Accéléromètres à large bande passante pour la maintenance conditionnelle

La plupart des machines entraînées par de gros moteurs électriques ont un entraînement d’entrée fonctionnant à une vitesse comprise entre 900 et 3 600 tr/min (15 à 60 Hz). Cette fréquence fondamentale peut facilement être surveillée à l’aide d’accéléromètres à bande passante relativement faible, mais les informations que ce signal fournit peuvent être limitées à la seule condition de déséquilibre.

Les roulements sont une cause fréquente de défaillance des machines. Lorsque les roulements commencent à être défectueux, le niveau de vibration produit aux premiers stades de la défaillance peut être très faible et être masqué par des vibrations provenant d’autres sources. L’analyse dans le domaine des fréquences est très utile pour révéler les petits signaux qui peuvent être cachés dans le domaine temporel. Les fréquences caractéristiques des roulements sont généralement plusieurs fois supérieures à la vitesse de fonctionnement (environ 50 % du nombre de billes multiplié par la vitesse de fonctionnement) et peuvent être présentes même lorsque l’équipement est en bon état. Les défauts de roulements ont tendance à être impulsifs, ce qui produit une série d’harmoniques espacées à la fréquence caractéristique, s’étendant à des fréquences très élevées.

Les engrenages représentent un autre cas où des multiples élevés de la vitesse/fréquence de fonctionnement seront générés, bien que les boîtes de vitesses puissent être beaucoup plus complexes à analyser. La fréquence de base d’un engrenage est donnée par le produit du nombre de dents et de la vitesse de rotation en Hz. L’amplitude des bandes latérales ou des harmoniques de cette fréquence peut indiquer l’apparition ou la gravité de divers défauts. Les engrenages possèdent également leurs propres fréquences naturelles, qui peuvent être excitées par des défauts impulsifs ou par de fortes vibrations à des fréquences plus élevées.

Les pales et les aubes génèrent à nouveau des vibrations à un multiple de la vitesse de fonctionnement, même lorsqu’elles sont en bon état. La fréquence de passage des pales est déterminée par le nombre de pales multiplié par la vitesse de rotation. Une pale manquante génère un grand nombre d’harmoniques de la fréquence de passage de la pale (ainsi qu’un déséquilibre croissant à 1 fois la fréquence de fonctionnement).

Un relâchement mécanique est également très susceptible de faire apparaître dans le spectre de nombreuses harmoniques de la vitesse de fonctionnement. En termes généraux, le relâchement peut provoquer des discontinuités dans le mouvement, et les changements soudains de position ou de déplacement peuvent produire des niveaux d’accélération très élevés. 

Pour illustrer la nature générale des discontinuités mécaniques, une simulation digitale est présentée ci-dessous. On suppose qu’une partie d’un mécanisme se déplace nominalement de ±5 mm à une fréquence de 50 Hz. Pour créer une discontinuité simulée, nous coupons le déplacement, sur les excursions positives uniquement, à 4,98 mm, comme indiqué dans le tracé zoomé à droite :

Le diagramme d’accélération correspondant montre la composante d’accélération sinusoïdale sous-jacente à ±50,3 g, mais avec des impulsions générées par le début et la fin de l’écrêtage mécanique (avec des pics de -237 g) :

Maintenant, le résultat FFT correspondant, d’abord avec toute la bande passante, puis un zoom de 2 kHz :

Le « défaut » de 0,020 mm a introduit une énergie de signal significative sur une très large bande passante, sous la forme d’une série d’harmoniques très rapprochées de la vitesse de fonctionnement. Dans cette simulation, la magnitude à 10 kHz n’est que de quelques dB en dessous du niveau autour de 1 500 Hz, et l’énergie du signal se poursuit bien au-delà de 10 kHz.

Maintenant, que se passe-t-il si nous limitons la bande passante de l’appareil de détection (accéléromètre) ? Dans la simulation ci-dessous, un filtre digital passe-bas à 5 kHz a été appliqué aux mêmes données :

Dans ce cas, au lieu que les pics négatifs atteignent -237 g, la restriction de la bande passante les a réduits à -158 g (une baisse d’un tiers).

Bien que cette simulation digitale ne soit pas destinée à représenter un cas spécifique du monde réel, les principes généraux restent valables : les discontinuités mécaniques abruptes du mouvement provoquent de courtes impulsions d’accélération. Les impulsions produisent une énergie à large bande passante dans le spectre, et un capteur dont la bande passante est limitée ne pourra pas saisir toute l’étendue des événements transitoires.

Même les très grandes structures à rotation lente (comme les éoliennes) peuvent être couplées à des jeux d’engrenages ayant plusieurs étages et un nombre de dents très élevé. L’énergie du signal supérieure à 10 kHz est considérée comme utile pour la détection précoce des défauts, car elle permet de s’affranchir des vibrations d’ordre inférieur à des niveaux d’amplitude plus élevés qui peuvent être présents dans des conditions de fonctionnement normales.

Les événements individuels qui créent une fracture ou un écaillage peuvent libérer de l’énergie sur une très large bande passante (les mesures de déformation dynamique ont montré une énergie ultrasonique jusqu’à 1 MHz). Bien que l’on ne puisse pas s’attendre à ce que les accéléromètres classiques capturent une bande passante aussi large, les signaux de la bande audio peuvent indiquer une certaine probabilité de dommages.

Deux traces temporelles sont montrées ci-dessus, à gauche se trouve un impact métal-verre dur qui n’a causé aucun dommage visible ; à droite, un impact métal-verre qui a provoqué un écaillage local limité du verre (dans une zone inférieure à 1 mm de diamètre). Leurs spectres sont superposés ci-dessous.

La courbe bleue représente l’impact sans écaillage, la courbe orange l’impact avec écaillage. Il y a une bonne séparation généralement dans la gamme de 5 kHz à 15 kHz, et particulièrement de 12 à 15 kHz.

Bien qu’il s’agisse d’événements transitoires (limités dans le temps) avec des énergies relativement élevées, nous pouvons considérer que certaines formes d’usure des machines sont une série continue d’événements d’écaillage microscopiques. Les accéléromètres piézoélectriques, offrant une excellente résolution sur une très large bande passante, constituent une approche appropriée pour la détection précoce du bruit à haute fréquence associé à l’usure de la machine.

Dans un accéléromètre MEMS capacitif, le mouvement inertiel d’une rangée de doigts par rapport à une rangée fixe est détecté en mesurant le changement de capacité entre les rangées. Pour ce faire, on laisse généralement la variation de capacité modifier une fréquence, bien au-dessus de la bande passante de détection prévue, qui peut ensuite être démodulée pour obtenir une sortie analogique finale. Comme l’appareil est constamment excité, la consommation d’énergie est généralement nettement supérieure à celle d’un appareil piézoélectrique. Jusqu’à relativement récemment, les appareils MEMS capacitifs étaient limités à un fonctionnement à basse fréquence, bien qu’il existe une tendance actuelle vers des appareils à bande passante plus élevée.

Par rapport à la technologie MEMS, les accéléromètres piézoélectriques peuvent atteindre une bande passante nettement plus élevée et des performances sonores supérieures (résolution du signal). L’élément de détection est généralement un matériau céramique piézoélectrique (ou « cristal ») chargé en cisaillement par une masse inertielle. En raison de la grande rigidité et de la grande sensibilité aux charges du cristal, ainsi que de la masse relativement faible requise pour atteindre les plages de détection typiques pour la maintenance conditionnelle, la fréquence de résonance sera au minimum inférieure à 30 kHz, avec certains modèles inférieurs à 50 kHz. Ainsi, la bande passante peut s’étendre bien au-delà de 10 kHz. L’élément de détection piézoélectrique lui-même ne nécessite aucune alimentation, et le conditionnement du signal (conversion de la charge en tension) peut être assuré dans un appareil nécessitant un courant très faible.