Comment détecter une défaillance des roulements dans un moteur ? Mesure des vibrations avec les capteurs Viezo Sonora

Une défaillance de roulement dans un moteur peut être détectée par la mesure des vibrations, l’analyse vibratoire et l’identification des fréquences caractéristiques dans le signal de diagnostic. En pratique, cela signifie qu’un capteur monté sur le moteur enregistre le signal vibratoire, puis les données sont analysées afin de détecter les écarts par rapport à l’état de référence, l’augmentation du niveau RMS, les changements dans le spectre FFT ainsi que les fréquences typiques d’un endommagement de la bague intérieure, de la bague extérieure ou de l’élément roulant. Grâce à cela, le diagnostic vibratoire des roulements permet de détecter le problème plus tôt, avant l’arrêt de la machine, l’endommagement de l’arbre, la surchauffe du moteur ou la défaillance de toute la ligne de production.

Dans les usines industrielles, les moteurs électriques fonctionnent souvent en continu, sous charge variable, dans la poussière, l’humidité, à température élevée ou à proximité de systèmes d’entraînement commandés par variateurs de fréquence. Dans de telles conditions, l’usure naturelle des roulements peut s’accélérer, et les premiers symptômes de défaillance sont souvent difficiles à observer sans mesures. C’est pourquoi la mesure des vibrations des moteurs électriques et la mesure des vibrations des machines tournantes font partie des méthodes les plus importantes de maintenance prédictive.

Chez RGB Elektronika, nous utilisons une approche basée sur les mesures, l’analyse des signaux et l’expérience de service. Les capteurs Viezo Sonora permettent de collecter les données vibratoires des machines, tandis que l’interprétation des résultats aide à déterminer si la détérioration de l’état de fonctionnement peut provenir d’un endommagement du roulement, du réducteur, du ventilateur du moteur, d’un balourd, d’un défaut d’alignement ou d’un autre problème dans le système d’entraînement.

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Comment la mesure des vibrations aide-t-elle à détecter une défaillance de roulement dans un moteur électrique ?

Pourquoi les roulements sont-ils l’un des points les plus importants du diagnostic moteur ?

Les roulements assurent le bon guidage de l’arbre, la limitation du frottement et le fonctionnement stable du rotor. Lorsque leur état se dégrade, le moteur peut continuer à fonctionner, mais il commence à générer d’autres vibrations, bruits, températures et charges mécaniques. C’est précisément pourquoi le diagnostic des roulements dans un moteur électrique est si important du point de vue de la maintenance.

Un endommagement de roulement est rarement un problème isolé. Dans de nombreux cas, il entraîne d’autres défauts : détérioration des logements de roulement, surchauffe, frottement du rotor, augmentation de la consommation de courant, surcharge du variateur, défaillance de l’accouplement, du réducteur ou du ventilateur. Dans les machines de production, la conséquence peut être non seulement le coût de réparation du moteur, mais aussi le coût de production perdue, les retards dans l’exécution des commandes et le risque d’endommagement des composants d’automatisation associés.

Le diagnostic prédictif des moteurs électriques permet de faire passer l’intervention de service d’un mode d’urgence à un mode planifié. Au lieu d’attendre que le moteur arrête la ligne, il est possible d’analyser l’évolution des paramètres dans le temps et de planifier l’inspection, la réparation ou le remplacement du composant à un moment maîtrisé.

Quels symptômes peuvent indiquer un endommagement du roulement ?

Une défaillance de roulement peut se développer progressivement. Au début, les symptômes sont faibles et peuvent apparaître uniquement sous une charge, une vitesse de rotation ou une température de fonctionnement spécifique. Avec le temps, les signaux deviennent plus visibles pour l’opérateur, le technicien de service ou le service de maintenance.

Les symptômes typiques pouvant indiquer un problème de roulement comprennent :

• augmentation du niveau de vibrations mesuré sur le corps du moteur,
• bruit inhabituel, bourdonnement, cognement, frottement ou bruit métallique,
• température élevée du carter moteur ou de la zone de roulement,
• changement du comportement de fonctionnement à certaines vitesses de rotation,
• vibrations transmises à la structure de la machine, à la fondation, au châssis ou aux carters,
• surcharges fréquentes du système d’entraînement, notamment lors du fonctionnement avec un variateur,
• détérioration de la qualité du processus, par exemple fonctionnement irrégulier d’un ventilateur, d’une pompe, d’un convoyeur ou d’une broche,
• traces de surchauffe, fuite de graisse ou contamination autour du roulement.

Il faut garder à l’esprit que le bruit ou la température ne suffisent pas toujours à évaluer l’état d’un roulement. Dans la pratique de service, il est important de comparer plusieurs signaux : vibrations, spectre fréquentiel, charge, vitesse, conditions de fonctionnement et historique de l’équipement. C’est pourquoi la mesure des vibrations des moteurs et des machines offre une image beaucoup plus précise que la seule observation de l’opérateur.

Les causes les plus fréquentes de défaillance des roulements dans les moteurs électriques

Un roulement peut tomber en panne en raison d’une usure naturelle, mais dans de nombreux cas, le problème commence par les conditions de fonctionnement ou des erreurs de montage. Si la cause n’est pas éliminée, le simple remplacement du roulement peut n’apporter qu’un effet temporaire, et la panne réapparaîtra après un certain temps.

Les causes les plus fréquentes d’endommagement des roulements dans les moteurs électriques sont :

• contamination du lubrifiant, par exemple par la poussière, l’humidité, des copeaux ou des résidus de procédé,
• lubrification incorrecte, c’est-à-dire quantité de graisse insuffisante, excès de graisse, type de graisse inadapté ou sa dégradation,
• courants de roulement, en particulier dans les systèmes avec variateurs et protection incorrecte contre le passage du courant à travers les roulements,
• défaut d’alignement entre le moteur et la machine entraînée,
• balourd du rotor, du ventilateur, de la poulie ou de l’élément d’accouplement,
• déformations mécaniques résultant de forces asymétriques, de contraintes de montage ou d’un fonctionnement sur une fondation mal préparée,
• température de fonctionnement trop élevée, qui accélère la dégradation de la graisse et des matériaux,
• chocs lors du montage, mauvais positionnement du roulement ou erreurs lors du démontage,
• vibrations provenant d’autres éléments de la machine, par exemple du réducteur, de la pompe, du ventilateur ou de la transmission par courroie.

Du point de vue de la maintenance, le plus important n’est pas seulement de constater que le roulement est usé, mais aussi de répondre à la question pourquoi l’endommagement s’est produit. Le diagnostic vibratoire de l’état des roulements aide à distinguer l’effet de la cause et à limiter le risque de pannes répétées.

En quoi consiste le diagnostic vibratoire des roulements ?

Le diagnostic vibratoire des roulements consiste à enregistrer les vibrations générées par un moteur en fonctionnement et à les analyser en fonction des changements d’amplitude, de fréquence et des modèles caractéristiques d’endommagement. Chaque élément d’une machine tournante génère un certain signal. Lorsque le roulement est en bon état, le spectre des vibrations présente un caractère différent de celui observé lorsqu’un endommagement de la piste, de l’élément roulant ou de la cage apparaît.

Le processus de diagnostic peut être divisé en trois étapes principales :

1. Acquisition des données, c’est-à-dire la collecte des signaux vibratoires à l’aide de capteurs de vibrations montés sur le moteur ou dans son environnement immédiat.
2. Traitement du signal, c’est-à-dire l’analyse des données à l’aide d’algorithmes tels que la transformée de Fourier rapide, l’analyse RMS ou d’autres méthodes d’évaluation du signal.
3. Identification de la source du problème, c’est-à-dire la comparaison des résultats avec les signaux caractéristiques de défauts spécifiques : endommagement des roulements, balourd, défaut d’alignement, jeux mécaniques, problèmes de réducteur ou de ventilateur.

En pratique, la mesure seule ne suffit pas. L’interprétation des données est essentielle. Un niveau de vibrations élevé peut indiquer un problème, mais seule l’analyse fréquentielle permet de déterminer si la source est le roulement, l’arbre, le réducteur, le ventilateur, l’accouplement ou le mauvais fonctionnement de l’ensemble de la machine.

FFT, RMS et spectre fréquentiel dans le diagnostic pratique

Dans le diagnostic prédictif, plusieurs types d’analyse du signal sont souvent utilisés. Chacun répond à une question technique différente.

RMS permet d’évaluer le niveau global d’énergie des vibrations. Si la valeur RMS augmente par rapport à l’état de référence, cela peut indiquer une détérioration de l’état de la machine. Cet indicateur est utile pour le suivi des tendances, mais il ne suffit généralement pas à identifier clairement la cause.

FFT, c’est-à-dire la transformée de Fourier rapide, permet de passer du signal temporel au spectre fréquentiel. Cela permet de voir à quelles fréquences apparaissent les composantes vibratoires dominantes. C’est particulièrement important dans le diagnostic des roulements, car les endommagements des pistes, des éléments roulants et de la cage peuvent générer des fréquences caractéristiques dépendant de la géométrie du roulement et de la vitesse de rotation.

Le spectre fréquentiel permet donc de répondre non seulement à la question de savoir si le moteur vibre trop fortement, mais aussi au type de défaut susceptible de provoquer ces vibrations. C’est précisément pourquoi la mesure des vibrations des machines est si importante dans le diagnostic prédictif des entraînements.

Comment les capteurs Viezo Sonora soutiennent-ils le diagnostic prédictif des moteurs et des entraînements ?

À quoi ressemble le processus de mesure des vibrations des moteurs et des machines ?

Les capteurs Viezo Sonora permettent de collecter les signaux vibratoires des machines industrielles telles que les moteurs électriques, ventilateurs, pompes, réducteurs, entraînements et autres équipements tournants. Leur rôle est d’enregistrer les vibrations, qui peuvent ensuite être traitées et évaluées afin de détecter les écarts par rapport au fonctionnement correct.

Dans le processus de diagnostic pratique, les éléments importants sont :

• l’emplacement de montage du capteur, car le signal doit refléter le plus fidèlement possible le fonctionnement du roulement ou du sous-ensemble examiné,
• les conditions de fonctionnement de la machine, telles que la charge, la vitesse, la température et le cycle de production,
• la comparaison avec les valeurs de référence, c’est-à-dire l’état de la machine lors d’un fonctionnement correct,
• l’analyse de tendance, car l’augmentation progressive des vibrations est souvent plus importante qu’une mesure unique,
• la vérification technique, qui permet de distinguer une défaillance réelle d’une perturbation aléatoire ou d’un changement des conditions de procédé.

Grâce à cette approche, le diagnostic prédictif n’est pas une mesure ponctuelle, mais un processus de surveillance de l’état technique. Le service de maintenance reçoit l’information plus tôt, avant que le défaut ne se transforme en panne critique.

Comment reconnaître si le problème concerne le roulement, le réducteur ou le ventilateur ?

Un moteur électrique fonctionne très souvent comme partie d’un système plus vaste. Des accouplements, poulies, réducteurs, ventilateurs, pompes, broches, encodeurs ou actionneurs peuvent être raccordés à l’arbre. C’est pourquoi la mesure des vibrations doit être interprétée dans le contexte de l’ensemble de l’entraînement.

Si des fréquences liées à la géométrie du roulement apparaissent dans le signal, le soupçon peut concerner la bague intérieure, la bague extérieure ou l’élément roulant. Si les composantes dominantes sont liées à la vitesse de rotation, à ses multiples ou au comportement du rotor, le problème peut provenir d’un balourd, d’un défaut d’alignement ou de jeux. Si le signal est corrélé au fonctionnement du réducteur, les fréquences d’engrènement et les endommagements des roues dentées sont également analysés.

C’est pourquoi le diagnostic de l’état des roulements nécessite de combiner mesure, analyse du signal et connaissance de la construction de la machine. Ce modèle de travail limite le risque de décision erronée, par exemple le remplacement d’un roulement en bon état alors que la véritable cause des vibrations est un défaut d’alignement ou un ventilateur endommagé.

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Fréquences caractéristiques d’endommagement des roulements

Dans le diagnostic vibratoire des roulements, on utilise les relations entre la géométrie du roulement, la vitesse de rotation et les fréquences générées par des types précis d’endommagement. Si des composantes caractéristiques apparaissent dans le spectre, un type de défaillance déterminé peut être suspecté.

Les éléments les plus souvent analysés comprennent notamment :

• endommagement de la bague intérieure,
• endommagement de la bague extérieure,
• endommagement de l’élément roulant,
• endommagement de la cage du roulement,
• jeu, contamination ou lubrification incorrecte.

Pour des exemples de calcul des fréquences d’endommagement, les désignations suivantes peuvent être utilisées :

• Z – nombre d’éléments roulants dans le roulement,
• d – diamètre de l’élément roulant,
• D – diamètre primitif du cercle décrit par le centre de l’élément roulant,
• α – angle de contact,
• f_r – fréquence de rotation de l’arbre en Hz.

La fréquence d’endommagement de la bague intérieure peut s’écrire comme suit :

f_i = Z · f_r / 2 · (1 + d / D · cos α)

La fréquence d’endommagement de la bague extérieure peut s’écrire comme suit :

f_o = Z · f_r / 2 · (1 – d / D · cos α)

La fréquence d’endommagement de l’élément roulant se calcule en pratique sur la base de la relation géométrique du roulement, le plus souvent sous la forme :

f_b = Z · f_r /d · (1 – d² / D² · cos² α)

Si le signal vibratoire contient des fréquences proches des valeurs calculées pour un roulement donné, il existe une forte probabilité d’avoir affaire à un type d’endommagement spécifique. La vérification doit toutefois prendre en compte également la vitesse de fonctionnement, la charge, la construction du moteur, le mode de montage, les perturbations provenant du réducteur et les autres éléments raccordés à l’arbre.

Que faire après la détection de vibrations élevées ?

Les vibrations élevées ne doivent pas être ignorées, même si le moteur fonctionne encore. Un signal de diagnostic précoce est souvent le meilleur moment pour planifier le service, car la machine n’a pas encore arrêté la production et les dommages secondaires peuvent être limités.

Après la détection d’anomalies, il est recommandé d’effectuer les actions suivantes :

1. Vérifier la tendance des vibrations et comparer les valeurs actuelles avec les mesures précédentes.
2. Contrôler les conditions de fonctionnement, telles que la charge, la température, la vitesse, le cycle de production et le mode de commande de l’entraînement.
3. Évaluer les éléments mécaniques, notamment les roulements, l’accouplement, le ventilateur, le réducteur, les courroies, la fixation du moteur et la fondation.
4. Contrôler le système électrique, en particulier lors du fonctionnement avec un variateur, où des courants de roulement ou des perturbations CEM peuvent apparaître.
5. Planifier un diagnostic de service, si les signaux indiquent une défaillance en développement.
6. Prendre une décision concernant la réparation, la régénération ou la modernisation, avant qu’un endommagement plus grave ne se produise.

Selon le résultat du diagnostic, il peut être possible de remplacer les roulements, régénérer le moteur, contrôler l’arbre, vérifier les logements de roulement, effectuer un équilibrage, supprimer un défaut d’alignement, améliorer le refroidissement, vérifier le variateur ou analyser l’ensemble du système d’entraînement. Si le problème ne concerne pas seulement le moteur, mais aussi l’automatisation, il vaut également la peine de vérifier les variateurs de fréquence, servovariateurs, alimentations, encodeurs, modules E/S, automates PLC et l’électronique de commande.

Diagnostic, réparation et régénération des moteurs chez RGB Elektronika

RGB Elektronika accompagne les usines industrielles dans le diagnostic, la réparation, le service, la régénération et la modernisation des équipements d’automatisation et d’électronique industrielle. Dans le cas des moteurs électriques et des entraînements, il est essentiel pour nous d’établir la cause réelle du problème, et pas seulement de remplacer l’élément qui a été endommagé comme première conséquence visible de la panne.

Si la mesure des vibrations indique un possible endommagement du roulement, nous pouvons aider au diagnostic approfondi du moteur, à l’évaluation de l’état des sous-ensembles, à l’analyse des causes de défaillance et au choix des actions de service appropriées. Dans de nombreux cas, une réaction rapide permet de réduire les arrêts, d’éviter les dommages secondaires et de planifier la réparation à un moment plus favorable pour la production.

Contactez RGB Elektronika si vous souhaitez vérifier l’état d’un moteur, réaliser un diagnostic vibratoire, confirmer une suspicion de défaillance de roulement ou planifier une réparation avant l’arrêt de la machine. Nous aidons les services de maintenance, de production et de service à prendre des décisions fondées sur les données, et non sur des suppositions.

Dans le cas des machines critiques, il est recommandé d’agir avant même l’apparition d’une panne. La mesure des vibrations des machines, le diagnostic vibratoire des roulements et la surveillance prédictive permettent de passer d’une résolution réactive des problèmes à une maintenance planifiée. C’est particulièrement important lorsque l’arrêt d’une seule machine immobilise toute une ligne technologique.

Vous avez besoin d’un diagnostic moteur, d’une réparation d’entraînement ou d’une évaluation de l’état d’une machine ? Envoyez-nous les informations concernant l’appareil, les symptômes et les conditions de fonctionnement. Sur cette base, nous vous aiderons à choisir la suite de la procédure : diagnostic, service, régénération, réparation, modernisation ou analyse du système d’entraînement.

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