affecte également le fonctionnement de l’application surveillée. Soit θ = 2πfrt la position

angulaire de la masse de balourd, l’amplitude de−→P s’exprime à l’aide de l’équation