Diagnostic des défauts d'engrenages grâce à l'analyse des vibrations
Défauts de l'engrenage sont des modes d'usure et d'endommagement — usure des dents, fissures, excentricité, désalignement — qui se développent dans les engrenages utilisés pour la transmission de puissance dans les machines industrielles. L'engrènement des dents d'un engrenage est un processus intrinsèquement bruyant et vibrant, de sorte que des engrenages sains produisent une signature vibratoire très claire et stable ; tout écart par rapport à cette signature est un indicateur fort de problème. analyse des vibrations peut détecter ces écarts à un stade très précoce, il repère les défauts des engrenages bien avant qu'ils ne se transforment en défaillance catastrophique d'une boîte de vitesses.
1. La signature vibratoire des engrenages
Chaque jeu d'engrenages a une empreinte caractéristique dans le domaine des fréquences, dominée par la vitesse à laquelle les dents s'engagent et entourée par l'activité liée à la rotation de chaque arbre. Une mesure de référence d'un réducteur sain est donc l'une des références les plus précieuses qu'un programme de fiabilité puisse détenir : les défauts ne sont pas diagnostiqués par un nombre absolu, mais par la façon dont le spectre d'aujourd'hui et forme d'onde temporelle diffèrent de cette signature connue. La discipline du diagnostic des engrenages consiste essentiellement à interpréter correctement cette différence, ce qui explique pourquoi les engrenages occupent une place si importante dans les programmes de routine. surveillance de l'état.
2. Fréquence d'engrènement (GMF)
La fréquence la plus importante dans l’analyse des boîtes de vitesses est la Fréquence d'engrènement (GMF) - la vitesse à laquelle les dents de deux engrenages s'engrènent l'une dans l'autre.
GMF = Nombre de dents sur un engrenage × Vitesse de rotation de cet engrenage
Dans une boîte de vitesses saine, le Spectre FFT présente un pic clair au niveau du GMF, généralement accompagné de quelques petits harmoniques (2×GMF, 3×GMF). L'amplitude du pic de la FMV reflète la charge exercée sur les engrenages, de sorte qu'un pic de FMV élevé n'est pas nécessairement un défaut - il peut simplement signifier que la boîte de vitesses travaille dur. Les véritables informations de diagnostic se trouvent dans les fréquences autour de le pic du GMF, et non dans le pic lui-même. Comme le GMF dépend à la fois du nombre de dents et de la vitesse, il est facile de faire une erreur d'identification à la main ; un Calculateur de fréquence d'engrènement résout le GMF et ses bandes latérales pour un jeu d'engrenages donné, en secondes.
3. Utilisation des bandes latérales pour diagnostiquer les défauts
bandes latérales sont l'outil le plus puissant pour diagnostiquer des problèmes spécifiques aux engrenages. Il s'agit de petits pics apparaissant de part et d'autre du GMF et de ses harmoniques, produits lorsqu'un défaut module le processus d'engrènement. L'indice crucial est leur espacement: l'écart entre une bande latérale et le pic du GMF est égal à la vitesse de rotation de l'arbre portant l'engrenage défectueux, ce qui indique immédiatement que qui l'arbre à inspecter.
- Engrenage usé ou excentré : un usé, excentrique ou l'engrenage défectueux module le GMF à sa propre vitesse de rotation, ce qui crée des bandes latérales espacées à la vitesse de course (1×) de l'arbre de cet engrenage. Si les bandes latérales correspondent à la vitesse de l'arbre d'entrée, le défaut se situe au niveau de l'engrenage d'entrée.
- Usure générale des dents : usure des engrenages augmente généralement l'amplitude de la FMV et de ses harmoniques, accompagnée de bandes latérales 1× provenant de l'engrenage correspondant.
- Dent fissurée ou cassée : une seule dent fissurée ou cassée génère un pic important à la vitesse de rotation 1× de cet engrenage, souvent avec de nombreuses harmoniques, ainsi que des bandes latérales autour de la FMV espacées à la vitesse de cet engrenage. La forme d'onde temporelle est particulièrement utile dans ce cas : elle montre un impact distinct et périodique chaque fois que la dent endommagée tente de s'engrener.
- Désalignement des engrenages : désalignement des engrenages produit souvent une harmonique 2× de la FMV importante, parfois plus haute que le pic primaire de la FMV, accompagnée à nouveau de bandes latérales de vitesse de rotation.
Un effet connexe qu'il convient de connaître est le fréquence des dents de chasse, il s'agit du très faible taux auquel une paire de dents spécifique se réengrène ; les défauts impliquant une dent défectueuse sur chaque engrenage peuvent l'exciter.
4. Techniques d'analyse spécialisées
En raison de la richesse des vibrations des engrenages, l'analyse spectrale standard est souvent renforcée par des techniques qui isolent le signal de l'engrenage :
- Analyse de la forme d'onde temporelle : essentielle pour confirmer la présence de dents cassées ou fissurées, qui se manifestent par des impacts aigus et répétés, synchronisés avec la rotation de l'engrenage plutôt qu'avec l'engrènement.
- Analyse du cepstre: une transformation qui condense des familles entières de bandes latérales régulièrement espacées en composants uniques, faciles à lire, rendant ainsi visibles les motifs de bandes latérales lorsqu'ils sont enfouis dans une FFT encombrée.
- Analyse d'enveloppe: démodule la porteuse haute fréquence pour exposer le taux d'impact basse fréquence d'un défaut dentaire localisé, complétant ainsi l'image de la bande latérale.
5. Étapes de la défaillance d'un engrenage
L'analyse des vibrations permet de suivre la progression d'un défaut d'engrenage en quatre étapes reconnaissables, ce qui donne aux équipes de maintenance le temps nécessaire pour planifier une intervention :
- Stade 1 (début) : de petites bandes latérales apparaissent autour du FMV. Le niveau global de vibration peut ne pas changer du tout.
- Stade 2 (modéré) : les amplitudes des bandes latérales augmentent et les harmoniques du FMV commencent à apparaître avec leurs propres bandes latérales.
- Stade 3 (grave) : la FMV et ses harmoniques comportent de nombreuses bandes latérales importantes, la fréquence 1× de l'engrenage problématique commence à augmenter et le plancher de bruit du spectre s'élève.
- Stade 4 (catastrophique) : la FMV peut disparaître, remplacée par une signature vibratoire bruyante et aléatoire lorsque les dents sont gravement endommagées ou détruites.
6. Mise en pratique sur le terrain
Le diagnostic des engrenages commence par une mesure de champ propre à la vitesse et à la charge de fonctionnement. Un instrument portable à deux canaux tel que le Balanset-1A capture le spectre FFT et la forme d'onde temporelle brute de chaque roulement, ce qui permet à l'ingénieur de localiser la FMV, de lire l'espacement des bandes latérales pour localiser le défaut sur un arbre spécifique et d'observer la forme d'onde pour détecter l'impact périodique révélateur d'une dent cassée, le tout sans ouvrir la boîte de vitesses. Lorsqu'un réducteur entraîne ou supporte également un rotor, le même instrument permet de vérifier que le balourd résiduel palier et les vibrations liées au balourd restent dans les limites des normes telles que la norme ISO 20816, de sorte qu'un défaut d'engrenage confirmé n'est pas masqué par des sources sans rapport avec le problème. Pris au stade 1 ou 2, un défaut d'engrenage devient une réparation programmée plutôt qu'une panne imprévue.
