FR3095020A1 - dispositif de surveillance de dégradation de paliers roulants - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif (1) de surveillance de dégradation de paliers (15a, 15b) roulants dans une machine tournante (10) comprenant au moins deux paliers (15a, 15b) roulants présentant chacun deux bagues (16-18) concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre, au moins une bague (17, 18) de chaque palier (15a) étant liée en rotation à une bague (17, 18) d’un autre palier (15b). Le dispositif (1) comprend un organe de mesure (30) de la vitesse de rotation (ω1) des bagues (17, 18) liées en rotation, et des moyens de traitement de données adaptés pour détecter une variation de ladite vitesse de rotation (ω1) des bagues (17, 18) liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier (15). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine de la surveillance de la dégradation de paliers roulants dans une machine tournante.
Dans le domaine des machines tournantes, le guidage en rotation entre le rotor et le stator a plusieurs fonctions : maintenir un entrefer constant entre le rotor et le stator pour diminuer les efforts engendrés par l’attraction magnétique déséquilibrée dans le cas d’une machine électrique, éviter tout contact non voulu entre le rotor et le stator, maintenir la position axiale du rotor par rapport au stator, permettre une rotation à faible pertes mécaniques du rotor et, reprendre les charges internes (d’origine magnétique ou mécanique) et externes à la machine.
Traditionnellement, plusieurs technologies sont connues pour assurer le guidage en rotation.
On connaît notamment, les paliers de type « lisses » qui sont des pièces mécaniques très simples, mais avec lesquels le guidage se fait par l’intermédiaire d’une pièce sacrificielle. En d’autres termes, les paliers lisses se déforment et s’usent très vite. De plus, ils présentent généralement un faible coefficient de conduction thermique. En d’autres termes, généralement ils ne permettent pas une bonne évacuation de la chaleur.
On connaît aussi les paliers de type hydrostatiques, avec lesquels le guidage se fait par maintien d’une pression d’un fluide dans un entrefer, ce qui nécessite un circuit hydraulique pouvant être complexe en fonction de la configuration de la machine tournante.
De même, il existe des paliers de type hydrodynamiques, avec lesquels le guidage est créé par une pression d’un fluide engendrée par la rotation. De même, la mise en œuvre de ces paliers peut s’avérer complexe.
Enfin, on connaît les paliers à éléments roulants plus couramment appelés roulements. Il s’agit d’une solution mécanique simple et peu couteuse, permettant de guider en rotation et d’absorber des charges axiales et/ou radiales. Traditionnellement les éléments roulants peuvent être des billes, des rouleaux ou des aiguilles. Les matériaux peuvent être de l’acier, des matières plastiques ou des céramiques. Néanmoins, les paliers à éléments roulants sont sensibles aux problèmes de manque de lubrification, à la pollution et à la température.
Or la dégradation d’un palier peu engendrer des pertes de performances de la machine tournante, une augmentation des échauffements due à l’augmentation du couple résistant des paliers et/ou à un contact entre le rotor et le stator de la machine tournante. A terme, la dégradation des paliers peu même provoquer la destruction d’élément de la machine tournante.
Pour éviter ces problèmes, différentes techniques de surveillance existent pour détecter des anomalies dans les paliers, soit par surveillance de température, soit par une surveillance de la signature des vibrations, soit par une surveillance de la qualité du mouvement des éléments roulants. Le problème de ces surveillances est que les phénomènes menant à un changement rapide des paramètres surveillés peuvent, sur des machines à haute énergie (rotor de masse significative et tournant à vitesse élevée), être de courte durée et mener à une indisponibilité de l’équipement dans un laps de temps insuffisamment long pour permettre une maintenance curative.
Dans ce contexte, il est nécessaire de fournir un dispositif de surveillance de la dégradation de paliers roulants, qui permette de détecter simplement et suffisamment rapidement une dégradation pour pouvoir engager une action de maintenance.
Selon un premier aspect, l’invention propose un dispositif de surveillance de dégradation de paliers roulants dans une machine tournante comprenant au moins deux paliers roulants présentant chacun deux bagues concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre, au moins une bague de chaque palier étant liée en rotation à une bague d’un autre palier. Le dispositif comprend un organe de mesure de la vitesse de rotation des bagues liées en rotation, et des moyens de traitement de données adaptés pour détecter une variation de ladite vitesse de rotation des bagues liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier.
D’une manière particulièrement avantageuse, la surveillance de la variation de la vitesse de rotation des bagues liées en rotation permet de détecter précocement une dégradation d’un palier. En effet, en cas de dégradation, le couple résistant du palier roulant va immédiatement augmenter, ce qui va immédiatement influer sur la vitesse de rotation. Ainsi, dès les prémices de la dégradation, le couple résistant va augmenter, ce qui va faire diminuer la vitesse, bien avant l’apparition d’éventuels échauffements ou vibrations.
Lesdits au moins deux paliers peuvent être disposés en série axiale par rapport à un axe de rotation.
Chaque palier peut présenter une bague interne et une bague externe, les bagues liées en rotation étant les bagues externes.
Une seule bague externe peut être commune à plusieurs paliers.
Lesdits au moins deux paliers peuvent être disposés en série radiale par rapport à un axe de rotation.
Chaque palier peut présenter une bague externe et une bague interne, une bague externe d’un palier étant liée en rotation à une bague interne d’un autre palier.
Une seule bague peut être à la fois la bague externe d’un palier et la bague interne d’un autre palier.
L’organe de mesure peut être est choisi parmi un capteur à effet hall, un capteur de type roue phonique, une génératrice à courant continu ou un résolveur.
Les paliers peuvent être choisis parmi des roulements à une ou plusieurs rangées de billes, des roulements à aiguilles, des roulements combinés à aiguilles et à billes, des roulements à une ou plusieurs rangées de rouleaux cylindriques, des roulements à rouleaux coniques, ou des rotules radiales.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de surveillance de la dégradation de paliers roulants dans une machine tournante comprenant au moins deux paliers roulants présentant chacun deux bagues concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre, au moins une bague de chaque palier étant liée en rotation à une bague d’un autre palier, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, lorsque ladite machine tournante est en rotation, les étapes suivantes :
- mesure de la vitesse de rotation des bagues liées en rotation par un organe de mesure ;
- détection d’une variation de la vitesse de rotation des bagues liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier ;
- signalement d’une dégradation d’un palier.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de surveillance 1 de dégradation de paliers roulants dans une machine tournante 10.
Machine tournante
En référence aux figures 1 à 4, selon les exemples ici présentés, la machine tournante 10 comprend un arbre 11 en rotation autour d’un axe A dans un alésage 12. Selon d’autres modes de réalisation, la machine tournante 10 pourrait présenter un alésage 12 tournant autour d’un arbre 11 fixe. De plus, la machine tournante comprend au moins deux paliers roulants 15a, 15b présentant chacun deux bagues 16–18 concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre autour de l’axe A. Selon les exemples ici présentés, les paliers roulants 15a, 15b sont des roulements à une rangée de billes 19. Néanmoins, selon d’autres exemples, les paliers roulants 15a, 15b pourraient être des roulements à plusieurs rangées de billes, des roulements à aiguilles, des roulements combinés à aiguilles et à billes, des roulements à une ou plusieurs rangées de rouleaux cylindriques, des roulements à rouleaux coniques, ou des rotules radiales.
Agencements des paliers
Selon le premier et le deuxième mode de réalisation (figures 1 à 3), les paliers 15a, 15b sont en série axiale, par rapport à l’axe de révolution A. Ce qui signifie que les paliers 15a, 15b sont réparties longitudinalement sur l’arbre 11.
Selon le troisième mode de réalisation présenté en figure 4, les paliers 15a, 15b sont disposé en série radiale par rapport à l’axe de révolution A.
Selon d’autres modes de réalisations, les paliers 15a, 15b le cas échéant d’un nombre supérieur à deux, pourraient être disposés en séries plus complexes, y compris à la fois axiales et radiales. En d’autres termes, des paliers 15a, 15b pourraient être disposés longitudinalement sur l’arbre 11 et radialement. La présente invention ne sera limitée à aucune configurations de paliers.
Agencement des bagues
D’une manière traditionnelle, chaque palier 15a, 15b présente deux bagues 16-18 : une bague interne 16, 18 et une bague externe 17-18.
D’une manière préférentielle, tel que représenté sur les figures 1 à 3, au moins une bague 17, 18 de chaque palier 15a est liée en rotation à une bague 17, 18 d’un autre palier 15b.
Il est précisé que par lié en rotation, on entend que les deux bagues sont fixées l’une à l’autre, de sorte que la rotation de l’une provoque la rotation de l’autre, autour du même axe de rotation A. Plus précisément, les deux bagues liées en rotation ont la même vitesse de rotation, notée ω1.
Il est précisé que par lié en rotation, on entend que les deux bagues sont fixées l’une à l’autre, de sorte que la rotation de l’une provoque la rotation de l’autre, autour du même axe de rotation A. Plus précisément, les deux bagues liées en rotation ont la même vitesse de rotation, notée ω1.
D’une manière particulièrement préférentielle, telle que représentée sur la figure 1, la liaison en rotation des deux bagues 16, 17, 18 est réalisées par une pièce intermédiaire 20. La pièce intermédiaire 20 relie les deux bagues 16, 17, 18 et assure la liaison en rotation autour de l’axe A. Ainsi, la pièce intermédiaire 20 relie deux bagues externes 17 de deux paliers 15a, 15b différents.
D’une manière encore plus préférentielle, correspondant aux deuxièmes et troisièmes modes de réalisation, représentés sur les figures 2 à 4, une même pièce est une bague 18 pour deux paliers 15a, 15b. En d’autres termes, deux paliers 15a, 15b distincts partagent une même bague 18.
Selon le deuxième mode de réalisation, les paliers 15 étant en série axiale, la bague 18 correspond à la bague externe des deux paliers 15 qu’elle relie.
Selon le troisième mode de réalisation, les paliers 15a, 15b étant en série radiale, la bague 18 est la bague externe d’un palier 15a et la bague interne de l’autre palier 15b. En d’autres termes, selon ce mode de réalisation, les paliers 15a, 15b sont agencés comme suit, en partant de l’arbre 11 vers l’alésage 12 : une bague 16 interne d’un premier palier 15a, des billes 19 du premier palier 15a, la bague 18 partagée par les deux paliers 15a, 15b, des billes 19 du deuxième palier 15b et la bague externe 17 du deuxième palier 15b. D’une manière plus générale, non représentée, la bague externe du palier 15a peut être liée en rotation à la bague interne du palier 15b (de sorte à forme une seule entité cinématique).
Selon un mode de réalisation non représenté, les paliers 15a, 15b, pourraient être en séries axiales et radiales, de sorte que l’agencement des bagues 16-18 seraient la combinaison du troisième mode de réalisation avec le premier et/ou le deuxième.
Il est à noter que les techniques usuelles de montage des paliers 15a, 15b peuvent être utilisées (condition de serrage et de blocage). De même, comme représenté sur la figure 3, par les ressorts 25, il est possible d’appliquer une précontrainte sur les bagues 16-18 des paliers. En l’espèce, dans le cas de l’exemple présenté en figure 3, la précontrainte est appliquée sur la bague interne 16 de l’un des paliers 15.
Dispositif de surveillance
Le dispositif 1 de surveillance mis en œuvre dans la machine tournante 10 comprend un comprend un organe de mesure 30 de la vitesse de rotation des bagues liées en rotation, et des moyens de traitement de données adaptés pour détecter une variation de ladite vitesse de rotation des bagues liées en rotation représentative d’une dégradation d’un roulement.
Typiquement, l’organe de mesure 30 peut être choisi parmi un capteur à effet hall, un capteur de type roue phonique, une génératrice à courant continu ou un résolveur.
Les moyens de traitement de données peuvent être un microcontrôleur embarqué dans un système dédié, ou dans la machine tournante 10 ou dans un ordinateur connecté à la machine tournante 10.
En fonctionnement, l’organe de mesure 30 enregistre la vitesse de rotation ω1des bagues 17, 18, et transmet ces données aux moyens de traitement de données. Les moyens de traitement de données sont configurés pour analyser cette vitesse de rotation au cours du temps et en détecter des variations. Par ailleurs les moyens de traitement de données sont configurés pour déterminer si une variation détectée est normale (par exemple : variation du régime de la machine tournante 10, variation de la température extérieure ou de l’hygrométrie), ou anormale. A ce titre, les moyens de traitement de données peuvent en outre disposer de paramètres adaptés tels qu’un régime moteur, des grandeurs physiques externes, etc. En cas de variation anormale (i.e. non liée au régime de la machine tournante ou aux conditions environnementales, c’est-à-dire inattendue) les moyens de traitement émettent une alerte.
Cette alerte peut être par exemple, une alarme visuelle ou sonore, ou une notification sur ordinateur ou terminale mobile. Il est aussi envisageable que les moyens de traitement puissent arrêter la machine tournante 10.
En effet une variation de vitesse inattendue est représentative d’une dégradation d’un palier 15a, 15b. Le principe est le suivant :
En fonctionnement nominal, l’arbre tourne à une vitesse de rotation ω.Lorsque les paliers 15a, 15b, sont en bon état, les bagues 17, 18 liées en rotation tournent à une vitesse ω1environ égale à la moitié de vitesse de rotation de l’arbre, i.e. ω/2.
Dans le cas où le premier palier 15a est dégradé (i.e. celui monté sur l’arbre 11), son couple résistant va augmenter, ce qui va faire se rapprocher la vitesse de rotation de la bague externe 17, 18 de celle de l’arbre, c’est-à-dire augmenter la vitesse de rotation ω1. Dans ce cas, on a alors l’inéquation suivante : ω/2<ω1<ω.
Dans le cas où le deuxième palier 15b est dégradé (i.e. celui monté sur l’alésage 12), son couple résistant va augmenter, ce qui va faire se rapprocher la vitesse de rotation des bagues externes 17, 18 de celle de l’alésage 12 (qui est définie comme nulle), c’est-à-dire diminuer la vitesse de rotation ω1. Dans ce cas, on a alors l’inéquation suivante : 0<ω1<ω/2.
Il est précisé que le principe de fonctionnement est le même pour le troisième mode de réalisation, à la seule différence qu’en fonctionnement nominal, la vitesse de rotation de la bague 18 ne correspond pas nécessairement à la moitié de la vitesse de rotation de l’arbre 11 (cela dépend des dimensions et des masses des paliers 15a, 15b), mais les variations seront identiques.
Quel que soit le mode de réalisation, la mesure de la vitesse de rotation des bagues 17, 18 liées en rotation permet de détecter de façon particulièrement précoce la défaillance d’un palier 15a, 15b.
En fonction de la vitesse de rotation mesurée, les moyens de traitement pourraient en déduire quel palier 15a ou 15b est endommagé. Cette détermination pourrait être réalisée en connaissant la vitesse de rotation de la machine tournante 10, et les paramètres propres de chaque palier 15a, 15b (coefficient de frottement, indice de viscosité du lubrifiant utilisé, raideur des billes, etc.)
Procédé de surveillance et fonctionnement du dispositif
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de surveillance de la dégradation de paliers 15a, 15b roulants dans une machine tournante 10 comprenant au moins deux paliers 15a, 15b roulants présentant chacun deux bagues 16-18 concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre. Au moins une bague 17, 18 de chaque palier 15a est liée en rotation à une bague 16, 17, 18 d’un autre palier 15b.
Le procédé comprend, lorsque ladite machine tournante 10 est en rotation, les étapes suivantes :
- mesure de la vitesse ω1de rotation des bagues 17, 18 liées en rotation par l’organe de mesure 30 ;
- Détection d’une variation de la vitesse de rotation ω1des bagues 17, 18 liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier 15a, 15b ;
- Signalement d’une dégradation d’un palier 15a, 15b.
- mesure de la vitesse ω1de rotation des bagues 17, 18 liées en rotation par l’organe de mesure 30 ;
- Détection d’une variation de la vitesse de rotation ω1des bagues 17, 18 liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier 15a, 15b ;
- Signalement d’une dégradation d’un palier 15a, 15b.
En référence aux figures 5 et 6, dans le cas du premier et du deuxième mode de réalisation, le fonctionnement peut être schématisé comme suit :
En fonctionnement nominal, l’arbre tourne à une vitesse de rotation ω.Lorsque les paliers 15a, 15b, sont en bon état, les bagues 17 liées en rotation tournent à une vitesse ω1environ égale à la moitié de vitesse de rotation de l’arbre, i.e. ω/2.
Dans le cas où le premier palier 15a est dégradé (i.e. celui monté sur l’arbre 11), son couple résistant va augmenter, ce qui va faire se rapprocher la vitesse de rotation de la bague externe 18 de celle de l’arbre, c’est-à-dire augmenter la vitesse de rotation ω1. Dans ce cas, on a alors l’inéquation suivante : ω/2<ω1<ω.
Dans le cas où le deuxième palier 15b est dégradé (i.e. celui monté sur l’alésage 12), son couple résistant va augmenter, ce qui va faire se rapprocher la vitesse de rotation de la bague externe 18 de celle de l’alésage (qui est définie comme nulle), c’est-à-dire diminuer la vitesse de rotation ω1. Dans ce cas, on a alors l’inéquation suivante : 0<ω1<ω/2.
Il est précisé que le principe de fonctionnement est le même pour le troisième mode de réalisation, à la seule différence qu’en fonctionnement nominale, la vitesse de rotation de la bague 18 ne correspond pas à la moitié de la vitesse de rotation de l’arbre 11.
Quel que soit le mode de réalisation, la mesure de la vitesse de rotation des bagues 17, 18 liées en rotation permet de détecter de façon particulièrement précoce la défaillance d’un palier 15a, 15b.
Claims (10)
- Dispositif (1) de surveillance de dégradation de paliers (15a, 15b) roulants dans une machine tournante (10) comprenant au moins deux paliers (15a, 15b) roulants présentant chacun deux bagues (16-18) concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre, au moins une bague (17, 18) de chaque palier (15a) étant liée en rotation à une bague (17, 18) d’un autre palier (15b), le dispositif (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend un organe de mesure (30) de la vitesse de rotation (ω1) des bagues (17, 18) liées en rotation, et des moyens de traitement de données adaptés pour détecter une variation de ladite vitesse de rotation (ω1) des bagues (17, 18) liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier (15).
- Dispositif (1) selon la revendication 1 dans lequel lesdits au moins deux paliers (15a, 15b) sont disposés en série axiale par rapport à un axe de rotation (A).
- Dispositif (1) selon la revendication 2, chaque palier (15a, 15b) présente une bague (16) interne et une bague (17) externe, les bagues (17) liées en rotation étant les bagues (17) externes.
- Dispositif (1) selon la revendication 3 dans lequel une seule bague (18) externe est commune à plusieurs paliers (15a, 15b).
- Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel lesdits au moins deux paliers (15a, 15b) sont disposés en série radiale par rapport à un axe de rotation (A).
- Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel chaque palier (15a, 15b) présente une bague (17, 18) externe et une bague (16, 18) interne, une bague (17, 18) externe d’un palier (15a) étant liée en rotation à une bague (16, 18) interne d’un autre palier (15b).
- Dispositif (1) selon la revendication 6, dans lequel une seule bague (18) est à la fois la bague externe d’un palier (15a) et la bague interne d’un autre palier (15b).
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe de mesure (30) est choisi parmi un capteur à effet hall, un capteur de type roue phonique, une génératrice à courant continu ou un résolveur.
- Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les paliers (15a, 15b) sont choisis parmi des roulements à une ou plusieurs rangées de billes (19), des roulements à aiguilles, des roulements combinés à aiguilles et à billes, des roulements à une ou plusieurs rangées de rouleaux cylindriques, des roulements à rouleaux coniques, ou des rotules radiales.
- Procédé de surveillance de la dégradation de paliers (15a, 15b) roulants dans une machine tournante (10) comprenant au moins deux paliers (15a, 15b) roulants présentant chacun deux bagues (16-18) concentriques en rotation l’une par rapport à l’autre, au moins une bague (17, 18) de chaque palier (15a) étant liée en rotation à une bague (16, 17, 18) d’un autre palier (15b), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, lorsque ladite machine tournante (10) est en rotation, les étapes suivantes :
- mesure de la vitesse de rotation (ω1) des bagues (16, 17, 18) liées en rotation par un organe de mesure (30) ;
- détection d’une variation de la vitesse de rotation (ω1) des bagues (17, 18) liées en rotation représentative d’une dégradation d’un palier (15a, 15b) ;
- signalement d’une dégradation d’un palier (15a, 15b).
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