Surveillance de l'état des équipements

L'objectif de la maintenance conditionnelle ou maintenance prédictive (PdM) est de mettre en œuvre une mesure de maintenance en temps opportun. « En temps opportun » signifie suffisamment tôt pour limiter au maximum les dépenses de réparation avant que des dommages plus importants ne surviennent, nécessitant des efforts accrus, mais aussi le plus tard possible afin de minimiser les temps d’arrêt d’une machine et d’optimiser l’utilisation des pièces jusqu’à la fin de leur cycle de vie. Garantir le dernier moment d’utilisation en toute sécurité constitue un défi majeur. C’est pourquoi, dans la pratique, on recourt souvent à la première stratégie. L’objectif de la stratégie basée sur l’état est donc de minimiser les coûts de maintenance grâce à la détection précoce des défauts et à leur réparation. L’identification précoce des signes de défaillance est la mission essentielle des méthodes de diagnostic par ultrasons. La surveillance de l’état est généralement définie comme l’utilisation de technologies appropriées pour déterminer l’état de fonctionnement réel d’une machine. L’état de fonctionnement est la superposition de l’état du processus et de celui de la machine. Autrefois, l’opérateur ou le technicien de maintenance devait effectuer la surveillance de l’état en s’appuyant uniquement sur ses sens, tels que l’ouïe, la vue ou le toucher. Aujourd’hui, comme de nombreuses machines et processus fonctionnent sans personnel et que les installations deviennent de plus en plus complexes, une technique de surveillance est nécessaire.

De plus, une telle technique pourrait offrir de nombreuses nouvelles possibilités pour surveiller des paramètres 24 heures sur 24, sans interruption. Cela signifie que les machines et systèmes autonomes peuvent être commandés à distance avec une relative facilité. Divers paramètres, tels que la température, la pression, le débit, la qualité de l’huile ou les vibrations, peuvent être surveillés afin de déterminer l’état de fonctionnement d’une machine. Ces paramètres peuvent être complétés par d’autres, tels que le courant ou la force de la broche d’entraînement. Les deux derniers paramètres mentionnés sont souvent mis à la disposition de l’opérateur de machines-outils dès la sortie d’usine. Comme la plupart des défauts sur les machines comportant des pièces rotatives entraînent des vibrations, la plupart des informations relatives à l’état d’une machine (sa santé) ainsi qu’aux paramètres du processus (ses caractéristiques de fonctionnement) peuvent être recueillies grâce à la surveillance de l’état par mesure des vibrations. Cela signifie qu’il est possible de surveiller à la fois l’état de la machine et l’état du processus à l’aide d’une seule et même technologie. Cette capacité à optimiser simultanément la productivité et la maintenance peut améliorer considérablement l’efficacité globale des installations.

Les ultrasons dans le domaine de la maintenance

En raison des avantages décrits précédemment, la mesure des vibrations constitue, dans la pratique, la méthode de choix pour la surveillance des machines comportant des pièces rotatives. On utilise généralement des capteurs de vibrations présentant une réponse en fréquence linéaire pouvant atteindre 20 kHz pour mesurer ces vibrations. Étant donné que les procédés acoustiques pouvant être utilisés à des fins de maintenance couvrent une plage de fréquences plus étendue, pouvant aller jusqu’à 1 MHz, des capteurs spéciaux sont nécessaires. Ces capteurs à ultrasons sont utilisés lorsque les fréquences à analyser sont trop élevées, mais aussi lorsque les déformations sont trop faibles pour être détectées par des capteurs de vibrations. De plus, l’analyse dans la gamme des ultrasons offre l’avantage que la multitude de bruits de machine dans la gamme audible n’interfère pas avec la mesure. L’utilisation de méthodes ultrasoniques est classée par les auteurs comme une approche complémentaire à l’analyse des vibrations. Les causes à l’origine des émissions sonores dans la gamme des ultrasons diffèrent de celles à l’origine des vibrations. Les impacts les plus importants à prendre en compte dans le cadre de la maintenance reposent en fin de compte sur le frottement. Il s’agit, par exemple, de la surveillance de la lubrification ou de la détection de fonctionnement à sec, des fuites et des processus de frottement techniques sur les paliers lisses ou les freins. Cependant, d’autres causes d’émissions sonores, telles que la turbulence, la cavitation ou les processus de décharge, élargissent également le champ d’application à des processus qui ne proviennent pas de machines comportant des pièces en rotation. Pour toutes ces causes, les avantages des méthodes ultrasonores sont mis à profit afin de détecter le plus tôt possible des dommages ou des modifications de processus. Comme le montre la figure 2, le type de détection du signal, et donc l’utilisation des ultrasons dans la maintenance, peut être divisé en deux catégories : le bruit aérien et le bruit de structure.

En ce qui concerne le bruit aérien, des applications telles que la détection de fuites sur les systèmes d’air comprimé, les essais actifs de étanchéité sur les cabines et les conteneurs ou la détection de décharges partielles sont déjà bien connues. Les applications liées au bruit de structure, telles que le contrôle des purgeurs de vapeur, le diagnostic des roulements et le contrôle des vannes, sont déjà bien établies. Des capteurs à ultrasons basés sur des matériaux composites piézoélectriques ont été développés et sont utilisés pour des applications de bruit de structure dans le cadre de la surveillance des processus. Grâce à leur réponse en fréquence plate et à leur haute sensibilité, ces nouveaux capteurs sont adaptés aux applications à large bande.

En 2016, la société SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH a lancé un nouvel appareil de contrôle. Cet appareil est conçu pour les tâches d’inspection par ultrasons dans le domaine de la maintenance. Les principales différences par rapport aux appareils disponibles auparavant résident dans la large plage de fréquences des capteurs et dans la conception modulaire de l’appareil de mesure numérique. De plus, toutes les fonctionnalités des appareils mobiles courants, tels que les smartphones et les tablettes, sont intégrées dans ce nouveau détecteur à ultrasons portable. Le nouveau SONAPHONE permet de détecter et d’analyser une plage de fréquences comprise entre 20 et 100 kHz.

L'appareil sera équipé d'applications spécifiques qui assisteront le technicien de maintenance lors des essais, ainsi que lors de l'analyse des données et de la rédaction des rapports d'essai. Le SONAPHONE a été développé comme un appareil de test mobile et portable destiné à toutes les applications de maintenance susmentionnées. À l'heure actuelle, la plateforme est conçue pour l'enregistrement et le traitement synchrones de deux signaux : les ultrasons et le signal de température (intégré au capteur de bruit de structure) peuvent être enregistrés de manière synchronisée dans le temps.

Pour les applications liées au bruit aérien, telles que la détection de fuites, les essais d'étanchéité et la détection de décharges partielles, différents accessoires (figure 3, en haut à droite) ont été développés pour le capteur de bruit aérien afin de répondre aux exigences. Ainsi, les caractéristiques de réception du capteur peuvent être modifiées en fonction de la portée de détection et de l'angle d'ouverture. Pour les applications par transmission par les structures, telles que les essais sur les purgeurs de vapeur ou l'inspection des roulements, des accessoires ont également été développés (figure 3, en bas à droite).

Le capteur de bruit de structure peut être équipé d'un support magnétique ou de guides d'ondes de différentes longueurs. Il peut également être vissé directement sur le point de mesure. En ce qui concerne l'application de la surveillance d'état, l'appareil portable est destiné à être utilisé pour un contrôle mobile et récurrent, sous la forme d'une mesure comparative ou d'une analyse de tendance sur un grand nombre de mesures. Cela signifie que la surveillance d'état a lieu à des moments précis prédéfinis et peut être décrite comme une estimation d'état par instantané.

La motivation et le contexte du développement de cette nouvelle technologie de capteurs sont décrits en détail dans plusieurs articles, par exemple. De nouveaux transducteurs à ultrasons destinés à des applications de surveillance de l’état des équipements ont été mis au point à partir d’un matériau piézocomposite, qui joue un rôle central dans l’utilisation complémentaire des basses et des hautes fréquences dans le cadre d’une philosophie d’application intégrative.

L'utilisation de cette technologie présente plusieurs avantages. La courbe de réponse en fréquence du capteur est relativement régulière et les résonances indésirables sont supprimées. Cela signifie que les caractéristiques de fréquence peuvent être linéarisées dans une certaine mesure, ce qui permet d'exploiter les propriétés spectrales des signaux et d'appliquer une analyse temps-fréquence avancée en temps réel. Un autre aspect important découle de l’augmentation du nombre de degrés de liberté dans la conception des transducteurs ; par exemple, cela permet de réaliser des transducteurs flexibles ou présentant une courbure particulière.

La figure 4 présente deux courbes d’impédance électrique. La courbe bleue représente un transducteur de type piézocéramique classique et la courbe rouge un nouveau transducteur de type piézocomposite. La différence entre les deux courbes illustre la suppression des résonances indésirables pour les transducteurs piézocomposites. En revanche, le type piézocéramique présente de nombreuses résonances causées par les différents modes de vibration d’un disque céramique, qui constitue la partie principale du transducteur.

Le matériau piézocomposite utilisé dans le cadre de ces travaux a été fabriqué à l’aide de la technologie « dice-and-fill » (figure 5). Cette technique de fabrication exigeante a été mise au point chez SONOTEC en 2008. Des plaquettes piézocéramiques (par exemple en titanate de zirconate de plomb (PZT)) sont partiellement découpées par une machine à découper les plaquettes dans deux directions, à un angle de 90°. Les interstices sont comblés avec du polyuréthane ou de la résine époxy. Une fois durci, le matériau est rectifié jusqu’à obtenir son épaisseur finale. Enfin, le composite est métallisé et polarisé.

Ce processus de fabrication est complexe et comporte plusieurs étapes présentant des degrés de difficulté variés. Il en résulte une multitude de possibilités, permettant d’obtenir de nouvelles propriétés pour les transducteurs. Des variations sont possibles en modifiant le type de piézocéramique, le type de matrice plastique, le pas et la disposition des piliers piézocéramiques, la largeur des interstices, l’épaisseur de la plaque, la forme de la plaque et le pas macroscopique des éléments du transducteur.

Les avantages des nouveaux capteurs à base de matériaux piézocomposites peuvent également être illustrés par des expériences simples. La figure 6 présente des spectrogrammes et des spectres de fréquence générés lors d’une expérience de frottement.

L’expérience a été réalisée à l’aide de deux capteurs différents, fixés sur un tube en acier. Un capteur de vibrations haute fréquence classique a été comparé à l’un des nouveaux capteurs ultrasoniques à large bande. Une stimulation à l’aide de papier de verre a été utilisée comme source de bruit de structure. Sur les spectrogrammes, ce mouvement de va-et-vient est perceptible entre deux et sept secondes. Les spectres de fréquence sont calculés à partir d’une fenêtre temporelle comprise dans cette plage. Tant les spectrogrammes que les spectres montrent clairement les différences entre les deux types de capteurs.

Cet exemple a pour objectif de présenter la possibilité d’utiliser de nouveaux capteurs à ultrasons pour la surveillance de l’état des pièces céramiques lors de leur usinage à l’aide de machines de découpe de plaquettes de haute précision. Il s’agit d’optimiser de manière générale les processus de découpe, en particulier pour les matériaux dits « difficiles à découper », ou d’assurer la surveillance de l’état des pièces très coûteuses lors de leur usinage. La broche d'entraînement de la machine de découpe a été équipée de capteurs à ultrasons à base de piézocomposites. La fréquence de résonance d'épaisseur de ces capteurs est d'environ 1 MHz. Les signaux ont été acquis à l'aide de la carte d'acquisition de données DT 9847-2-2 (Data Translation) et analysés à l'aide de MATLAB de MathWorks.

Un taux d’échantillonnage de 216 kHz a été utilisé. La figure 7 présente deux de ces nouveaux capteurs, ainsi que la broche d’entraînement de la machine de découpe équipée de ces capteurs. L’exemple de la machine de découpe de plaquettes constitue une application intéressante en raison des broches d’entraînement spéciales utilisées dans ces machines. Ces broches à grande vitesse, dont la vitesse de rotation peut atteindre 60 000 tr/min, sont des broches à palier à air équipées de moteurs sans balais. Il n’y a donc aucun couplage mécanique direct entre les parties rotatives et les parties fixes au sein du processus. De plus, le palier à air génère en permanence une émission acoustique due au soufflage d’air.

Un processus standard de découpage de trois disques en céramique disposés en une seule rangée a été analysé (figure 8). Ce procédé nécessite environ six secondes pour chaque ligne de coupe. Tout d’abord, la broche d’entraînement descend (dans la direction de l’axe z). Le processus de découpe proprement dit intervient ensuite, en deuxième étape. À première vue, le signal temporel ne fournit aucune information utile pour le contrôle du procédé.

Il est donc nécessaire de recourir au traitement des signaux temps-fréquence. Le spectrogramme (figure 8, à droite) illustre l'ensemble du processus de découpage. Certaines basses fréquences fixes ont été mesurées en continu. Elles sont dues à la broche en rotation à une vitesse de rotation fixe de 30 000 tr/min et aux turbulences à la sortie du palier à air, auxquelles se superposent les effets de la pulvérisation d'eau de refroidissement.

Au début et à la fin de la découpe (étapes 1 et 3), l'accélération très élevée de l'axe z entraîne des amplitudes élevées sur une plage de fréquences allant jusqu'à 5 kHz. Pendant la découpe (étape 2), le traitement des trois disques entraîne des variations reproductibles du spectre à différentes fréquences. Les amplitudes les plus élevées ont été générées autour de 20 kHz, ce qui indique clairement que la surveillance conditionnelle dans la gamme des fréquences ultrasoniques pourrait s'avérer efficace. Ce résultat permet de suivre l'évolution des paramètres d'usinage : par exemple, plus la vitesse d'avance est élevée, plus l'amplitude dans la gamme des fréquences ultrasoniques est importante.

Dans l’exemple suivant, les résultats présentés concernent une série d’essais visant à optimiser la vitesse d’avance. Une plaque en céramique a été usinée en augmentant progressivement la vitesse d’avance d’une ligne de coupe à la suivante. À l’heure actuelle, la valeur du courant d’entraînement de la broche constitue la seule information disponible sur l’état du processus. En raison des variations très faibles du courant d’entraînement de la broche par rapport aux variations de la vitesse d’avance, les résultats de la surveillance sont insuffisants. Les capteurs à ultrasons placés au niveau de la broche d’entraînement permettent d’obtenir beaucoup plus d’informations.

La figure 9 présente une photographie de la plaquette partiellement découpée. Une lamelle de céramique cassée est visible au milieu de la dernière ligne de découpe. Six lignes de découpe auparavant, les premières traces de détérioration sont observables au fond des rainures de découpe, ce qui signifie que le processus de découpage était déjà dans un état critique.

L'augmentation du frottement à l'état critique du processus, et en particulier la rupture de la lamelle, entraîne des modifications du spectre de fréquences des signaux. Au moment de la mesure, à 2,3 s, certaines raies de résonance sont interrompues. Cet événement transitoire a été détecté par les capteurs et pourrait être dû à la rupture de la lamelle en céramique, comme le montre la figure 9. La position géométrique de la rupture peut être approximativement localisée par rapport à l’événement transitoire observé sur le spectrogramme.

Il n'est pas possible pour l'instant de déterminer avec précision cette relation, car il n'existe aucun signal de déclenchement provenant de l'axe mobile de la machine pouvant servir à synchroniser l'axe temporel de la mesure. Par ailleurs, une interprétation détaillée des effets physiques et techniques devra faire l'objet d'études complémentaires et sera publiée dans de futurs articles. En conclusion, on peut affirmer que les nouveaux capteurs à ultrasons basés sur des piézocomposites peuvent être utilisés de manière très efficace pour la surveillance de l'état des processus de découpage.

Un banc d'essai de roulements a été utilisé pour mener des recherches sur le diagnostic des roulements à l'aide du nouveau détecteur à ultrasons SONAPHONE. Des roulements à billes de type 6002 ont été préparés avec divers défauts d'essai afin de simuler des dommages.

La figure 11 montre un exemple de la zone hachurée dans la piste de roulement à billes de la bague extérieure. La piste de roulement de la bague intérieure et les billes peuvent toutes deux être préparées par gravure laser. L’objectif de cette méthode est d’utiliser une technique de préparation reproductible. Cela est important afin de pouvoir reproduire aussi souvent que nécessaire l’état initial de l’usure prévue.

En fonctionnement, cette détérioration simulée du roulement génère des vibrations et du bruit de structure. La figure 12 montre un cycle de fonctionnement ascendant-descendant sur un roulement à billes neuf (à gauche) ainsi que sur un roulement préparé (à droite). Le roulement défectueux peut être distingué du roulement neuf grâce à la différence de niveau sonore ainsi qu’à l’évaluation visuelle du spectrogramme. Dans le cas du roulement préparé, des ultrasons sont même détectés sur toute la plage de fréquences du SONAPHONE, jusqu’à 100 kHz.

La figure 11 présente des captures d’écran du logiciel Data-Viewer fonctionnant sur un PC. Le niveau sonore est affiché en haut et les spectrogrammes de la période de mesure sont présentés en bas. La robustesse de la technologie des ultrasons à large bande est également mise en évidence dans le présent exemple de diagnostic de roulement. Les spectrogrammes montrent qu’il existe des plages de fréquences dans lesquelles pratiquement aucune énergie sonore n’est émise.

Conclusions

L'utilisation des ultrasons dans la maintenance a été classée, au début de cet article, parmi les méthodes modernes de maintenance. Dans le domaine de la surveillance de l'état des équipements en particulier, la technique des ultrasons apporte une contribution significative à la détection précoce des défaillances. Le développement d'un nouvel appareil de contrôle et les premiers exemples d'application ont été brièvement présentés. Les avantages du procédé de mesure à large bande, notamment l’utilisation de nouveaux capteurs à ultrasons intégrant un matériau piézocomposite au cœur des transducteurs, ont été décrits. L’analyse des données à large bande et la robustesse accrue des résultats de test qui en découle ont été mises en avant.

Remerciements

Une partie de ces travaux a bénéficié du soutien du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche UMKlaD (BMBF, programme : kMU-innovativ, projet : 01IS15051A).