Soutenance mémoire
Aujourd’hui, les machines électriques tournantes et particulièrement les moteurs asynchrones représentent les piliers fondateurs d’une installation industrielle moderne. Elles assurent les fonctions importantes dans une chaine de production où elles sont considérées dans de nombreuses applications industrielles comme étant équipements critiques tels que dans le cas des complexes sidérurgiques, pétrolières, …etc. Cependant, elles sont affectées par un nombre important de défauts tels que les défauts de roulements qui représentent entre 40 à 50% des défauts.
Les machines tournantes sont composées essentiellement de plusieurs composants rotatifs tels que : le ventilateur, l’induit et les roulements. Les roulements sont essentiellement utilisés pour assurer l’alignement des arbres et pour faciliter leur rotation. Du point de vue mécanique et dynamique les roulements sont des éléments de comportement vibratoire stochastique, ce comportement est dû à leur architecture complexe. Cela les transforme en sources majeures de défauts. D’autre part, il a été discerné que la plupart des défauts de la machine électrique sont liés aux défauts de roulements où les conséquences d’un défaut de roulements sont incontournables, elles peuvent engendrer la fermeture totale d’une chaine de production ou de menacer la sécurité du service de production. Pour ces raisons, notamment, le diagnostic ainsi que le pronostic des défauts de roulements sont devenus des axes de recherche fondamentaux, dont l’objectif est la détection précoce des défauts de roulements, l’estimation du temps de vie restant avant la défaillance pour éviter les substitutions inutiles des pièces et augmenter le taux de disponibilité et de fiabilité des machines. La majorité des systèmes de diagnostic et de pronostic modernes sont constitués autour de l’idée de la surveillance des machines en temps réel. Ces techniques se basent essentiellement sur la collecte des informations contenant le comportement dynamique du système.
Récemment, plusieurs techniques de diagnostic des machines électriques sont développées autour de la mesure du bruit sonore, des vibrations, de courant et de la température. Quelques approches représentent des grandes insuffisances face aux problèmes de détection des défauts naissant où les amplitudes caractéristiques de défaut sont cachées par des hauts niveaux de bruit et de l’effet de voisinage. En outre, d’autres approches exigent l’exploitation des équipements coûteux tels que les caméras infrarouges…etc.
État de l’art sur le diagnostic des défauts de la machine asynchrone
Dans un environnement industriel moderne, la maintenance conditionnelle domine le cadre de la politique de maintenance, elle repose sur le suivi permanent ou programmé des systèmes essentiels pour la production et la sécurité. Par conséquent, plusieurs méthodes de suivi des avariés des machines sont inventées où le choix d’une des méthodes dépend de certaines exigences telles que le coût d’exploitation, les exigences technologiques et les objectifs technico-économiques de l’entreprise.
La machine électrique occupe une grande portion des applications industrielles, où les moteurs électriques sont les piliers fondateurs d’un environnement industriel moderne. Cependant, la sûreté de fonctionnement des moteurs asynchrones et leur fiabilité sont des questions très importantes, une demande croissante de rentabilité, de fiabilité et de sécurité dans les moteurs asynchrones, qui peuvent faire l’objet de pannes ou de dysfonctionnement à un moment donné de leur temps d’utilisation. Ceci a conduit à des nouvelles méthodes de surveillance et de détection de panne. D’autre part, les moteurs électriques utilisés dans les installations industrielles sont en grande majorité des moteurs asynchrones. Un intérêt particulier est porté dans ce chapitre à l’analyse et le diagnostic des défauts mécaniques dans les machines asynchrones, et en particulier les défauts de roulements qui représentent entre 40 à 50% des défauts.
Maintenance industrielle dédiée aux machines électriques tournantes
La maintenance industrielle
D’après la norme (NF EN 13306 X60-319) : la maintenance est l’ensemble de toutes les actions techniques, administratives et de management durant le cycle de vie d’un bien, destinées à le maintenir ou à le rétablir dans un état dans lequel il peut accomplir la fonction requise. La maintenance est un terme général qui désigne que quelqu’un/quelque chose reste dans un état déterminé. En industrie cette notion de maintenance est expliquée : l’ensemble des moyens utilisés pour l’optimisation des performances et les coûts d’entretien des équipements et les pertes de productions afin d’assurer la fiabilité, la maintenabilité, la disponibilité et la sécurité des biens. Selon le mode d’application de la maintenance, il existe trois types de maintenance: la maintenance curative, la maintenance préventive systématique et la maintenance préventive conditionnelle .
Dans une installation industrielle moderne la maintenance préventive est un enjeu majeur, où elle vise l’assurance de certains objectifs comme [Héng 02]:
❖ L’amélioration de la fiabilité du matériel par la suppression de certaines défaillances.
❖ Garantir la qualité des produits : le contrôle quotidien des jeux et de la géométrie de la machine permet d’éviter les erreurs de fonctionnement.
❖ Améliorer l’ordonnancement des travaux par la collaboration entre le service maintenance et la production.
❖ Assurer la sécurité humaine : le respect des consignes de la sécurité lors des interventions de maintenance.
❖ Améliorer la gestion des stocks : une optimisation de la quantité des pièces en stock est assurée grâce à la planification des interventions et des remplacements programmés. La mise en place de la maintenance préventive exige une élaboration d’un plan de maintenance, le choix des machines à mettre sous préventif et la planification des arrêts. En outre, la maintenance préventive conditionnelle est appliquée à travers un ensemble d’indicateurs et ratios dits « tableau de bord » de la maintenance, il se présente sous plusieurs formes : Graphes d’évolution, graphe de répartition, ratios économiques, ratios techniques.
Caractéristiques mécaniques et vibratoires des défauts de roulements dans une machine électrique tournante
Les roulements sont des composants mécaniques complexes, ils sont constitués de plusieurs éléments mécaniques : bague externe, bague interne et les éléments roulants (des billes, des rouleaux ou des aiguilles) maintenus par une cage qui maintient la distance entre eux et assure la fonction de graissage. Une vue en coupe d’un roulement à billes a un seul rang de billes est présentée dans la figure 1.2. Les roulements sont essentiellement utilisés pour maintenir la rotation libre des parties rotatives et l’homogénéité de l’entrefer de la machine et supporter la masse du rotor (charges radiales). Il existe aussi quelques types de roulements qui sont favorables pour supporter les charges axiales (roulements à aiguilles ou à deux rangs de billes). Les roulements métalliques, graissés, à un seul rang de billes, à contact radial, sont le type de roulements le plus utilisé dans les machines électriques de moyenne tension [Tra09]. Par conséquent, on a concentré nos efforts sur l’étude de ce type de roulement.
Les contraintes radiales existent nécessairement du fait de la masse de l’arbre de la machine. Elles s’exercent conséquemment sur la bague interne du roulement qui les transmet à leur tour à la bague externe par l’intermédiaire des billes réparties sur la moitié de la bague externe (zone de charge). Par conséquent, les efforts exercés au niveau des points de contact se distribuent au sein des matériaux en une contrainte de compression et une contrainte de cisaillement [Tra09]. Lorsqu’ il existe une contrainte de surcharge sur le roulement, les matériaux constitutifs se mettent sous des contraintes de dégradation (surchauffes) qui vont changer la structure moléculaire et par la suite produisant des microfissures internes à cause des contraintes de compression et de cisaillement. En effet, ces microfissures vont se développer en des défauts plus sévères (écaillage des chemins de roulements, fissurations des bagues) ou encore l’éclatement des billes. De ce fait, la présence d’un défaut localisé indique la présence d’un défaut enrobé, où les défauts localisés représentent la cause principale des défauts généralisés [Diaz17]. Quand un élément roulant entre en contact avec un défaut localisé ou, inversement, le défaut sur un élément roulant entre en contact avec le chemin de la bague interne/externe, il produit des chocs mécaniques, ces chocs répétés se traduisent alors par des vibrations et par conséquent une série d’impulsions rapidement amorties est générée. Ici, l’amortissement est dû aux contacts élastiques entre les bills et le chemin de la bague. Ces impulsions excitent la fréquence de résonance du palier à roulement où le capteur est installé. Les fréquences de modulation sont les fréquences caractéristiques du défaut qui causent la modulation d’amplitudes.
Les causes des défauts de roulements
● Défauts de construction : les alliages constitutifs des éléments de roulements contiennent des imperfections et des défauts de structure dus aux différentes contraintes environnementales (physiques et chimiques) et de fabrication.
● Défauts de montage : le montage de roulement sur un arbre ou dans un palier doit être effectué avec grand soin, un désalignement avec l’élément affût peut entrainer l’endommagement d’un des éléments de roulement.
● Circulation des courants électriques : les roulements métalliques sont conducteurs d’électricité par nature. À cause de phénomène de décharge diélectrique, des micro trous ou des stries perpendiculaires se produisent dans les points de décharge.
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Table des matières
Introduction générale
1. État de l’art sur le diagnostic des défauts de la machine asynchrone
1.1. Introduction
1.2. Maintenance industrielle dédiée aux machines électriques tournantes
1.3. La surveillance des défauts des machines électriques tournantes
1.4. Les méthodes de diagnostic des défauts de roulements
1.5. Les approches de diagnostic par intelligence artificielle (IA)
1.6. Conclusion
2. Analyse des défauts de roulements d’une machine électrique par modélisation des courants statoriques
2.1. Introduction
2.2. Effets mécaniques des défauts de roulements sur la machine asynchrone
2.3. Effets des défauts de roulements sur les courants statoriques d’une machine asynchrone
2.4. Modèles des courants statoriques d’un moteur asynchrone dédiés au diagnostic des défauts de roulements
2.5. Conclusion
3. Méthodes de pronostic, estimation du temps de vie restant d’un roulement
3.1. Introduction
3.2. Les indicateurs de dégradation
3.3. Le pronostic et les phases de vie d’un équipement
3.4. Estimation du temps de vie restant d’un roulement
3.5. La théorie des modèles de Markov cachés
3.6. Estimation du temps de vie restant d’un roulement par les modèles de mélange gaussien et MMC
3.7. Conclusion
4. Méthodes de diagnostic par intelligence artificielle
4.1. Introduction
4.2. Méthodes basées sur l’intelligence artificielle (IA)
4.3. La logique flou
4.4. Théorie de l’évidence
4.5. Fusion de l’information
4.6. Diagnostic des défauts de roulement par les systèmes experts floues
4.7. Procedure expérementale
4.8. Diagnostic par fusion de données
4.9. Conclusion
Conclusion Générale
Ressources Bibliographiques
Annexe
