Monitoring électrique des roulements pour l'industrie du futur et analyse des défaillances
Qu’il s’agisse de votre véhicule, de votre machine à laver, de votre disque dur ou autres machines tournantes, les roulements sont indispensables à leur bon fonctionnement. Cet objet si discret est pourtant omniprésent au quotidien, pourtant sa technologie n’a pas évolué depuis le début du XIX e siècle. Sur les chaı̂nes de production, l'analyse fonctionnelle (AMDEC) révèle qu'une panne sur deux est due à un problème de roulement et de façon générale, à une liaison mécanique. Compte tenu de l’importance des enjeux en termes de productivité, de sécurité des biens et des personnes, les problématiques liées à la surveillance et au diagnostic des défauts sont devenus prioritaires dans des secteurs aussi variés que l’aéronautique, le transport, l’énergie, ... Il est donc nécessaire de concentrer les efforts de diagnostic des machines tournantes sur les roulements et leurs analyses des défaillances .
Partenaires académiques et industriels du projet
L’usure d’un roulement peut difficilement être décrite théoriquement du fait de la complexité des mécanismes mis en jeu et même les approches numériques existantes se révèlent inadaptées. La génération de bruits, de vibrations anormales, d’échauffement témoignent trop tardivement de l’initiation d’un mode de défaillance ce qui implique bien souvent le remplacement du composant incriminé. Depuis 2008, les études menées au Laboratoire des Technologies Innovantes ont clairement établi la pertinence des mesures électriques localisées sur les roulements et généré une démarche prometteuse. La combinaison de cette technique avec les méthodes principales de surveillance usuellement rencontrées devrait conduire à un outil de suivi des machines tournantes très performant en complétant l’aide à la décision. Du point de vue industriel, la définition d’indices de qualité à partir des mesures électriques et des données issues des méthodes classiques, permettrait de pouvoir suivre l’évolution des roulements qui sont au coeur des préoccupations dans les machines tournantes. Les partenaires industriels misent sur cette approche originale ouvrant la voie au développement :
• de broches intelligentes
• d’outils innovants de surveillance (monitoring), de prédiction et de suivi du vieillissement • d’assistance à l’usinage
pour tendre vers des procédés intelligents au service de l’industrie du futur et ainsi améliorer la production et la maintenance industrielle. Le consortium d’industriels représente chaque maillon de la production, de la fabrication de la broche (EREM) en passant par la conception de la machine tournante (FIVES machining) pour finir à l’utilisateur final (GIMA).
De nombreuses méthodes de surveillance existent, essentiellement basées sur l’évolution des vibrations engendrées par le fonctionnement des machines. Ce diagnostic vibratoire, complété par des mesures acoustiques et thermiques, permet de détecter des anomalies à un stade plus ou moins précoce, et parfois même d’en déterminer l’origine. Ces techniques basées sur la sensibilité des capteurs se révèlent aussi limitées et faillibles. Par exemple, pour des applications à basse vitesse que l’on retrouve dans le domaine de l’éolien, les signatures thermiques et vibratoires sont difficilement exploitables et la méthode électrique fournirait en plus des méthodes ultrasonores, une alternative fiable pour surveiller les génératrices. Plus généralement, sur une chaı̂ne de production, les opérations de maintenance correctives occasionnent des arrêts machines qui engendrent aussi des coûts non-négligeables. Pour compléter ces méthodes de surveillance, il est proposé au sein de ce projet innovant Picardie Technopole financé par la région Hauts-de-France, de s’intéresser à la réponse électrique d’un roulement en opération. Pour cela, en plus des partenaires industriels, une équipe académique pluridisciplinaire associant laboratoires de l’Université de Picardie Jules Verne et chercheurs de l’école d’ingénieur ESIEE-Amiens concentre les attentions sur le comportement électrique du roulement en réponse aux sollicitations mécaniques qu’il subit. Le principe de la mesure est résumé ci-dessous.
Pour démontrer la faisabilité de la méthode électrique, des bancs d’essais ont été spécialement conçus au sein du projet à partir d’un cahier des charges défini par l’ensemble des partenaires. Ces machines nous permettent de tester différents scénarii de fonctionnement tout en réalisant des mesures électriques et autres mesures standards sur des roulements.L’acquisition est pour le moment réalisée à l’aide d’un multimètre de précision. La réponse électrique d’un roulement est ainsi étudiée dans diverses configurations. Des défauts peuvent être introduits au fonctionnement du banc et la mesure proposée les trahit électriquement. Le traitement des données électriques montre certaines similitudes avec techniques classiques ce qui en fait un atout pour le personnel de maintenance. En plus de permettre d’établir un diagnostic. La réponse électrique du roulement dans des conditions de fonctionnement normales est aujourd’hui maı̂trisée pour des vitesses allant jusqu’à environ 2000 tours/min. Dès lors, nous sommes aussi capables de diagnostiquer des fonctionnements anormaux impliquant des anomalies dans le chargement mécanique (balourd, déséquilibre, désalignement, jeux, ...), des résonances dans le système mécanique, des défauts d’écaillages,... Ces mesures permettraient aussi de remonter à la vitesse réelle du moteur, au chargement mécanique et aux propriétés liées à la lubrification à l’origine des détériorations.
D’autre part, une étude numérique est proposée pour aider à l’interprétation des signaux électriques mesurés et participer aux nouvelles pratiques de l’industrie du futur. Jusqu’à présent, il existait deux types de logiciel (éléments finis et multibody) pour simuler le roulement moyennant certaines approximations. Pour répondre aux limites actuelles de ces logiciels et permettre l’étude du transfert électrique, une modélisation globale par éléments discrets, d’ordinaire dédiée à l’étude des milieux granulaires, est mise en place pour accéder précisément et efficacement aux phénomènes couplés ayant lieu au contact, sans pour autant allonger le temps de calcul. Cette nouvelle approche ”multiechelle” permet d’individualiser le suivi d’un élément roulant, de tester les modèles électriques, de comprendre les phénomènes liés à l’endommagement,... Le roulement est finalement vu comme un milieu granulaire métallique particulier. D’ailleurs, des caractéristiques électriques communes relatives aux propriétés physiques du contact (Effet Branly ) ont été décelées expérimentalement dans ces deux milieux.
Dans un premier temps, ce logiciel reproduit les données mécaniques des constructeurs de roulement. Le transfert électrique est ensuite intégré aux simulations avec des modèles de couplage. Généralement, la réponse électrique d’un contact bille/bague (frottant/roulant) fait intervenir des phénomènes tribologiques complexes (rugosité, lubrification/oxydation, thermiques, ...). Dans le cas des basses vitesses, le transfert électrique dans le roulement suggère un couplage électromécanique simplifié où chaque élément roulant se comporte comme une résistance électrique dont la valeur dépend principalement de la pression au contact et de l’état des surfaces en regard. La résistance électrique du roulement total est formée d’un assemblage de résistances qui varie au cours du temps. L’introduction d’une anomalie dans la simulation (écaillages, déséquilibres, ...) se manifeste aussi par des signatures typiques dans les grandeurs électriques simulées. Pour des applications à plus haute vitesse, certaines hypothèses ne sont plus vérifiées et la réponse électrique gagne en information à cause notamment du régime de lubrification et des échauffements.
La robustesse de la méthode électrique a été prouvée à basse vitesse. Avec le projet EROLLING2 soutenu par un consortium d’industriels Picards (EREM, FIVES, GIMA, ...), les possibilités de ce nouvel outil vont être étendues à maximum d’applications. En alliant les expérimentations en conditions réelles et de nouveaux développements numériques, la réponse électrique d’un roulement à plus haute vitesse est étudiée, en vue de proposer des machines tournantes ”intelligentes” capables de diagnostiquer électriquement la moindre anomalie. Le déploiement d’une valise ”électrique” intégrant l’ensemble acquisition-traitements-diagnostic ainsi que le logiciel du roulement est envisagé pour assurer le transfert de technologie et développer le concept du jumeau numérique. Cette démarche consiste à faire communiquer mesures réelles et simulations numériques de façon à virtualiser le roulement en temps réel, véritable témoin et acteur du fonctionnementde la machine.
De façon générale, le principe de la mesure électrique ouvre aussi la voie à la caractérisation des interfaces dynamiques (ex: contact roue/rail, caténaire/bande de captage, joint d’étanchéité, ...) dans le but d’assurerun suivi du vieillissement. Ce projet contribue à la thématique sur le transfert électrique qui fait actuelle-ment l’objet d’une chaire d’excellence universitaire dont Valéry Bourny (UPJV-ESIEE) est le titulaire depuis 2015. Cette chaire soutenue par le conseil régional de Hauts-de-France et sous parrainage d’ERDF est néed’une volonté de répondre aux besoins du marché, en faisant émerger des projets collaboratifs de Recherche, Développement & Innovation, pour soutenir la recherche industrielle et développer des interactions fortesentre le monde académique et le monde des entreprises. Cette démarche collaborative à la recherche denouveaux soutiens vise à asseoir durablement un pôle de compétitivité sur le territoire régional de façonà pérenniser une activité de recherche porteuse. Aussi et à titre personnel, le logiciel de simulation du roulement, pour le moment dédié à l’activité de recherche pourrait trouver une place de choix dans un environnement industriel.
EROLLING2 répond à l’appel à projet Picardie Technopole 2015. Merci à la région Hauts-de-France et au FEDER pour leur soutien financier.
