Détection de défauts mécaniques de machines tournantes par analyses vibro-acoustiques SF2M, 19 & 20 Juin 2014 Nacer Hamzaoui Laboratoire Vibrations Acoustique INSA Lyon
Détection de défauts m écaniques de machines
tournantes par analyses vibro-acoustiques
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Nacer Hamzaoui
Laboratoire Vibrations Acoustique
INSA Lyon
Plan de la présentation
1/ Problématiques et stratégies,
2/ Les connaissances en maintenance conditionnelle :
_ surveillance : quelques indicateurs,
_ le diagnostic : indicateurs et limites
3/ Quelques éléments sur l’apport acoustique / vibratoire
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Défauts = Vibrations et bruit
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Banc d’essai expérimental
1 2 3
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Banc d’essai expérimental
Délignage
Balourd
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
m1 m2
m3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
m1 m2
m1+ m2
m1+ m3
sans défaut
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 dB
Lp (en dB)
ΩΩΩΩ=2400 tr/mn
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
ααααΩΩΩΩ=2400 tr/mn
Délignage Puissance acoustique
Fréquence en Hz
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Ω
Défauts ?
Vibrations
Bruit
Diagnostic vibro-acoustique des défauts
de machines tournantes
Environnement
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Surveillance
Mettre en évidence à un stade précoce l’existence d’une anomalie, et suivre son évolution:
1/ Choix d’indicateurs (définition des seuils d’intervention)
2/ Suivi de l’évolution de ces indicateurs (périodicité)
Indi
cate
ur
d’é
tat d
e la
mac
hin
e
Temps de fonctionnement
Détection du défautNiveau d’alarme
Niveau de Danger
Incident
Temps avant incident
TendanceCourbe de tendance
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Surveillance
mesures comparatives, évolution d’indicateurs, ..
Indicateurs: Niveaux globaux, FC, Kurtosis, K, Spectres PBC,..
crête
eff
AccFC
Acc=
2
0
2
0
4
)(T1
)(T1
=
∫
∫T
T
dtts
dttsKurt
moment d’ordre 2
moment d’ordre 4
T est la durée d’observation
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Diagnostic
Identifier avec précision la nature de l’anomalie, et sa gravité:
1/ Analyse systématique du signal vibratoire (temporel, fréquentiel,..)
2/ Cinématique, vibrations, techniques de traitement du signal,..
0 100 200 300 400 500 600
-3
-2
-1
0
1
2
3
Time (ms)
Impact at 14.7 Hz
?
Image du défaut
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000
10
20
30
40
50
60
70
80
Frequency (Hz)
Spe
ctru
m
mesure, diagnostic
Spectre, Zoom, Enveloppe, Cepstre, ….SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Surveillance et diagnostic
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Banc d’essai (réducteur à deux étages)
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
0 1000 2000 3000 4000 5000 60000
200
400
600
800
1000
1200
Fréquence (Hz)
Acc
élér
atio
n (m
g)
Vitesse de rotation du moteur : 1800 tr/mn
Sans défautAvec défaut modéréavec défaut accentué
Spectres des défauts d’engrenage à 1800 tr/mn
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Diagnostic
analyses approfondies, fréquences des défauts,
Outils: Spectre, zoom, enveloppe, cepstre,
cyclostationnarité, suivi d’ordre, orbite, ….
)2(cos211(2sin)( tfsigntfty mp ππ +=
500 Hz 200 Hz
Limites de l’analyse spectrale
Exemple :
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-3
-2
-1
0
1
2
3
temps en secondes
signal d'origine y(t) bruité
y(t) + bruit
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
fréquence en Hz
Spectre du signal bruité
Spectre200 Hz ?
500 Hz
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
temps en secondes
Enveloppe du signal bruité
Enveloppe (de y(t) bruité) et son spectre
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Fréquence en Hz
Spectre de l'enveloppe
200 Hz
400 Hz
600 Hz
Spectre de l’enveloppe
Enveloppe (par Transf. Hilbert)
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Techniques d’antennes
Méthodes
d’identification
Holographie
acoustique
« Rétropopagation » : ondes évanescentes
Formation de voies
« Beamforming »
« Focalisation » : ondes planes ou sphériques
« modèle de sources» : monopôles, multipôles, mesures de champs et résolution d’un problème inverses
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Holographie Acoustique
Capture du champ acoustique complexe (décomposé en une infinité d’ondes planes propagatives et évanescentes) par une antenne microphonique.
Mesures des pressions acoustiques en module et phase en z=d, et ensuite onrétropropage ces mesures sur un plan z=0 ou près de la source.
RétropropagationAntenne de microphones
Objet sonore
Plan de calcul
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Principe de l’holographie acoustique
czzikyxcyx ekkPzkkP −= )0,,(),,(
))Sur le plan de calcul :
zkkki yxe222
0 −−−
zkkk yxe20
22 −+−
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Principe de l’holographie acoustique
Holographie classique
Holographie de champ proche
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Principe de l’holographie acoustique
Pour le choix du nombre d’onde de coupure kmax, pour filtrer les ondes évanescentes et réduire le bruit, on doit procéder à une régularisation :
Courbe en LTikhonov , SVD, …
Domaine fréquentiel utile:
d
cf
2max ≤
nL
cf ≥min
Distance entre microphones
Indice de filtrage
Envergure de l’antenne
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Exemple
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Formation de voies
« beamforming »
Localiser les sources de bruit, via une procédure de focalisation.
Propagation en ondes planes (champ lointain) ou ondes sphériques (champ proche); capté par une antenne de réception linéaire à capteurs équidistants ou non.
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Exemples d’antennes :
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Principe de la formation de voies
Beamforming en Onde Plane
M-1
Onde plane (f,λ)
Incidence θ=θ0
θ0
0ϕje−
0)1( ϕ−− Mje
M1
)(tS
00
00
sin2
sin2
θλ
πϕϕ
θλ
πϕ
dnn
d
n −==
−=
Focalisation θ0Focalisation θ0
Micros 0
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Principe de la formation de voies
Paramètres
La résolution de l’antenne est fonction :
De la fréquence étudiée
De son envergure
De la distance entre la source et l’antenne
Basse fréquence Haute fréquence
Grande antennepetite antenne
Grande distance Petite distance
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Application : détection de défauts
Via Matlab∑∑ =
=
+=M
j
jij
ji
j
M
j ji
ji
c
rtp
r
w
r
wtS
1
12
)(1
)(
Focalisation en Onde Sphérique
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Cartographie acoustique de la machine : 530-680 Hz
Cartographie acoustique de la machine : 1300-1420 Hz
Application : détection de défauts
SF2M, 19 & 20 Juin 2014
Workshop2013 , Annaba 2 & 3 Juin 2013
l’holographie acoustique/Beamforming