FR2681942A1 - Procede et dispositif de surveillance de l'etat mecanique d'une machine tournante. - Google Patents

Abstract

Procédé de surveillance de l'état mécanique d'une machine tournante, dans lequel chaque variable est mesurée en permanence et soumise à une transformation mathématique pour obtenir un paramètre représentatif d'un état mécanique de la machine, ce paramètre étant comparé à un seuil, caractérisé en ce que, pendant un temps très court au début dudit procédé, on mesure chaque paramètre en fonction de la vitesse et on y applique un facteur de correction en fonction de la vitesse pour ramener la mesure à une vitesse prédéterminée.

Description

La présente invention concerne un procédé de surveillance de l'évolution des paramètres représentatifs de l'état mécanique d'une machine tournante, par exemple un moteur électrique alimenté par un générateur de courant, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Dans l'industrie, pour faire fonctionner les ensembles mécaniques des différents processus industriels, il est nécessaire de les entraîner au moyen de machines tournantes lesquelles transforment une energie non mécanique, en l'occurence électrique, en un mouvement de rotation utilisable pour l'entraînement desdits ensembles mecaniques. I1 est connu pour cela d'utiliser plusieurs types de moteurs électriques dont les plus courants sont les moteurs à courant continu, les moteurs à courant alternatif synchrones ou asynchrones, les moteurs à hystérésis, les moteurs pas à pas, à aimants permanents ou à reluctance variable.

La plupart des moteurs électriques sont des dispositifs rotatifs, c'est-à-dire qu'ils comportent deux armatures ferromagnétiques cylindriques coaxiales, l'une fixe, le stator, l'autre mobile, le rotor, séparées par un entrefer.

Dans le cas des moteurs à courant alternatif, la majeure partie des moteurs de puissance sont des moteurs à champ tournant dans lesquels le bobinage inducteur, localisé dans les encoches du stator, est triphasé et alimente par le réseau de distribution, par exemple un génerateur de courant, à une fréquence f. I1 engendre alors à la périphérie de l'entrefer un champ magnétique tournant qui entraîne le rotor sur lequel est fixe un arbre de rotation.

Pour assurer un entretien préventif efficace des differentes machines tournantes équipant les differents ensembles mécaniques d'un processus industriel, il est necessaire de contrôler régulièrement le bon fonctionnement de ceux-ci afin de pouvoir programmer les opérations d'entretien sur ses organes mécaniques ou électriques avant que leur usure ne devienne préjudiciable à leur fonctionnement.

Ainsi dans le cas des moteurs électriques à courant alternatif, synchrones ou asynchrones par exemple, il est nécessaire de contrôler périodiquement la température et l'amplification de la vibration.

Pour cela, il est connu d'utiliser des appareils de mesure portatifs avec lesquels un operateur effectue régulièrement ces mesures.

L'inconvénient avec les moteurs électriques réside dans le fait que ce sont souvent des moteurs à vitesse variable.

Or les paramètres représentatifs de l'état mécanique de ces machines tournantes ne varient pas proportionnellement à la vitesse de rotation desdites machines.

Il en résulte que très souvent les résultats des mesures périodiques des différents paramètres représentatifs de l'état mécanique des machines sont inexploitables car il suffit que la vitesse de rotation desdites machines tournantes ait change entre deux campagnes de mesure pour que toute conclusion quant à l'évolution des paramètres soit impossible.

De plus, dans l'état de la technique, les mesures des paramètres sont effectuées régulièrement, par exemple une fois par mois.

Dans ce cas, en cas d'usure rapide d'un organe entre deux campagnes de mesure, il est impossible de s 'en rendre compte et on risque une casse.

C'est par exemple le cas lorsqu'un roulement d'un moteur électronique se détériore rapidement. Dans ce cas l'intensité de vibration augmente et la température du palier-porte roulement s'elève, le rotor se décentre du stator et le moteur se bloque entraînant une casse de celui-ci.

Il est donc necessaire d'effectuer un contrôle des paramètres représentatifs de l'état mécanique des moteurs en temps réel et de prendre en considération les variations de vitesse desdits moteurs.

La présente invention concerne un procedé de surveillance de l'évolution des paramètres représentatifs de l'état mécanique d'une machine tournante, par exemple un moteur électrique alimente par un générateur de courant, dans lequel pour chaque variable V mesurée à 1 ' aide de capteurs, par exemple la température du moteur ou l'intensité de sa vibration, on mesure en permanence la valeur Vi et on y applique au moins une transformation mathématique pour obtenir un paramètre P représentatif de l'état mécanique de ladite machine, et on compare la valeur du paramètre P par rapport à un seuil S.

Dans ce procéde, pendant un intervalle de temps d'echantillonnage très court Dt au début de l'enclenchement dudit procédé, on mesure la variation de chaque paramètre P en fonction de la variation de la vitesse n de la machine tournante afin de déterminer un coefficient de correction x en fonction de la vitesse n à appliquer à la valeur du paramètre P pour la ramener à la valeur P' correspondant à une vitesse prédéterminée, et on détermine la valeur du seuil S de tolérance de variation du paramètre P pour ladite vitesse prédéterminée. On applique alors le coefficient de correction xi à chaque valeur du paramètre P, xi étant le coefficient de correction pour la vitesse moyenne N de la machine pendant le temps d'échantillonnage Dt des variables Vi prises en compte pour établir la transformée mathematique, avant de comparer la valeur P' corrigée du paramètre P au seuil S.

La transformée mathématique peut être une transformée de Fourier et le paramètre P l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne N de la machine pendant le temps d'échantillonnage des variables
Vi prises en compte pour etablir la transformée de
Fourier.

La transformee mathématique peut aussi être plus simplement la valeur efficace de la variable V. Dans ce cas, on peut utiliser la methode des moindres carres simples.

La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, comprenant un accéléromêtre, un capteur de température et un capteur de vitesse mesurant en permanence respectivement l'intensité de vibration de la machine, sa température et sa vitesse, une carte d'acquisition des mesures, une carte effectuant les transformées mathématiques des signaux, un microcalculateur pour le traitement des données et un dispositif de visualisation des résultats.

Les caracteristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est un organigramme du procedé selon l'invention
- la figure 2 est une courbe représentant la variation de la variable V en fonction du temps
- la figure 3 est une représentation d'une transformée mathematique de la courbe de la figure 2
- la figure 4 est une représentation d'une autre transformée mathématique de la courbe de la figure 2
- la figure 5 est une vue schématique du dispositif selon l'invention
Comme on le voit à la figure 1, le procédé selon l'invention consiste à mesurer la valeur de chaque variable Vi au moyen de capteurs.

Dans l'exemple de réalisation représenté, on voit que les variables Vi sont la température T, mesurée à l'aide d'un capteur de température, l'intensité de vibration Ai mesurée à l'aide d'un accéléromètre et la vitesse n mesurée à laide d'un capteur de vitesse.

On applique alors à ces variables V au moins une transformée mathématique pour obtenir un paramètre P représentatif de l'état mécanique de ladite machine. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 1, on constate qu'on applique deux types de transformées mathématiques à la variable Ai.

D'une part, on en déduit le paramètre de roulement R, et, d'autre part, on lui applique une transformation de Fourier.

Le premier paramètre, le paramètre de roulement
R, définit l'état des roulements des paliers de la machine. En effet, un roulement est constitué de bagues, l'une fixe et l'autre mobile avec le rotor qui sont séparées par des éléments roulants tels que des billes des rouleaux ou des aiguilles. Lorsque l'une des deux bagues comporte des irrégularités telles que des microfissures, cela crée des vibrations à une fréquence qui dépend de la vitesse de rotation du moteur et du nombre des éléments roulants.

La figure 1 représente les différentes étapes du procéde selon l'invention. Des capteurs fournissent trois valeurs de mesure, la vitesse n, l'amplitude des vibrations Ai et la température T. La mesure de l'amplitude de vibration Ai est utilisée d'une part pour obtenir le paramètre de roulement et d'autre part pour obtenir ainsi un signal temporel qui est filtré, puis échantillonné le signal obtenu est alors soumis à une transformation mathématique. Le signal transformé fait l'objet d'un choix de bandes de fréquence en fonction de la vitesse n et l'on effectue sur chacun des paramètres une correction
Xi = f(n) qui est déterminé de manière continue en fonction de la vitesse n. L'application de ce facteur de correction permet de determiner des seuils de spectre.

Le signal représentatif du paramètre de roulement est enregistré et les valeurs enregistrées sont envoyées à un dispositif déterminant la pente de l'évolution du paramètre roulement et qui fournit des seuils de pente.

Le signal representatif du paramètre de roulement est suivi également d'une correction en fonction de la vitesse qui permet de définir des seuils de roulement.

En ce qui concerne le signal de température T, il ne subit pas de modification en fonction de la vitesse et on définit directement des seuils de température.

La figure 2 represente la variation de la valeur de l'intensité de vibration Ai en fonction du temps ti.

Le signal obtenu est une vibration.

La figure 3 représente la transformée de Fourier dudit signal, ctest-à-dire la representation des amplitudes du signal en fonction de la fréquence.

Il est bien évident que le traitement mathématique s'effectue après filtrage et échantillonnage du signal brut comme représenté à la figure 2.

A partir de cette transformée de Fourier, on choisit plusieurs bandes de frequence représentant plusieurs paramètres P représentatifs chacun d'un état mécanique de la machine.

Ainsi dans l'exemple de réalisation décrit, on a choisi huit paramètres P.

Le premier paramètre P1 est l'amplitude sur le spectre de la transformee de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne N de la machine pendant l'échantillonnage des variables Vi prises en compte pour établir la transformée de Fourier.

Ce paramètre P1 permet de surveiller le balourd de la machine.

Le second paramètre P2 est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fré- quence correspondant à deux fois la vitesse moyenne N de la machine pendant l'échantillonnage des variables Vi prises en compte pour établir la transformée de Fourier.

Ce paramètre P2 permet de surveiller le desali- gnement des axes entre l'axe moteur et l'axe recepteur de la machine.

Le troisième paramètre P3 est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la fréquence de commutation du générateur de courant.

Ce paramètre P3 permet de surveiller l'état du générateur de courant.

Le quatrième paramètre P4 est l'amplitude sur le spectre de la transformee de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne N de la machine pendant le temps d'échantillonnage des variables
Vi prises en compte pour etablir la transformée de
Fourier que multiplie le coefficient d'engrènement de ladite machine.

Ce paramètre P4 permet de surveiller l'état de la denture de la machine.

Le cinquième paramètre P5 est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne N de la machine pendant l'échantillonnage des variables Vi prises en compte pour etablir la transformee que multiplie le nombre de lignes de balais du collecteur de la machine.

Ce paramètre P5 permet de surveiller l'état des balais.

Le sixième paramètre P6 est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne N de la machine pendant l'échantillonnage des variables Vi prises en compte pour établir la transformée que multiplie le nombre d'encoches rotoriques.

Ce paramètre P6 permet de surveiller l'état des conducteurs électriques.

Le paramètre P7 est la valeur globale de la vibration en fonction du temps obtenue à partir de la racine carrée de la somme des carrés.

Dans l'exemple de réalisation décrit, le paramètre P8 n'est pas etabli à partir d'une transformée de
Fourier du signal vibratoire de l'intensité de vibration de la machine.

Le paramètre P8 est la valeur maximale de 1 'in- tensité de vibration Ai.

Le procédé selon l'invention consiste après avoir mesuré les variables V, établi les transformées mathematiques et choisi les paramètres P à suivre l'evo- lution de ces paramètres et à les comparer à un seuil de tolérance de variation.

Pour établir ce seuil, au début de l'enclenchement du procédé, pendant un intervalle de temps très court Dt, on mesure la variation de chaque paramètre P en fonction de la variation de la vitesse n de la machine tournante afin de déterminer un coefficient de correction x en fonction de la vitesse n à appliquer à la valeur du paramètre P pour la ramener à une valeur de vitesse prédéterminée.

A partir de là et pour chaque paramètre P, le procédé établit automatiquement la valeur du seuil S de tolérance de variation dudit paramètre.

Ainsi dans l'exemple de réalisation, on établit neuf courbes de correction xi = f(n), xi étant la valeur de correction à appliquer à chaque paramètre P1,...,P8,R.

Par multiplication de chaque coefficient de correction avec son paramètre correspondant en fonction de la vitesse moyenne N de la machine pendant le temps d'échantillonnage, des variables Vi, on obtient une valeur P'1,P'2,...,P'8,R' des paramètres représentant l'état mécanique de la machine.

Ces paramètres Pi et R sont dans ce cas tous ramenés à une vitesse prédéterminée Nc choisie arbitrairement au début.

Ce procédé permet donc de suivre les variations des paramètres P à vitesse constante et donc de surveiller efficacement l'état de la machine tournante.

Dans l'exemple de réalisation du procédé décrit, le temps Dt necessaire pour établir les courbes de correction des paramètres P en fonction de la vitesse n est de l'ordre de 1/10000 du temps d'exploitation normal de la machine, la mesure de la vitesse n de la machine s'effectue toutes les 100 millisecondes, on calcule le paramètre roulement R toutes les secondes et on calcule les paramètres P sur un échantillon de variable Vi toutes les quinze minutes.

Comme on le voit à la figure 5, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comporte un accéléromètre 1, un capteur de température 2 et un capteur de vitesse 3, mesurant en permanence respectivement l'intensite de vibration Ai, la température T et la vitesse n, une carte d'acquisition des mesures 4, une carte effectuant les transformations mathematiques des signaux 5, un microcalculateur 6 pour le traitement de données et un dispositif de visualisation des résultats 7. Les différents éléments électroniques sont disposes dans une armoire 8.

Dans l'exemple de réalisation représenté, l'accéléromètre 1 est un accéléromètre du type piézoélectrique à électronique intégrée dont la sensiblité typique est égale à 100 mV/g, la bande passante à 10% de 2 à 10 kHz, la gamme de température de - 20"C à + 1200C et la fréquence propre du capteur monté supérieure à 20 kHz.

Le capteur de température 2 est un thermocouple à électronique intégrée dont la sensibilité va de 0 à 150 C.

Le capteur de vitesse 3 est un générateur d'impulsions lié à l'arbre de la machine et fournissant 600 tops par tour. Le dispositif de visualisation des resul- tats 7 est par exemple un écran ou une imprimante.

Il est également possible de lier le dispositif décrit ci-dessus à un réseau de communication 9 afin de rendre l'information disponible à un grand nombre d'opérateurs.

Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 5, le moteur comporte deux accéléromètres 1 montés chacun sur un des paliers support du rotor, deux capteurs de température 2 sur ces mêmes paliers et un capteur de vitesse 3.

On peut évidemment utiliser un nombre quelconque de capteurs pour la réalisation du procede selon l'invention.

Il est bien évidemment possible d'adjoindre au procédé et dispositif selon l'invention tout type de traitement postérieur tel que par exemple un cycle d'alarme fonctionnant comme suit.

Lors du franchissement d'un seuil par un des paramètres P corrigé, le procédé garde en mémoire les signaux température et évolution du paramètre P quinze minutes avant l'incident et quinze minutes après. Ceci permet une analyse a posteriori du défaut afin de pouvoir en déterminer la cause.

Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent donc de surveiller de manière efficace l'evolution de l'état mécanique d'une machine tournante.

Il est bien évident que ce procédé et ce dispositif peuvent être appliqués à une batterie de machines tournantes.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Procéde de surveillance de l'évolution des paramètres représentatifs de l'état mécanique d'une machine tournante, par exemple un moteur électronique alimenté par un générateur de courant, dans lequel pour chaque variable (V) mesurée à l'aide de capteurs, par exemple la température du moteur ou l'intensité de sa vibration, on mesure en permanence la valeur (Vi) et on y applique au moins une transformation mathématique pour obtenir un paramètre (P) représentatif de l'état mécanique de ladite machine, et on compare la valeur du paramètre (P) par rapport à un seuil (S), caractérisé en ce que, pendant un intervalle de temps d'échantillonnage très court (Dt) au debut de l'enclenchement dudit procédé, on mesure la variation de chaque paramètre (P) en fonction de la variation de la vitesse (n) de la machine tournante afin de déterminer un coefficient de correction (x) en fonction de la vitesse (n) à appliquer à la valeur du paramètre (P) pour la ramener à la valeur (P') correspondant à une vitesse prédéterminée, et on détermine la valeur du seuil (S) de tolérance de variation du paramètre (P) pour ladite vitesse prédéterminée et en ce que l'on applique alors le coefficient de correction (xi) à chaque valeur du paramètre (P), (xi) étant le coefficient de correction pour la vitesse moyenne (N) de la machine pendant le temps d'échantillonnage (Dt) des variables (Vi) prises en compte pour établir la transformée mathématique, avant de comparer la valeur (P') corrigée du paramètre (P) au seuil (S).

2. Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformée mathematique est une transformée de Fourier.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérise en ce que le paramètre (P) est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne (N) de la machine pendant le temps d'échantillonnage des variables (Vi) prises en compte pour établir la transformée mathematique.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre (P) est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à deux fois la vitesse moyenne (N) de la machine pendant le temps d'échantillonnage de variables (Vi) prises en compte pour etablir la transformée.

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre (P) est l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la frequence de commutation du générateur de courant.

6. Procéde selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre (P) est égal au produit de l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de frequence correspondant à la vitesse moyenne (N) de la machine pendant le temps d'échantillonnage des variables (Vi) prises en compte pour etablir la transformee par le coefficient d'engrènement de ladite machine.

7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre (P) est égal au produit de 1' am- plitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne (N) de la machine pendant l'échantillonnage des variables (Vi) prises en compte pour établir la transformée par le nombre de lignes de balais du collecteur de la machine tournante.

8. Procéde selon la revendication 2, caractérisé en ce que le paramètre (P) est egal au produit de l'amplitude sur le spectre de la transformée de Fourier de la bande de fréquence correspondant à la vitesse moyenne (N) de la machine pendant l'échantillonnage des variables (Vi) prises en compte pour établir la transformée par le nombre d'encoches rotoriques dont est munie la machine tournante.

9. Procede selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformée mathématique est la représentation de la valeur efficace de la variable (V).

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformée mathematique est la representation du paramètre roulement de la machine.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la variable (V) est l'intensité de vibration de la machine tournante.

12. Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variable (V) est la température de la machine tournante.

13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle de temps (Dt) est de tordre de 1/10000 du temps d'exploitation normal de la machine.

14. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce qu'on mesure la vitesse (n) de la machine tournante toutes les 100 millisecondes.

15. Procédé selon les revendications 1 et 10, caractérisé en ce qu'on calcule le paramètre roulement de la machine toutes les secondes.

16. Procéde selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'on calcule le paramètre (P) toutes les quinze minutes.

17. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, carac térisé en ce qu'il comporte un accéléromètre (1), un capteur de température (2) et un capteur de vitesse (3) mesurant en permanence respectivement l'intensité de vibration, la température et la vitesse, une carte d'acquisition de mesures, une carte (5) effectuant les transformations mathématiques des signaux, un microcalcu lateur (6) pour le traitement des données et un dispositif de visualisation (7) des résultats.

18. Dispositif selon la revendication 17, carac terse en ce qu'il comprend un couplage à un réseau de communication.

19. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs accéléromètres, plusieurs capteurs de vitesse et plusieurs capteurs de température.

20. Dispositif selon la revendication 17, carac tersé en ce que l'accéléromètre est du type piézoélectrique.

21. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que le capteur de température est un thermocouple à électronique intégree.

22. Dispositif selon la revendication 17, carac térise en ce que le capteur de vitesse est un générateur d'impulsions lie à l'arbre de sortie de la machine tournante.