ment du signal
2.7 R´ esultats exp´ erimentaux
2.7.2 Roulements artificiellement d´ egrad´ es par fraisage
Les d´efauts localis´es pr´ec´edents constituent un cas d’´etude des d´efaillances de roulement. Il est donc n´ecessaire de prendre en compte des d´efauts plus r´ealistes. Pour cela, nous allons consid´erer un roulement donc les bagues sont frais´ees. Les d´efauts induits sont de nature localis´ee mais leur s´ev´erit´e est plus faible que pr´ e-c´edemment.
De plus, les grandeurs vibratoires sont sensibles `a de nombreux facteurs tels que le montage des roulements ou encore le positionnement spatial des pi`eces m´ e-caniques les unes par rapport aux autres. C’est pourquoi, pour d´etecter des d´efauts de roulements, il est important de proc´eder sans avoir `a effectuer de changement de roulement donc sans avoir `a effectuer un d´emontage-remontage de la machine.
Un protocole de d´egradation de roulement par fraisage d´ecrit en annexe A a ´
et´e mis en place. De ce fait, aucun d´emontage de la machine n’est n´ecessaire et le suivi des d´efaillances peut se faire en fonction du type de d´egradation. Tout d’abord, l’indicateur est calcul´e pour le roulement sain comparativement `a la r´ e-f´erence obtenue avec le mˆeme roulement. La bague interne puis la bague externe sont ensuite frais´ees tour `a tour. Pour chaque cas de d´efaillance, dix enregistre-ments sont effectu´es afin d’obtenir un indicateur statistiquement valable et afin de v´erifier la reproductibilit´e de la d´etection. La figure 2.27 montre un histogramme des valeurs d’indicateur pour les diff´erents cas test´es. On constate clairement que le cas sain est ´energ´etiquement proche de la r´ef´erence. De plus, les cas d´efaillants sont clairement s´epar´es du cas sain et de la r´ef´erence ´energ´etique. Par ailleurs, le fraisage des chemins de roulement interne et externe entraˆıne une augmentation
0 100 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5
Ecart relatif d’énergie (%)
Nombre d’occurences
Roulement sain Fraisage bague interne Fraisage des 2 bagues
Fig. 2.27 – Histogramme des valeurs de Ivibpour des d´efauts engendr´es par fraisage des pistes de roulement
tr`es importante de l’´ecart ´energ´etique par rapport au fraisage de la piste interne seule, ce qui confirme le fait que l’indicateur rend correctement compte de la s´ev´ e-rit´e de la d´egradation ainsi que de la d´etectabilit´e accrue des d´efauts de la bague externe.
2.7.3 Surveillance de la d´egradation d’un roulement
De mani`ere `a consid´erer une usure r´ealiste du roulement, nous proc´edons `a la surveillance de la d´egradation d’un roulement. Cette derni`ere est entraˆın´ee par l’in-sertion au sein du roulement d’un contaminant : de l’alumine ou oxyde d’aluminium Al2O3. Ce contaminant est choisi en raison des faibles dimensions des particules d’alumine (proche des poussi`eres et des sables naturels), ainsi que de sa duret´e sup´erieure `a celle des aciers constitutifs des roulements, ce qui assure une d´ egra-dation des surfaces de contact [Mit00]. La d´egradation est r´ealis´ee conform´ement au protocole exp´erimental d´ecrit en annexe A.
Le facteur K, le kurtosis ainsi que Ivib sont calcul´es pour chaque ajout de contaminant. Dix mesures, d’une dur´ee de 2s, sont effectu´ees pour les indicateurs scalaires, la fr´equence d’´echantillonnage des signaux vibratoires ´etant ici fix´ee `a 8kHz pour tenir compte du premier mode propre de la bague externe. En ce qui concerne le facteur K, le seuil de d´etection des d´efauts de roulements est fix´ee `a 10 fois la valeur attribu´ee au cas sain. Pour le kurtosis, conform´ement `a sa d´efinition donn´ee dans le paragraphe 2.5.2, la valeur du seuil de d´etection de d´efaillance est fix´ee `a 3. On remarque en figure 2.28, que les indicateurs scalaires ne montrent pas de progression lin´eaire de l’usure. Pour certains cas, la valeur des indicateurs redescend en dessous du seuil n’assurant pas de mani`ere certaine la d´etection de la d´egradation.
Pour l’indicateur vibratoire, dix mesures sont ´egalement effectu´ees `a chaque ajout de contaminant, la fr´equence d’´echantillonnage ´etant abaiss´ee `a 2.2kHz. L’in-dicateur vibratoire Ivib, repr´esent´e en figure 2.29, indique clairement la d´efaillance du roulement. La moyenne de Ivib sur les dix enregistrements par ajout de
conta-2.7. R´esultats exp´erimentaux 41 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Ajout de contaminant Facteur K Seuil de détection (a) Facteur K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 Ajout de contaminant Kurtosis Seuil de détection (b) kurtosis
Fig. 2.28 – Suivi des indicateurs scalaires vibratoires au long de l’usure d’un rou-lement par ajout de contaminant
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Ajout de contaminant
Ecart relatif d’énergie (%)
Ivib
<I vib>
Fig. 2.29 – Valeurs de Ivib lors de l’usure d’un roulement par injection de conta-minant
minant est ´egalement repr´esent´ee. L’usure apparaˆıt alors comme d´etectable d`es les premiers ajouts de contaminant, la d´etection devenant certaine au fur et `a mesure de l’avancement de la d´egradation. Cependant, lors de certains ajouts de conta-minants (4eme et 5eme en particulier), l’indicateur pr´esente des valeurs erratiques ne permettant pas toujours de statuer clairement sur la d´efaillance du roulement. Il est donc n´ecessaire d’effectuer plusieurs mesures de Ivib et d’en consid´erer la moyenne.
´
Etudions trois signaux vibratoires enregistr´es avec le roulement sain, apr`es deux ajouts de contaminant et apr`es quatre ajouts de contaminant. En pr´esence de contaminant, les premi`eres ´etapes de l’usure se caract´erisent par de l’indentation des chemins de roulement ainsi que par la formation de micro-´erosions des pistes, entraˆınant des excitations vibratoires hautes fr´equences excitant les modes propres de la bague externe. Les signaux temporels montrent bien en figure 2.30(a), pour le
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Temps (s) Amplitude vibratoire 2 ajouts de contaminant 4 ajouts de contaminant Roulement sain
(a) Signaux vibratoires temporels
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 −250 −200 −150 −100 −50 0 Fréquence (Hz) DSP (dB) 2 ajouts de contaminant 4 ajouts de contaminant Roulement sain
(b) DSP sur toute la gamme fr´equentielle
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 −260 −240 −220 −200 −180 −160 −140 −120 −100 −80 Fréquence (Hz) DSP (dB) 2 ajouts de contaminant 4 ajouts de contaminant Roulement sain (c) DSP basse fr´equence
Fig. 2.30 – Analyse des signaux vibratoires pour le roulement sain, apr`es deux et quatre ajouts de contaminant
cas de deux ajouts de contaminants, une s´erie d’impulsions vibratoires correspon-dant `a l’excitation des modes propres de la bague externe. Les impulsions vibra-toires n’apparaissant pas pour quatre ajouts de contaminant, on comprend alors que les indicateurs scalaires fournissent une d´etection certaine pour deux ajouts et pas pour quatre. On peut d’ailleurs constater sur la figure 2.30(b), que le mode propre d’ordre 2 de la bague externe est particuli`erement sollicit´e pour le signal `
a deux ajouts de contaminant et beaucoup moins pour le cas de quatre ajouts de contaminant. Ainsi, `a la diff´erence de Ivib, les indicateurs scalaires prenant en compte ces modes propres sont plus r´eactifs dans les premiers stades de la d´ egrada-tion. Lors de l’avancement de l’usure, l’´erosion des pistes de roulement s’intensifie, impliquant la cr´eation de d´efauts de nature localis´ee. Il se produit alors une aug-mentation significative de l’´energie spectrale basse fr´equence ais´ement d´etectable par Ivib. La figure 2.30(c) montre que la DSP basse fr´equence est de plus forte ´ ener-gie globale pour le signal `a quatre ajouts de contaminant, avec des harmoniques ´
etal´es en fr´equence, comparativement aux autres signaux enregistr´es. Ces harmo-niques impliquent une ´energie spectrale importante, rendant alors compte de la r´eactivit´e de Ivib dans ce cas. Des photographies de l’´etat de surface du roulement `
2.8. R´esum´e 43
2.8 R´esum´e
Nous avons pr´esent´e dans ce chapitre des notions g´en´eriques concernant les roulements ainsi que leurs modes de d´egradation. De nombreux facteurs ont ´et´e mis en ´evidence, dont l’action conduit `a une diminution de la dur´ee de vie des organes m´ecaniques des roulements. Nous avons vu que les modes de d´egradation pouvaient se combiner au long du fonctionnement des roulements jusqu’`a l’apparition de d´efauts mortels. Nous avons ´egalement ´etudi´e les caract´eristiques cin´ematiques correspondant au comportement vibratoire basse fr´equence des roulements ainsi que les caract´eristiques dynamiques correspondant au comportement vibratoire haute fr´equence. Nous avons alors mis en relation les cons´equences de l’usure des roulements sur les comportements m´ecaniques basse et haute fr´equence.
Compte tenu des caract´eristiques vibratoires des roulements `a billes en pr´esence de d´efauts, nous avons pr´esent´e un panel de m´ethodes de traitement du signal mises en place pour d´etecter et analyser les d´efauts. Nous avons ´etudi´e les indicateurs scalaires, bas´es sur une analyse des signaux vibratoires temporels. Nous avons en-suite pr´esent´e l’analyse fr´equentielle de Fourier. Enfin, nous nous sommes int´eress´es aux m´ethodes avanc´ees de traitement du signal. Nous avons pu comparer de ma-ni`ere objective les diff´erentes m´ethodes en choisissant comme crit`eres d’analyse la complexit´e de la chaˆıne de mesure, la complexit´e des calculs et la n´ecessit´e de re-qu´erir `a l’avis d’un expert pour analyser les r´esultats obtenus. A partir de cette comparaison, nous avons propos´e un indicateur de d´efaillance de roulement bas´e sur l’analyse du contenu spectral basse fr´equence des signaux vibratoires, donnant une grandeur num´erique qui permet de statuer ais´ement sur l’´etat de d´egradation du roulement test´e.
L’indicateur vibratoire a ensuite ´et´e test´e sur diff´erents cas de d´efauts de rou-lements dont la nature et la s´ev´erit´e ont ´et´e graduellement approch´ees des cas d’usure constat´es sur des syst`emes r´eels. Nous avons alors montr´e l’efficacit´e de l’indicateur propos´e pour d´etecter les diff´erents cas de d´efauts, tout en assurant une reproductibilit´e statistique de la d´etection.