Diagnostic des vibrations des composants des locomotives ferroviaires : un guide complet pour les ingénieurs en réparation

2.3.1.1. Principes fondamentaux des vibrations : forces oscillatoires et vibrations dans les équipements rotatifs

Principes de base des vibrations mécaniques

Les vibrations mécaniques représentent le mouvement oscillatoire des systèmes mécaniques autour de leurs positions d'équilibre. Les ingénieurs travaillant avec des composants de locomotives doivent comprendre que les vibrations se manifestent par trois paramètres fondamentaux : le déplacement, la vitesse et l'accélération. Chaque paramètre fournit des informations uniques sur l'état de l'équipement et ses caractéristiques opérationnelles.

Déplacement vibratoire Mesure le mouvement physique réel d'un composant depuis sa position de repos. Ce paramètre s'avère particulièrement utile pour analyser les vibrations basse fréquence, typiques des déséquilibres des machines tournantes et des problèmes de fondations. L'amplitude du déplacement est directement corrélée à l'usure des surfaces de roulement et des composants d'accouplement.

Vitesse de vibration Représente la vitesse de variation du déplacement au fil du temps. Ce paramètre présente une sensibilité exceptionnelle aux défauts mécaniques sur une large plage de fréquences, ce qui en fait le paramètre le plus utilisé en surveillance des vibrations industrielles. Les mesures de vitesse détectent efficacement les défauts en développement dans les réducteurs, les roulements de moteur et les systèmes d'accouplement avant qu'ils n'atteignent des niveaux critiques.

Accélération des vibrations Mesure le taux de variation de vitesse au fil du temps. Les mesures d'accélération haute fréquence sont excellentes pour détecter les défauts précoces des roulements, les dommages aux dents d'engrenages et les phénomènes liés aux chocs. Le paramètre d'accélération devient de plus en plus important pour la surveillance des machines auxiliaires à grande vitesse et la détection des charges de type choc.

Caractéristiques de période et de fréquence

La période (T) représente le temps nécessaire à un cycle d'oscillation complet, tandis que la fréquence (f) indique le nombre de cycles par unité de temps. Ces paramètres constituent la base de toutes les techniques d'analyse vibratoire utilisées dans le diagnostic des locomotives.

Les composants des locomotives ferroviaires fonctionnent sur des plages de fréquences variées. Les fréquences de rotation des essieux montés varient généralement de 5 à 50 Hz en fonctionnement normal, tandis que les fréquences d'engrènement des engrenages s'étendent de 200 à 2 000 Hz, selon les rapports de démultiplication et les vitesses de rotation. Les fréquences de défaut des roulements se situent souvent entre 500 et 5 000 Hz, ce qui nécessite des techniques de mesure et des méthodes d'analyse spécialisées.

Mesures de vibrations absolues et relatives

Les mesures de vibrations absolues rapportent l'amplitude des vibrations à un système de coordonnées fixe, généralement un référentiel terrestre ou inertiel. Les accéléromètres sismiques et les capteurs de vitesse fournissent des mesures absolues grâce à des masses inertielles internes qui restent fixes tandis que le boîtier du capteur se déplace avec le composant surveillé.

Les mesures de vibrations relatives comparent les vibrations d'un composant à celles d'un autre composant en mouvement. Des sondes de proximité montées sur des paliers mesurent les vibrations de l'arbre par rapport au roulement, fournissant des informations cruciales sur la dynamique du rotor, la dilatation thermique et les variations du jeu du roulement.

Dans les applications de locomotives, les ingénieurs utilisent généralement des mesures absolues pour la plupart des procédures de diagnostic, car elles fournissent des informations complètes sur le mouvement des composants et permettent de détecter les problèmes mécaniques et structurels. Les mesures relatives sont essentielles pour l'analyse de grandes machines tournantes, où le mouvement de l'arbre par rapport aux roulements indique des problèmes de jeu interne ou une instabilité du rotor.

Unités de mesure linéaires et logarithmiques

Les unités de mesure linéaires expriment les amplitudes vibratoires en grandeurs physiques directes, telles que le déplacement en millimètres (mm), la vitesse en millimètres par seconde (mm/s) et l'accélération en mètres par seconde carrée (m/s²). Ces unités facilitent la corrélation directe avec les phénomènes physiques et offrent une compréhension intuitive de l'intensité des vibrations.

Les unités logarithmiques, notamment les décibels (dB), compressent de larges plages dynamiques en échelles gérables. L'échelle décibel s'avère particulièrement utile pour l'analyse de spectres vibratoires à large bande, où les variations d'amplitude s'étendent sur plusieurs ordres de grandeur. De nombreux analyseurs de vibrations modernes offrent des options d'affichage linéaire et logarithmique pour répondre à différents besoins d'analyse.

Normes internationales et cadre réglementaire

L'Organisation internationale de normalisation (ISO) établit des normes mondialement reconnues pour la mesure et l'analyse des vibrations. La série ISO 10816 définit les critères de sévérité des vibrations pour différentes classes de machines, tandis que la norme ISO 13373 traite des procédures de surveillance et de diagnostic de l'état des machines.

Pour les applications ferroviaires, les ingénieurs doivent tenir compte de normes spécifiques tenant compte des environnements opérationnels spécifiques. La norme ISO 14837-1 fournit des lignes directrices sur les vibrations transmises au sol pour les systèmes ferroviaires, tandis que la norme EN 15313 établit des spécifications pour les applications ferroviaires concernant la conception des essieux montés et des châssis de bogies, en tenant compte des vibrations.

Les normes russes GOST complètent les exigences internationales par des dispositions régionales spécifiques. La norme GOST 25275 définit les procédures de mesure des vibrations pour les machines tournantes, tandis que la norme GOST R 52161 répond aux exigences d'essais vibratoires du matériel roulant ferroviaire.

Classifications des signaux vibratoires

Vibration périodique Répète des schémas identiques à intervalles réguliers. Les machines tournantes génèrent des signatures vibratoires principalement périodiques liées aux vitesses de rotation, aux fréquences d'engrènement et aux passages des éléments de roulement. Ces schémas prévisibles permettent une identification précise des défauts et une évaluation de leur gravité.

Vibration aléatoire présente des caractéristiques statistiques plutôt que déterministes. Les vibrations induites par le frottement, le bruit d'écoulement turbulent et l'interaction route/rail génèrent des composantes vibratoires aléatoires qui nécessitent des techniques d'analyse statistique pour une interprétation correcte.

Vibrations transitoires Les vibrations se produisent sous forme d'événements isolés de durée limitée. Les impacts, l'engagement des dents d'engrenage et les chocs des éléments de roulement produisent des signatures vibratoires transitoires qui nécessitent des techniques d'analyse spécialisées, telles que la moyenne synchrone et l'analyse d'enveloppe.

Descripteurs d'amplitude de vibration

Les ingénieurs utilisent différents descripteurs d'amplitude pour caractériser efficacement les signaux vibratoires. Chaque descripteur fournit des informations uniques sur les caractéristiques vibratoires et les schémas de développement des défauts.

Amplitude maximale Représente la valeur instantanée maximale observée pendant la période de mesure. Ce paramètre identifie efficacement les impacts et les charges de choc, mais peut ne pas représenter avec précision les niveaux de vibrations continues.

Amplitude de la valeur efficace (RMS) Fournit la teneur énergétique effective du signal vibratoire. Les valeurs RMS sont bien corrélées avec les taux d'usure des machines et la dissipation d'énergie, ce qui rend ce paramètre idéal pour l'analyse des tendances et l'évaluation de la gravité.

Amplitude moyenne Représente la moyenne arithmétique des valeurs d'amplitude absolues sur la période de mesure. Ce paramètre offre une bonne corrélation avec l'état de surface et les caractéristiques d'usure, mais peut sous-estimer les signatures de défauts intermittents.

Amplitude crête à crête Mesure l'excursion totale entre les valeurs d'amplitude maximales positives et négatives. Ce paramètre s'avère utile pour évaluer les problèmes de jeu et identifier les desserrages mécaniques.

Facteur de crête Représente le rapport entre l'amplitude de crête et l'amplitude RMS, offrant un aperçu des caractéristiques du signal. Des facteurs de crête faibles (1,4-2,0) indiquent une vibration principalement sinusoïdale, tandis que des facteurs de crête élevés (> 4,0) suggèrent un comportement impulsif ou de type choc, caractéristique des défauts de roulement en développement.

Technologies et méthodes d'installation des capteurs de vibrations

Les accéléromètres sont les capteurs de vibrations les plus polyvalents pour les applications de locomotives. Les accéléromètres piézoélectriques génèrent une charge électrique proportionnelle à l'accélération appliquée, offrant une excellente réponse en fréquence de 2 Hz à 10 kHz avec une distorsion de phase minimale. Ces capteurs affichent une durabilité exceptionnelle dans les environnements ferroviaires difficiles, tout en conservant une sensibilité élevée et un faible bruit.

Les capteurs de vitesse utilisent les principes de l'induction électromagnétique pour générer des signaux de tension proportionnels à la vitesse de vibration. Ces capteurs excellent dans les applications basse fréquence (0,5-1000 Hz) et offrent des rapports signal/bruit supérieurs pour la surveillance des machines. Cependant, leur taille plus importante et leur sensibilité à la température peuvent limiter les possibilités d'installation sur les composants compacts des locomotives.

Les sondes de proximité utilisent les courants de Foucault pour mesurer le déplacement relatif entre le capteur et la surface cible. Ces capteurs s'avèrent précieux pour la surveillance des vibrations des arbres et l'évaluation du jeu des roulements, mais nécessitent une installation et un étalonnage minutieux.

Une installation correcte du capteur a un impact significatif sur la précision et la fiabilité des mesures. Les ingénieurs doivent garantir un couplage mécanique rigide entre le capteur et le composant surveillé afin d'éviter les effets de résonance et la distorsion du signal. Les goujons filetés offrent un montage optimal pour les installations permanentes, tandis que les bases magnétiques facilitent les mesures périodiques sur des surfaces ferromagnétiques.

Origines des vibrations des équipements rotatifs

Sources de vibrations mécaniques Les déséquilibres de masse, les défauts d'alignement, le jeu et l'usure sont à l'origine de ces problèmes. Les composants rotatifs déséquilibrés génèrent des forces centrifuges proportionnelles au carré de la vitesse de rotation, créant des vibrations à la fréquence de rotation et à ses harmoniques. Le désalignement entre les arbres couplés produit des vibrations radiales et axiales à une fréquence de rotation et à deux fois cette fréquence.

Sources de vibrations électromagnétiques Les vibrations proviennent des variations de force magnétique dans les moteurs électriques. L'excentricité de l'entrefer, les défauts des barres du rotor et des enroulements du stator créent des forces électromagnétiques qui modulent la fréquence du réseau et ses harmoniques. Ces forces interagissent avec les résonances mécaniques pour produire des signatures vibratoires complexes nécessitant des techniques d'analyse sophistiquées.

Sources de vibrations aérodynamiques et hydrodynamiques Les vibrations résultent des interactions entre l'écoulement du fluide et les composants rotatifs. Le passage des pales de ventilateur, les interactions entre les aubes de pompe et la séparation turbulente de l'écoulement génèrent des vibrations aux fréquences de passage des pales et de leurs harmoniques. Ces sources sont particulièrement importantes dans les machines auxiliaires fonctionnant à grande vitesse et nécessitant une gestion importante des fluides.

2.3.1.2. Systèmes locomoteurs : WMB, WGB, AM et leurs composants comme systèmes oscillatoires

Classification des équipements rotatifs dans les applications de locomotives

Les équipements rotatifs de locomotives se divisent en trois catégories principales, chacune présentant des caractéristiques vibratoires et des défis diagnostiques spécifiques. Les blocs essieux-moteurs (WMB) intègrent les moteurs de traction directement aux essieux moteurs, créant ainsi des systèmes dynamiques complexes soumis à des forces d'excitation électriques et mécaniques. Les blocs essieux-engrenages (WGB) utilisent des systèmes de réduction intermédiaires entre les moteurs et les essieux, introduisant des sources de vibrations supplémentaires par l'interaction des engrenages. Les machines auxiliaires (AM) comprennent les ventilateurs de refroidissement, les compresseurs d'air, les pompes hydrauliques et autres équipements de soutien fonctionnant indépendamment des systèmes de traction primaires.

Ces systèmes mécaniques présentent un comportement oscillatoire régi par les principes fondamentaux de la dynamique et de la théorie des vibrations. Chaque composant possède des fréquences propres déterminées par la distribution de masse, les caractéristiques de rigidité et les conditions aux limites. La compréhension de ces fréquences propres est essentielle pour éviter les conditions de résonance susceptibles d'entraîner des amplitudes vibratoires excessives et une usure accélérée des composants.

Classifications des systèmes oscillatoires

Oscillations libres Ces oscillations se produisent lorsque les systèmes vibrent à leurs fréquences naturelles après une perturbation initiale, sans contrainte externe continue. Dans les applications de locomotives, elles se manifestent lors des transitoires de démarrage et d'arrêt, lorsque les vitesses de rotation franchissent les fréquences naturelles. Ces conditions transitoires fournissent des informations diagnostiques précieuses sur la rigidité et les caractéristiques d'amortissement du système.

Oscillations forcées Les vibrations forcée résultent de forces d'excitation périodiques continues agissant sur les systèmes mécaniques. Les déséquilibres rotatifs, les forces d'engrènement et l'excitation électromagnétique créent des vibrations forcées à des fréquences spécifiques liées aux vitesses de rotation et à la géométrie du système. L'amplitude des vibrations forcées dépend de la relation entre la fréquence d'excitation et les fréquences propres du système.

Oscillations paramétriques Ces phénomènes surviennent lorsque les paramètres du système varient périodiquement au fil du temps. La rigidité variable du contact des engrenages, les variations du jeu des roulements et les fluctuations du flux magnétique créent une excitation paramétrique susceptible d'entraîner une croissance instable des vibrations, même sans contrainte directe.

Oscillations auto-excitées (Auto-oscillations) Les vibrations se développent lorsque les mécanismes de dissipation d'énergie du système deviennent négatifs, ce qui entraîne une croissance vibratoire soutenue sans contrainte périodique externe. Le comportement de glissement-collision induit par le frottement, le flottement aérodynamique et certaines instabilités électromagnétiques peuvent créer des vibrations auto-excitées nécessitant un contrôle actif ou des modifications de conception pour les atténuer.

Détermination de la fréquence naturelle et phénomènes de résonance

Les fréquences propres représentent les caractéristiques vibratoires inhérentes aux systèmes mécaniques, indépendamment de toute excitation externe. Ces fréquences dépendent uniquement de la distribution de masse et des propriétés de rigidité du système. Pour les systèmes simples à un seul degré de liberté, le calcul des fréquences propres suit des formules bien établies reliant les paramètres de masse et de rigidité.

Les composants complexes des locomotives présentent de multiples fréquences propres correspondant à différents modes de vibration. Les modes de flexion, de torsion et de couplage possèdent chacun des caractéristiques fréquentielles et des schémas spatiaux distincts. Les techniques d'analyse modale aident les ingénieurs à identifier ces fréquences et les formes modales associées pour un contrôle efficace des vibrations.

La résonance se produit lorsque les fréquences d'excitation coïncident avec les fréquences naturelles, ce qui entraîne une amplification considérable des réponses vibratoires. Le facteur d'amplification dépend de l'amortissement du système, les systèmes faiblement amortis présentant des pics de résonance beaucoup plus élevés que les systèmes fortement amortis. Les ingénieurs doivent s'assurer que les vitesses de fonctionnement évitent les conditions de résonance critiques ou fournissent un amortissement adéquat pour limiter les amplitudes vibratoires.

Mécanismes d'amortissement et leurs effets

L'amortissement représente les mécanismes de dissipation d'énergie qui limitent la croissance de l'amplitude des vibrations et assurent la stabilité du système. Diverses sources d'amortissement contribuent au comportement global du système, notamment l'amortissement interne des matériaux, l'amortissement par frottement et l'amortissement des fluides provenant des lubrifiants et de l'air ambiant.

L'amortissement des matériaux résulte du frottement interne des matériaux des composants lors de sollicitations cycliques. Ce mécanisme d'amortissement est particulièrement important pour les composants en fonte, les éléments de montage en caoutchouc et les matériaux composites utilisés dans la construction moderne des locomotives.

L'amortissement par frottement se produit aux interfaces entre les composants, notamment les surfaces d'appui, les assemblages boulonnés et les assemblages à frettage. Si l'amortissement par frottement peut offrir un contrôle bénéfique des vibrations, il peut également introduire des effets non linéaires et un comportement imprévisible sous des conditions de charge variables.

L'amortissement par fluide résulte des forces visqueuses exercées par les films lubrifiants, les systèmes hydrauliques et les interactions aérodynamiques. L'amortissement par film d'huile dans les paliers lisses assure une stabilité essentielle aux machines tournantes à grande vitesse, tandis que des amortisseurs visqueux peuvent être intégrés délibérément pour contrôler les vibrations.

Classifications des forces d'excitation

Forces centrifuges Les forces centrifuges se développent à partir de déséquilibres de masse dans les composants en rotation, créant des forces proportionnelles au carré de la vitesse de rotation. Ces forces agissent radialement vers l'extérieur et tournent avec le composant, générant des vibrations à la fréquence de rotation. L'amplitude de la force centrifuge augmente rapidement avec la vitesse, rendant un équilibrage précis essentiel pour un fonctionnement à grande vitesse.

Forces cinématiques Les forces d'excitation cinématiques résultent de contraintes géométriques qui imposent un mouvement non uniforme aux composants du système. Les mécanismes alternatifs, les suiveurs de came et les systèmes d'engrenages présentant des erreurs de profil génèrent des forces d'excitation cinématiques. Ces forces présentent généralement un contenu fréquentiel complexe lié à la géométrie et aux vitesses de rotation du système.

Forces d'impact résultent d'applications de charges soudaines ou de collisions entre composants. L'engagement des dents d'engrenage, le roulement d'éléments de roulement sur des défauts de surface et les interactions roue-rail créent des forces d'impact caractérisées par une large fréquence et des facteurs de crête élevés. Les forces d'impact nécessitent des techniques d'analyse spécialisées pour une caractérisation adéquate.

Forces de frottement Les forces de frottement se développent à partir d'un contact glissant entre des surfaces en mouvement relatif. Les freinages, le glissement des roulements et le fluage roue-rail génèrent des forces de frottement pouvant présenter un comportement de type « stick-slip » conduisant à des vibrations auto-excitées. Les caractéristiques de la force de frottement dépendent fortement de l'état de surface, de la lubrification et de la charge normale.

Forces électromagnétiques Les forces électromagnétiques radiales résultent des interactions du champ magnétique dans les moteurs et générateurs électriques. Elles résultent des variations de l'entrefer, de la géométrie des pièces polaires et des asymétries de la distribution du courant. Ces forces créent des vibrations à la fréquence de ligne, à la fréquence de passage des encoches et à leurs combinaisons.

Propriétés du système dépendant de la fréquence

Les systèmes mécaniques présentent des caractéristiques dynamiques dépendantes de la fréquence qui affectent significativement la transmission et l'amplification des vibrations. La rigidité, l'amortissement et les propriétés inertielles du système se combinent pour créer des fonctions de réponse en fréquence complexes décrivant l'amplitude des vibrations et les relations de phase entre l'excitation d'entrée et la réponse du système.

À des fréquences bien inférieures à la première fréquence naturelle, les systèmes se comportent de manière quasi statique, avec des amplitudes de vibration proportionnelles à celles de la force d'excitation. L'amplification dynamique reste minimale et les relations de phase restent quasi nulles.

À proximité des fréquences naturelles, l'amplification dynamique peut atteindre des valeurs de 10 à 100 fois la déflexion statique, selon les niveaux d'amortissement. Les relations de phase se déplacent rapidement de 90 degrés à la résonance, permettant une identification claire des fréquences naturelles.

À des fréquences bien supérieures aux fréquences naturelles, les effets d'inertie dominent le comportement du système, entraînant une diminution de l'amplitude des vibrations avec l'augmentation de la fréquence. L'atténuation des vibrations haute fréquence assure un filtrage naturel qui contribue à isoler les composants sensibles des perturbations haute fréquence.

Systèmes à paramètres groupés et systèmes à paramètres distribués

Les blocs essieu-moteur peuvent être modélisés comme des systèmes à paramètres localisés lors de l'analyse des modes de vibration basse fréquence, où les dimensions des composants restent faibles par rapport aux longueurs d'onde de vibration. Cette approche simplifie l'analyse en représentant les propriétés de masse et de rigidité distribuées sous forme d'éléments discrets reliés par des ressorts sans masse et des liaisons rigides.

Les modèles à paramètres localisés se révèlent efficaces pour analyser le déséquilibre du rotor, les effets de rigidité des paliers et la dynamique de couplage basse fréquence entre les composants du moteur et de l'essieu. Ces modèles facilitent une analyse rapide et fournissent une vision physique claire du comportement du système.

Les modèles à paramètres distribués sont indispensables pour analyser les modes de vibration à haute fréquence, où les dimensions des composants se rapprochent des longueurs d'onde de vibration. Les modes de flexion de l'arbre, la flexibilité des dents d'engrenage et les résonances acoustiques nécessitent un traitement à paramètres distribués pour une prédiction précise.

Les modèles à paramètres distribués prennent en compte les effets de propagation des ondes, les formes de mode locales et le comportement dépendant de la fréquence, que les modèles à paramètres groupés ne peuvent pas saisir. Ces modèles nécessitent généralement des techniques de résolution numérique, mais offrent une caractérisation plus complète du système.

2.3.1.3. Propriétés et caractéristiques des vibrations basse fréquence, moyenne fréquence, haute fréquence et ultrasonores en WMB, WGB et AM

Classifications des bandes de fréquences et leur signification

L'analyse des fréquences vibratoires nécessite une classification systématique des bandes de fréquences afin d'optimiser les procédures de diagnostic et le choix des équipements. Chaque bande de fréquences fournit des informations uniques sur des phénomènes mécaniques spécifiques et les stades de développement des défauts.

Vibration basse fréquence (1-200 Hz) Le bruit provient principalement des déséquilibres, des désalignements et des résonances structurelles des machines tournantes. Cette gamme de fréquences capture les fréquences de rotation fondamentales et leurs harmoniques d'ordre inférieur, fournissant des informations essentielles sur l'état mécanique et la stabilité opérationnelle.

Vibration à moyenne fréquence (200-2000 Hz) Elle englobe les fréquences d'engrènement, les harmoniques d'excitation électromagnétique et les résonances mécaniques des principaux composants structurels. Cette plage de fréquences s'avère essentielle pour diagnostiquer l'usure des dents d'engrenage, les problèmes électromagnétiques des moteurs et la détérioration des accouplements.

Vibration à haute fréquence (2000-20000 Hz) Révèle les signatures des défauts des roulements, les forces d'impact des dents d'engrenage et les harmoniques électromagnétiques d'ordre élevé. Cette gamme de fréquences permet d'alerter précocement les défauts en développement avant qu'ils ne se manifestent dans les bandes de fréquences inférieures.

Vibration ultrasonique (20 000 Hz et plus) Détecte les défauts naissants des roulements, la dégradation du film lubrifiant et les phénomènes liés au frottement. Les mesures par ultrasons nécessitent des capteurs et des techniques d'analyse spécifiques, mais offrent des capacités de détection des défauts les plus précoces possibles.

Analyse des vibrations à basse fréquence

L'analyse des vibrations basse fréquence se concentre sur les fréquences de rotation fondamentales et leurs harmoniques jusqu'à environ le dixième ordre. Cette analyse révèle les principales conditions mécaniques, notamment le déséquilibre des masses, le désalignement des arbres, le jeu mécanique et les problèmes de jeu des roulements.

Les vibrations à fréquence de rotation (1×) indiquent un déséquilibre de masse créant des forces centrifuges en rotation avec l'arbre. Un déséquilibre pur produit principalement des vibrations à fréquence de rotation avec un contenu harmonique minimal. L'amplitude des vibrations augmente proportionnellement au carré de la vitesse de rotation, fournissant ainsi une indication diagnostique claire.

Des vibrations à deux fréquences de rotation (2×) indiquent généralement un désalignement entre les arbres ou composants accouplés. Un désalignement angulaire crée des schémas de contraintes alternés qui se répètent deux fois par tour, générant des signatures vibratoires caractéristiques à deux fréquences. Un désalignement parallèle peut également contribuer à des vibrations à deux fréquences par une répartition variable de la charge.

Un contenu harmonique multiple (3×, 4×, 5×, etc.) suggère un desserrage mécanique, des accouplements usés ou des problèmes structurels. Le desserrage permet une transmission de force non linéaire générant un contenu harmonique riche, s'étendant bien au-delà des fréquences fondamentales. Le profil harmonique fournit des informations diagnostiques sur la localisation et la gravité du desserrage.

Caractéristiques des vibrations à moyenne fréquence

L'analyse moyenne fréquence se concentre sur les fréquences d'engrènement des engrenages et leurs schémas de modulation. La fréquence d'engrènement est égale au produit de la fréquence de rotation par le nombre de dents, créant des raies spectrales prévisibles révélant l'état de l'engrenage et la répartition de la charge.

Les engrenages en bon état produisent des vibrations importantes à la fréquence d'engrènement, avec des bandes latérales minimales. L'usure, la fissuration ou une charge inégale des dents entraînent une modulation d'amplitude de la fréquence d'engrènement, générant des bandes latérales espacées aux fréquences de rotation des engrenages engrenés.

Les vibrations électromagnétiques des moteurs de traction se manifestent principalement dans la gamme des moyennes fréquences. Les harmoniques de fréquence de ligne, les fréquences de passage des encoches et les fréquences de passage des pôles créent des spectres caractéristiques qui révèlent l'état du moteur et les caractéristiques de charge.

La fréquence de passage des encoches est égale au produit de la fréquence de rotation et du nombre d'encoches du rotor, ce qui génère des vibrations par les variations de perméance magnétique lorsque les encoches du rotor traversent les pôles du stator. Les barres de rotor cassées ou les défauts de bague d'extrémité modulent la fréquence de passage des encoches, créant des bandes latérales diagnostiques.

Analyse des vibrations à haute fréquence

L'analyse vibratoire haute fréquence cible les fréquences de défaut des roulements et les harmoniques d'engrènement d'ordre élevé. Les roulements à éléments roulants génèrent des fréquences caractéristiques basées sur la géométrie et la vitesse de rotation, offrant ainsi des capacités de diagnostic précises pour l'évaluation de l'état des roulements.

La fréquence de passage des billes sur la bague extérieure (BPFO) se produit lorsque les éléments roulants franchissent un défaut de la bague extérieure fixe. Cette fréquence dépend de la géométrie du roulement et est généralement comprise entre 3 et 8 fois la fréquence de rotation pour les modèles de roulements courants.

La fréquence de passage des billes dans la bague intérieure (BPFI) résulte de la rencontre d'éléments roulants avec des défauts dans la bague intérieure. Comme la bague intérieure tourne avec l'arbre, la BPFI est généralement supérieure à la BPFO et peut présenter une modulation de fréquence de rotation due aux effets de zone de charge.

La fréquence fondamentale du train (FTF) représente la fréquence de rotation de la cage et est généralement égale à 0,4 à 0,45 fois la fréquence de rotation de l'arbre. Des défauts de cage ou des problèmes de lubrification peuvent générer des vibrations à la FTF et à ses harmoniques.

La fréquence de rotation de la bille (BSF) indique la rotation de chaque élément roulant autour de son axe. Cette fréquence apparaît rarement dans les spectres vibratoires, sauf si les éléments roulants présentent des défauts de surface ou des irrégularités dimensionnelles.

Applications des vibrations ultrasoniques

Les mesures de vibrations ultrasonores détectent les défauts naissants des roulements des semaines, voire des mois, avant qu'ils n'apparaissent lors d'une analyse vibratoire conventionnelle. Les aspérités de surface, les microfissures et la rupture du film lubrifiant génèrent des émissions ultrasonores qui précèdent des variations mesurables de la fréquence des défauts des roulements.

Les techniques d'analyse d'enveloppe extraient des informations de modulation d'amplitude à partir des fréquences porteuses ultrasonores, révélant ainsi des schémas de modulation basse fréquence correspondant aux fréquences de défaut des roulements. Cette approche combine sensibilité haute fréquence et informations diagnostiques basse fréquence.

Les mesures ultrasonores nécessitent un choix et un montage minutieux des capteurs afin d'éviter toute contamination du signal par les interférences électromagnétiques et le bruit mécanique. Les accéléromètres avec une réponse en fréquence supérieure à 50 kHz et un conditionnement du signal adéquat fournissent des mesures ultrasonores fiables.

Origines des vibrations mécaniques et électromagnétiques

Les sources de vibrations mécaniques créent une excitation à large bande dont le contenu fréquentiel est lié à la géométrie et à la cinématique des composants. Les forces d'impact dues aux défauts de roulement, à l'engagement des dents d'engrenage et au desserrage mécanique génèrent des signaux impulsifs riches en harmoniques, couvrant de larges plages de fréquences.

Les sources de vibrations électromagnétiques produisent des composantes de fréquence discrètes liées à la fréquence de l'alimentation électrique et aux paramètres de conception du moteur. Ces fréquences restent indépendantes des vitesses de rotation mécaniques et maintiennent des relations fixes avec la fréquence du réseau électrique.

La distinction entre les sources de vibrations mécaniques et électromagnétiques nécessite une analyse minutieuse des relations de fréquence et de la dépendance à la charge. Les vibrations mécaniques varient généralement en fonction de la vitesse de rotation et de la charge mécanique, tandis que les vibrations électromagnétiques sont corrélées à la charge électrique et à la qualité de la tension d'alimentation.

Caractéristiques des vibrations d'impact et de choc

Les vibrations d'impact résultent d'applications soudaines de forces de très courte durée. L'engagement des dents d'engrenage, les chocs des éléments de roulement et le contact roue-rail génèrent des forces d'impact qui provoquent simultanément de multiples résonances structurelles.

Les impacts produisent des signatures temporelles caractéristiques avec des facteurs de crête élevés et un large spectre fréquentiel. Le spectre fréquentiel des vibrations d'impact dépend davantage des caractéristiques de réponse structurelle que de l'impact lui-même, ce qui nécessite une analyse temporelle pour une interprétation correcte.

L'analyse du spectre de réponse aux chocs permet de caractériser de manière exhaustive la réponse structurelle aux charges d'impact. Cette analyse révèle les fréquences naturelles excitées par les impacts et leur contribution relative aux niveaux vibratoires globaux.

Vibrations aléatoires provenant de sources de friction

Les vibrations induites par frottement présentent des caractéristiques aléatoires dues à la nature stochastique des phénomènes de contact de surface. Le crissement des freins, le broutage des roulements et l'interaction roue-rail créent des vibrations aléatoires à large bande qui nécessitent des techniques d'analyse statistique.

Le comportement de type stick-slip dans les systèmes de frottement crée des vibrations auto-excitées à contenu fréquentiel complexe. Les variations de force de frottement pendant les cycles de stick-slip génèrent des composantes vibratoires sous-harmoniques qui peuvent coïncider avec des résonances structurelles, conduisant à des niveaux vibratoires amplifiés.

L'analyse des vibrations aléatoires utilise des fonctions de densité spectrale de puissance et des paramètres statistiques tels que les niveaux efficaces et les distributions de probabilité. Ces techniques permettent une évaluation quantitative de la gravité des vibrations aléatoires et de leur impact potentiel sur la durée de vie en fatigue des composants.

2.3.1.4. Caractéristiques de conception des systèmes WMB, WGB et AM et leur impact sur les caractéristiques vibratoires

Configurations WMB, WGB et AM principales

Les constructeurs de locomotives utilisent divers dispositifs mécaniques pour transmettre la puissance des moteurs de traction aux essieux moteurs. Chaque configuration présente des caractéristiques vibratoires uniques qui influencent directement les méthodes de diagnostic et les exigences de maintenance.

Les moteurs de traction à suspension avant sont montés directement sur les essieux, créant ainsi un couplage mécanique rigide entre le moteur et l'essieu. Cette configuration minimise les pertes de transmission de puissance, mais soumet les moteurs à toutes les vibrations et impacts induits par la voie. Ce montage direct couple les vibrations électromagnétiques du moteur aux vibrations mécaniques de l'essieu, créant ainsi des spectres complexes nécessitant une analyse minutieuse.

Les moteurs de traction montés sur châssis utilisent des systèmes d'accouplement flexible pour transmettre la puissance aux essieux tout en les isolant des perturbations de la voie. Les joints universels, les accouplements flexibles ou les accouplements à engrenages permettent le mouvement relatif entre le moteur et l'essieu tout en préservant la capacité de transmission de puissance. Cette disposition réduit l'exposition du moteur aux vibrations, mais introduit des sources de vibrations supplémentaires par la dynamique de l'accouplement.

Les systèmes d'entraînement par engrenages utilisent une réduction intermédiaire entre le moteur et l'essieu pour optimiser les caractéristiques de fonctionnement du moteur. La réduction hélicoïdale à un étage offre une conception compacte et un niveau sonore modéré, tandis que les systèmes à deux étages offrent une plus grande flexibilité dans le choix des rapports, mais augmentent la complexité et les sources potentielles de vibrations.

Systèmes d'accouplement mécanique et transmission de vibrations

L'interface mécanique entre le rotor du moteur de traction et le pignon d'engrenage influence considérablement les caractéristiques de transmission des vibrations. Les assemblages frettés assurent un accouplement rigide avec une excellente concentricité, mais peuvent introduire des contraintes d'assemblage qui affectent l'équilibrage du rotor.

Les assemblages à clavette permettent de compenser la dilatation thermique et simplifient les procédures d'assemblage, mais introduisent du jeu et des charges d'impact potentielles lors des inversions de couple. L'usure des clavettes crée un jeu supplémentaire qui génère des forces d'impact à une fréquence deux fois supérieure à celle de la rotation lors des cycles d'accélération et de décélération.

Les assemblages cannelés offrent une excellente transmission du couple et s'adaptent aux déplacements axiaux, mais nécessitent des tolérances de fabrication précises pour minimiser les vibrations. L'usure des cannelures crée un jeu circonférentiel qui produit des vibrations complexes selon les conditions de charge.

Les systèmes d'accouplement flexible isolent les vibrations de torsion tout en compensant les défauts d'alignement entre les arbres connectés. Les accouplements élastomères offrent une excellente isolation vibratoire, mais présentent une rigidité dépendante de la température qui affecte les fréquences propres. Les accouplements à engrenages conservent une rigidité constante, mais génèrent des vibrations à fréquence d'engrènement qui augmentent le contenu spectral global du système.

Configurations des roulements d'essieux d'essieux

Les roulements d'essieu supportent les charges verticales, latérales et axiales, tout en s'adaptant aux dilatations thermiques et aux variations de géométrie de la voie. Les roulements à rouleaux cylindriques supportent efficacement les charges radiales, mais nécessitent des paliers de butée séparés pour supporter les charges axiales.

Les roulements à rouleaux coniques offrent une capacité combinée de charges radiales et axiales, ainsi qu'une rigidité supérieure à celle des roulements à billes. Leur géométrie conique crée une précharge inhérente qui élimine le jeu interne, mais nécessite un réglage précis pour éviter une charge excessive ou un support inadéquat.

Les roulements à rouleaux sphériques à deux rangées supportent des charges radiales importantes et des charges axiales modérées, tout en offrant une capacité d'auto-alignement pour compenser la déflexion de l'arbre et le désalignement du logement. La géométrie de la bague extérieure sphérique crée un amortissement par film d'huile qui contribue à contrôler la transmission des vibrations.

Le jeu interne du roulement affecte considérablement les caractéristiques vibratoires et la répartition de la charge. Un jeu excessif favorise les chocs lors des cycles d'inversion de charge, générant des vibrations d'impact à haute fréquence. Un jeu insuffisant crée des conditions de précharge qui augmentent la résistance au roulement et la production de chaleur, tout en réduisant potentiellement l'amplitude des vibrations.

Influence de la conception du système d'engrenages sur les vibrations

La géométrie des dents d'engrenage influence directement l'amplitude des vibrations de la fréquence d'engrènement et le contenu harmonique. Des profils de dents à développante, avec des angles de pression appropriés et des modifications d'addenda, minimisent les variations de force d'engrènement et les vibrations associées.

Les engrenages hélicoïdaux offrent une transmission de puissance plus fluide que les engrenages droits grâce à l'engagement progressif des dents. L'angle d'hélice crée des forces axiales qui nécessitent le support d'une butée, mais réduit considérablement l'amplitude des vibrations à la fréquence d'engrènement.

Le rapport de contact détermine le nombre de dents en prise simultanément lors de la transmission de puissance. Des rapports de contact plus élevés répartissent la charge sur un plus grand nombre de dents, réduisant ainsi les contraintes individuelles et les variations de force d'engrènement. Des rapports de contact supérieurs à 1,5 réduisent significativement les vibrations par rapport à des rapports plus faibles.

La précision de fabrication des engrenages influence la génération de vibrations par les erreurs d'espacement des dents, les écarts de profil et les variations d'état de surface. Les nuances de qualité AGMA quantifient la précision de fabrication : les nuances supérieures produisent des niveaux de vibrations plus faibles, mais nécessitent des procédés de fabrication plus coûteux.

La répartition de la charge sur la largeur des faces de l'engrenage influence les concentrations de contraintes locales et la génération de vibrations. Les surfaces bombées des dents et l'alignement correct de l'arbre assurent une répartition uniforme de la charge, minimisant ainsi les charges de bord à l'origine des vibrations à haute fréquence.

Systèmes d'arbres à cardan dans les applications WGB

Les blocs essieu-roue avec transmission de puissance par arbre à cardan permettent des distances de séparation plus importantes entre le moteur et l'essieu, tout en offrant une grande flexibilité d'accouplement. Des joints universels à chaque extrémité de l'arbre à cardan créent des contraintes cinématiques générant des vibrations caractéristiques.

Le fonctionnement d'un joint universel simple produit des variations de vitesse qui génèrent des vibrations à une fréquence deux fois supérieure à celle de l'arbre. L'amplitude de ces vibrations dépend de l'angle de fonctionnement du joint, des angles plus grands produisant des niveaux de vibrations plus élevés selon des relations cinématiques bien établies.

Les doubles joints universels avec un phasage approprié éliminent les variations de vitesse de premier ordre, mais introduisent des effets d'ordre supérieur qui deviennent significatifs aux grands angles de fonctionnement. Les joints homocinétiques offrent des caractéristiques vibratoires supérieures, mais nécessitent des procédures de fabrication et de maintenance plus complexes.

Les vitesses critiques des arbres à cardan doivent rester bien séparées des plages de vitesses de fonctionnement afin d'éviter l'amplification de la résonance. Le diamètre, la longueur et les propriétés des matériaux de l'arbre déterminent les vitesses critiques, ce qui nécessite une analyse de conception minutieuse pour chaque application.

Caractéristiques des vibrations dans différentes conditions de fonctionnement

L'exploitation des locomotives présente des conditions d'exploitation variées qui influencent considérablement les signatures vibratoires et l'interprétation des diagnostics. Les essais statiques avec locomotives posées sur des supports de maintenance éliminent les vibrations induites par la voie et les forces d'interaction roue-rail, offrant ainsi des conditions contrôlées pour les mesures de référence.

Les systèmes de suspension des trains roulants isolent la caisse des locomotives des vibrations des essieux montés en fonctionnement normal, mais peuvent introduire des effets de résonance à des fréquences spécifiques. Les fréquences propres de la suspension primaire varient généralement de 1 à 3 Hz pour les modes verticaux et de 0,5 à 1,5 Hz pour les modes latéraux, ce qui peut affecter la transmission des vibrations à basse fréquence.

Les irrégularités de la voie provoquent des vibrations des essieux sur une large plage de fréquences, selon la vitesse du train et l'état de la voie. Les joints de rail créent des impacts périodiques à des fréquences déterminées par la longueur du rail et la vitesse du train, tandis que les variations d'écartement de la voie génèrent des vibrations latérales qui se combinent avec des phénomènes de pompage des essieux.

Les forces de traction et de freinage introduisent des charges supplémentaires qui affectent la répartition des charges sur les roulements et les caractéristiques d'engrènement des engrenages. Des charges de traction élevées augmentent les contraintes de contact des dents des engrenages et peuvent déplacer les zones de charge dans les roulements des essieux, modifiant ainsi les schémas de vibration par rapport aux conditions à vide.

Caractéristiques des vibrations des machines auxiliaires

Les systèmes de ventilation utilisent différentes conceptions de turbines qui créent des signatures vibratoires distinctes. Les ventilateurs centrifuges génèrent des vibrations à la fréquence de passage des pales dont l'amplitude dépend du nombre de pales, de la vitesse de rotation et de la charge aérodynamique. Les ventilateurs axiaux produisent des fréquences de passage des pales similaires, mais avec un contenu harmonique différent en raison des différences de configuration d'écoulement.

Le déséquilibre du ventilateur crée des vibrations à une fréquence de rotation dont l'amplitude est proportionnelle au carré de la vitesse, comme c'est le cas pour d'autres machines tournantes. Cependant, les forces aérodynamiques dues à l'encrassement, à l'érosion ou à l'endommagement des pales peuvent créer des vibrations supplémentaires qui compliquent l'interprétation du diagnostic.

Les compresseurs d'air utilisent généralement des conceptions alternatives qui génèrent des vibrations à la fréquence de rotation du vilebrequin et à ses harmoniques. Le nombre de cylindres et la séquence d'allumage déterminent le contenu harmonique, un nombre plus élevé de cylindres produisant généralement un fonctionnement plus régulier et des niveaux de vibrations plus faibles.

Les vibrations des pompes hydrauliques dépendent du type de pompe et des conditions de fonctionnement. Les pompes à engrenages produisent des vibrations à la fréquence d'engrènement similaires à celles des systèmes à engrenages, tandis que les pompes à palettes génèrent des vibrations à la fréquence de passage des pales. Les pompes à cylindrée variable peuvent présenter des schémas vibratoires complexes qui varient selon les réglages de cylindrée et les conditions de charge.

Effets du support d'arbre et du système de montage

La rigidité du logement de roulement affecte considérablement la transmission des vibrations des composants rotatifs aux structures fixes. Les logements flexibles peuvent réduire la transmission des vibrations, mais autorisent des mouvements plus importants de l'arbre, ce qui peut affecter les jeux internes et la répartition des charges.

La rigidité des fondations et les dispositifs de montage influencent les fréquences de résonance structurelle et les caractéristiques d'amplification des vibrations. Les systèmes de montage souples assurent une isolation contre les vibrations, mais peuvent créer des résonances basse fréquence qui amplifient les vibrations induites par le déséquilibre.

Le couplage entre plusieurs arbres par l'intermédiaire d'éléments flexibles ou d'engrenages crée des systèmes dynamiques complexes avec de multiples fréquences naturelles et formes de mode. Ces systèmes couplés peuvent présenter des fréquences de battement lorsque les fréquences individuelles des composants diffèrent légèrement, créant ainsi des modèles de modulation d'amplitude dans les mesures de vibrations.

2.3.1.5. Équipements techniques et logiciels pour la surveillance et le diagnostic des vibrations

Exigences relatives aux systèmes de mesure et d'analyse des vibrations

Un diagnostic vibratoire efficace des composants des locomotives ferroviaires exige des capacités de mesure et d'analyse sophistiquées, capables de répondre aux défis spécifiques des environnements ferroviaires. Les systèmes modernes d'analyse vibratoire doivent offrir une large plage dynamique, une résolution en fréquence élevée et un fonctionnement robuste dans des conditions environnementales difficiles, notamment des températures extrêmes, des interférences électromagnétiques et des chocs mécaniques.

Les exigences de plage dynamique pour les applications locomotrices dépassent généralement 80 dB afin de détecter à la fois les défauts naissants de faible amplitude et les vibrations opérationnelles de forte amplitude. Cette plage permet des mesures allant de quelques micromètres par seconde pour les défauts précoces des roulements à des centaines de millimètres par seconde pour les déséquilibres sévères.

La résolution en fréquence détermine la capacité à séparer des composantes spectrales rapprochées et à identifier les schémas de modulation caractéristiques de types de défauts spécifiques. La bande passante de résolution ne doit pas dépasser 1% de la fréquence d'intérêt la plus basse, ce qui nécessite une sélection rigoureuse des paramètres d'analyse pour chaque application de mesure.

La stabilité de la température garantit la précision des mesures sur les larges plages de températures rencontrées dans les applications locomotrices. Les systèmes de mesure doivent maintenir une précision d'étalonnage de ±5% sur des plages de températures comprises entre -40 °C et +70 °C afin de s'adapter aux variations saisonnières et aux effets de l'échauffement des équipements.

Indicateurs d'état des roulements utilisant des vibrations ultrasoniques

L'analyse vibratoire par ultrasons permet de détecter la détérioration des roulements le plus tôt possible grâce à la surveillance des émissions haute fréquence provenant du contact avec les aspérités de surface et de la rupture du film lubrifiant. Ces phénomènes précèdent les signatures vibratoires conventionnelles de plusieurs semaines, voire de plusieurs mois, ce qui permet une planification proactive de la maintenance.

Les mesures d'énergie de pointe quantifient les émissions ultrasonores impulsionnelles à l'aide de filtres spécialisés qui accentuent les événements transitoires tout en supprimant le bruit de fond à l'état stationnaire. Cette technique utilise un filtrage passe-haut au-dessus de 5 kHz, suivi d'une détection d'enveloppe et d'un calcul de la valeur efficace (RMS) sur de courtes fenêtres temporelles.

L'analyse de l'enveloppe haute fréquence (HFE) extrait les informations de modulation d'amplitude des signaux porteurs ultrasonores, révélant ainsi les schémas de modulation basse fréquence correspondant aux fréquences de défaut des roulements. Cette approche associe la sensibilité ultrasonore aux capacités d'analyse fréquentielle conventionnelle.

La méthode d'impulsion de choc (SPM) mesure les amplitudes maximales des transitoires ultrasonores à l'aide de transducteurs résonants spécialisés réglés à environ 32 kHz. Cette technique fournit des indicateurs adimensionnels de l'état des roulements, étroitement corrélés à la gravité des dommages.

Les indicateurs d'état ultrasoniques nécessitent un étalonnage et une analyse de tendance précis pour établir des valeurs de référence et des taux de progression des dommages. Les facteurs environnementaux, tels que la température, la charge et les conditions de lubrification, influencent considérablement les valeurs des indicateurs, ce qui nécessite des bases de données de référence complètes.

Analyse de la modulation des vibrations à haute fréquence

Les roulements à éléments roulants génèrent des schémas de modulation caractéristiques lors des vibrations à haute fréquence, dus aux variations périodiques de charge lorsque les éléments roulants rencontrent des défauts de chemin de roulement. Ces schémas de modulation apparaissent sous forme de bandes latérales autour des fréquences de résonance structurelle et des fréquences propres du roulement.

Les techniques d'analyse d'enveloppe extraient les informations de modulation en filtrant les signaux de vibration pour isoler les bandes de fréquences contenant des résonances de roulement, en appliquant la détection d'enveloppe pour récupérer les variations d'amplitude et en analysant le spectre d'enveloppe pour identifier les fréquences défectueuses.

L'identification des résonances est essentielle pour une analyse efficace de l'enveloppe, car l'excitation par impact des roulements excite préférentiellement des résonances structurelles spécifiques. Les tests sinusoïdaux balayés ou l'analyse modale par impact permettent d'identifier les bandes de fréquences optimales pour l'analyse de l'enveloppe de chaque emplacement de roulement.

Les techniques de filtrage numérique pour l'analyse d'enveloppe incluent des filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) qui fournissent des caractéristiques de phase linéaires et évitent la distorsion du signal, et des filtres à réponse impulsionnelle infinie (IIR) qui offrent des caractéristiques de décroissance abrupte avec des exigences de calcul réduites.

Les paramètres d'analyse du spectre d'enveloppe influencent considérablement la sensibilité et la précision du diagnostic. La bande passante du filtre doit englober la résonance structurelle tout en excluant les résonances adjacentes, et la longueur de la fenêtre d'analyse doit offrir une résolution en fréquence adéquate pour séparer les fréquences des défauts de roulement et leurs harmoniques.

Systèmes complets de surveillance des équipements rotatifs

Les installations modernes de maintenance des locomotives utilisent des systèmes de surveillance intégrés combinant plusieurs techniques de diagnostic pour une évaluation complète de l'état des équipements rotatifs. Ces systèmes intègrent l'analyse vibratoire, l'analyse de l'huile, la surveillance thermique et les paramètres de performance pour améliorer la précision du diagnostic.

Les analyseurs de vibrations portables constituent des outils de diagnostic essentiels pour l'évaluation périodique de l'état des locomotives lors des intervalles de maintenance programmés. Ces instruments offrent une analyse spectrale, une capture temporelle des formes d'onde et des algorithmes de détection automatique des défauts optimisés pour les applications locomotrices.

Les systèmes de surveillance installés en permanence permettent une surveillance continue des composants critiques pendant leur fonctionnement. Ces systèmes utilisent des réseaux de capteurs distribués, la transmission de données sans fil et des algorithmes d'analyse automatisés pour évaluer l'état des équipements et générer des alarmes en temps réel.

Les capacités d'intégration de données combinent les informations issues de plusieurs techniques de diagnostic pour améliorer la fiabilité de la détection des défauts et réduire le taux de fausses alarmes. Les algorithmes de fusion pondèrent les contributions des différentes méthodes de diagnostic en fonction de leur efficacité pour des types de défauts et des conditions de fonctionnement spécifiques.

Technologies des capteurs et méthodes d'installation

Le choix d'un capteur de vibrations influence considérablement la qualité des mesures et l'efficacité du diagnostic. Les accéléromètres piézoélectriques offrent une excellente réponse en fréquence et une excellente sensibilité pour la plupart des applications de locomotives, tandis que les capteurs de vitesse électromagnétiques offrent une réponse basse fréquence supérieure pour les grandes machines tournantes.

Les méthodes de montage des capteurs influencent considérablement la précision et la fiabilité des mesures. Les goujons filetés offrent un couplage mécanique optimal pour les installations permanentes, tandis que le montage magnétique facilite les mesures périodiques sur des surfaces ferromagnétiques. Le montage adhésif est compatible avec les surfaces non ferromagnétiques, mais nécessite une préparation de surface et un temps de durcissement.

L'orientation du capteur affecte la sensibilité des mesures aux différents modes de vibration. Les mesures radiales détectent plus efficacement les déséquilibres et les défauts d'alignement, tandis que les mesures axiales révèlent les problèmes de butée et les défauts d'alignement de l'accouplement. Les mesures tangentielles fournissent des informations uniques sur les vibrations de torsion et la dynamique des engrenages.

La protection de l'environnement exige une attention particulière aux températures extrêmes, à l'humidité et aux interférences électromagnétiques. Les accéléromètres scellés avec câbles intégrés offrent une fiabilité supérieure aux connecteurs amovibles dans les environnements ferroviaires difficiles.

Conditionnement du signal et acquisition de données

L'électronique de conditionnement du signal assure l'excitation, l'amplification et le filtrage des capteurs, nécessaires à des mesures vibratoires précises. Des circuits d'excitation à courant constant alimentent les accéléromètres piézoélectriques tout en maintenant une impédance d'entrée élevée pour préserver la sensibilité du capteur.

Les filtres anti-repliement empêchent les artefacts de repliement de fréquence lors de la conversion analogique-numérique en atténuant les composantes du signal supérieures à la fréquence de Nyquist. Ces filtres doivent assurer une réjection adéquate de la bande passante tout en maintenant une bande passante uniforme afin de préserver la fidélité du signal.

La résolution de conversion analogique-numérique détermine la plage dynamique et la précision de la mesure. La conversion 24 bits fournit une plage dynamique théorique de 144 dB, permettant de mesurer à la fois les signatures de défauts de faible amplitude et les vibrations opérationnelles de haute amplitude au sein de la même acquisition.

La sélection de la fréquence d'échantillonnage suit le critère de Nyquist, exigeant des taux d'échantillonnage au moins deux fois supérieurs à la fréquence d'intérêt la plus élevée. Les mises en œuvre pratiques utilisent des taux de suréchantillonnage de 2,5:1 à 4:1 pour s'adapter aux bandes de transition des filtres anti-repliement et offrir une flexibilité d'analyse.

Sélection et orientation des points de mesure

Une surveillance efficace des vibrations nécessite une sélection systématique d'emplacements de mesure offrant une sensibilité maximale aux défauts tout en minimisant les interférences provenant de sources vibratoires externes. Les points de mesure doivent être situés au plus près des supports de roulement et des autres voies de charge critiques.

Les mesures des logements de roulement fournissent des informations directes sur leur état et leur dynamique interne. Les mesures radiales sur les logements de roulement détectent plus efficacement les déséquilibres, les désalignements et les défauts de roulement, tandis que les mesures axiales révèlent les problèmes de poussée et d'accouplement.

Les mesures du châssis du moteur permettent de mesurer les vibrations électromagnétiques et l'état général du moteur, mais peuvent être moins sensibles aux défauts de roulements en raison de l'atténuation des vibrations par la structure du moteur. Ces mesures complètent celles du carter de roulement pour une évaluation complète du moteur.

Les mesures des carters d'engrenages détectent les vibrations de l'engrènement et la dynamique interne des engrenages, mais nécessitent une interprétation rigoureuse en raison de la complexité des voies de transmission des vibrations et de la multiplicité des sources d'excitation. Des emplacements de mesure proches des axes centraux des engrenages offrent une sensibilité maximale aux problèmes d'engrènement.

Sélection du mode de fonctionnement pour les tests de diagnostic

L'efficacité des tests de diagnostic dépend fortement du choix de conditions de fonctionnement appropriées, garantissant une excitation optimale des vibrations liées aux défauts, tout en préservant la sécurité et la protection des équipements. Différents modes de fonctionnement révèlent différents aspects de l'état des composants et de l'évolution des défauts.

Les essais à vide éliminent les sources de vibrations liées à la charge et fournissent des mesures de référence pour la comparaison avec les conditions de charge. Ce mode révèle clairement les déséquilibres, les défauts d'alignement et les problèmes électromagnétiques, tout en minimisant les vibrations de l'engrènement et les effets de la charge sur les roulements.

Les essais de charge à différents niveaux de puissance révèlent des phénomènes dépendants de la charge, notamment la dynamique de l'engrènement, les effets de la répartition de la charge sur les roulements et l'influence des charges électromagnétiques. La charge progressive permet de différencier les sources de vibrations indépendantes de celles dépendantes de la charge.

Les tests directionnels avec rotation avant et arrière fournissent des informations diagnostiques supplémentaires sur les problèmes asymétriques tels que l'usure des dents d'engrenage, les variations de précharge des roulements et les caractéristiques d'usure des accouplements. Certains défauts présentent une sensibilité directionnelle qui facilite leur localisation.

Les tests de balayage de fréquence au démarrage et à l'arrêt permettent de capturer le comportement vibratoire sur toute la plage de vitesses de fonctionnement, révélant ainsi les conditions de résonance et les phénomènes liés à la vitesse. Ces mesures permettent d'identifier les vitesses critiques et les fréquences naturelles.

Effets de la lubrification sur les signatures diagnostiques

L'état de lubrification influence considérablement les signatures vibratoires et l'interprétation des diagnostics, notamment pour les applications de surveillance des roulements. Un lubrifiant neuf assure un amortissement efficace qui réduit la transmission des vibrations, tandis qu'un lubrifiant contaminé ou dégradé peut amplifier les signatures de défaut.

Les variations de viscosité du lubrifiant avec la température affectent la dynamique et les caractéristiques vibratoires des roulements. Un lubrifiant froid augmente l'amortissement visqueux et peut masquer les défauts naissants du roulement, tandis qu'un lubrifiant surchauffé réduit l'amortissement et la protection.

Un lubrifiant contaminé contenant des particules d'usure, de l'eau ou des corps étrangers crée des sources de vibrations supplémentaires par contact abrasif et turbulences d'écoulement. Ces effets peuvent masquer les signatures de défauts authentiques et compliquer l'interprétation du diagnostic.

Les problèmes du système de lubrification, notamment un débit insuffisant, des variations de pression et des irrégularités de distribution, créent des conditions de charge variables dans le temps qui affectent les vibrations. La corrélation entre le fonctionnement du système de lubrification et les caractéristiques vibratoires fournit des informations diagnostiques précieuses.

Reconnaissance des erreurs de mesure et contrôle qualité

Un diagnostic fiable nécessite l'identification et l'élimination systématiques des erreurs de mesure pouvant conduire à des conclusions erronées et à des interventions de maintenance inutiles. Les sources d'erreur courantes incluent les problèmes de montage des capteurs, les interférences électriques et les paramètres de mesure inappropriés.

La vérification du montage des capteurs fait appel à des techniques simples, notamment des tests d'excitation manuels, des mesures comparatives à des emplacements adjacents et la vérification de la réponse en fréquence à l'aide de sources d'excitation connues. Un montage lâche réduit généralement la sensibilité aux hautes fréquences et peut introduire des résonances parasites.

La détection des interférences électriques implique l'identification des composantes spectrales à la fréquence du secteur (50/60 Hz) et de leurs harmoniques, des mesures comparatives hors tension et l'évaluation de la cohérence entre les vibrations et les signaux électriques. Une mise à la terre et un blindage adéquats éliminent la plupart des sources d'interférences.

La vérification des paramètres comprend la confirmation des unités de mesure, des paramètres de plage de fréquences et des paramètres d'analyse. Une sélection incorrecte des paramètres peut entraîner des artefacts de mesure imitant les signatures de défauts authentiques.

Architecture des systèmes de diagnostic intégrés

Les installations modernes de maintenance des locomotives utilisent des systèmes de diagnostic intégrés combinant plusieurs techniques de surveillance de l'état avec des capacités centralisées de gestion et d'analyse des données. Ces systèmes permettent une évaluation complète des équipements tout en réduisant les besoins de collecte et d'analyse manuelles des données.

Les réseaux de capteurs distribués permettent la surveillance simultanée de plusieurs composants sur l'ensemble des locomotives. Les nœuds de capteurs sans fil réduisent la complexité de l'installation et les besoins de maintenance, tout en assurant la transmission des données en temps réel aux systèmes de traitement centraux.

Des algorithmes d'analyse automatisés traitent les flux de données entrants pour identifier les problèmes émergents et générer des recommandations de maintenance. Les techniques d'apprentissage automatique adaptent les paramètres des algorithmes en fonction des données historiques et des résultats de maintenance afin d'améliorer la précision du diagnostic au fil du temps.

L'intégration de la base de données combine les résultats de l'analyse des vibrations avec l'historique de maintenance, les conditions de fonctionnement et les spécifications des composants pour fournir une évaluation complète de l'équipement et un support de planification de la maintenance.

2.3.1.6. Mise en œuvre pratique de la technologie de mesure des vibrations

Familiarisation et configuration du système de diagnostic

Un diagnostic vibratoire efficace commence par une compréhension approfondie des capacités et des limites des équipements de diagnostic. Les analyseurs portables modernes intègrent de multiples fonctions de mesure et d'analyse, nécessitant une formation systématique pour exploiter efficacement toutes les fonctionnalités disponibles.

La configuration du système implique la définition de paramètres de mesure adaptés aux applications de locomotive, notamment les plages de fréquences, les paramètres de résolution et les types d'analyse. Les configurations par défaut offrent rarement des performances optimales pour des applications spécifiques, nécessitant une personnalisation en fonction des caractéristiques des composants et des objectifs de diagnostic.

La vérification de l'étalonnage garantit la précision des mesures et leur traçabilité par rapport aux normes nationales. Ce processus implique la connexion de sources d'étalonnage de précision et la vérification de la réponse du système sur l'ensemble des plages de fréquences et d'amplitudes utilisées pour les mesures de diagnostic.

La configuration de la base de données établit la hiérarchie des équipements, la définition des points de mesure et les paramètres d'analyse pour chaque composant surveillé. Une organisation adéquate de la base de données facilite la collecte efficace des données et permet une comparaison automatisée avec les tendances historiques et les seuils d'alarme.

Développement d'itinéraires et configuration de la base de données

L'élaboration d'itinéraires implique l'identification systématique de points et de séquences de mesure qui couvrent l'intégralité des composantes critiques tout en optimisant l'efficacité de la collecte de données. Des itinéraires efficaces concilient l'exhaustivité du diagnostic et les contraintes de temps.

La sélection des points de mesure privilégie les emplacements offrant une sensibilité maximale aux défauts potentiels, tout en garantissant un positionnement reproductible des capteurs et un accès sécurisé. Chaque point de mesure nécessite la documentation de l'emplacement exact, de l'orientation des capteurs et des paramètres de mesure.

Les systèmes d'identification des composants permettent une organisation et une analyse automatisées des données en reliant les points de mesure à des équipements spécifiques. L'organisation hiérarchique facilite l'analyse à l'échelle du parc et la comparaison de composants similaires sur plusieurs locomotives.

La définition des paramètres d'analyse définit les plages de fréquences, les paramètres de résolution et les options de traitement adaptés à chaque point de mesure. La localisation des roulements requiert une capacité haute fréquence avec des options d'analyse d'enveloppe, tandis que les mesures d'équilibrage et d'alignement privilégient les basses fréquences.

Procédures d'inspection visuelle et de préparation

L'inspection visuelle fournit des informations essentielles sur l'état des composants et les complications potentielles avant de procéder à des mesures vibratoires. Cette inspection révèle des problèmes évidents qui ne nécessitent pas forcément d'analyse vibratoire détaillée, tout en identifiant les facteurs susceptibles d'affecter la qualité des mesures.

L'inspection du système de lubrification comprend la vérification des niveaux de lubrifiant, des fuites et des indicateurs de contamination. Une lubrification inadéquate affecte les caractéristiques vibratoires et peut indiquer des défaillances imminentes nécessitant une intervention immédiate, quel que soit le niveau de vibration.

L'inspection du matériel de montage permet d'identifier les boulons desserrés, les composants endommagés et les problèmes structurels susceptibles d'affecter la transmission des vibrations ou le montage du capteur. Ces problèmes peuvent nécessiter une correction avant que des mesures fiables ne soient possibles.

La préparation de surface pour le montage des capteurs implique le nettoyage des surfaces de mesure, l'élimination de la peinture et de la corrosion, et la vérification du bon engagement du filetage pour les goujons de montage permanents. Une préparation de surface adéquate a un impact direct sur la qualité et la répétabilité des mesures.

L'évaluation des risques environnementaux identifie les problèmes de sécurité, notamment les surfaces chaudes, les machines tournantes, les risques électriques et les structures instables. Ces considérations de sécurité peuvent nécessiter des procédures spéciales ou l'utilisation d'équipements de protection pour le personnel de mesure.

Établissement du mode de fonctionnement des composants

Les mesures diagnostiques nécessitent l'établissement de conditions de fonctionnement cohérentes, garantissant des résultats reproductibles et une sensibilité optimale aux défauts. Le choix du mode de fonctionnement dépend de la conception des composants, de l'instrumentation disponible et des contraintes de sécurité.

Le fonctionnement à vide fournit des mesures de référence avec un minimum d'influences externes dues aux variations de charge mécanique ou électrique. Ce mode révèle très clairement les problèmes fondamentaux, tels que les déséquilibres, les défauts d'alignement et les défauts électromagnétiques.

Le fonctionnement en charge à des niveaux de puissance spécifiés révèle des phénomènes liés à la charge qui peuvent ne pas apparaître lors des tests à vide. La charge progressive permet d'identifier les problèmes sensibles à la charge et d'établir des relations de gravité à des fins d'analyse de tendances.

Les systèmes de contrôle de vitesse maintiennent des vitesses de rotation constantes pendant l'acquisition des mesures afin de garantir la stabilité de la fréquence et de permettre une analyse spectrale précise. Les variations de vitesse pendant la mesure créent un flou spectral qui réduit la résolution de l'analyse et la précision du diagnostic.

L'établissement d'un équilibre thermique garantit que les mesures représentent des conditions de fonctionnement normales plutôt que des effets transitoires de démarrage. La plupart des machines tournantes nécessitent 15 à 30 minutes de fonctionnement pour atteindre une stabilité thermique et des niveaux de vibrations représentatifs.

Mesure et vérification de la vitesse de rotation

Une mesure précise de la vitesse de rotation fournit des informations de référence essentielles pour l'analyse spectrale et le calcul de la fréquence des défauts. Les erreurs de mesure de vitesse affectent directement la précision du diagnostic et peuvent conduire à une identification erronée des défauts.

Les tachymètres optiques permettent de mesurer la vitesse sans contact grâce à un ruban réfléchissant ou à des surfaces naturelles. Ces instruments offrent une grande précision et des avantages en matière de sécurité, mais nécessitent un accès direct à la surface et un contraste de surface adéquat pour un fonctionnement fiable.

Les capteurs magnétiques détectent le passage d'éléments ferromagnétiques tels que les dents d'engrenages ou les rainures de clavette d'arbre. Ces capteurs offrent une excellente précision et une excellente immunité à la contamination, mais nécessitent l'installation de capteurs et de cibles sur les composants rotatifs.

La mesure stroboscopique de la vitesse utilise des lumières clignotantes synchronisées pour créer des images apparemment stationnaires des composants en rotation. Cette technique permet de vérifier visuellement la vitesse de rotation et d'observer le comportement dynamique en fonctionnement.

La vérification de la vitesse par analyse spectrale consiste à identifier les pics spectraux importants correspondant à des fréquences de rotation connues et à les comparer à des mesures directes de vitesse. Cette approche permet de confirmer la précision des mesures et d'identifier les composantes spectrales liées à la vitesse.

Collecte de données de vibrations multipoints

La collecte systématique de données vibratoires suit des itinéraires et des séquences de mesure prédéterminés afin de garantir une couverture complète tout en préservant la qualité et l'efficacité des mesures. Les procédures de collecte de données doivent s'adapter aux différentes conditions d'accès et configurations d'équipement.

La répétabilité du placement des capteurs garantit la cohérence des mesures entre les sessions de collecte de données successives. Les goujons de montage permanents offrent une répétabilité optimale, mais peuvent ne pas convenir à tous les emplacements de mesure. Les méthodes de montage temporaire nécessitent une documentation rigoureuse et des aides au positionnement.

Les considérations relatives au timing des mesures incluent un temps de stabilisation adéquat après l'installation du capteur, une durée de mesure suffisante pour une précision statistique et une coordination avec les plannings de fonctionnement des équipements. Des mesures hâtives produisent souvent des résultats peu fiables qui compliquent l'interprétation du diagnostic.

La documentation des conditions environnementales inclut la température ambiante, l'humidité et les niveaux de bruit de fond susceptibles d'affecter la qualité ou l'interprétation des mesures. Des conditions extrêmes peuvent nécessiter un report des mesures ou une modification des paramètres.

L'évaluation de la qualité en temps réel consiste à surveiller les caractéristiques du signal pendant l'acquisition afin d'identifier les problèmes de mesure avant la fin de la collecte des données. Les analyseurs modernes offrent des affichages spectraux et des statistiques de signal permettant une évaluation immédiate de la qualité.

Surveillance acoustique et mesure de la température

La surveillance des émissions acoustiques complète l'analyse vibratoire en détectant les ondes de contrainte à haute fréquence générées par la propagation des fissures, le frottement et les chocs. Ces mesures permettent d'anticiper l'apparition de problèmes qui pourraient ne pas encore produire de variations vibratoires mesurables.

Les dispositifs d'écoute ultrasonique permettent une surveillance sonore de l'état des roulements grâce à des techniques de décalage de fréquence qui convertissent les émissions ultrasoniques en fréquences audibles. Des techniciens expérimentés peuvent identifier les sons caractéristiques associés à des types de défauts spécifiques.

Les mesures de température fournissent des informations essentielles sur l'état thermique des composants et contribuent à valider les résultats des analyses vibratoires. La surveillance de la température des roulements révèle les problèmes de lubrification et les conditions de charge qui affectent les caractéristiques vibratoires.

La thermographie infrarouge permet de mesurer la température sans contact et d'identifier les schémas thermiques révélateurs de problèmes mécaniques. Les points chauds peuvent indiquer des problèmes de frottement, de désalignement ou de lubrification nécessitant une intervention immédiate.

L'analyse des tendances de température, combinée à celle des vibrations, permet une évaluation complète de l'état des composants et de leur taux de dégradation. Une augmentation simultanée de la température et des vibrations indique souvent une accélération des processus d'usure nécessitant une intervention de maintenance rapide.

Vérification de la qualité des données et détection des erreurs

La vérification de la qualité des mesures implique une évaluation systématique des données acquises afin d'identifier les erreurs ou anomalies potentielles susceptibles d'entraîner des conclusions diagnostiques erronées. Les procédures de contrôle qualité doivent être appliquées immédiatement après la collecte des données, tant que les conditions de mesure sont encore présentes dans la mémoire.

Les indicateurs de qualité de l'analyse spectrale comprennent des niveaux de bruit appropriés, l'absence d'artefacts de repliement évidents et un contenu fréquentiel raisonnable par rapport aux sources d'excitation connues. Les pics spectraux doivent correspondre aux fréquences attendues en fonction des vitesses de rotation et de la géométrie des composants.

L'inspection temporelle des formes d'onde révèle des caractéristiques de signal qui peuvent ne pas être apparentes lors d'une analyse fréquentielle. L'écrêtage, les décalages CC et les anomalies périodiques indiquent des problèmes du système de mesure nécessitant une correction avant l'analyse des données.

La vérification de la répétabilité consiste à collecter plusieurs mesures dans des conditions identiques afin d'évaluer leur cohérence. Une variabilité excessive indique des conditions de fonctionnement instables ou des problèmes avec le système de mesure.

La comparaison historique fournit un contexte pour évaluer les mesures actuelles par rapport aux données précédentes provenant des mêmes points de mesure. Des variations soudaines peuvent indiquer de véritables problèmes d'équipement ou des erreurs de mesure nécessitant une investigation.

2.3.1.7. Évaluation pratique de l'état des roulements à l'aide de données de mesure primaires

Analyse des erreurs de mesure et validation des données

Un diagnostic fiable des roulements nécessite l'identification et l'élimination systématiques des erreurs de mesure susceptibles de masquer de véritables signatures de défaut ou de générer de fausses indications. L'analyse des erreurs commence immédiatement après la collecte des données, tandis que les conditions et procédures de mesure restent claires en mémoire.

La validation de l'analyse spectrale consiste à examiner les caractéristiques du domaine fréquentiel afin de vérifier leur cohérence avec les sources d'excitation connues et les capacités du système de mesure. Les signatures de défauts de roulements authentiques présentent des relations de fréquence et des schémas harmoniques spécifiques qui les distinguent des artefacts de mesure.

L'analyse du domaine temporel révèle des caractéristiques de signal pouvant indiquer des problèmes de mesure, notamment l'écrêtage, les interférences électriques et les perturbations mécaniques. Les signaux de défaut de roulement présentent généralement des caractéristiques impulsives avec des facteurs de crête élevés et des schémas d'amplitude périodiques.

L'analyse des tendances historiques fournit un contexte essentiel pour évaluer les mesures actuelles par rapport aux données précédentes provenant de sites de mesure identiques. Des variations progressives indiquent une véritable dégradation de l'équipement, tandis que des variations soudaines peuvent suggérer des erreurs de mesure ou des influences externes.

La vérification inter-canaux consiste à comparer les mesures de plusieurs capteurs sur un même composant afin d'identifier la sensibilité directionnelle et de confirmer la présence d'un défaut. Les défauts de roulement affectent généralement plusieurs directions de mesure tout en maintenant les relations de fréquence caractéristiques.

L'évaluation des facteurs environnementaux prend en compte les influences externes, telles que les variations de température, les variations de charge et le bruit de fond, susceptibles d'affecter la qualité ou l'interprétation des mesures. La corrélation entre les conditions environnementales et les caractéristiques vibratoires fournit des informations diagnostiques précieuses.

Vérification de la vitesse de rotation par analyse spectrale

La détermination précise de la vitesse de rotation constitue la base de tous les calculs de fréquence de défauts de roulements et de leur interprétation diagnostique. L'analyse spectrale offre de multiples approches de vérification de la vitesse, complémentaires aux mesures directes au tachymètre.

L'identification de la fréquence fondamentale consiste à localiser les pics spectraux correspondant à la fréquence de rotation de l'arbre, qui devraient apparaître de manière prédominante dans la plupart des spectres de machines tournantes en raison d'un déséquilibre résiduel ou d'un léger désalignement. La fréquence fondamentale constitue la référence de base pour tous les calculs de fréquences harmoniques et de roulements.

L'analyse des harmoniques examine la relation entre la fréquence fondamentale et ses harmoniques afin de confirmer la précision de la vitesse et d'identifier d'autres problèmes mécaniques. Un déséquilibre rotationnel pur produit principalement des vibrations à la fréquence fondamentale, tandis que les problèmes mécaniques génèrent des harmoniques plus élevées.

L'identification des fréquences électromagnétiques dans les applications moteurs révèle les composantes de fréquence du réseau et les fréquences de passage des encoches, qui permettent une vérification indépendante de la vitesse. Ces fréquences maintiennent des relations fixes avec la fréquence de l'alimentation électrique et les paramètres de conception du moteur.

L'identification de la fréquence d'engrènement dans les systèmes à engrenages permet une détermination très précise de la vitesse grâce à la relation entre la fréquence d'engrènement et la vitesse de rotation. Les fréquences d'engrènement produisent généralement des pics spectraux importants avec d'excellents rapports signal/bruit.

L'évaluation des variations de vitesse examine la netteté des pics spectraux et la structure des bandes latérales afin d'évaluer la stabilité de la vitesse lors de l'acquisition des mesures. L'instabilité de vitesse crée un maculage spectral et une génération de bandes latérales qui réduisent la précision de l'analyse et peuvent masquer les signatures des défauts de roulement.

Calcul et identification de la fréquence des défauts de roulement

Les calculs de fréquence des défauts de roulements nécessitent des données précises sur la géométrie et la vitesse de rotation des roulements. Ces calculs fournissent des fréquences théoriques servant de modèles pour identifier les signatures réelles des défauts de roulements dans les spectres mesurés.

La fréquence de passage des billes sur la bague extérieure (BPFO) représente la fréquence à laquelle les éléments roulants rencontrent des défauts sur la bague extérieure. Cette fréquence est généralement comprise entre 0,4 et 0,6 fois la fréquence de rotation, selon la géométrie du roulement et les caractéristiques de l'angle de contact.

La fréquence de passage des billes dans la bague intérieure (BPFI) indique le taux de contact de l'élément roulant avec les défauts de la bague intérieure. La BPFI dépasse généralement la BPFO de 20 à 401 TP3T et peut présenter une modulation d'amplitude à la fréquence de rotation en raison des effets de zone de charge.

La fréquence fondamentale du train (FTF) représente la fréquence de rotation de la cage et est généralement égale à 0,35 à 0,45 fois la fréquence de rotation de l'arbre. Des défauts de cage ou des problèmes de lubrification peuvent générer des vibrations à la FTF et à ses harmoniques.

La fréquence de rotation des billes (BSF) indique la fréquence de rotation de chaque élément roulant et apparaît rarement dans les spectres de vibrations, sauf si les éléments roulants présentent des défauts spécifiques ou des variations dimensionnelles. L'identification de la BSF nécessite une analyse minutieuse en raison de sa faible amplitude.

Les considérations de tolérance de fréquence tiennent compte des variations de fabrication, des effets de charge et des incertitudes de mesure qui peuvent entraîner des différences entre les fréquences de défauts réelles et les calculs théoriques. Des bandes passantes de recherche de ±5% autour des fréquences calculées tiennent compte de ces variations.

Reconnaissance de formes spectrales et identification des défauts

L'identification des défauts de roulements nécessite des techniques systématiques de reconnaissance de formes permettant de différencier les signatures de défauts réels des autres sources de vibrations. Chaque type de défaut produit des spectres caractéristiques qui, s'ils sont correctement interprétés, permettent un diagnostic précis.

Les signatures des défauts de la bague extérieure apparaissent généralement sous forme de pics spectraux discrets au niveau du BPFO et de ses harmoniques, sans modulation d'amplitude significative. L'absence de bandes latérales de fréquence de rotation distingue les défauts de la bague extérieure des problèmes de la bague intérieure.

Les signatures des défauts de la bague interne présentent une fréquence fondamentale BPFI avec des bandes latérales espacées selon des intervalles de fréquence de rotation. Cette modulation d'amplitude résulte des effets de zone de charge lorsque la zone défectueuse tourne sous différentes conditions de charge.

Les signatures de défauts des éléments roulants peuvent apparaître au niveau du BSF ou entraîner une modulation des fréquences d'autres roulements. Ces défauts produisent souvent des spectres complexes qui nécessitent une analyse minutieuse pour les distinguer des défauts de chemin de roulement.

Les signatures de défauts de cage se manifestent généralement au niveau de la FTF et de ses harmoniques, souvent accompagnées d'un bruit de fond accru et d'une amplitude instable. Les problèmes de cage peuvent également moduler d'autres fréquences de roulement.

Mise en œuvre et interprétation de l'analyse d'enveloppe

L'analyse d'enveloppe extrait les informations de modulation d'amplitude des vibrations haute fréquence afin de révéler les défauts de roulements basse fréquence. Cette technique s'avère particulièrement efficace pour détecter les défauts de roulements à un stade précoce, qui peuvent ne pas produire de vibrations basse fréquence mesurables.

La sélection des bandes de fréquences pour l'analyse de l'enveloppe nécessite l'identification des résonances structurelles ou des fréquences propres des roulements, excitées par les forces d'impact. Les bandes de fréquences optimales se situent généralement entre 1 000 et 8 000 Hz, selon la taille du roulement et les caractéristiques de montage.

Les paramètres de conception des filtres influencent considérablement les résultats de l'analyse d'enveloppe. Les filtres passe-bande doivent fournir une bande passante suffisante pour capturer les caractéristiques de résonance tout en excluant les résonances adjacentes susceptibles de perturber les résultats. Les caractéristiques d'atténuation des filtres affectent la réponse transitoire et la sensibilité de la détection d'impact.

L'interprétation du spectre d'enveloppe suit des principes similaires à ceux de l'analyse spectrale conventionnelle, mais se concentre sur les fréquences de modulation plutôt que sur les fréquences porteuses. Les fréquences des défauts de roulement apparaissent sous forme de pics discrets dans les spectres d'enveloppe, dont les amplitudes indiquent la gravité du défaut.

L'évaluation de la qualité de l'analyse d'enveloppe consiste à évaluer le choix du filtre, les caractéristiques de la bande de fréquences et le rapport signal/bruit afin de garantir des résultats fiables. De mauvais résultats d'analyse d'enveloppe peuvent indiquer un choix de filtre inapproprié ou une excitation de résonance structurelle insuffisante.

Évaluation de l'amplitude et classification de la gravité

L'évaluation de la gravité des défauts des roulements nécessite une évaluation systématique des amplitudes vibratoires par rapport aux critères établis et aux tendances historiques. La classification de la gravité permet de planifier la maintenance et d'évaluer les risques pour la continuité de l'exploitation.

Les critères d'amplitude absolue fournissent des lignes directrices générales pour l'évaluation de l'état des roulements, basées sur l'expérience et les normes du secteur. Ces critères établissent généralement des niveaux d'alerte et d'alarme pour les vibrations globales et des bandes de fréquences spécifiques.

L'analyse des tendances évalue les variations d'amplitude au fil du temps afin d'évaluer les taux de dégradation et de prédire la durée de vie utile restante. Une croissance exponentielle de l'amplitude indique souvent une accélération des dommages nécessitant une intervention de maintenance rapide.

L'analyse comparative évalue l'état des roulements par rapport à des roulements similaires utilisés dans des applications identiques, afin de tenir compte des conditions de fonctionnement et des caractéristiques d'installation spécifiques. Cette approche permet une évaluation plus précise de la gravité que les seuls critères absolus.

L'intégration de paramètres multiples combine les informations provenant des niveaux vibratoires globaux, des fréquences de défauts spécifiques, des résultats d'analyse d'enveloppe et des mesures de température pour fournir une évaluation complète des roulements. L'analyse d'un seul paramètre peut fournir des informations incomplètes ou trompeuses.

Effets de la zone de charge et analyse du modèle de modulation

La répartition de la charge des roulements influence considérablement les signatures vibratoires et l'interprétation des diagnostics. Les effets de zone de charge créent des modèles de modulation d'amplitude qui fournissent des informations complémentaires sur l'état des roulements et les caractéristiques de charge.

La modulation des défauts de la bague intérieure se produit lorsque les zones défectueuses traversent des zones de charge variables à chaque tour. La modulation maximale se produit lorsque les défauts correspondent aux positions de charge maximale, tandis que la modulation minimale correspond aux positions sans charge.

L'identification des zones de charge par analyse de modulation révèle les schémas de charge des roulements et peut indiquer un désalignement, des problèmes de fondation ou une répartition anormale de la charge. Des schémas de modulation asymétriques suggèrent des conditions de charge non uniformes.

L'analyse des bandes latérales examine les composantes fréquentielles entourant les fréquences de défaut des roulements afin de quantifier la profondeur de modulation et d'identifier les sources de modulation. Les bandes latérales de fréquences de rotation indiquent les effets de zone de charge, tandis que d'autres fréquences de bandes latérales peuvent révéler des problèmes supplémentaires.

L'analyse de phase des schémas de modulation fournit des informations sur la localisation des défauts par rapport aux zones de charge et peut aider à prédire la progression des dommages. Des techniques d'analyse avancées permettent d'estimer la durée de vie restante des roulements en fonction des caractéristiques de modulation.

Intégration avec des techniques de diagnostic complémentaires

L'évaluation complète des roulements intègre l'analyse des vibrations à des techniques de diagnostic complémentaires pour améliorer la précision et réduire le taux de fausses alertes. Plusieurs approches diagnostiques permettent de confirmer l'identification du problème et d'en évaluer la gravité.

L'analyse de l'huile révèle la présence de particules d'usure des roulements, les niveaux de contamination et la dégradation du lubrifiant, corrélés aux résultats de l'analyse vibratoire. L'augmentation des concentrations de particules d'usure précède souvent de plusieurs semaines les changements vibratoires détectables.

La surveillance de la température fournit une indication en temps réel de l'état thermique et des niveaux de frottement des roulements. Les augmentations de température s'accompagnent souvent d'une augmentation des vibrations lors des processus de dégradation des roulements.

La surveillance des émissions acoustiques détecte les ondes de contrainte à haute fréquence issues de la propagation des fissures et des phénomènes de contact de surface, qui peuvent précéder les signatures vibratoires conventionnelles. Cette technique permet une détection précoce des défauts.

La surveillance des performances évalue les effets des roulements sur le fonctionnement du système, notamment les variations d'efficacité, les variations de répartition de la charge et la stabilité opérationnelle. Une dégradation des performances peut indiquer des problèmes de roulement nécessitant une investigation, même lorsque les niveaux de vibrations restent acceptables.

Exigences en matière de documentation et de rapports

Des diagnostics de roulement efficaces nécessitent une documentation complète des procédures de mesure, des résultats d'analyse et des recommandations de maintenance pour soutenir la prise de décision et fournir des enregistrements historiques pour l'analyse des tendances.

La documentation des mesures comprend la configuration de l'équipement, les conditions environnementales, les paramètres de fonctionnement et les résultats de l'évaluation de la qualité. Ces informations permettent la répétabilité des mesures futures et fournissent un contexte pour l'interprétation des résultats.

Une documentation d'analyse consigne les procédures de calcul, les méthodes d'identification des fréquences et le raisonnement diagnostique pour étayer les conclusions et permettre l'évaluation par les pairs. Une documentation détaillée facilite le transfert des connaissances et les activités de formation.

La documentation des recommandations fournit des directives claires en matière de maintenance, notamment la classification des urgences, les procédures de réparation suggérées et les exigences de surveillance. Les recommandations doivent inclure une justification technique suffisante pour étayer les décisions de planification de la maintenance.

La maintenance de la base de données historique garantit l'accessibilité des résultats de mesure et d'analyse pour l'analyse des tendances et les études comparatives. Une organisation judicieuse de la base de données facilite l'analyse à l'échelle du parc et l'identification des problèmes courants sur des équipements similaires.

Conclusion

Le diagnostic vibratoire des composants des locomotives ferroviaires est une discipline d'ingénierie sophistiquée qui allie principes mécaniques fondamentaux et technologies de mesure et d'analyse avancées. Ce guide complet explore les éléments essentiels à la mise en œuvre efficace d'une surveillance vibratoire de l'état des locomotives.

La réussite d'un diagnostic vibratoire repose sur une compréhension approfondie des phénomènes oscillatoires des machines tournantes et des caractéristiques spécifiques des blocs essieux-moteurs (BEM), des blocs essieux-engrenages (BEG) et des machines auxiliaires (MA). Chaque type de composant présente des signatures vibratoires uniques qui nécessitent des approches d'analyse et des techniques d'interprétation spécialisées.

Les systèmes de diagnostic modernes offrent de puissantes capacités de détection précoce des défauts et d'évaluation de leur gravité. Cependant, leur efficacité dépend essentiellement d'une mise en œuvre adéquate, du contrôle de la qualité des mesures et d'une interprétation rigoureuse des résultats. L'intégration de plusieurs techniques de diagnostic améliore la fiabilité et réduit le taux de fausses alarmes, tout en permettant une évaluation complète de l'état des composants.

Les progrès constants en matière de technologie des capteurs, d'algorithmes d'analyse et de capacités d'intégration des données promettent de nouvelles améliorations en termes de précision du diagnostic et d'efficacité opérationnelle. Les entreprises de maintenance ferroviaire qui investissent dans des capacités complètes de diagnostic des vibrations bénéficieront d'avantages significatifs grâce à une réduction des pannes imprévues, une planification optimisée de la maintenance et une sécurité opérationnelle renforcée.

La mise en œuvre réussie du diagnostic vibratoire nécessite un engagement continu en matière de formation, de progrès technologiques et de procédures d'assurance qualité. À mesure que les systèmes ferroviaires évoluent vers des vitesses plus élevées et des exigences de fiabilité accrues, le diagnostic vibratoire jouera un rôle de plus en plus crucial pour assurer la sécurité et l'efficacité de l'exploitation des locomotives.