Diagnostic des défauts de roulement
Défauts de roulement sont des défauts microscopiques ou macroscopiques — fissures, épaufrures ou piqûres — sur les surfaces de travail d'un roulement. Les roulements étant un élément fondamental de la plupart des machines tournantes et un point de défaillance fréquent, la détection précoce de ces défauts est l'une des tâches les plus valorisées en analyse des vibrations. Un défaut produit un impact répétitif et périodique chaque fois qu'un élément roulant roule dessus, et c'est précisément cette périodicité qui rend le défaut visible dans le spectre longtemps avant que le roulement ne surchauffe ou ne devienne audible.
1. La nature des défauts des roulements
Un roulement typique se compose de quatre parties : une bague extérieure, une bague intérieure, un ensemble de billes ou de rouleaux et une cage qui maintient les éléments régulièrement espacés. Un défaut est une imperfection sur l'une de ces surfaces. Lorsqu'un élément roulant passe sur le défaut, le contact génère un petit impact net à haute fréquence - un “clic”. Un seul clic transporte très peu d'énergie, mais les impacts se répètent à chaque passage, créant ainsi un signal fortement périodique. L'analyse vibratoire est exceptionnellement efficace pour détecter ce type d'impact répétitif, ce qui explique pourquoi un roulement qui se détériore peut être détecté des mois à l'avance plutôt qu'au moment du grippage.
2. Les quatre fréquences de défaut fondamentales
La pierre angulaire du diagnostic des roulements est que, pour une géométrie de roulement et une vitesse d'arbre données, les impacts se produisent à des taux très spécifiques et prévisibles. Ces fréquences de défaut des roulements sont :
- BPFO (Fréquence des passes, circuit extérieur) : la vitesse à laquelle les éléments roulants passent en un seul point de la bague extérieure fixe. Il s'agit de la fréquence des défauts de roulements la plus couramment observée.
- BPFI (Fréquence des passes, circuit intérieur) : la vitesse à laquelle les éléments passent un point de la bague intérieure. Comme la bague intérieure tourne avec l'arbre, le BPFI est plus élevé que le BPFO.
- BSF (Fréquence de rotation de la balle) : la fréquence à laquelle un élément roulant tourne autour de son propre axe. Un défaut BSF montre souvent de l'énergie à deux fois cette fréquence, parce que le défaut frappe les deux bagues à chaque révolution de l'élément.
- FTF (Fréquence fondamentale du train) : la fréquence de rotation de la cage ou du “train.” Il s'agit d'une fréquence très basse, généralement inférieure à 0,5 fois la vitesse de fonctionnement.
Ces taux dépendent de la géométrie du roulement - diamètre primitif, diamètre des éléments roulants, angle de contact et nombre d'éléments - ainsi que de la vitesse de l'arbre. Les logiciels de vibration disposent généralement d'une importante base de données de roulements et les calculent automatiquement, et ils peuvent être obtenus directement à partir d'un Calculateur de fréquence des défauts de roulements lorsque la référence ou les dimensions du roulement sont connues.
3. Comment les défauts de roulement apparaissent dans le spectre
Un défaut en cours de développement laisse une trace caractéristique dans le Spectre FFT:
- Pics de haute fréquence : la fréquence du défaut lui-même (par exemple BPFO) apparaît comme un pic bien en amont de la gamme de fréquences, loin des pics de rotation d'ordre inférieur.
- Harmoniques: la nature aiguë et impulsive des impacts génère généralement plusieurs harmoniques - multiples exacts - de la fréquence du défaut, et une longue série d'harmoniques indique un défaut bien développé.
- bandes latérales: c'est le marqueur de diagnostic critique. Le pic de fréquence du défaut est généralement flanqué de bandes latérales espacées de 1X la vitesse de rotation. Un pic BPFO avec des bandes latérales de 1X est une signature classique de bague extérieure, tandis qu'un défaut de bague intérieure (BPFI) comporte presque toujours des bandes latérales de 1X parce que le défaut rotatif entre et sort de la zone de charge du roulement une fois par révolution, modulant ainsi la force d'impact.
Dans les premiers stades, ces pics sont petits et facilement noyés dans le bruit de fond du spectre, c'est pourquoi une technique de détection spécialisée est normalement appliquée.
4. Analyse de l'enveloppe pour une détection précoce
Analyse d'enveloppe, également appelée démodulation, est la méthode la plus efficace pour détecter les défauts de roulements à un stade précoce. Il s'agit d'une technique de traitement des signaux qui filtre en bande passante les vibrations à basse fréquence et à haute énergie provenant de sources telles que déséquilibrer et désalignement, le traitement d'enveloppe se concentre ensuite uniquement sur les impacts à haute fréquence et à faible énergie produits par le défaut. Les impacts répétitifs font résonner les fréquences naturelles de la structure, et le traitement d'enveloppe extrait le taux de répétition de cette résonance.
Le résultat spectre d'enveloppe est remarquablement “propre”, affichant clairement les fréquences de défaut des roulements et leurs harmoniques sur un faible fond de bruit. Cela permet une détection des mois — parfois des années — avant que le roulement ne tombe en panne, ce qui permet un remplacement planifié au lieu d'une panne d'urgence.
5. Confirmation du diagnostic sur le terrain
Un diagnostic de palier solide repose sur la correspondance entre les pics mesurés et les fréquences de défaut calculées et sur la confirmation du schéma de bande latérale attendu, idéalement étayé par un spectre d'enveloppe et une tendance claire à la hausse au fil des mesures successives. Un instrument portable à deux canaux tel que le Balanset-1A permet à un ingénieur de capturer le spectre sur la machine dans ses propres roulements à la vitesse de fonctionnement, de sorte qu'un défaut de roulement suspecté peut être vérifié sur place par rapport aux fréquences prévues. Il convient également d'écarter les ressemblances : les défauts structurels relâchement et les défauts des éléments roulants peuvent tous deux augmenter l'énergie à large bande, mais seul un véritable défaut de roulement correspond aux familles BPFO, BPFI, BSF ou FTF.
