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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSIT

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE FERHAT ABBAS - SETIF UFAS (ALGERIE) MEMOIRE Présenté à l’Institut d’Optique et Mécanique de Précision Pour l’obtention du Diplôme de MAGISTER Filière : Optique et Mécanique de Précision Option : Mécanique appliquée Par Mr. Nabti Mohamed Tahar THEME Etude de l’evolution des indicateurs spectraux et cepstraux dans la détection des défauts mécaniques Soutenu le : 14 Déc 2011 devant le jury d’examen : Mr. F. KHABER M.C.A à l’université de sétif Président Mr. A. FELKAOUI M.C.A à l’université de sétif Rapporteur Mr. A. HAMOUDA M.C.A à l’université de sétif Examinateur Mr. F. DJEDDOU M.C.A à l’université de sétif Examinateur Dédicace A tout unificateur dans le monde ; A mes chers parents que je dois toute ma gratitude ; A mes frères : Mokhtar, Daha, Ali et Okba A mes soeurs ; A ma femme et mon fils ; A la famille NABTI et KHEMILI ; A mes collègues de poste graduation ; A mes collègues de SORALCHIN ; A tous ceux qui me sont chers en dieu. Nabti Mohamed Tahar Sommaire SOMMAIRE Introduction générale ..........................................................................................................01 Chapitre I. Maintenance industrielle I.1. Introduction...................................................................................................................03 I.2. Maintenance .................................................................................................................03 I.2.1. but de la maintenance .......................................................................................03 I.2.1.1. Objectifs financiers ...............................................................................03 I.2.1.2. Objectifs opérationnels .........................................................................03 I.2.2. Types de la maintenance ..................................................................................04 I.2.2.1. Maintenance préventive.........................................................................04 I.2.2.1.1. Maintenance systématique........................................................04 I.2.2.1.2. Maintenance conditionnelle .....................................................04 I.2.2.2. Maintenance corrective..........................................................................05 I.2.3.Niveaux de maintenance ..................................................................................05 I.2.4. Organisation de la maintenance conditionnelle.............................................06 I.2.5. Classement des machines ................................................................................07 I.2.5.1. Vitales .....................................................................................................07 I.2.5.2. Importante ..............................................................................................07 I.2.5.3. Secondaire ..............................................................................................07 I.2.6. La cinématique .................................................................................................07 I.3. Méthodes d’analyse....................................................................................................07 I.3.1. L’analyse d’huile..............................................................................................07 I.3.2. Thermographie infrarouge ...............................................................................08 I.3.2.1. Définition ...............................................................................................08 I.3.2.2. Exemple ...................................................................................................08 I.3.3. Analyse vibratoire ...............................................................................................09 I.3.3.1. Définition.......................................................................................................09 I.3.3.2. vibration mécanique....................................................................................09 I.3.3.2.1. Définition d’une vibration ...............................................................09 I.3.3.2.2. signal vibratoire .................................................................................10 I.3.3.3. Type des signaux..........................................................................................10 I.3.3.3.1. Déterministe........................................................................................11 I.3.3.3.2. Aléatoire ..............................................................................................11 I.3.3.4. Caractéristiques d’un signal vibratoire .....................................................12 I.4. La chaine de mesure...................................................................................................12 I.4.1. Les capteurs de vibrations ...............................................................................14 I.4.2. Types des capteurs ..............................................................................................15 I.4.2.1. Accéléromètre piézo-électrique ..........................................................15 I.4.2.2. capteur à courant de Foucault ..............................................................15 I.4.3. Le conditionnement du signal ...........................................................................15 I.4.4. Choix des indicateurs .........................................................................................16 I.5. Défauts des machines tournantes .............................................................................17 I.5.1. Balourd ................................................................................................................17 I.5.2. Désalignement .....................................................................................................17 I.5.3. Mauvais serrage mécanique ..............................................................................18 I.5.4. Engrènement ........................................................................................................18 Sommaire I.5.5. Défauts des roulements ......................................................................................18 I.6. Définitions...................................................................................................................19 I.6.1. dégradation..........................................................................................................19 I.6.2. Défauts et pannes................................................................................................19 I.6.3. Défaillance ..........................................................................................................19 I.6.4. Cause de défaillance ..........................................................................................20 I.7. Surveillance vibratoire...............................................................................................21 I.8. Diagnostic vibratoire..................................................................................................22 I.8.1. Analyse temporelle ...........................................................................................23 I.8.2. Analyse fréquentiel ............................................................................................26 I.9. Conclusion...................................................................................................................26 Chapitre II. Etat de l’art de l’analyse vibratoire II.1. Introduction .................................................................................................................27 II.2. Les roulement ...........................................................................................................27 II.2.1.Eléments des roulements .........................................................................................28 II.2.2.Défauts des roulements ..........................................................................................28 a. Causes ......................................................................................................................28 b. Principale défauts ....................................................................................................28 II.2.3. Caractéristiques du signal engendré par le roulement endommagé .........................30 a. Model mathématique du signal ...............................................................................30 b. Défauts de la bague interne ....................................................................................31 c. Défauts de la bague externe ....................................................................................31 d. Défauts de l’élément roulant ...................................................................................32 e. Défauts de la cage ...................................................................................................32 II.2.4.Méthodes d’analyse des défauts de roulement..........................................................33 II.2. 4.1. L’analyse de l’enveloppe...............................................................................33 II.2.4.2. L’analyse temps-échelle (ondelette) ..............................................................35 II.2.4.3. Kurtosis spectral ............................................................................................37 II.2.4.3.1. Définition.............................................................................................37 II.2.4.3.3. Kurtogramme ......................................................................................39 II.3.les engrenages...............................................................................................................43 II.3.1. présentation .............................................................................................................43 II.3.2. Principale source des vibrations ..............................................................................43 II.3.3.Types de défauts .......................................................................................................44 a. L’usure .....................................................................................................................44 b. Pitting ......................................................................................................................44 c. Fissuration ................................................................................................................44 d. l’écaillage.................................................................................................................44 II.3.4. Signal d’engrènement...............................................................................................45 II.3.5.Méthodes d’analyse des défauts d’engrenage ..........................................................46 II.3.5.1. Analyse spectrale..........................................................................................46 II.3.5.2. Analyse cepstral ...........................................................................................48 II.3.5.3. Analyse temps-fréquence ............................................................................54 II.4. Conclusion...................................................................................................................56 Chapitre III. Présentation des systèmes étudiés et discussion des résultats III.1. Introduction................................................................................................................57 III.2. Etude du système de roulement ................................................................................58 III.2.1 Banc d'essai de roulement "Bearing Data Center"..........................................58 III.2.2 Présentation des signaux étudiés ....................................................................60 Sommaire III.2.3. Extraction des indicateurs .............................................................................62 III.2.3.1 Indicateurs temporels ......................................................................62 III.2.3.2 Indicateurs fréquentielles ................................................................64 III.3.4 Kurtosis spectrale ...............................................................................66 III.2.4 Applications ...................................................................................................66 III.2.4.1 Sans défauts.........................................................................................66 III.2.4.2 Avec défaut Ø=0.007 ........................................................................67 III.2.4.2 Avec défaut Ø=0.014 .........................................................................68 III.2.4.2 Avec défaut Ø=0.021 .........................................................................69 III.2.4.2 Avec défaut Ø=0.028 .........................................................................70 III.3.Etude de système d’engrenage..................................................................................72 III.3.1. Boite de vitesse d’un hélicoptère « NAVY Westland data »........................72 III.3.2. Préparation des observations..........................................................................75 A) Filtrage.......................................................................................................75 B) Décimation.................................................................................................75 III.3.3. Extraction des indicateurs .............................................................................75 III.2.3.1 Indicateurs temporel ........................................................................76 III.2.3.2 Indicateurs fréquentielles ................................................................77 III.2.3.3 Analyse cepstral ...........................................................................80 III.3.4 Applications ...................................................................................................80 III.3.4.1 Sans défauts.........................................................................................81 III.3.4.2 défaut niveau 1 ..................................................................................81 III.3.4.2 défaut niveau 2 ..................................................................................81 III.4. Conclusion ...............................................................................................................82 Conclusion générale............................................................................................................83 Bibliographie Introduction générale 1 Introduction générale La maintenance optimale des machines tournantes en fonctionnement a une importance vitale pour assurer une production permanente et augmenter la durée de vie de ces machines. Les différentes méthodes de surveillance sont : l’analyse d’huile, l’analyse de température et L’analyse vibratoire,... L’analyse vibratoire est la technique la plus utilisée pour réaliser une surveillance et un diagnostic fiable et pour détecter l’apparition et l’évolution de la plupart des défauts mécaniques. Ces travaux de maintenance ont une importance économique, elles permettent de passer d’une maintenance systématique (fréquentielle) à une maintenance conditionnelle moins coûteuse. Le principe de l’analyse vibratoire est basé sur l’idée que les machines tournantes (pompes, compresseurs, turbines…) en fonctionnement engendrent des défauts tels que : un balourd, un désalignement, un défaut de roulement, un écaillage de dents d’engrenage,… qui donnent des signaux vibratoires très compliqués. Ces signaux sont captés par des accéléromètres piézoélectriques placés sur les paliers de la machine, le plus proche possible de la source du défaut, et subissent une série de prétraitements telles que: l’analyse spectrale, l’analyse cepstrale, l’analyse temporelle, l’analyse temps- fréquence, temps-échelle et l’analyse de la cyclostationnarité. Les engrenages ont fait l’objet de nombreux travaux [K. Drouiche], [Mac Fadden], [I.M. Lebal], [M. Chiollaz] , [J. Ondroubh] les auteurs des références [B. RANDALL] , [C. CAPDESSUS] ont constaté que l’analyse cepstrale est un bon compliment de l’analyse spectrale, L'analyse par le cepstre présente des propriétés qui la rendent particulièrement adaptée à l'étude des vibrations d'engrenage, pour sa simplicité et sa capacité à fournir des informations compactes et faciles à interpréter [Ion BRATU] , [M. El Badaoui]. Le diagnostic de roulement a été étudié par Balderston [H. Balderston] de Boeing en 1969.Il a identifié que l’information des défauts devaient principalement être trouvé dans la région des hautes fréquences de résonance. Après, en 1970, Weichbrodt et Smith [B.Weichbrodt] ont employé la moyennage synchrone pour les défauts dans des roulements. La technique de résonance à haute fréquence (HFRT), plus tard appelée l'analyse d'enveloppe, a été appliquée dans [M.S. Darlow], ce concept de démodulation a mené à l'élaboration d'un certain nombre de méthodes de diagnostic de roulement, où la Introduction générale 2 fréquence démodulée était la résonance du capteur elle-même. Il y a une discussion sur la façon de choisir la largeur de bande optimum pour la démodulation liée à l'analyse d’enveloppe [Robert B. Randall]. Le KS [Jérôme Antoni] est employé pour indiquer la meilleure bande de démodulation pour l'analyse d’enveloppe. Elle peut également être employée à déterminer la largeur de bande optimale pour maximiser le kurtosis. Le but de ce travail est de maitriser les techniques : l’analyse spectrale, l’analyse cepstrale, l’analyse d’enveloppe et le kurtosis spectrale. Et de confirmer les différents résultats sur nos signaux qui sont : les signaux de roulements ;"the Case Western Reserve University- Bearing Data Center " Cleveland USA; base de données des essais de roulements à billes normaux ou défectueux, et Les signaux d’une boite de vitesse d’un hélicoptère de la NAVY -Université de Pennsylvanie. Le mémoire est structuré en trois chapitres, suivis d’une conclusion générale. Chapitre I. Etude bibliographie (Généralités sur la maintenance et l’analyse vibratoire) Dans la première partie du chapitre, nous avons présenté une étude théorique sur la maintenance industrielle et leurs types. Dans la deuxième partie du chapitre, nous avons donnée les différents types des signaux vibratoires et leurs caractéristiques, nous avons ensuite exposé le système d’acquisition et d’enregistrement de ces signaux Chapitre II. Etat de l’art des méthodes d’analyse vibratoire Ce chapitre présente un état de l’art sur les travaux de recherche des méthodes de traitements. Nous discutons les travaux sur L’enveloppe spectrale, le kurtosis spectral et l’analyse temps-échelle qui sont très utilisés dans le diagnostic des défauts de roulements. Le spectre, le cepstre d’énergie et la transformé en ondelettes sont discutés pour le cas du diagnostic vibratoire des systèmes d’engrenage. Chapitre III. Présentation des systèmes étudiés et discussion des résultats Dans ce chapitre, après que nous avons décrit les bancs d’essai. Nous avons appliquée en premier lieu l’application des méthodes de l’analyse de l’enveloppe et le kurtosis spectral sur les signaux réels d’un roulement. En deuxième lieu nous avons présenté les résultats de l’analyse spectrale et l’analyse cepstrale pour des signaux réels d’un engrenage et étudie l’efficacité de ces techniques pour le système défaillant. Nous avons terminé par une conclusion générale sur cette étude, ainsi que quelques perspectives pour des études ultérieures. CHAPITRE I Maintenance industrielle 3 I.1. Introduction : Le monde industriel et le monde des transports disposent de machine et d’installation de plus en plus performantes et complexes. Les exigences de haute sécurité, la réduction des couts d’exploitation et la maitrise de la disponibilité des équipements donnent à la maintenance des systèmes, un rôle prépondérant. Elle doit permettre de n’intervenir qu’en présence d’éléments défectueux, de minimiser le temps de réparation, et de fournir un diagnostic fiable et facilement interprétable malgré la complexité des équipements. Nous nous uploads/Management/ memoire-complet-2-pdf.pdf