Ouverture de l'enveloppe sur les vibrations des roulements

Une technique sophistiquée de traitement du signal peut aider à identifier la défaillance des roulements à un stade précoce. Chris Hansford, directeur général de Hansford Sensors, explique.

Les opérateurs expérimentés peuvent souvent dire si une machine ne fonctionne pas correctement, au motif qu'elle ‘ n'a pas le bon son ’. Le même principe peut être appliqué – en utilisant l'électronique moderne – pour identifier la cause exacte du problème.

Des accéléromètres sensibles peuvent détecter et analyser les vibrations d'équipements industriels, mettant en évidence des problèmes tels que le désalignement ou le déséquilibre des paliers. Cette technique est connue sous le nom d'analyse des vibrations. Elle peut identifier une défaillance de roulement à un stade très précoce, lorsqu'il y a un défaut microscopique sur le chemin de roulement, par exemple. Le problème est que le signal d'identification est généralement noyé dans tout le reste du bruit émanant de la machine.

Dispositif de filtrage

Il est vital de repérer ce type de défauts le plus tôt possible, afin de les empêcher d'évoluer vers des problèmes plus graves. Une façon de cibler le signal d'intérêt – et d'éliminer le ‘ bruit ’ – consiste à utiliser une technique de traitement du signal appelée enveloppe d'accélération. Elle fonctionne en filtrant progressivement les parties indésirables du spectre de vibrations jusqu'à ce que le signal d'un défaut de roulement puisse être clairement vu – extrayant des vibrations répétitives de faible niveau du bruit qui les environne.

La forme d'onde non filtrée d'un roulement défectueux est un mélange de basses et hautes fréquences, sans motif évident. La première étape consiste à appliquer un filtre passe-bande, qui isole uniquement les fréquences dans lesquelles se cache le signal d'intérêt. Une certaine expérience est nécessaire pour savoir comment choisir les fréquences passe-haut et passe-bas.

La sortie filtrée identifiera les signaux répétitifs à haute fréquence, bien que d'autres étapes soient nécessaires pour cibler celui qui est spécifique au défaut de roulement. Tout d'abord, la forme d'onde est redressée – en inversant la partie négative en positive – puis elle est enveloppée (ou démodulée) en traçant une ligne sur la forme générale du signal redressé. Cette ‘ enveloppe ’ est désormais utilisée comme un véritable signal de vibration, ce qui l'aide à se démarquer du bruit.

L'enveloppe aide à contenir des signaux régulièrement espacés, tels qu'un défaut unique sur un chemin de roulement. D'autres causes de bruit, telles que le frottement d'arbre, sont aléatoires et ne produiront donc pas de pics régulièrement espacés.

Technique en action

L'enveloppement d'accélération est le plus couramment utilisé dans les systèmes de roulements à rouleaux, mais peut également être appliqué dans des domaines tels que les moteurs électriques et les réducteurs. C'est un facteur clé dans le succès des programmes de maintenance basée sur l'état (CBM).

Bien que l'enveloppement soit le plus couramment utilisé avec les signaux du spectre d'accélération, il peut être utilisé pour améliorer d'autres mesures, telles qu'un choc de choc (ou: un choc d'impulsion).

Une fois le signal filtré, les informations peuvent être recueillies à partir de l'accéléromètre à l'aide d'un collecteur de données, prêtes à être examinées et interprétées par un spécialiste, qui pourra décider si des travaux de maintenance sont nécessaires immédiatement ou s'ils peuvent être planifiés dans le cadre des programmes de routine.

Bien que l'enveloppement de l'accélération puisse sembler être la réponse définitive pour détecter la défaillance des roulements, il ne peut pas être appliqué universellement à toutes les machines. La technique détecte les défauts impliquant des interactions répétitives métal sur métal. Tout ce qui masque cela, comme les joints ou les amortisseurs, peut exclure une machine de son champ d'utilisation.

Facteurs de succès

Si une application se prête à l'enveloppement, plusieurs facteurs contribueront à garantir de meilleurs résultats. Premièrement, les accéléromètres permettant de mesurer le signal de faible niveau doivent être choisis avec soin – dans la plage de fréquences appropriée – pour répondre aux besoins de la machine ou de l'application concernée.

Deuxièmement, les accéléromètres doivent ensuite être correctement montés – près du composant surveillé, sur une surface plane et propre afin de garantir des résultats cohérents. Un mauvais montage réduit la fiabilité et peut rendre les données recueillies superflues.

Une fois que les accéléromètres ont été installés et étalonnés, des relevés de données doivent ensuite être effectués à intervalles réguliers sur une période donnée afin de permettre l'établissement d'analyses de tendances précises. Cela permet, par exemple, d'identifier une dégradation progressive de l'état.

Il est important de comprendre que les informations fournies ne constituent pas une simple réponse par ‘ oui/non ’ et nécessitent un certain savoir-faire et de l'expérience pour être interprétées : l'amplitude d'une aggravation peut en réalité diminuer avec le temps, par exemple, à mesure que l'imperfection devient légèrement plus lisse.

Les avantages potentiels de l'enveloppement d'accélération sont évidents, mais il serait imprudent de ne compter que sur cette technique. L'intégrer dans le cadre d'un système de surveillance et d'analyse plus large peut s'avérer bien plus efficace, en aidant les ingénieurs d'usine à préserver la santé, les performances et la productivité de tous les équipements dont ils ont la charge.

Enveloppante d'accélération en action

Selon le Conseil mondial de l'énergie éolienne, il y avait 268 000 éoliennes en service à la fin de 2014, chaque turbine comptant en moyenne 8 000 composants distincts. Parmi ceux-ci, un grand nombre sont associés à la chaîne de transmission, qui a par ailleurs été reconnue comme la cause principale des temps d'arrêt prolongés. L'usure des boîtes de vitesses et des roulements en particulier est connue pour causer des problèmes. Bien que l'usure ait tendance à être graduelle plutôt que catastrophique, elle peut néanmoins entraîner des réparations coûteuses qui, en termes de temps d'arrêt ainsi que de la nécessité éventuelle d'équipements de levage lourds, de remplacement de boîtes de vitesses ou de rébobinages de génératrices, coûtent bien plus cher que le simple coût d'un roulement ou d'un engrenage de rechange. Une surveillance régulière des vibrations peut empêcher que ces problèmes ne surviennent.

La complexité d'une éolienne typique présente cependant un défi pour la surveillance des vibrations. Par exemple, la turbine principale, le multiplicateur et le générateur comptent souvent plus de 15 roulements à éléments roulants, tandis que le multiplicateur comprend une série d'étages, chacun doté de plusieurs engrenages. Ces composants génèrent des signatures vibratoires uniques, avec des amplitudes et des fréquences différentes, qu'il peut être difficile d'isoler les unes des autres et qui peuvent être masquées par le bruit des systèmes environnants.

C'est là qu'une technique telle que l'enveloppage d'accélération peut jouer un rôle crucial, permettant aux analystes de vibrations et aux ingénieurs de maintenance de séparer les signatures vibratoires et d'identifier les changements dans l'état du signal, qui peuvent indiquer une usure croissante.

Pour être efficace, l'enveloppement d'accélération nécessite l'utilisation de plusieurs accéléromètres, installés sur toutes les pièces tournantes clés. Ceux-ci comprennent les paliers principaux, les étages d'engrenages planétaires, intermédiaires et à grande vitesse, le générateur (paliers intérieur et extérieur) et idéalement les mouvements transversaux et axiaux de la nacelle.

Dans chaque cas, il y a plusieurs facteurs critiques qui doivent être pris en compte. En particulier, chaque accéléromètre doit être monté solidement sur une base propre et solide, et aussi près que possible du composant surveillé ; normalement, des fixations M8 standard sont utilisées. Il est également important de collecter des données de manière cohérente, afin de permettre d'identifier avec précision tout changement dans les conditions de fonctionnement ou toute tendance au fil du temps dès le stade le plus précoce possible.

Il convient également de noter que la fréquence des signaux d'enveloppe est directement liée à la vitesse de rotation de l'arbre. Sur les chaînes de traction des éoliennes, par exemple sur l'arbre de sortie de la génératrice, les vitesses de rotation peuvent être relativement faibles et peuvent par conséquent nécessiter l'utilisation d'accéléromètres CA basse fréquence spéciaux, dotés d'une sensibilité comprise entre 100 mV/g et 500 mV/g. Les capteurs sont généralement reliés par câbles fixes à une boîte de jonction située dans la nacelle, puis à un boîtier de commutation monté au niveau du sol. Les signaux peuvent soit être surveillés sur site à l'aide de collecteurs de données portables, dotés d'un logiciel capable de calculer automatiquement l'enveloppe d'accélération, soit être transmis à un centre de surveillance à distance pour une analyse ultérieure.