WO2009016289A2 - Device and method for monitoring the vibratory state of a rotating machine - Google Patents

Device and method for monitoring the vibratory state of a rotating machine Download PDF

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WO2009016289A2
WO2009016289A2 PCT/FR2008/000910 FR2008000910W WO2009016289A2 WO 2009016289 A2 WO2009016289 A2 WO 2009016289A2 FR 2008000910 W FR2008000910 W FR 2008000910W WO 2009016289 A2 WO2009016289 A2 WO 2009016289A2
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bearing
armature
capacitor
conductive
vibration monitoring
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WO2009016289A3 (en
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Patrick Marconnet
Bernard Pottier
Lanto Rasolofondraibe
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Universite De Reims Champagne Ardenne
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00Testing of machine parts
    • G01M13/04Bearings
    • G01M13/045Acoustic or vibration analysis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/527Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to vibration and noise
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties

Definitions

  • the present invention relates to the field of mechanical components of rotating machines whose rotation mechanisms are sensitive to unbalance or are likely to excite the structure of machines such as turbines, alternators, motors and reducers, etc. and more particularly in the field of ball bearings, needle or roller.
  • Bearings are mechanical components that guide the rotation of a shaft in a bearing by limiting the friction that could be caused by the movement of one of the two parts relative to the other.
  • the bearings are formed by two coaxial rings, one said inner and the other outer between which movable elements are placed and maintained. These movable elements, generally balls, although trapped between the two coaxial rings ensure the rotation of one of the rings relative to each other.
  • the balls are replaced by cylindrical or frustoconical rollers.
  • the bearings are then able to withstand a higher radial force compared to conventional ball bearings.
  • some bearings, called needles use rollers of small diameter compared to their length, having the advantage of being less bulky thanks to a reduced radial space.
  • the main method for characterizing and monitoring the state of each essential component of a rotating machine is the use of vibratory sensors of the accelerometric type.
  • the phenomenon used in this type of sensor is called piezoelectricity. Under the action of a mechanical force, some bodies can be polarized. To use this property, the piezoelectric sensors have the shape of a disk, each of whose surfaces is connected to an electrode. Pressure on one side of the sensor generates a mechanical stress that polarizes the sensor. The generated charge is subsequently amplified to be measured.
  • these piezoelectric sensors are placed close to the strategic points of the main components of the machine under surveillance.
  • the vibration frequency of the bearing results in a stress / pressure frequency at the surface of the sensor, transformed as a variation of a measured electrical signal.
  • these vibratory sensors have a quality of measurement that depends on the surface against which they are positioned. This surface must be able to correctly transmit the measured vibrations without any loss of information.
  • the present invention aims to provide at least one sensor capable of bearing one or more disadvantages of the prior art while improving the quality of the vibratory signal measured and proposing a low cost solution.
  • a device for monitoring a vibration machine generated by a bearing formed by two rings, one outer and the other inner, one fixed relative to the frame of one machine and the other rotating, coaxial between which at least one rolling element is trapped and capable of moving, vibrations generated by other organs of the machine passing through the bearing, each of the machine members having a respective frequency signature characterized in that the device comprises at least one non-conducting positioning means mounted on at least one element in contact with at least one element of the bearing or mounted on at least one of the elements of the bearing, the positioning means comprising at least one housing for positioning at least one conductive element, constituting a first armature of at least one capacitor to form a capacitive sensor, at a distance from a conductive portion fixed or integrated with a ring of the bearing, forming the second armature of the capacitor or sensor capacitive, and the non-conductive positioning means being secured to at least one partitioning means which makes it possible to create, between at least two armatures of the same capacitor, a space forming a di
  • a second cavity narrower than the first cavity being formed in the bottom of the first cavity and formed by a bore oriented along an axis perpendicular to the axis of rotation of the bearing and passing through the center of rotation of the bearing, the end of a needle mounted on the first armature perpendicular to a plane tangential to the first armature comes to stay in contact with the bottom of the second cavity located in the depth of the race and in front of the rolling path in contact with at least one rolling element.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the Young's modulus of the positioning means is smaller than that of the needle mounted on the first armature and / or that of the rolling ring. .
  • the vibration monitoring device is characterized in that a third armature is integrated or secured to the surface of the frame of the machine located at the orifice of the cavity of the ring. bearing in contact with the frame of the machine, the non-conductive positioning means having the first armature in front of the third armature simultaneously between the second and third armatures so that the first and third armatures, separated by a partitioning means of annular shape for closing an insulating medium, form a second capacitive sensor.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the partitioning means is formed by a metal blade integral with the positioning means and in contact with at least a part of the surface to which the second reinforcement is attached or integrated.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the partitioning means is formed by an integral elastic seal of the positioning means, the elastic seal having a lip in contact with at least a portion of the surface to which the second armature is attached or integrated.
  • the vibration monitoring device is characterized in that at least three first conductive reinforcements are positioned by a non-conductive positioning means, radially with respect to at least one second conductive reinforcement or integrated in a portion of a bearing ring, the axes respectively passing through the positions of each of the pairs of conductive elements forming a capacitive sensor and the rotation center of the bearing realize between them angles ( ⁇ ) of at most 120 °.
  • Another advantage of a device according to the invention with several capacitive sensors arranged at 120 ° with respect to the coaxial axis of the rings of the bearing is that the location of the possible defect is achieved with greater precision.
  • the vibration monitoring device is characterized in that at least two conductive frames facing each other are one convex and the other concave in a plane perpendicular to the axis of rotation. of the bearing.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the non-conductive positioning means positions at least one first conductive reinforcement axially with respect to a second conductive reinforcement secured to or integrated in a bearing ring. .
  • the vibration monitoring device is characterized in that the non-conducting positioning means positions a pair of conductive reinforcements, one radially, the other axially relative to at least one conductive reinforcement integral or integrated with a bearing ring.
  • the vibration monitoring device is characterized in that a single space forming the dielectric insulating medium is common to the pair of capacitors formed by at least two conducting plates positioned by the non-positioning means. -conducteur on the one hand and at least one conductive reinforcement secured to or integrated with a bearing ring on the other hand.
  • the vibration monitoring device is characterized in that at least three first armatures are positioned radially by at least one non-conductive positioning means in front of at least one second solidarized reinforcement or integrated in a ring of the bearing forming a first set of at least three capacitive sensors, and in that on at least one face of the bearing, at least three first plates are positioned by at least one non-conductive positioning means in front of the at least one second armature secured to or integral with a ring of the bearing, forming at least a second set of at least three other capacitive sensors, the three capacitive sensors of each of these sets being positioned equidistant from the axis of rotation (ZZ) of the bearing so that, in a plane perpendicular to the axis of rotation (ZZ) of the bearing, the planes passing respectively through the axes of symmetry of each of the capacitive sensors and the center of rotation of the bearing form between them angles ( ⁇ ) of 120.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one means for adjusting the distance which separates at least two reinforcements participating in the formation of the same capacitive sensor.
  • Another advantage of the device of the invention is that the adjustment of the distance between the plates makes it possible to define the sensitivity and the value of the capacitor when empty.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the pairs of armatures of each of the capacitive sensors are connected to a respective electronic assembly forming a charge amplifier intended to deliver in real time a signal representative of the movements of one armature relative to the other due to vibration during operation of the mechanical bearing.
  • the vibration monitoring device is characterized in that each pair of armatures is secured to an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated into the ring of bearing is connected to ground and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a high impedance Integrated Linear Amplifier (ALI) by a shielded cable whose shield is connected at the non-inverting input of the ALI, the non-inverting input of the ALI being connected to a generator supplying a voltage continuous or alternating (Ve), the output of the ALI being connected to its inverting input via a capacitor (C ⁇ and a resistor connected in parallel.
  • AC charge amplifier
  • ALI Integrated Linear Amplifier
  • the vibration monitoring device is characterized in that each pair of armatures is associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated in the ring of bearing is connected to a generator supplying a voltage (Ve) and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a high impedance Integrated Linear Amplifier (ALI) by a cable shielded which is connected to a frame of a capacitor (Cs) connected to ground and the other armature is connected to the inverting input (/) of the ALI, a capacitor (C ⁇ being arranged between the inverting input of the ALI and the output of the ALI and three resistors mounted in T, one of the resistors connected to ground, being positioned in parallel with respect to the capacitor (C ⁇ , the non-inverting input se (n.i) of the ALI being connected to the mass
  • the vibration monitoring device is characterized in that the output of the linear amplifier
  • Integrated (ALI) is connected to the input of a digital analog converter whose output is used by a microprocessor circuit to calculate the variation of distance by the execution of a program implementing the formula: and to trigger an alarm by comparing the result obtained with a stored threshold, ⁇ x representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ⁇ V 3 representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the amplifier, S c representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
  • the vibration monitoring device is characterized in that it comprises means for detecting the rotational frequency of the bearing to take measurements when the bearing rings are in a defined position. one compared to the other.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one means for frequency processing of the vibratory signal measured at the level of the capacitor plates, making it possible to obtain the vibratory signal from at least one of the different members of the machine in comparison with the respective vibratory signatures of each of the members of the machine recorded at at least one storage means.
  • the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one temporal processing means of the vibratory signal of at least one of the organs of the machine making it possible to obtain several statistical parameters of this signal to be compared with statistical parameters of faults recorded at a storage means.
  • Another objective of the invention is to propose a method which makes it possible to measure, in real time, precisely and remotely, small variations in capacitances due to the vibrations of the bearing by avoiding the measurement of parasitic capacitances due to an antenna effect.
  • a vibration monitoring method involving a monitoring device according to the invention, characterized in that it comprises at least one step of measuring the charges induced by capacitive coupling on a first conductive armature.
  • a variable spacing capacitor positioned by a non-conductive positioning means, a second conductive reinforcement secured to or integral with a bearing ring being at a fixed potential.
  • the vibration monitoring method is characterized in that the pair of armatures being secured to an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated with the ring connected to the ground, the first armature being positioned by the non-conductive positioning means and connected to the inverting input (/) of a high impedance integrated linear amplifier (ALI) by a shielded cable whose shield is connected to the non-inverting input of I 1 ALI, the non-inverting input of the ALI being connected to a generator supplying a DC or AC voltage (Ve), the output of the ALI being connected to its inverting input via a capacitor (C /) and a resistor connected in parallel, the method comprises at least one step of calculating the variation ( ⁇ x) of the distance separating the two plates of the capacitor from the variation of the current. ension ( ⁇ V S ) at the output of a charge amplifier (AC) using the relation:
  • ⁇ x representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor
  • ⁇ V S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier
  • Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier
  • S 0 representing the sensitivity of the capacitance
  • C f representing capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
  • the vibration monitoring method is characterized in that the pair of armatures being associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second
  • armature integral or integrated in the race is connected to a generator providing a DC or AC voltage (Ve) and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a Integrated Linear Amplifier (ALI) with high impedance by shielded cable with shielding connected
  • Ve DC or AC voltage
  • ALI Integrated Linear Amplifier
  • the method comprises at least one step of calculating the variation ( ⁇ x) of the distance separating the two plates of the capacitor from the variation of the voltage ( ⁇ V S ) at the output of a charge amplifier (AC) by using the relation: ⁇ x representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ⁇ V S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier, S 0 representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacity of
  • the vibration monitoring method is characterized in that the output of the Integrated Linear Amplifier (ALI) is connected to the input of a digital analog converter (CAN) whose output is used by a microprocessor circuit (MP) to calculate the distance variation by the execution of a program (Prog), the method comprises at least one step of triggering an alarm after comparing the variation ( ⁇ x) of the spacing between the two frames with a threshold value.
  • ALI Integrated Linear Amplifier
  • CAN digital analog converter
  • MP microprocessor circuit
  • the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising means for memorizing the vibratory signature of each of the members of the machine, the method has at least:
  • the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising means for storing fault threshold values of several statistical parameters, the method has at least:
  • the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising at least one display means, the method has at least one step of displaying the position and the importance a defect.
  • An advantage of the invention is that the method comprising at least one step of processing the signals delivered by the capacitive sensors by the use of at least one vibratory analysis technique, it makes it possible to determine the origin, the nature and / or the importance of the defects of the bearing and the monitored parts of the machine.
  • FIGS. 1a and 1b show a known rolling device, represented respectively along an axis perpendicular to the axis of rotation (Z-Z) of the bearing and in a plane passing through the axis of rotation (Z-Z) of the bearing,
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show an embodiment of the invention according to two variant embodiments;
  • FIG. 3 represents a first electronic assembly diagram of the device of the invention;
  • FIG. 4 represents a second electronic circuit diagram of the device of the invention.
  • the mechanical bearing is formed of two coaxial rings, one inner (2) and the other outer (1) between which are arranged and held trapped rolling elements (3). These different parts are usually made of steel to remain resistant to compression.
  • the inner face of the outer ring (1) as the outer face of the inner ring (2), has a curved raceway to adapt to the shape of the rolling elements (3).
  • the combination of the two paths located on the respective rings ensures the maintenance of the rolling elements (3) between the two rings (1, 2) while guaranteeing their displacement in a circular circuit centered on the axis of rotation (ZZ) of the bearing, coaxial to both rings.
  • the spacing between the rolling elements (3) is kept constant by means of a cage (4) which is positioned on each face of the bearing, at the level of the radial openings on the rolling elements (3), between the two rings (1, 2) of the bearing.
  • the rolling elements (3) can be of several types.
  • these are balls but in some models, the balls are replaced by cylindrical or frustoconical rollers.
  • the bearings are then able to withstand a higher radial force compared to classic ball bearings.
  • the diameter of the rolls can be decreased in relation to their length; the rolling elements are then called needles.
  • the various rolling elements (3) are generally kept at a distance from each other by a cage (4) which allows their homogeneous distribution in the circular circuit formed by the two rings (1, 2).
  • the mechanical bearing is slightly prestressed.
  • a positioning means (6) is added.
  • the principle of the invention consists in placing a first conductive reinforcement (7) of the capacitor near and in front of a conductive portion integral with the fixed ring relative to the frame (5) which forms a second armature (8). .
  • the distance that separates the two conductive armatures (7, 8) is then very small, less than or of the order of a tenth of a millimeter.
  • the space (9) separating the two armatures is an insulating medium called dielectric.
  • the non-conducting positioning means (6) positions firstly a first armature (7) at a distance from the rolling ring and is associated on the other hand with at least one partitioning means (10) which extends on each side of the first frame (7) to come into contact with the second frame secured or integrated with the fixed ring of the bearing.
  • the partitioning means (10) integral with the non-conductive positioning means (6) thus makes a space (9) between the two conductive reinforcements (7, 8) which forms a dielectric insulating medium.
  • the partitioning means (10) seals the insulating medium of the space (9) thus created.
  • variable gap capacitors thus formed by the conductive reinforcements (7, 8) separated by a dielectric insulating medium (9) have capacities of the order of the picofarad with variations of the order of the femto-farad.
  • the positioning means (6) has a Young's modulus lower than that of the bearing or frame so as to be deformable when vibrations are encountered therethrough and thus allow a variation of the spacing of the two plates of the capacitive sensor formed by the capacitor.
  • the partitioning means (10) may be formed by a metal blade integral with the positioning means (6), the metal blade coming into contact with the part of the surface of the ring (1 or 2). of the bearing which is secured or integrates the second armature (8) of the capacitor forming the capacitive sensor.
  • this partitioning means (10) may also be formed by an integral elastic seal of the positioning means (6), the elastic seal having a lip which comes into contact with the part of the surface of the ring. (1 or 2) of the bearing which is secured or integrates the second armature (8) of the capacitor forming the capacitive sensor.
  • the embodiment of the device of the invention consists in integrating the capacitive sensor into the thickness of one of the rings (1, 2), inside or outside, of the bearing.
  • the ring (1, 2) which integrates the sensor then comprises at least one bore, a countersink or a bore to come form at least one cavity (11) in the depth of the ring (1, 2) of the bearing.
  • a non-conductive positioning means (6) is arranged to position a first conductive reinforcement (7), perpendicular to the axis of the cavity (11), near and opposite the a second armature (8) positioned in the bottom of the cavity (11) where it is secured or integrated with the race (1, 2).
  • a space (9) defining an insulating medium is formed by a partitioning means (10).
  • this partitioning means (10) has an annular shape fixed to the positioning means (6).
  • the positioning means (6) is kept in contact with the frame (5) of the machine, directly or through a particular element such as a steel pellet. The contact surface is then made at the orifice of the cavity (11) which comes to the surface of the bearing ring (1, 2). Through this contact zone, the positioning means (6) is sensitive to vibrations that come directly from the frame (5) of the machine and not only vibrations that come or transit through the bearing.
  • the detection device of the invention makes it possible to produce a capacitive sensor capable of measuring the vibrations due to the compressive stresses of the rolling elements (3) on the raceway.
  • the distribution of the stresses due to compression results in a decrease of the deformation with the distance from the point of contact of the rolling element (3) on the raceway (but still outside the zone maximum stress (Hertz) in the under layer).
  • the measurement of this deformation must therefore be carried out, in depth, as close as possible to the point of contact of the rolling element on the raceway.
  • the capacitive sensor is integrated in the thickness of one of the rings (1, 2) of the bearing.
  • the ring (1, 2) which comprises the sensor then has a first cavity (11) arranged radially relative to the axis of rotation (ZZ) of the bearing.
  • a first armature (7) is then put in place by a positioning means (6) close to and opposite a second armature (8) secured to or integrated into the bottom of the cavity, a partitioning means (10) ensuring sealing a dielectric insulating space between the two frames (7, 8).
  • the surface of the first armature (7) which faces the second armature (8) is mounted with a needle (13) perpendicular to the plane of the armature (7) and arranged along an axis substantially identical to the axis of the first cavity (11).
  • This needle (13) is oriented in the depth of the race in the direction of the raceway.
  • the needle is introduced into a second cavity (12) located in the bottom of the first (11).
  • This second cavity (12) is thus disposed along the same axis as the first cavity, that is to say radially with respect to the axis of rotation (ZZ) of the bearing.
  • the "free" end of the needle (13) is then kept in contact with the bottom of the second cavity (12), the other end being fixed to the first armature.
  • the positioning means (6) fills the whole of the first cavity (11) and in particular covers the entire surface of the first frame (7) which is on the opposite side to that in contact with the needle (13).
  • the Young's modulus of the positioning means (6) is then much smaller than that of the various elements of the sensor and of the bearing and in particular much smaller than that of the needle (13) and that of the ring (1, 2) of the rolling.
  • this stress dissipates in the depth of the ring (1, 2) of the bearing while it exerts a displacement of the needle (13).
  • the positioning means (6) does not position the first armature (7) by coming to cover the surface of the armature (J) which does not face the second armature, but on the contrary leaves the free surface so as to be positioned close to and facing a third armature (8.1).
  • This third reinforcement (8.1) is then positioned at the orifice of the first cavity (11), secured to or integrated into the frame (5) of the machine or to an element in contact with the orifice of the first cavity ( 11) at the surface of the bearing ring.
  • a second partitioning means (10.1) preferably annular, then closes the space (9.1) which separates the first (7) and the third armature (8.1) to isolate a dielectric medium.
  • the movement of the needle (13) causes, here again, a spacing of the first (7) and second (8) armatures and at the same time a r engagement of the first (7) and third (8.1) armatures.
  • the positioning means (6) which, here also, has a Young's modulus lower than that of the various elements of the sensor and of the bearing and in particular much smaller than that of the needle (13) and that of the ring (1 2) of the bearing is pressed against the orifice of the first cavity (11).
  • a regular arrangement of these capacitive sensors on the same side of the bearing makes it easier to locate a possible fault causing vibrations in a plane perpendicular to the axis of rotation of the bearing.
  • the arrangement of these sensors then allows a finer measurement of the vibratory signal, and thus facilitates the correction by rebalancing of any unbalance type defect.
  • a regular and symmetrical arrangement of these capacitive sensors on each side of the bearing facilitates the location of the source of vibration in a plane containing the axis of rotation of the bearing.
  • the vibratory signal of each of the organs of the machine then has a proper frequency signature.
  • An optimal arrangement of the various capacitive sensors consists in positioning the sensors equidistant from the axis of rotation of the bearing so that the planes passing respectively through each of the sensors and by the center of rotation of the bearing have angles between them ( ⁇ ) of 120 °.
  • angles between them
  • the armatures (7, 8) arranged axially are preferably flat, while those which are arranged radially, are for a concave and for the other convex so as to be adapted to the curvature of the bearing.
  • the various frames can be of various shapes, circular, square, oval, etc.
  • the conductive reinforcements (7, 8) of the variable capacitors of the invention are associated with an electronic assembly called a charge amplifier by appropriate connection means (14, 15).
  • a first armature (8) forms a conductor located opposite but fixed relative to a second (7) integrated at least a portion of the surface of a bearing ring.
  • the variation of the capacity over time of such a capacitor is given by the relation:
  • This sensitivity can be considered constant for small variations of s (t). Since the displacements of the armature are small, of the order of a few micrometers, it is necessary to have a high sensitivity. The distance d is then of the order of several tens of times s (t), which determines the point of operation of the capacitor.
  • the capacitors then have capacities of the order of a few picofarads with variations of the order of a few tens of femtofarads.
  • the method used consists in considering the charges induced by capacitive coupling on only one of the two plates, the other plate being at a fixed potential.
  • the variation of the induced loads is then the analogical image of the displacement s (t).
  • the Integrated Linear Amplifier (ALI) used must be preferably JFET, MOSFET or CMOS with a very high input impedance. This high impedance gives it an important noise immunity with a polarization current of less than 2 fA.
  • the conductive armature (8) of the capacitor integrated in a portion of the bearing ring is connected to ground.
  • the other conductive armature (7), positioned by the non-conductive positioning means (6), of each of the capacitors is held by a ring and connected to the inverting input (/.) Of an Integrated Linear Amplifier (ALI).
  • a shielded cable (14) whose shield (14.3) is connected to the FALI non-inverting input (/?./.).
  • the ALI is connected by a DC voltage generator at its non-inverting input.
  • the parasitic capacitance (Cp) due to the connecting cable which could disturb the measurements is not translated at the output of FALI. Only the DC component and the voltage variations due to the displacement of the so-called mobile armature are then translated at the output of I 1 ALI.
  • a capacity capacitor (C f ) is connected in parallel with a resistor (R).
  • FIG. 7 A second electronic circuit diagram of the charge amplifier used is shown in FIG. 7.
  • the conductive armature (8) of the capacitor integrated in a part of the ring of the bearing is here connected to a generator.
  • the other conductive reinforcement is here also kept by a ring and connected to the inverting input (/.) Of an Integrated Linear Amplifier (ALI) by a shielded cable (14) whose shielding (14.3) is connected. to ground with a capacitor (Cs).
  • the other capacitor armature (Cs) is also connected to the inverting input (/.) Of FALI.
  • ⁇ x represents the variation of the distance d separating the two plates of the capacitor
  • ⁇ V S represents the variation of the voltage at the output of the amplifier
  • Ve represents the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier
  • S c represents the sensitivity of the capacitance
  • C f represents the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
  • V s 0, 1V.
  • R is negligible in the calculation of the transmittance If it is desired that ⁇ x and ⁇ V S be of the same sign, the voltage Ve may then be negative.
  • the output of the Integrated Linear Amplifier can be connected to the input of a digital analog converter (ADC) whose output is used by a microprocessor circuit (MP) to calculate the distance variation ( ⁇ x) by executing a program (Prog) using the formula: and to allow the triggering of an alarm after comparing the calculation result with a stored threshold value.
  • ADC digital analog converter
  • MP microprocessor circuit
  • the device of the invention can be connected to a means of processing the vibratory signal measured.
  • the processing of this signal allows a temporal analysis on the one hand and a frequency analysis on the other hand.
  • each rotating element of a mechanical machine is characterized by one or more characteristic frequency of defects.
  • a bearing for example, is characterized by three fault frequencies such as the default characteristic frequency of a rolling element (3), and the fault frequencies of each of the rings, inner (2) and outer (1). These frequencies are, previously, calculated from the geometric characteristics of the bearing such as the number of rolling elements (3), the diameter of the inner ring (2) and the diameter of the outer ring (1) as well as the speed of the rotation of the motor and then stored in a storage means. Analysis of the power spectrum of the signal delivered by the capacitive sensor thus makes it possible to locate the defect (s) present in the bearing and to follow in time the evolution of the amplitude of each frequency in order to determine the number of cycles of operation of the component before breaking.
  • the mechanical state of a bearing or other rotating components of a mechanical machine can be characterized by statistical parameters called fault indicators.
  • fault indicators the most used are the RMS value, also called rms value, the peak factor, formed by the ratio between the peak value and the rms value of the signal, or even the Kurtosis which corresponds to a measurement of peaks or relative flattening of a distribution of a real random variable with respect to a Gaussian distribution.
  • These different statistical parameters are calculated from the vibratory signal of the bearing. It is then a question of detecting a significant change in these parameters, compared with threshold values recorded in a storage means. The determination of these threshold values is carried out beforehand either by an experimentation of the machine, either by statistical laws. The characterization of the defect and the estimation of its gravity make it possible to establish a diagnosis.
  • the location of this capacitive sensor has the advantage of being able to directly deliver the signature of the fault of the mechanical component and thus makes it possible to avoid diagnostic errors. It is important to point out that the signals from the various sensors of the device of the invention can be used for other applications, such as, for example, the regulation of the rotation speed of the bearing as a function of the unbalance, or even the measurement of the grip of a wheel on the ground.
  • the device of the invention can be connected to a display means to allow, after the variation of the distance ( ⁇ x) is calculated, to display the position of a possible bearing fault.

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Abstract

The present invention relates to a device for monitoring the vibrations generated by a bearing of a machine formed by two coaxial races, an outer race and an inner race, with one fixed with respect to the frame of a machine and the other rotating, between which races is trapped at least one rolling element which is able to move, vibrations generated by other members of the machine having a respective frequency signature passing through this bearing, characterized in that the device comprises at least one non-conductive positioning means mounted on an element in contact with an element of the bearing, the positioning means positioning a conductive element, forming a first plate of a capacitor to form a capacitive sensor, at a distance from a conductive part of a race of the bearing, forming the second plate of the capacitor, and the positioning means being secured to a partitioning means so as to create an insulating medium between these two plates.

Description

Dispositif et procédé de surveillance de l'état vibratoire d'une machine tournante. Device and method for monitoring the vibratory state of a rotating machine
La présente invention se rapporte au domaine des composants mécaniques des machines tournantes dont les mécanismes de rotation sont sensibles au balourd ou sont susceptibles d'exciter la structure des machines telles que les turbines, les alternateurs, moteurs et réducteurs, etc. et plus particulièrement au domaine des roulements à billes, à aiguilles ou à rouleaux.The present invention relates to the field of mechanical components of rotating machines whose rotation mechanisms are sensitive to unbalance or are likely to excite the structure of machines such as turbines, alternators, motors and reducers, etc. and more particularly in the field of ball bearings, needle or roller.
Les roulements sont des composants mécaniques qui guident la rotation d'un arbre dans un palier en limitant les frottements qui pourraient être occasionnés par le mouvement d'une des deux pièces par rapport à l'autre. Les roulements sont formés par deux bagues coaxiales, l'une dite intérieure et l'autre extérieure entre lesquelles des éléments mobiles sont placés et maintenus. Ces éléments mobiles, généralement des billes, bien qu'emprisonnés entre les deux bagues coaxiales assurent la rotation d'une des bagues par rapport l'autre.Bearings are mechanical components that guide the rotation of a shaft in a bearing by limiting the friction that could be caused by the movement of one of the two parts relative to the other. The bearings are formed by two coaxial rings, one said inner and the other outer between which movable elements are placed and maintained. These movable elements, generally balls, although trapped between the two coaxial rings ensure the rotation of one of the rings relative to each other.
Dans certains modèles, les billes sont remplacées par des rouleaux cylindriques ou tronconiques. Les roulements sont alors capables de supporter un effort radial supérieur par rapport aux roulements à billes classiques. De même, certains roulements, dits à aiguilles, utilisent des rouleaux de faible diamètre comparé à leur longueur, présentant l'avantage d'être moins encombrant grâce à un espace radial réduit.In some models, the balls are replaced by cylindrical or frustoconical rollers. The bearings are then able to withstand a higher radial force compared to conventional ball bearings. Similarly, some bearings, called needles, use rollers of small diameter compared to their length, having the advantage of being less bulky thanks to a reduced radial space.
Pourtant, même si l'utilisation de roulements réduit les frottements dus à la rotation d'un arbre dans son palier, une fatigue des composants mécaniques va apparaître une fois qu'un certain nombre de rotations est dépassé. Cette détérioration atteint les organes roulants comme les bagues. Elle peut prendre la forme d'une usure naturelle, l'écaillage, d'une corrosion, d'un grippage, d'une abrasion, etc. qui va générer un choc, ou bien prendre la forme d'un déséquilibrage de l'arbre provoquant un balourd. Cette détérioration de l'état du mécanisme se traduit alors par une vibration qui augmente avec l'usure.However, even if the use of bearings reduces the friction caused by the rotation of a shaft in its bearing, a fatigue of the mechanical components will appear once a certain number of rotations is exceeded. This deterioration affects the rolling bodies such as rings. It can take the form of natural wear, flaking, corrosion, galling, abrasion, etc. that will generate a shock, or take the form of an imbalance of the shaft causing an imbalance. This deterioration of the state of the mechanism then results in a vibration which increases with wear.
Ainsi, il est connu que si l'augmentation des vibrations permet de détecter un défaut, l'analyse des caractéristiques du spectre vibratoire de la machine va permettre d'en identifier la cause et donc de définir le délai avant que le seuil critique ne soit atteint. Suivant le type d'altération du mécanisme, la vibration varie. Le balourd d'un déséquilibrage de l'arbre produit une excitation sinusoïdale tandis que l'écaillage d'une piste d'un roulement va provoquer un choc qui se traduit par une excitation impulsionnelle au passage de chacun des éléments mobiles du roulement sur l'écaillé.Thus, it is known that if the increase of the vibrations makes it possible to detect a defect, the analysis of the characteristics of the vibratory spectrum of the machine will make it possible to identify the cause and thus to define the delay before the critical threshold is achieved. Depending on the type of alteration of the mechanism, the vibration varies. The imbalance of an imbalance of the shaft produces a sinusoidal excitation while the spalling of a track of a bearing will cause a shock which results in an impulse excitation at the passage of each of the movable elements of the bearing on the chipped.
Actuellement, la principale méthode pour caractériser et surveiller l'état de chaque composant essentiel d'une machine tournante consiste en l'utilisation de capteurs vibratoires de type accéléro-métriques. Le phénomène utilisé dans ce type de capteur est appelé piézo-électricité. Sous l'action d'une force mécanique, certains corps peuvent se polariser. Pour utiliser cette propriété, les capteurs piézoélectriques présentent la forme d'un disque dont chacune des surfaces est reliée à une électrode. Une pression sur une face du capteur génère une contrainte mécanique qui polarise le capteur. La charge générée est par la suite amplifiée pour pouvoir être mesurée.At present, the main method for characterizing and monitoring the state of each essential component of a rotating machine is the use of vibratory sensors of the accelerometric type. The phenomenon used in this type of sensor is called piezoelectricity. Under the action of a mechanical force, some bodies can be polarized. To use this property, the piezoelectric sensors have the shape of a disk, each of whose surfaces is connected to an electrode. Pressure on one side of the sensor generates a mechanical stress that polarizes the sensor. The generated charge is subsequently amplified to be measured.
Pour pouvoir mesurer les vibrations dues à une détérioration, ces capteurs piézo-électriques sont disposés à proximité des points stratégiques des principaux composants de la machine surveillée. La fréquence des vibrations du roulement se traduit par une fréquence de contrainte/pression à la surface du capteur, transformée sous la forme d'une variation d'un signal électrique mesuré.To be able to measure the vibrations due to deterioration, these piezoelectric sensors are placed close to the strategic points of the main components of the machine under surveillance. The vibration frequency of the bearing results in a stress / pressure frequency at the surface of the sensor, transformed as a variation of a measured electrical signal.
Il apparaît que l'utilisation de tels capteurs présente de nombreux inconvénients. En plus de leur coût élevé, ces capteurs ne peuvent pas toujours être positionnés au plus près de la source à l'origine de la vibration éventuelle. Or les vibrations engendrées par les défauts du roulement ont la particularité de se propager dans l'ensemble de la structure de la machine. Ces vibrations peuvent ainsi changer de milieu du fait du changement de la nature des matériaux, ce qui provoque alors des phénomènes de réflexion, de réfraction mais encore de conversion du mode de propagation. Il est donc important pour mesurer correctement les vibrations d'une machine que les capteurs soient positionnés sur des points de mesure optimums. Dans le cas d'une utilisation de capteurs accéléro-métriques ou piézo-électriques, l'accession à ces points de mesure optimum n'est pas toujours possible. Par ailleurs, les vibrations sont amorties au fur et à mesure qu'elles s'éloignent de la source qui leur a donné naissance. Le positionnement de ces capteurs à distance de la source des vibrations entraine alors une atténuation importante du signal mesuré.It appears that the use of such sensors has many disadvantages. In addition to their high cost, these sensors can not always be positioned closer to the source at the origin of the possible vibration. Now the vibrations generated by the defects of the bearing have the peculiarity of spreading throughout the structure of the machine. These vibrations can thus change environment because of the change in the nature of the materials, which then causes phenomena of reflection, refraction but also conversion of the propagation mode. It is therefore important to measure the vibrations of a machine correctly that the sensors are positioned on optimum measuring points. In the case of use of accelerometric or piezoelectric sensors, the accession to these optimum measurement points is not always possible. In addition, the vibrations are dampened as they move away from the source that gave them birth. The positioning of these sensors away from the source of the vibrations then causes a significant attenuation of the measured signal.
De plus, il faut noter que ces capteurs vibratoires ont une qualité de mesure qui dépend de la surface contre laquelle ils sont positionnés. Cette surface doit pouvoir transmettre correctement les vibrations mesurées sans qu'il n'y ait de perte d'information.In addition, it should be noted that these vibratory sensors have a quality of measurement that depends on the surface against which they are positioned. This surface must be able to correctly transmit the measured vibrations without any loss of information.
La présente invention a pour objet de fournir au moins un capteur capable de palier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur tout en améliorant la qualité du signal vibratoire mesuré et en proposant une solution à faible coût.The present invention aims to provide at least one sensor capable of bearing one or more disadvantages of the prior art while improving the quality of the vibratory signal measured and proposing a low cost solution.
Cet objectif est atteint par un dispositif de surveillance d'une machine des vibrations générées par un roulement formé par deux bagues, l'une extérieure et l'autre intérieure, l'une fixe par rapport au bâti d'une machine et l'autre tournante, coaxiales entre lesquelles au moins un élément roulant est emprisonné et susceptible de se déplacer, des vibrations générées par d'autres organes de la machine transitant par ce roulement, chacun des organes de la machine possédant une signature fréquentielle respective, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de positionnement non-conducteur monté sur au moins un élément en contact avec au moins un élément du roulement ou monté sur au moins un des éléments du roulement, le moyen de positionnement comportant au moins un logement pour positionner au moins un élément conducteur, constituant une première armature d'au moins un condensateur pour former un capteur capacitif, à une distance d'une partie conductrice fixée ou intégrée à une bague du roulement, formant la seconde armature du condensateur ou capteur capacitif, et le moyen de positionnement non-conducteur étant solidaire d'au moins un moyen de cloisonnement qui permet de créer, entre au moins deux armatures d'un même condensateur, un espace formant un milieu isolant diélectrique et ce moyen de cloisonnement assurant l'étanchéité de ce milieu isolant et en étant en contact avec une partie de la bague du roulement fixant ou intégrant la seconde armature, les armatures du capteur capacitif étant montées perpendiculairement à l'axe de déplacement des vibrations surveillées et en ce que, la seconde armature étant intégrée ou solidarisée dans une bague de roulement fixe par rapport à un bâti de la machine au fond d'une première cavité de la bague de roulement, un moyen de positionnement non-conducteur d'au moins une armature vient former un capteur capacitif en disposant la première armature en face de la seconde armature, un moyen de cloisonnement annulaire fermant le milieu isolant qui sépare les deux armatures, et en ce que, une seconde cavité plus étroite que la première cavité étant réalisée dans le fond de la première cavité et formée par un alésage orienté selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement et passant par le centre de rotation du roulement, l'extrémité d'une aiguille monté sur la première armature perpendiculairement à un plan tangent à la première armature vienne se maintenir en contact avec le fond de la seconde cavité situé dans la profondeur de la bague de roulement et en face du chemin de roulement en contact avec au moins un élément roulant.This objective is achieved by a device for monitoring a vibration machine generated by a bearing formed by two rings, one outer and the other inner, one fixed relative to the frame of one machine and the other rotating, coaxial between which at least one rolling element is trapped and capable of moving, vibrations generated by other organs of the machine passing through the bearing, each of the machine members having a respective frequency signature, characterized in that the device comprises at least one non-conducting positioning means mounted on at least one element in contact with at least one element of the bearing or mounted on at least one of the elements of the bearing, the positioning means comprising at least one housing for positioning at least one conductive element, constituting a first armature of at least one capacitor to form a capacitive sensor, at a distance from a conductive portion fixed or integrated with a ring of the bearing, forming the second armature of the capacitor or sensor capacitive, and the non-conductive positioning means being secured to at least one partitioning means which makes it possible to create, between at least two armatures of the same capacitor, a space forming a dielectric insulating medium and this partitioning means ensuring sealing of this insulating medium and being in contact with a portion of the bearing ring fixing or integrating the second armature, the armatures of the capacitive sensor being mounted perpendicularly to the axis of displacement of the vibrations monitored and in that the second reinforcement being integrated or secured in a fixed bearing ring with respect to a frame of the machine at the bottom of a premature In a cavity of the rolling ring, a non-conducting positioning means of at least one armature forms a capacitive sensor by arranging the first armature in front of the second armature, an annular partitioning means closing the insulating medium which separates the armatures. two reinforcements, and in that, a second cavity narrower than the first cavity being formed in the bottom of the first cavity and formed by a bore oriented along an axis perpendicular to the axis of rotation of the bearing and passing through the center of rotation of the bearing, the end of a needle mounted on the first armature perpendicular to a plane tangential to the first armature comes to stay in contact with the bottom of the second cavity located in the depth of the race and in front of the rolling path in contact with at least one rolling element.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisée en ce que le module de Young du moyen de positionnement est inférieure à celui de l'aiguille montée sur la première armature et/ou celui de la bague de roulement. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'une troisième armature est intégrée ou solidarisée à la surface du bâti de la machine située au niveau de l'orifice de la cavité de la bague de roulement en contact avec le bâti de la machine, le moyen de positionnement non-conducteur disposant la première armature en face de la troisième armature simultanément entre les deuxième et troisième armatures de sorte que les première et troisième armatures, séparées par un moyen de cloisonnement de forme annulaire pour fermer un milieu isolant, forment un second capteur capacitif. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le moyen de cloisonnement est formé par une lame métallique solidaire du moyen de positionnement et en contact avec au moins une partie de la surface à laquelle la seconde armature se trouve solidarisée ou intégrée. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le moyen de cloisonnement est formé par un joint élastique solidaire du moyen de positionnement, le joint élastique présentant une lèvre en contact avec au moins une partie de la surface à laquelle la seconde armature se trouve solidarisée ou intégrée. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'au moins trois premières armatures conductrices sont positionnées par un moyen de positionnement non- conducteur, radialement par rapport à au moins une seconde armature conductrice solidarisée ou intégrée à une partie d'une bague du roulement, les axes passant respectivement par les positions de chacune des paires d'éléments conducteurs formant un capteur capacitif et le centre de rotation du roulement réalisent entre eux des angles (α) d'au plus 120°.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the Young's modulus of the positioning means is smaller than that of the needle mounted on the first armature and / or that of the rolling ring. . According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that a third armature is integrated or secured to the surface of the frame of the machine located at the orifice of the cavity of the ring. bearing in contact with the frame of the machine, the non-conductive positioning means having the first armature in front of the third armature simultaneously between the second and third armatures so that the first and third armatures, separated by a partitioning means of annular shape for closing an insulating medium, form a second capacitive sensor. According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the partitioning means is formed by a metal blade integral with the positioning means and in contact with at least a part of the surface to which the second reinforcement is attached or integrated. According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the partitioning means is formed by an integral elastic seal of the positioning means, the elastic seal having a lip in contact with at least a portion of the surface to which the second armature is attached or integrated. According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that at least three first conductive reinforcements are positioned by a non-conductive positioning means, radially with respect to at least one second conductive reinforcement or integrated in a portion of a bearing ring, the axes respectively passing through the positions of each of the pairs of conductive elements forming a capacitive sensor and the rotation center of the bearing realize between them angles (α) of at most 120 °.
Un autre avantage d'un dispositif selon l'invention avec plusieurs capteurs capacitifs disposés à 120° par rapport à l'axe coaxial des bagues du roulement est que la localisation de l'éventuel défaut est réalisée avec une plus grande précision.Another advantage of a device according to the invention with several capacitive sensors arranged at 120 ° with respect to the coaxial axis of the rings of the bearing is that the location of the possible defect is achieved with greater precision.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'au moins deux armatures conductrices en vis à vis sont l'une convexe et l'autre concave dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that at least two conductive frames facing each other are one convex and the other concave in a plane perpendicular to the axis of rotation. of the bearing.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le moyen de positionnement non- conducteur positionne au moins une première armature conductrice axialement par rapport à une seconde armature conductrice solidarisée ou intégrée à une bague du roulement.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the non-conductive positioning means positions at least one first conductive reinforcement axially with respect to a second conductive reinforcement secured to or integrated in a bearing ring. .
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le moyen de positionnement non- conducteur positionne une paire d'armatures conductrices, l'une radialement, l'autre axialement par rapport à au moins une armature conductrice solidarisée ou intégrée à une bague du roulement.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the non-conducting positioning means positions a pair of conductive reinforcements, one radially, the other axially relative to at least one conductive reinforcement integral or integrated with a bearing ring.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'un seul espace formant le milieu isolant diélectrique est commun à la paire de condensateurs formés par au moins deux armatures conductrices positionnées par le moyen de positionnement non-conducteur d'une part et au moins une armature conductrice solidarisée ou intégrée à une bague du roulement d'autre part.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that a single space forming the dielectric insulating medium is common to the pair of capacitors formed by at least two conducting plates positioned by the non-positioning means. -conducteur on the one hand and at least one conductive reinforcement secured to or integrated with a bearing ring on the other hand.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'au moins trois premières armatures sont positionnées radialement par au moins un moyen de positionnement non-conducteur en face d'au moins une seconde armature solidarisée ou intégrée à une bague du roulement formant un premier ensemble d'au moins trois capteurs capacitifs, et en ce que sur au moins une face du roulement, au moins trois premières armatures sont positionnées par au moins un moyen de positionnement non-conducteur en face d'au moins une seconde armature solidarisée ou intégrée à une bague du roulement, formant au moins un second ensemble d'au moins trois autres capteurs capacitifs, les trois capteurs capacitifs de chacun de ces ensembles étant positionnés à égale distance de l'axe de rotation (Z-Z) du roulement de sorte que, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement, les plans passant respectivement par les axes de symétrie de chacun des capteurs capacitifs et le centre de rotation du roulement forment entre eux des angles (α) de 120.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that at least three first armatures are positioned radially by at least one non-conductive positioning means in front of at least one second solidarized reinforcement or integrated in a ring of the bearing forming a first set of at least three capacitive sensors, and in that on at least one face of the bearing, at least three first plates are positioned by at least one non-conductive positioning means in front of the at least one second armature secured to or integral with a ring of the bearing, forming at least a second set of at least three other capacitive sensors, the three capacitive sensors of each of these sets being positioned equidistant from the axis of rotation (ZZ) of the bearing so that, in a plane perpendicular to the axis of rotation (ZZ) of the bearing, the planes passing respectively through the axes of symmetry of each of the capacitive sensors and the center of rotation of the bearing form between them angles (α) of 120.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de réglage de la distance qui sépare au moins deux armatures participant à la formation d'un même capteur capacitif.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one means for adjusting the distance which separates at least two reinforcements participating in the formation of the same capacitive sensor.
Un autre avantage du dispositif de l'invention est que le réglage de la distance entre les armatures permet de définir la sensibilité et la valeur du condensateur à vide.Another advantage of the device of the invention is that the adjustment of the distance between the plates makes it possible to define the sensitivity and the value of the capacitor when empty.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que les paires d'armatures de chacun des capteurs capacitifs sont reliées à un montage électronique respectif formant un amplificateur de charge destiné à délivrer en temps réel un signal représentatif des déplacements d'une armature par rapport à l'autre dus aux vibrations lors du fonctionnement du roulement mécanique.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the pairs of armatures of each of the capacitive sensors are connected to a respective electronic assembly forming a charge amplifier intended to deliver in real time a signal representative of the movements of one armature relative to the other due to vibration during operation of the mechanical bearing.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que chaque paire d'armatures est solidarisée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à la masse et la première armature positionnée par le moyen de positionnement non-conducteur est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble blindé dont le blindage est relié à l'entrée non-inverseuse de I' ALI, l'entrée non- inverseuse de l'ALI étant reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve), la sortie de l'ALI étant reliée à son entrée inverseuse via un condensateur (Cή et une résistance montée en parallèle.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that each pair of armatures is secured to an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated into the ring of bearing is connected to ground and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a high impedance Integrated Linear Amplifier (ALI) by a shielded cable whose shield is connected at the non-inverting input of the ALI, the non-inverting input of the ALI being connected to a generator supplying a voltage continuous or alternating (Ve), the output of the ALI being connected to its inverting input via a capacitor (Cή and a resistor connected in parallel.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que chaque paire d'armatures est associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à un générateur fournissant une tension (Ve) et la première armature positionnée par le moyen de positionnement non-conducteur est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble blindé dont le blindage est relié à une armature d'un condensateur (Cs) reliée à la masse et dont l'autre armature se trouve reliée à l'entrée inverseuse (/) de l'ALI, un condensateur (Cή étant disposé entre l'entrée inverseuse de l'ALI et la sortie de l'ALI et trois résistances montées en T, l'une des résistances reliée à la masse, étant positionnées en parallèle par rapport au condensateur (Cή, l'entrée non- inverseuse (n.i) de l'ALI étant reliée à la masseAccording to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that each pair of armatures is associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated in the ring of bearing is connected to a generator supplying a voltage (Ve) and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a high impedance Integrated Linear Amplifier (ALI) by a cable shielded which is connected to a frame of a capacitor (Cs) connected to ground and the other armature is connected to the inverting input (/) of the ALI, a capacitor (Cή being arranged between the inverting input of the ALI and the output of the ALI and three resistors mounted in T, one of the resistors connected to ground, being positioned in parallel with respect to the capacitor (Cή, the non-inverting input se (n.i) of the ALI being connected to the mass
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que la sortie de l'Amplificateur LinéaireAccording to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the output of the linear amplifier
Intégré (ALI) est reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique digital dont la sortie est utilisée par un circuit à microprocesseur pour calculer la variation de distance par l'exécution d'un programme mettant en œuvre la formule :
Figure imgf000010_0001
et pour déclencher une alarme par comparaison du résultat obtenu avec un seuil mémorisé, Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, Δ V3 représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, Sc représentant la sensibilité de la capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détection de la fréquence de rotation du roulement pour réaliser des mesures lorsque les bagues du roulement sont dans une position définie l'une par rapport à l'autre.
Integrated (ALI) is connected to the input of a digital analog converter whose output is used by a microprocessor circuit to calculate the variation of distance by the execution of a program implementing the formula:
Figure imgf000010_0001
and to trigger an alarm by comparing the result obtained with a stored threshold, Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, Δ V 3 representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the amplifier, S c representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input. According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that it comprises means for detecting the rotational frequency of the bearing to take measurements when the bearing rings are in a defined position. one compared to the other.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de traitement fréquentiel du signal vibratoire mesuré au niveau des armatures du condensateur permettant d'obtenir le signal vibratoire d'au moins un des différents organes de la machine par comparaison avec les signatures vibratoires respectives de chacun des organes de la machine enregistrées au niveau d'au moins un moyen de mémorisation.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one means for frequency processing of the vibratory signal measured at the level of the capacitor plates, making it possible to obtain the vibratory signal from at least one of the different members of the machine in comparison with the respective vibratory signatures of each of the members of the machine recorded at at least one storage means.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de traitement temporel du signal vibratoire d'au moins un des organes de la machine permettant d'obtenir plusieurs paramètres statistiques de ce signal pour être comparés avec des paramètres statistiques de défauts enregistrés au niveau d'un moyen de mémorisation.According to another variant of the invention, the vibration monitoring device is characterized in that the device comprises at least one temporal processing means of the vibratory signal of at least one of the organs of the machine making it possible to obtain several statistical parameters of this signal to be compared with statistical parameters of faults recorded at a storage means.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un procédé qui permette de mesurer en temps réel, précisément et à distance de petites variations de capacités dues aux vibrations du roulement en évitant la mesure de capacités parasites dues à un effet d'antenne.Another objective of the invention is to propose a method which makes it possible to measure, in real time, precisely and remotely, small variations in capacitances due to the vibrations of the bearing by avoiding the measurement of parasitic capacitances due to an antenna effect.
Cet objectif est atteint grâce à un procédé de surveillance des vibrations mettant en jeu un dispositif de surveillance selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de mesure des charges induites par couplage capacitif sur une première armature conductrice d'un condensateur à écartement variable positionnée par un moyen de positionnement non-conducteur, une seconde armature conductrice solidarisée ou intégrée à une bague du roulement étant à un potentiel fixé. Selon une variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que la paire d'armatures étant solidarisée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague reliée à la masse, la 5 première armature étant positionnée par le moyen de positionnement non- conducteur et reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble blindé dont le blindage est relié à l'entrée non-inverseuse de I1ALI, l'entrée non-inverseuse de l'ALI étant reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve), la 10 sortie de l'ALI étant reliée à son entrée inverseuse via un condensateur (C/) et une résistance montée en parallèle, le procédé comprend au moins une étape de calcul de la variation (Δx) de la distance séparant les deux armatures du condensateur à partir de la variation de la tension (ΔVS) à la sortie d'un amplificateur de charge (AC) en utilisant la relation :
Figure imgf000012_0001
This objective is achieved by means of a vibration monitoring method involving a monitoring device according to the invention, characterized in that it comprises at least one step of measuring the charges induced by capacitive coupling on a first conductive armature. a variable spacing capacitor positioned by a non-conductive positioning means, a second conductive reinforcement secured to or integral with a bearing ring being at a fixed potential. According to a variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that the pair of armatures being secured to an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated with the ring connected to the ground, the first armature being positioned by the non-conductive positioning means and connected to the inverting input (/) of a high impedance integrated linear amplifier (ALI) by a shielded cable whose shield is connected to the non-inverting input of I 1 ALI, the non-inverting input of the ALI being connected to a generator supplying a DC or AC voltage (Ve), the output of the ALI being connected to its inverting input via a capacitor (C /) and a resistor connected in parallel, the method comprises at least one step of calculating the variation (Δx) of the distance separating the two plates of the capacitor from the variation of the current. ension (ΔV S ) at the output of a charge amplifier (AC) using the relation:
Figure imgf000012_0001
Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, ΔVS représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, S0 représentant la sensibilité de la 20 capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse.Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ΔV S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier, S 0 representing the sensitivity of the capacitance and C f representing capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que la paire d'armatures étant associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la secondeAccording to another variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that the pair of armatures being associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second
25 armature solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve) et la première armature positionnée par le moyen de positionnement non- conducteur est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble blindé dont le blindage est relié25 armature integral or integrated in the race is connected to a generator providing a DC or AC voltage (Ve) and the first armature positioned by the non-conductive positioning means is connected to the inverting input (/) of a Integrated Linear Amplifier (ALI) with high impedance by shielded cable with shielding connected
30 à une armature d'un condensateur (Cs) reliée à la masse et dont l'autre armature se trouve reliée à l'entrée inverseuse (/) de I1ALI, un condensateur (C/) étant disposé entre l'entrée inverseuse de l'ALI et la sortie de l'ALI et trois résistances montées en T, l'une des résistances reliée à la masse, étant positionnées en parallèle par rapport au condensateur (C/), l'entrée non- inverseuse (n.i) de l'ALI étant reliée à la masse, le procédé comprend au moins une étape de calcul de la variation (Δx) de la distance séparant les deux armatures du condensateur à partir de la variation de la tension (ΔVS) à la sortie d'un amplificateur de charge (AC) en utilisant la relation :
Figure imgf000013_0001
Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, ΔVS représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, S0 représentant la sensibilité de la capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse.
30 to a frame of a capacitor (Cs) connected to the ground and the other armature is connected to the inverting input (/) of I 1 ALI, a capacitor (C /) being arranged between the inverting input of the ALI and the output of the ALI and three resistors mounted in T, the one of the resistors connected to ground, being positioned in parallel with respect to the capacitor (C /), the non-inverting input (ni) of the ALI being connected to the ground, the method comprises at least one step of calculating the variation (Δx) of the distance separating the two plates of the capacitor from the variation of the voltage (ΔV S ) at the output of a charge amplifier (AC) by using the relation:
Figure imgf000013_0001
Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ΔV S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier, S 0 representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacity of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que, la sortie de l'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) étant reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique digital (CAN) dont la sortie est utilisée par un circuit à microprocesseur (MP) pour calculer la variation de distance par l'exécution d'un programme (Prog), le procédé comprend au moins une étape de déclenchement d'une alarme après comparaison de la variation (Δx) de l'écartement entre les deux armatures avec une valeur seuil.According to another variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that the output of the Integrated Linear Amplifier (ALI) is connected to the input of a digital analog converter (CAN) whose output is used by a microprocessor circuit (MP) to calculate the distance variation by the execution of a program (Prog), the method comprises at least one step of triggering an alarm after comparing the variation (Δx) of the spacing between the two frames with a threshold value.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que, le dispositif comprenant un moyen de mémorisation de la signature vibratoire de chacun des organes de la machine, le procédé présente au moins :According to another variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising means for memorizing the vibratory signature of each of the members of the machine, the method has at least:
- une étape de mesure du signal vibratoire au niveau des armatures du capteur capacitif positionné au niveau du roulement, - une étape de comparaison du signal vibratoire mesuré avec la signature vibratoire mémorisée d'au moins un organe défini de la machine,a step of measuring the vibratory signal at the level of the armatures of the capacitive sensor positioned at the level of the bearing, a step of comparing the measured vibratory signal with the stored vibratory signature of at least one defined member of the machine,
- une étape de détermination puis d'extraction du signal vibratoire propre à l'organe défini de la machine depuis le signal vibratoire mesuré.a step of determining and then extracting the vibratory signal specific to the defined member of the machine from the measured vibratory signal.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que, le dispositif comprenant un moyen de mémorisation de valeurs seuils de défaut de plusieurs paramètres statistiques, le procédé présente au moins :According to another variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising means for storing fault threshold values of several statistical parameters, the method has at least:
- une étape de mesure du signal vibratoire au niveau des armatures du condensateur positionné au niveau du roulement,a step of measuring the vibratory signal at the level of the armatures of the capacitor positioned at the level of the bearing,
- une étape de calcul de paramètres statistiques du signal vibratoire mesuré, - une étape de comparaison des paramètres statistiques calculés avec des valeurs seuils de défauts mémorisées,a step of calculating statistical parameters of the measured vibratory signal; a step of comparing the calculated statistical parameters with stored fault threshold values;
- une étape de détermination de l'importance du défaut.a step of determining the importance of the defect.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de surveillance de vibrations est caractérisé en ce que, le dispositif comprenant au moins un moyen d'affichage, le procédé présente au moins une étape d'affichage de la position et de l'importance d'un défaut.According to another variant of the invention, the vibration monitoring method is characterized in that, the device comprising at least one display means, the method has at least one step of displaying the position and the importance a defect.
Un avantage de l'invention est que le procédé comprenant au moins une étape de traitement des signaux délivrés par les capteurs capacitifs par l'utilisation d'au moins une technique d'analyse vibratoire, il permet de déterminer l'origine, la nature et/ou l'importance des défauts du roulement et des organes surveillés de la machine.An advantage of the invention is that the method comprising at least one step of processing the signals delivered by the capacitive sensors by the use of at least one vibratory analysis technique, it makes it possible to determine the origin, the nature and / or the importance of the defects of the bearing and the monitored parts of the machine.
Un autre avantage de l'invention est que le procédé permet une surveillance continue du roulement et des organes de la machine. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :Another advantage of the invention is that the method allows continuous monitoring of the bearing and the organs of the machine. The invention, its characteristics and its advantages will appear more clearly on reading the description made with reference to the appended figures in which:
- les figures 1a et 1b présentent un dispositif de roulement connu, représenté respectivement selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement et selon un plan passant par l'axe de rotation (Z-Z) du roulement,FIGS. 1a and 1b show a known rolling device, represented respectively along an axis perpendicular to the axis of rotation (Z-Z) of the bearing and in a plane passing through the axis of rotation (Z-Z) of the bearing,
- les figures 2a, 2b et 2c représentent un mode de réalisation de l'invention selon deux variantes de réalisation, - la figure 3 représente un premier schéma de montage électronique du dispositif de l'inventionFIGS. 2a, 2b and 2c show an embodiment of the invention according to two variant embodiments; FIG. 3 represents a first electronic assembly diagram of the device of the invention;
- la figure 4 représente un second schéma de montage électronique du dispositif de l'invention.FIG. 4 represents a second electronic circuit diagram of the device of the invention.
Le roulement mécanique est formé de deux bagues coaxiales, l'une intérieure (2) et l'autre extérieure (1) entre lesquelles sont disposés et maintenus emprisonnés des éléments roulants (3). Ces différentes pièces sont généralement réalisées en acier pour demeurer résistantes à la compression. La face interne de la bague extérieure (1), tout comme la face externe de la bague intérieure (2), présente un chemin de roulement incurvé pour s'adapter à la forme des éléments roulants (3). La combinaison des deux chemins situés sur les bagues respectives assure le maintien des éléments roulants (3) entre les deux bagues (1 , 2) tout en garantissant leur déplacement dans un circuit circulaire centré sur l'axe de rotation (Z-Z) du roulement, coaxial aux deux bagues. L'écartement entre les éléments roulants (3) est maintenu constant grâce à une cage (4) qui vient se positionner sur chaque face du roulement, au niveau des ouvertures radiales sur les éléments roulants (3), entre les deux bagues (1 , 2) du roulement.The mechanical bearing is formed of two coaxial rings, one inner (2) and the other outer (1) between which are arranged and held trapped rolling elements (3). These different parts are usually made of steel to remain resistant to compression. The inner face of the outer ring (1), as the outer face of the inner ring (2), has a curved raceway to adapt to the shape of the rolling elements (3). The combination of the two paths located on the respective rings ensures the maintenance of the rolling elements (3) between the two rings (1, 2) while guaranteeing their displacement in a circular circuit centered on the axis of rotation (ZZ) of the bearing, coaxial to both rings. The spacing between the rolling elements (3) is kept constant by means of a cage (4) which is positioned on each face of the bearing, at the level of the radial openings on the rolling elements (3), between the two rings (1, 2) of the bearing.
Les éléments roulants (3) peuvent être de plusieurs types.The rolling elements (3) can be of several types.
Généralement, il s'agit de billes mais dans certains modèles, les billes sont remplacées par des rouleaux cylindriques ou tronconiques. Les roulements sont alors capables de supporter un effort radial supérieur par rapport aux roulements à billes classiques. Pour réduire l'espace radiale, le diamètre des rouleaux peut être diminué par rapport à leur longueur ; les éléments roulants sont alors appelés aiguilles. Les différents éléments roulants (3) sont généralement maintenus à distance entre eux par une cage (4) qui permet leur répartition homogène dans le circuit circulaire formé par les deux bagues (1. 2).Generally, these are balls but in some models, the balls are replaced by cylindrical or frustoconical rollers. The bearings are then able to withstand a higher radial force compared to classic ball bearings. To reduce the radial space, the diameter of the rolls can be decreased in relation to their length; the rolling elements are then called needles. The various rolling elements (3) are generally kept at a distance from each other by a cage (4) which allows their homogeneous distribution in the circular circuit formed by the two rings (1, 2).
Pour supprimer tout jeu éventuel et par la même occasion toute vibration inutile risquant de fausser les mesures, le roulement mécanique est légèrement précontraint. Au niveau du roulement, au moins un élément additionnel non-conducteur : un moyen de positionnement (6) est rajouté.To eliminate any possible game and at the same time any useless vibration that could distort the measurements, the mechanical bearing is slightly prestressed. At the level of the bearing, at least one additional non-conductive element: a positioning means (6) is added.
Le principe de l'invention consiste à placer une première armature conductrice (7) du condensateur à proximité et en face d'une partie conductrice solidarisée ou intégrée à la bague fixe par rapport au bâti (5) qui forme une seconde armature (8). La distance qui vient séparer les deux armatures conductrices (7, 8) est alors très faible, inférieur ou de l'ordre du dixième de millimètre. L'espace (9) séparant les deux armatures est un milieu isolant dit diélectrique. Pour former cet espace (9), le moyen de positionnement (6) non-conducteur positionne d'une part une première armature (7) à distance de la bague de roulement et est associé d'autre part à au moins un moyen de cloisonnement (10) qui se prolonge de chaque coté de la première armature (7) jusqu'à venir en contact avec la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague fixe du roulement. Le moyen de cloisonnement (10), solidaire du moyen de positionnement (6) non- conducteur, vient ainsi réaliser un espace (9) entre les deux armatures conductrices (7, 8) qui forme un milieu isolant diélectrique. De plus, le moyen de cloisonnement (10) assure l'étanchéité du milieu isolant de l'espace (9) ainsi créé.The principle of the invention consists in placing a first conductive reinforcement (7) of the capacitor near and in front of a conductive portion integral with the fixed ring relative to the frame (5) which forms a second armature (8). . The distance that separates the two conductive armatures (7, 8) is then very small, less than or of the order of a tenth of a millimeter. The space (9) separating the two armatures is an insulating medium called dielectric. To form this space (9), the non-conducting positioning means (6) positions firstly a first armature (7) at a distance from the rolling ring and is associated on the other hand with at least one partitioning means (10) which extends on each side of the first frame (7) to come into contact with the second frame secured or integrated with the fixed ring of the bearing. The partitioning means (10) integral with the non-conductive positioning means (6) thus makes a space (9) between the two conductive reinforcements (7, 8) which forms a dielectric insulating medium. In addition, the partitioning means (10) seals the insulating medium of the space (9) thus created.
Les condensateurs à écartement variable ainsi formés par les armatures conductrices (7, 8) séparées par un milieu isolant diélectrique (9) ont des capacités de l'ordre du picofarad avec des variations de l'ordre du femto-farad. Pour permettre des variations d'écartement entre ces deux armatures (7, 8), le moyen de positionnement (6) présente un module de Young inférieur à celui du roulement ou du bâti de façon à pouvoir se déformer lorsqu'il se trouve traversé par des vibrations et ainsi permettre une variation de l'écartement des deux armatures du capteur capacitif formé par le condensateur.The variable gap capacitors thus formed by the conductive reinforcements (7, 8) separated by a dielectric insulating medium (9) have capacities of the order of the picofarad with variations of the order of the femto-farad. To allow variations of spacing between these two reinforcement (7, 8), the positioning means (6) has a Young's modulus lower than that of the bearing or frame so as to be deformable when vibrations are encountered therethrough and thus allow a variation of the spacing of the two plates of the capacitive sensor formed by the capacitor.
Selon le mode de réalisation choisi, le moyen de cloisonnement (10) peut être formé par une lame métallique solidaire du moyen de positionnement (6), la lame métallique venant en contact avec la partie de la surface de la bague (1 ou 2) du roulement qui est solidarisée ou intègre la seconde armature (8) du condensateur formant le capteur capacitif. Selon un autre mode de réalisation, ce moyen de cloisonnement (10) peut également être formé par un joint élastique solidaire du moyen de positionnement (6), le joint élastique présentant une lèvre qui vient en contact avec la partie de la surface de la bague (1 ou 2) du roulement qui est solidarisée ou intègre la seconde armature (8) du condensateur formant le capteur capacitif.According to the embodiment chosen, the partitioning means (10) may be formed by a metal blade integral with the positioning means (6), the metal blade coming into contact with the part of the surface of the ring (1 or 2). of the bearing which is secured or integrates the second armature (8) of the capacitor forming the capacitive sensor. According to another embodiment, this partitioning means (10) may also be formed by an integral elastic seal of the positioning means (6), the elastic seal having a lip which comes into contact with the part of the surface of the ring. (1 or 2) of the bearing which is secured or integrates the second armature (8) of the capacitor forming the capacitive sensor.
La réalisation du dispositif de l'invention consiste à intégrer le capteur capacitif dans l'épaisseur d'une des bagues (1 , 2), intérieure ou extérieure, du roulement. La bague (1 , 2) qui intègre le capteur comprend alors au moins un alésage, un lamage ou un perçage pour venir former au moins une cavité (11) dans la profondeur de la bague (1 , 2) du roulement. Dans cette cavité (11), un moyen de positionnement (6) non-conducteur est disposé de façon à positionner une première armature (7) conductrice, perpendiculairement à l'axe de la cavité (11), à proximité et en face d'une seconde armature (8) positionnée dans le fond de la cavité (11) où elle se trouve solidarisée ou intégrée à la bague de roulement (1 , 2). Entre les deux armatures, un espace (9) délimitant un milieu isolant est réalisé par un moyen de cloisonnement (10). Selon un mode de réalisation particulier, ce moyen de cloisonnement (10) présente une forme annulaire fixé au moyen de positionnement (6). Selon une variante du second mode de réalisation, le moyen de positionnement (6) est maintenu en contact avec le bâti (5) de la machine, directement ou bien à travers un élément particulier comme par exemple une pastille d'acier. La surface contact est alors réalisée au niveau de l'orifice de la cavité (11) qui vient déboucher à la surface de la bague du roulement (1 , 2). Au travers de cette zone de contact, le moyen de positionnement (6) est sensible aux vibrations qui proviennent directement du bâti (5) de la machine et plus uniquement aux vibrations qui proviennent ou transitent par le roulement.The embodiment of the device of the invention consists in integrating the capacitive sensor into the thickness of one of the rings (1, 2), inside or outside, of the bearing. The ring (1, 2) which integrates the sensor then comprises at least one bore, a countersink or a bore to come form at least one cavity (11) in the depth of the ring (1, 2) of the bearing. In this cavity (11), a non-conductive positioning means (6) is arranged to position a first conductive reinforcement (7), perpendicular to the axis of the cavity (11), near and opposite the a second armature (8) positioned in the bottom of the cavity (11) where it is secured or integrated with the race (1, 2). Between the two frames, a space (9) defining an insulating medium is formed by a partitioning means (10). According to a particular embodiment, this partitioning means (10) has an annular shape fixed to the positioning means (6). According to a variant of the second embodiment, the positioning means (6) is kept in contact with the frame (5) of the machine, directly or through a particular element such as a steel pellet. The contact surface is then made at the orifice of the cavity (11) which comes to the surface of the bearing ring (1, 2). Through this contact zone, the positioning means (6) is sensitive to vibrations that come directly from the frame (5) of the machine and not only vibrations that come or transit through the bearing.
Le dispositif de détection de l'invention permet de réaliser un capteur capacitif capable de mesurer les vibrations dues aux contraintes de compression des éléments roulants (3) sur le chemin de roulement. Selon la théorie de Hertz, la répartition des contraintes dues à la compression se traduit par une diminution de la déformation avec la distance du point de contact de l'élément roulant (3) sur le chemin de roulement (mais toujours en dehors de la zone de contrainte maxi (de Hertz) en sous couche). La mesure de cette déformation se doit donc d'être réalisée, dans la profondeur, au plus près du point de contact de l'élément roulant sur le chemin de roulement.The detection device of the invention makes it possible to produce a capacitive sensor capable of measuring the vibrations due to the compressive stresses of the rolling elements (3) on the raceway. According to Hertz's theory, the distribution of the stresses due to compression results in a decrease of the deformation with the distance from the point of contact of the rolling element (3) on the raceway (but still outside the zone maximum stress (Hertz) in the under layer). The measurement of this deformation must therefore be carried out, in depth, as close as possible to the point of contact of the rolling element on the raceway.
Le capteur capacitif est intégré dans l'épaisseur d'une des bagues (1 , 2) du roulement. La bague (1 , 2) qui comprend le capteur présente alors une première cavité (11) disposé radialement par rapport à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement. Une première armature (7) est alors mise en place par un moyen de positionnement (6) à proximité et en face d'une seconde armature (8) solidarisée ou intégrée dans le fond de la cavité, un moyen de cloisonnement (10) assurant l'étanchéité d'un espace isolant diélectrique entre les deux armatures (7, 8). La surface de la première armature (7) qui fait face à la seconde armature (8) est montée d'une aiguille (13) perpendiculairement au plan de l'armature (7) et disposée selon un axe sensiblement identique à l'axe de la première cavité (11). Cette aiguille (13) est orientée dans la profondeur de la bague de roulement en direction du chemin de roulement. L'aiguille se trouve introduite dans une seconde cavité (12) située dans le fond de la première (11). Cette seconde cavité (12) se trouve ainsi disposée selon le même axe que la première cavité, c'est à dire radialement par rapport à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement. L'extrémité « libre » de l'aiguille (13) est alors maintenue en contact avec le fond de la seconde cavité (12), l'autre extrémité se trouvant fixé à la première armature.The capacitive sensor is integrated in the thickness of one of the rings (1, 2) of the bearing. The ring (1, 2) which comprises the sensor then has a first cavity (11) arranged radially relative to the axis of rotation (ZZ) of the bearing. A first armature (7) is then put in place by a positioning means (6) close to and opposite a second armature (8) secured to or integrated into the bottom of the cavity, a partitioning means (10) ensuring sealing a dielectric insulating space between the two frames (7, 8). The surface of the first armature (7) which faces the second armature (8) is mounted with a needle (13) perpendicular to the plane of the armature (7) and arranged along an axis substantially identical to the axis of the first cavity (11). This needle (13) is oriented in the depth of the race in the direction of the raceway. The needle is introduced into a second cavity (12) located in the bottom of the first (11). This second cavity (12) is thus disposed along the same axis as the first cavity, that is to say radially with respect to the axis of rotation (ZZ) of the bearing. The "free" end of the needle (13) is then kept in contact with the bottom of the second cavity (12), the other end being fixed to the first armature.
Selon une variante de réalisation, le moyen de positionnement (6), seul ou avec un autre moyen rigide, remplit l'ensemble de la première cavité (11) et notamment recouvre l'ensemble de la surface de la première armature (7) qui se trouve sur la face opposée à celle en contact avec l'aiguille (13). Le module de Young du moyen de positionnement (6) est alors très inférieur à celui des différents éléments du capteur et du roulement et notamment très inférieur à celui de l'aiguille (13) et à celui de la bague (1 , 2) du roulement. Ainsi, lorsqu'un élément roulant (3) vient exercer une contrainte sur le chemin de roulement, cette contrainte se dissipe dans la profondeur de la bague (1 , 2) du roulement tandis qu'elle exerce un déplacement de l'aiguille (13) selon son axe proportionnel à l'importance de la contrainte au niveau du point de contact entre l'aiguille (13) et le fond de la seconde cavité (12) dans la bague (1 , 2) de roulement. Le déplacement de l'aiguille (13) entraine alors un déplacement de la première armature (7) avec un écrasement du moyen de positionnement (6) contre l'orifice obstrué de la première cavité (11). Ce déplacement de la première armature (7) se traduit alors au niveau du capteur par un écartement des deux armatures (7, 8).According to an alternative embodiment, the positioning means (6), alone or with another rigid means, fills the whole of the first cavity (11) and in particular covers the entire surface of the first frame (7) which is on the opposite side to that in contact with the needle (13). The Young's modulus of the positioning means (6) is then much smaller than that of the various elements of the sensor and of the bearing and in particular much smaller than that of the needle (13) and that of the ring (1, 2) of the rolling. Thus, when a rolling element (3) comes to exert a stress on the raceway, this stress dissipates in the depth of the ring (1, 2) of the bearing while it exerts a displacement of the needle (13). ) along its axis proportional to the magnitude of the stress at the point of contact between the needle (13) and the bottom of the second cavity (12) in the rolling ring (1, 2). The displacement of the needle (13) then causes a displacement of the first armature (7) with a crushing of the positioning means (6) against the obstructed orifice of the first cavity (11). This displacement of the first armature (7) is then reflected at the sensor by a spacing of the two armatures (7, 8).
Selon une autre variante de réalisation, le moyen de positionnement (6) ne positionne pas la première armature (7) en venant recouvrir la surface de l'armature (J) qui ne fait pas face à la seconde armature, mais au contraire laisse la surface libre de façon à la positionnée à proximité et face à une troisième armature (8.1). Cette troisième armature (8.1) se trouve alors positionnée au niveau de l'orifice de la première cavité (11), solidarisée ou intégrée au bâti (5) de la machine ou à un élément en contact avec l'orifice de la première cavité (11) au niveau de la surface de la bague de roulement. Un second moyen de cloisonnement (10.1), préférentiellement annulaire, vient alors fermer l'espace (9.1) qui sépare la première (7) et la troisième armature (8.1) pour isoler un milieu diélectrique. Dans cette variante de réalisation, le déplacement de l'aiguille (13) entraine, ici encore, un écartement des première (7) et seconde (8) armatures et dans le même temps un rapprochement des première (7) et troisième (8.1) armatures. Le moyen de positionnement (6), qui, ici aussi, présente un module de Young inférieure à celui des différents éléments du capteur et du roulement et notamment très inférieur à celui de l'aiguille (13) et à celui de la bague (1 , 2) du roulement, est pressé contre l'orifice de la première cavité (11). Ainsi, à partir de trois armatures (7, 8, 8.1) deux condensateurs et donc deux capteurs sensitifs sont construits permettant d'obtenir deux signaux pour une même vibration.According to another variant embodiment, the positioning means (6) does not position the first armature (7) by coming to cover the surface of the armature (J) which does not face the second armature, but on the contrary leaves the free surface so as to be positioned close to and facing a third armature (8.1). This third reinforcement (8.1) is then positioned at the orifice of the first cavity (11), secured to or integrated into the frame (5) of the machine or to an element in contact with the orifice of the first cavity ( 11) at the surface of the bearing ring. A second partitioning means (10.1), preferably annular, then closes the space (9.1) which separates the first (7) and the third armature (8.1) to isolate a dielectric medium. In this variant of realization, the movement of the needle (13) causes, here again, a spacing of the first (7) and second (8) armatures and at the same time a rapprochement of the first (7) and third (8.1) armatures. The positioning means (6), which, here also, has a Young's modulus lower than that of the various elements of the sensor and of the bearing and in particular much smaller than that of the needle (13) and that of the ring (1 2) of the bearing is pressed against the orifice of the first cavity (11). Thus, from three armatures (7, 8, 8.1) two capacitors and thus two sensing sensors are constructed to obtain two signals for the same vibration.
Une disposition régulière de ces capteurs capacitifs sur un même coté du roulement permet de faciliter la localisation d'un éventuel défaut à l'origine de vibrations dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement. La disposition de ces capteurs permet alors une mesure plus fine du signal vibratoire, et ainsi facilite la rectification par rééquilibrage d'un éventuel défaut de type balourd. De même, une disposition régulière et symétrique de ces capteurs capacitifs sur chacun des cotés du roulement facilite la localisation de la source des vibrations dans un plan contenant l'axe de rotation du roulement. Ces différents capteurs permettent ainsi la mesure d'une part des signaux vibratoires provenant directement du roulement et d'autre part des signaux vibratoires provenant des différents organes de la machine via le bâti (5) et qui, en se propageant, traversent le roulement. Le signal vibratoire de chacun des organes de la machine présente alors une signature fréquentielle propre. Une disposition optimale des différents capteurs capacitifs consiste à positionner les capteurs à égale distance de l'axe de rotation du roulement de façon à ce que les plans passant respectivement par chacun des capteurs et par le centre de rotation du roulement présentent entre eux des angles (α) de 120°. Ainsi la présence d'au moins trois capteurs capacitifs disposés radialement sur le roulement et d'au moins trois capteurs disposés axialement sur chacune des faces du roulement permet d'effectuer une surveillance optimale des vibrations qui traverse l'ensemble des éléments du roulement tout en facilitant la localisation de l'origine de la vibration.A regular arrangement of these capacitive sensors on the same side of the bearing makes it easier to locate a possible fault causing vibrations in a plane perpendicular to the axis of rotation of the bearing. The arrangement of these sensors then allows a finer measurement of the vibratory signal, and thus facilitates the correction by rebalancing of any unbalance type defect. Similarly, a regular and symmetrical arrangement of these capacitive sensors on each side of the bearing facilitates the location of the source of vibration in a plane containing the axis of rotation of the bearing. These different sensors thus make it possible to measure, on the one hand, vibratory signals coming directly from the bearing and on the other hand vibratory signals coming from the various members of the machine via the frame (5) and which propagate through the bearing. The vibratory signal of each of the organs of the machine then has a proper frequency signature. An optimal arrangement of the various capacitive sensors consists in positioning the sensors equidistant from the axis of rotation of the bearing so that the planes passing respectively through each of the sensors and by the center of rotation of the bearing have angles between them ( α) of 120 °. Thus the presence of at least three capacitive sensors arranged radially on the bearing and at least three sensors arranged axially on each of the faces of the bearing makes it possible to perform a optimal vibration monitoring through all the bearing elements while facilitating the location of the origin of the vibration.
Par ailleurs, les armatures (7, 8) disposées axialement sont préférentiellement planes, tandis que celles qui se trouvent disposées radialement, sont pour l'une concave et pour l'autre convexe de façon à être adaptées à la courbure du roulement. De plus, les différentes armatures peuvent être de forme diverses, circulaires, carrées, ovales, etc.Furthermore, the armatures (7, 8) arranged axially are preferably flat, while those which are arranged radially, are for a concave and for the other convex so as to be adapted to the curvature of the bearing. In addition, the various frames can be of various shapes, circular, square, oval, etc.
Pour mesurer les variations de capacités des capteurs en fonctions des vibrations, les armatures conductrices (7, 8) des condensateurs variables de l'invention sont associées à un montage électronique appelé amplificateur de charge par des moyens de connections appropriés (14, 15).In order to measure the variations of the capacitances of the sensors as a function of the vibrations, the conductive reinforcements (7, 8) of the variable capacitors of the invention are associated with an electronic assembly called a charge amplifier by appropriate connection means (14, 15).
Une première armature (8) forme un conducteur situé en vis-à-vis mais fixe relativement à une seconde (7) intégrée à au moins une partie de la surface d'une bague du roulement. La variation de la capacité au cours du temps d'un tel condensateur est donnée par la relation :A first armature (8) forms a conductor located opposite but fixed relative to a second (7) integrated at least a portion of the surface of a bearing ring. The variation of the capacity over time of such a capacitor is given by the relation:
C{t) = e-≠— = e- S d-s(t) x(0 avec d la distance séparant les deux armatures, s(t) l'amplitude de la variation de l'armature considérée comme mobile par rapport à son point d'équilibre, S la surface active des armatures et ε la permittivité du vide. La sensibilité de la capacité (Sc) du condensateur est alors définie par la relation :
Figure imgf000021_0001
C {t) = e- ≠ - = e- S ds (t) x (0 with d the distance separating the two armatures, s (t) the amplitude of the variation of the armature considered as moving with respect to its equilibrium point, S the active surface of the reinforcements and ε the permittivity of the vacuum The capacitance sensitivity (S c ) of the capacitor is then defined by the relation:
Figure imgf000021_0001
Cette sensibilité peut être considérée comme constante pour des petites variations de s(t). Les déplacements de l'armature étant faibles, de l'ordre de quelques micromètres, il est nécessaire d'avoir une grande sensibilité. La distance d est alors de l'ordre de plusieurs dizaines de fois s(t), ce qui détermine le point de fonctionnement du condensateur. Par exemple pour des surfaces en regard de S≈28mm2, une distance entre armatures d=0,01mm le diélectrique étant l'air, on obtient un condensateur dont la capacité au point de fonctionnement est égale à C=25 pF avec une sensibilité Sc=25.105pF/m=0,25 pF/μm et pour un déplacement Δd=0,05μm=50nm la variation de capacité ΔC est de 0,125pF (ΛC=Sc*Λd=0,25*0,05=0, 125pF). Les condensateurs ont alors des capacités de l'ordre de quelques picofarads avec des variations de l'ordre de quelques dizaines de femtofarads.This sensitivity can be considered constant for small variations of s (t). Since the displacements of the armature are small, of the order of a few micrometers, it is necessary to have a high sensitivity. The distance d is then of the order of several tens of times s (t), which determines the point of operation of the capacitor. For example for surfaces facing S≈28mm 2 , a distance between reinforcement d = 0.01mm, the dielectric being air, a capacitor is obtained whose operating point capacitance is equal to C = 25 pF with a sensitivity Sc = 25 × 10 5 pF / m = 0.25 pF / μm and for a displacement Δd = 0.05μm = 50nm the variation of capacitance ΔC is 0.125pF (ΛC = Sc * Λd = 0.25 * 0.05 = 0.125pF). The capacitors then have capacities of the order of a few picofarads with variations of the order of a few tens of femtofarads.
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
La distance d entre les armatures doit être la plus petite possible, d=10"5ITi= 100μm est idéale. On peut augmenter la sensibilité Sc en plaçant n surfaces actives en regards dans ce cas on obtient : ô et Sc =(n~ï)^The distance d between the armatures must be as small as possible, d = 10 "5 ITi = 100μm is ideal, it is possible to increase the sensitivity Sc by placing n active surfaces in view, in this case we obtain: δ and S c = (n ï ~) ^
V ' D D2 V 'DD 2
L'objectif étant de mesurer avec précision et à distance de petites variations de capacités pour traduire en temps réel les variations de la distance entre les deux armatures dues au vibrations dans le roulement, les méthodes dites à deux pôles ne peuvent convenir car la mesure indiquerait alors la valeur de C(t)+Cp, où Cp est la capacité parasite des fils de liaison due à un effet d'antenne.The objective being to measure accurately and remotely small variations of capacity to translate in real time the variations in the distance between the two frames due to vibration in the bearing, the so-called two-pole methods can not be suitable because the measurement would indicate then the value of C (t) + Cp, where Cp is the parasitic capacitance of the connecting wires due to an antenna effect.
La méthode utilisée consiste à considérer les charges induites par couplage capacitif sur une seule des deux armatures, l'autre armature étant à un potentiel fixé. La variation des charges induites est alors l'image analogique du déplacement s(t).The method used consists in considering the charges induced by capacitive coupling on only one of the two plates, the other plate being at a fixed potential. The variation of the induced loads is then the analogical image of the displacement s (t).
Un schéma de montage électronique de l'amplificateur de charge utilisé est présenté sur la figure 6. L'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) utilisé doit être préférentiellement de type JFET, MOSFET ou CMOS avec une très haute impédance d'entrée. Cette forte impédance lui confère alors une importante immunité aux bruits avec un courant de polarisation inférieur à 2 fA. Dans ce montage, l'armature conductrice (8) du condensateur intégrée à une partie de la bague du roulement, est reliée à la masse. L'autre armature conductrice (7), positionnée par le moyen de positionnement non- conducteur (6), de chacun des condensateurs est gardée par un anneau et reliée à l'entrée inverseuse (/.) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) se trouve relié à l'entrée non- inverseuse (/?./.) de FALI. L'ALI est relié par un générateur de tension continu au niveau de son entrée non-inverseuse. Dans un tel montage, la capacité parasite (Cp) due au câble de liaison qui pourrait perturber les mesures n'est pas traduite à la sortie de FALI. Seule la composante continue et les variations de tension dues au déplacement de l'armature dite mobile sont alors traduites à la sortie de I1ALI. Entre la sortie et l'entrée inverseuse (/.) de FALI, un condensateur de capacité (Cf) est monté en parallèle avec une résistance (R).An electronic circuit diagram of the charge amplifier used is shown in Figure 6. The Integrated Linear Amplifier (ALI) used must be preferably JFET, MOSFET or CMOS with a very high input impedance. This high impedance gives it an important noise immunity with a polarization current of less than 2 fA. In this arrangement, the conductive armature (8) of the capacitor integrated in a portion of the bearing ring is connected to ground. The other conductive armature (7), positioned by the non-conductive positioning means (6), of each of the capacitors is held by a ring and connected to the inverting input (/.) Of an Integrated Linear Amplifier (ALI). ) by a shielded cable (14) whose shield (14.3) is connected to the FALI non-inverting input (/?./.). The ALI is connected by a DC voltage generator at its non-inverting input. In such an arrangement, the parasitic capacitance (Cp) due to the connecting cable which could disturb the measurements is not translated at the output of FALI. Only the DC component and the voltage variations due to the displacement of the so-called mobile armature are then translated at the output of I 1 ALI. Between the output and the inverting input (/.) Of FALI, a capacity capacitor (C f ) is connected in parallel with a resistor (R).
Un second schéma de montage électronique de l'amplificateur de charge utilisé se trouve présenté sur la figure 7. L'armature conductrice (8) du condensateur intégrée à une partie de la bague du roulement est, ici, reliée à un générateur. L'autre armature conductrice est, ici aussi, gardée par un anneau et reliée à l'entrée inverseuse (/.) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) se trouve relié à la masse avec un condensateur (Cs). L'autre armature du condensateur (Cs) est reliée, elle aussi, à l'entrée inverseuse (/.) de FALI. De même, entre l'entrée inverseuse (/.) et la sortie de FALI, un autre condensateur (Cή se trouve positionné. Sur le condensateur (C/), trois résistances (R1, R2 et R3) disposées en T et dont l'une (R3) d'entre elles est reliée à la masse, se trouvent également montées en parallèle. L'entrée non-inverseuse (/?./.) de FALI est, elle, reliée à la masse. La relation qui lie la tension de sortie Vs(t) à la charge Q(t) sur l'armature (7) dont les charges induites sont mesurées est ainsi :A second electronic circuit diagram of the charge amplifier used is shown in FIG. 7. The conductive armature (8) of the capacitor integrated in a part of the ring of the bearing is here connected to a generator. The other conductive reinforcement is here also kept by a ring and connected to the inverting input (/.) Of an Integrated Linear Amplifier (ALI) by a shielded cable (14) whose shielding (14.3) is connected. to ground with a capacitor (Cs). The other capacitor armature (Cs) is also connected to the inverting input (/.) Of FALI. In the same way, between the inverting input (/.) And the FALI output, another capacitor (Cή is positioned on the capacitor (C /), three resistors (R1, R2 and R3) arranged at T and whose one (R3) of them is connected to ground, are also connected in parallel, and the non-inverting input (/ ?./.) of FALI is connected to ground. The relationship between the output voltage Vs (t) and the load Q (t) on the armature (7) whose induced loads are measured is thus:
Cf CfSee Cf
Les charges induites étant égales à : Q = CV, les variations de charge dues au déplacement relatif des armatures sont données par : ΔQ = CΔV.The induced loads being equal to: Q = CV, the load variations due to the relative displacement of the reinforcements are given by: ΔQ = CΔV.
La relation qui lie la tension de sortie de l'ALI à la vibration du roulement est alors :
Figure imgf000024_0001
The relationship between the output voltage of the ALI and the vibration of the bearing is then:
Figure imgf000024_0001
Figure imgf000024_0002
où : Δx représente la variation de la distance d séparant les deux armatures du condensateur, ΔVS représente la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représente la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, Sc représente la sensibilité de la capacité et Cf représente la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse.
Figure imgf000024_0002
where: Δx represents the variation of the distance d separating the two plates of the capacitor, ΔV S represents the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve represents the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier, S c represents the sensitivity of the capacitance and C f represents the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
Ainsi, par exemple, si Δx = 1μm = 10'6m et Cf = 1pF, V = 5V, Sc = 104pF/m2 = 10"8F/m2 alors Vs = 0, 1V. La résistance R est négligeable dans le calcul de la transmittance. Si on souhaite que Δx et ΔVS soient de même signe, la tension Ve peut alors être négative.Thus, for example, if Δx = 1μm = 10 '6 m and C f = 1pF, V = 5V, Sc = 10 4 pF / m 2 = 10 "8 F / m 2 then V s = 0, 1V. R is negligible in the calculation of the transmittance If it is desired that Δx and ΔV S be of the same sign, the voltage Ve may then be negative.
La sortie de l'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) peut être reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique digital (CAN) dont la sortie est utilisée par un circuit à microprocesseur (MP) afin de calculer la variation de distance (Δx) par l'exécution d'un programme (Prog) utilisant la formule :
Figure imgf000024_0003
et pour permettre le déclenchement d'une alarme après comparaison du résultat du calcul avec une valeur seuil mémorisée.
The output of the Integrated Linear Amplifier (ALI) can be connected to the input of a digital analog converter (ADC) whose output is used by a microprocessor circuit (MP) to calculate the distance variation (Δx) by executing a program (Prog) using the formula:
Figure imgf000024_0003
and to allow the triggering of an alarm after comparing the calculation result with a stored threshold value.
Le dispositif de l'invention peut être relié à un moyen de traitement du signal vibratoire mesuré. Le traitement de ce signal permet une analyse temporelle d'une part et une analyse fréquentielle d'autre part.The device of the invention can be connected to a means of processing the vibratory signal measured. The processing of this signal allows a temporal analysis on the one hand and a frequency analysis on the other hand.
En effet, chaque élément tournant d'une machine mécanique est caractérisé par une ou plusieurs fréquences caractéristiques de défauts. Un roulement, par exemple, est caractérisé par trois fréquences de défauts telles que la fréquence caractéristique de défaut d'un élément roulant (3), et les fréquences de défauts de chacune des bagues, intérieure (2) et extérieure (1). Ces fréquences sont, au préalable, calculées à partir des caractéristiques géométriques du roulement comme le nombre d'éléments roulants (3), le diamètre de la bague intérieure (2) et le diamètre de la bague extérieure (1) ainsi que la vitesse de rotation du moteur puis enregistrées dans un moyen de mémorisation. L'analyse du spectre de puissance du signal délivré par le capteur capacitif permet donc de localiser le ou les défauts présents dans le roulement et de suivre dans le temps l'évolution de l'amplitude de chaque fréquence afin de déterminer le nombre de cycles de fonctionnement du composant avant la rupture. Par ailleurs, l'état mécanique d'un roulement ou d'autres composants tournants d'une machine mécanique peut être caractérisé par des paramètres statistiques que l'on appelle indicateurs de défaut. Parmi ces paramètres, les plus utilisés sont la valeur R.M.S., aussi appelé valeur efficace du signal, le facteur crête, formé par le rapport entre la valeur de pointe et la valeur efficace du signal, ou bien encore le Kurtosis qui correspond à une mesure des pics ou de l'aplatissement relatif d'une distribution d'une variable aléatoire réelle par rapport à une distribution gaussienne. Ces différents paramètres statistiques sont calculés à partir du signal vibratoire du roulement. Il s'agit alors de détecter un changement significatif dans ces paramètres, par comparaison avec des valeurs seuil enregistrées dans un moyen de mémorisation. La détermination de ces valeurs seuil est réalisée au préalable soit par une expérimentation de la machine, soit par des lois statistiques. La caractérisation du défaut et l'estimation de sa gravité permettent d'établir un diagnostic.Indeed, each rotating element of a mechanical machine is characterized by one or more characteristic frequency of defects. A bearing, for example, is characterized by three fault frequencies such as the default characteristic frequency of a rolling element (3), and the fault frequencies of each of the rings, inner (2) and outer (1). These frequencies are, previously, calculated from the geometric characteristics of the bearing such as the number of rolling elements (3), the diameter of the inner ring (2) and the diameter of the outer ring (1) as well as the speed of the rotation of the motor and then stored in a storage means. Analysis of the power spectrum of the signal delivered by the capacitive sensor thus makes it possible to locate the defect (s) present in the bearing and to follow in time the evolution of the amplitude of each frequency in order to determine the number of cycles of operation of the component before breaking. Furthermore, the mechanical state of a bearing or other rotating components of a mechanical machine can be characterized by statistical parameters called fault indicators. Among these parameters, the most used are the RMS value, also called rms value, the peak factor, formed by the ratio between the peak value and the rms value of the signal, or even the Kurtosis which corresponds to a measurement of peaks or relative flattening of a distribution of a real random variable with respect to a Gaussian distribution. These different statistical parameters are calculated from the vibratory signal of the bearing. It is then a question of detecting a significant change in these parameters, compared with threshold values recorded in a storage means. The determination of these threshold values is carried out beforehand either by an experimentation of the machine, either by statistical laws. The characterization of the defect and the estimation of its gravity make it possible to establish a diagnosis.
Ainsi, lorsqu'un défaut apparaît sur un organe de la machine, il est facile d'estimer son degré de sévérité, de suivre son évolution et éventuellement de pronostiquer le remplacement du composant, soit par l'analyse temporelle du signal délivré par le capteur, soit par l'analyse fréquentielle du même signal. L'emplacement de ce capteur capacitif a l'avantage de pouvoir délivrer directement la signature du défaut du composant mécanique et permet ainsi d'éviter les erreurs de diagnostic. II est important de faire remarquer que les signaux issus des différents capteurs du dispositif de l'invention peuvent être utilisés pour d'autres applications, comme par exemple la régulation de la vitesse de rotation du roulement en fonction du balourd ou bien encore la mesure de l'adhérence d'une roue sur le sol. Le dispositif de l'invention peut être relié à un moyen d'affichage pour permettre, après que la variation de la distance (Δx) est calculée, de visualiser la position d'un éventuel défaut du roulement.Thus, when a defect appears on an organ of the machine, it is easy to estimate its degree of severity, to follow its evolution and possibly to predict the replacement of the component, either by the temporal analysis of the signal delivered by the sensor. either by frequency analysis of the same signal. The location of this capacitive sensor has the advantage of being able to directly deliver the signature of the fault of the mechanical component and thus makes it possible to avoid diagnostic errors. It is important to point out that the signals from the various sensors of the device of the invention can be used for other applications, such as, for example, the regulation of the rotation speed of the bearing as a function of the unbalance, or even the measurement of the grip of a wheel on the ground. The device of the invention can be connected to a display means to allow, after the variation of the distance (Δx) is calculated, to display the position of a possible bearing fault.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes ; It should be obvious to those skilled in the art that the present invention allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention as claimed. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration but may be modified in the field defined by the scope of the appended claims;

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de surveillance des vibrations d'une machine générées par un roulement formé par deux bagues, l'une extérieure (1) et l'autre intérieure (2), l'une fixe par rapport au bâti (5) de la machine et l'autre tournante, coaxiales entre lesquelles au moins un élément roulant (3) est emprisonné et susceptible de se déplacer, des vibrations générées par d'autres organes de la machine transitant par ce roulement, chacun des organes de la machine possédant une signature fréquentielle respective, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de positionnement (6) non-conducteur monté sur au moins un élément en contact avec au moins un élément du roulement ou monté sur au moins un des éléments du roulement, le moyen de positionnement (6) comportant au moins un logement pour positionner au moins un élément conducteur, constituant une première armature (7) d'au moins un condensateur pour former un capteur capacitif, à une distance d'une partie conductrice fixée ou intégrée à une bague (1 , 2) du roulement, formant la seconde armature (8) du condensateur ou capteur capacitif, et le moyen de positionnement (6) non-conducteur étant solidaire d'au moins un moyen de cloisonnement (10) qui permet de créer, entre au moins deux armatures (1 , 2) d'un même condensateur, un espace (9) formant un milieu isolant diélectrique et ce moyen de cloisonnement assurant l'étanchéité de ce milieu isolant et en étant en contact avec une partie de la bague du roulement fixant ou intégrant la seconde armature (8), les armatures (7, 8) du capteur capacitif étant montées perpendiculairement à l'axe de déplacement des vibrations surveillées. et en ce que, la seconde armature (8) étant intégrée ou solidarisée dans une bague (1 , 2) de roulement fixe par rapport à un bâti (5) de la machine au fond d'une première cavité (11) de la bague de roulement, un moyen de positionnement non-conducteur d'au moins une armature (7) vient former un capteur capacitif en disposant la première armature (7) en face de la seconde armature (8), un moyen de cloisonnement (10) annulaire fermant le milieu isolant (9) qui sépare les deux armatures (7, 8), et en ce que, une seconde cavité (12) plus étroite que la première cavité (11) étant réalisée dans le fond de la première cavité (11) et formée par un alésage orienté selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement et passant par le centre de rotation du roulement, l'extrémité d'une aiguille (13) montée sur la première armature (7) perpendiculairement à un plan tangent à la première armature (7) vient se maintenir en contact avec le fond de la seconde cavité (12) situé dans la profondeur de la bague (1 , 2) de roulement et en face du chemin de roulement en contact avec au moins un élément roulant (3).1. Device for monitoring the vibrations of a machine generated by a bearing formed by two rings, one outer (1) and the other inner (2), one fixed relative to the frame (5) of the machine and the other rotating, coaxial between which at least one rolling element (3) is trapped and capable of moving, vibrations generated by other organs of the machine passing through the bearing, each of the members of the machine having a signature respective frequency, characterized in that the device comprises at least one positioning means (6) non-conducting mounted on at least one element in contact with at least one element of the bearing or mounted on at least one of the rolling elements, the means positioning device (6) comprising at least one housing for positioning at least one conductive element, constituting a first armature (7) of at least one capacitor for forming a capacitive sensor, at a distance on the one hand the conductor fixed or integrated in a ring (1, 2) of the bearing, forming the second armature (8) of the capacitor or capacitive sensor, and the non-conducting positioning means (6) being integral with at least one partitioning means (10) which makes it possible to create, between at least two armatures (1, 2) of the same capacitor, a space (9) forming a dielectric insulating medium and this partitioning means ensuring the sealing of this insulating medium and being in contact with a portion of the bearing ring fixing or integrating the second armature (8), the armatures (7, 8) of the capacitive sensor being mounted perpendicularly to the axis of displacement of the vibrations monitored. and in that, the second armature (8) being integral or secured in a fixed bearing ring (1, 2) with respect to a frame (5) of the machine at the bottom of a first cavity (11) of the ring rolling, a non-conducting positioning means of at least one armature (7) forms a capacitive sensor by arranging the first armature (7) opposite the second armature (8), a partitioning means (10) annular closing the insulating medium (9) which separates the two armatures (7, 8), and in that a second cavity (12) narrower than the first cavity (11) being formed in the bottom of the first cavity (11) and formed by a bore oriented along an axis perpendicular to the axis of rotation (ZZ) of the bearing and passing through the center of rotation of the bearing, the end of a needle (13) mounted on the first armature (7) perpendicularly at a tangent plane to the first armature (7) is kept in contact with the bottom of the second cavity (12) located in the depth of the ring (1, 2) of rolling and in front of the raceway in contact with at least one rolling element (3).
2. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le module de Young du moyen de positionnement2. Vibration monitoring device according to claim 1, characterized in that the Young's modulus of the positioning means
(6) est inférieure à celui de l'aiguille (13) montée sur la première armature(6) is less than that of the needle (13) mounted on the first armature
(7) et/ou celui de la bague (1 , 2) de roulement. (7) and / or that of the ring (1, 2) rolling.
3. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'une troisième armature (8.1) est intégrée ou solidarisée à la surface du bâti (5) de la machine située au niveau de l'orifice de la cavité (11) de la bague (1 , 2) de roulement en contact avec le bâti (5) de la machine, le moyen de positionnement (6) non-conducteur disposant la première armature (7) en face de la troisième armature (8.1) simultanément entre les deuxième (8) et troisième (8.1) armatures de sorte que les première (7) et troisième (8.1) armatures, séparées par un moyen de cloisonnement (10.1) de forme annulaire pour fermer un milieu isolant (9.1), forment un second capteur capacitif. 3. Vibration monitoring device according to one of claims 1 to 2, characterized in that a third armature (8.1) is integrated or secured to the surface of the frame (5) of the machine located at the orifice of the cavity (11) of the bearing ring (1, 2) in contact with the frame (5) of the machine, the non-conducting positioning means (6) having the first frame (7) facing the third frame ( 8.1) simultaneously between the second (8) and third (8.1) reinforcements so that the first (7) and third (8.1) reinforcements, separated by an annular partitioning means (10.1) to close an insulating medium (9.1) , form a second capacitive sensor.
4. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de cloisonnement (10) est formé par une lame métallique solidaire du moyen de positionnement (6) et en contact avec au moins une partie de la surface à laquelle la seconde armature (8) se trouve solidarisée ou intégrée. 4. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the partitioning means (10) is formed by a metal plate integral with the positioning means (6) and in contact with at least a portion of the surface to which the second armature (8) is secured or integrated.
5. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de cloisonnement (10) est formé par un joint élastique solidaire du moyen de positionnement (6), le joint élastique présentant une lèvre en contact avec au moins une partie de la surface à laquelle la seconde armature (8) se trouve solidarisée ou intégrée.5. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the partitioning means (10) is formed by an elastic seal integral with the positioning means (6), the elastic seal having a lip in contact with at least a part of the surface to which the second armature (8) is secured or integrated.
6. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins trois premières armatures conductrices sont positionnées par un moyen de positionnement (6) non- conducteur, radialement par rapport à au moins une seconde armature6. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least three first conductive armatures are positioned by a positioning means (6) non-conductive, radially relative to at least a second frame
(8) conductrice solidarisée ou intégrée à une partie d'une bague du roulement, les axes passant respectivement par les positions de chacune des paires d'éléments conducteurs formant un capteur capacitifs et le centre de rotation du roulement réalisent entre eux des angles (α) d'au plus 120°.(8) Conductive integral or integral with a portion of a ring of the bearing, the axes respectively passing through the positions of each pair of conductive elements forming a capacitive sensor and the center of rotation of the bearing realize between them angles (α ) not more than 120 °.
7. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux armatures conductrices (7, 8) en vis à vis sont l'une convexe et l'autre concave dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement. 7. A vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two conductive reinforcements (7, 8) facing each other are convex and concave in a plane perpendicular to the axis. rotation of the bearing.
8. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le moyen de positionnement (6) non-conducteur positionne au moins une première armature conductrice (7.2) axialement par rapport à une seconde armature conductrice (8) solidarisée ou intégrée à une bague du roulement. 8. Vibration monitoring device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the positioning means (6) non-conductive positions at least a first conductive reinforcement (7.2) axially relative to a second conductive reinforcement (8). secured or integrated to a bearing ring.
9. Dispositif de surveillance de vibrations selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le moyen de positionnement (6) non-conducteur positionne une paire d'armatures conductrices (7, 8), l'une radialement (7.1), l'autre axialement (7.2) par rapport à au moins une armature conductrice (8) solidarisée ou intégrée à une bague du roulement. Vibration monitoring device according to one of claims 3 to 8, characterized in that the non-conducting positioning means (6) positions a pair of conductive reinforcements (7, 8), one radially (7.1). ), the other axially (7.2) with respect to at least one conductive reinforcement (8) integral or integrated with a bearing ring.
10. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un seul espace (9) formant le milieu isolant diélectrique est commun à la paire de condensateurs formés par au moins deux armatures conductrices (7.1 , 7.2) positionnées par le moyen de positionnement (6) non-conducteur d'une part et au moins une armature conductrice (8) solidarisée ou intégrée à une bague du roulement d'autre part.10. Vibration monitoring device according to claim 9, characterized in that a single space (9) forming the dielectric insulating medium is common to the pair of capacitors formed by at least two conductive reinforcements (7.1, 7.2) positioned by the positioning means (6) non-conductive on the one hand and at least one conductive reinforcement (8) secured to or integrated with a bearing ring on the other hand.
11. Dispositif de surveillance de vibrations selon au moins une des revendications précédente, caractérisé en ce qu'au moins trois premières armatures sont positionnées radialement par au moins un moyen de positionnement (6) non-conducteur en face d'au moins une seconde armature (8) solidarisée ou intégrée à une bague du roulement formant un premier ensemble d'au moins trois capteurs capacitifs, et en ce que, sur au moins une face du roulement, au moins trois premières armatures sont positionnées par au moins un moyen de positionnement (6) non- conducteur en face d'au moins une seconde armature (8) solidarisée ou intégrée à une bague (1 , 2) du roulement, formant au moins un second ensemble d'au moins trois autres capteurs capacitifs, les trois capteurs capacitifs de chacun de ces ensembles étant positionnés à égale distance de l'axe de rotation (Z-Z) du roulement de sorte que, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) du roulement, les plans passant respectivement par les axes de symétrie de chacun des capteurs capacitifs et le centre de rotation du roulement forment entre eux des angles (α) de 120. 11. A vibration monitoring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least three first armatures are positioned radially by at least one non-conductive positioning means (6) in front of at least one second armature. (8) secured to or incorporated in a bearing ring forming a first set of at least three capacitive sensors, and in that, on at least one face of the bearing, at least three first plates are positioned by at least one positioning means (6) non-conductive in front of at least one second armature (8) secured to or integral with a ring (1, 2) of the bearing, forming at least a second set of at least three other capacitive sensors, the three sensors capacitors of each of these assemblies being positioned equidistant from the axis of rotation (ZZ) of the bearing so that, in a plane perpendicular to the axis of rotation (ZZ) of the bearing, the planes passing through respectively, by the axes of symmetry of each of the capacitive sensors and the center of rotation of the bearing form between them angles (α) of 120.
12. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de réglage de la distance qui sépare au moins deux armatures (7, 8) participant à la formation d'un même capteur capacitif.12. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims characterized in that the device comprises at least one distance adjusting means which separates at least two reinforcements (7, 8) involved in the formation of the same capacitive sensor.
13. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les paires d'armatures de chacun des capteurs capacitifs sont reliées à un montage électronique respectif formant un amplificateur de charge destiné à délivrer en temps réel un signal représentatif des déplacements d'une armature par rapport à l'autre dus aux vibrations lors du fonctionnement du roulement mécanique. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the pairs of armatures of each of the capacitive sensors are connected to a respective electronic circuit. forming a charge amplifier for delivering in real time a signal representative of the movements of one armature relative to the other due to vibrations during operation of the mechanical bearing.
14. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque paire d'armatures est associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature (8) solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à la masse et la première armature (7) positionnée par le moyen de positionnement non-conducteur (6) est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un14. Vibration monitoring device according to claim 13, characterized in that each pair of armatures is associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature (8) secured to or integrated with the bearing ring. is connected to ground and the first armature (7) positioned by the non-conductive positioning means (6) is connected to the inverting input (/) of a
Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) est relié à l'entrée non-inverseuse de PALI, l'entrée non-inverseuse de PALI étant reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve), la sortie de PALI étant reliée à son entrée inverseuse via un condensateur (Cή et une résistance (R) montée en parallèle.High impedance integrated linear amplifier (ALI) with shielded cable (14) whose shield (14.3) is connected to the non-inverting input of PALI, the non-inverting input of PALI being connected to a generator supplying a voltage continuous or alternating (Ve), the output of PALI being connected to its inverting input via a capacitor (Cή and a resistor (R) connected in parallel.
15. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque paire d'armatures est associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve) et la première armature (7) positionnée par le moyen de positionnement non-conducteur (6) est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) est relié à une armature d'un condensateur15. Vibration monitoring device according to claim 13, characterized in that each pair of armatures is associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature integral or integrated with the race is connected to a generator supplying a DC or AC voltage (Ve) and the first armature (7) positioned by the non-conductive positioning means (6) is connected to the inverting input (/) of an Integrated Linear Amplifier (ALI) at high impedance by a shielded cable (14) whose shield (14.3) is connected to a capacitor armature
(Cs) reliée à la masse et dont l'autre armature se trouve reliée à l'entrée inverseuse (/) de PALI, un condensateur (Cf) étant disposé entre l'entrée inverseuse de PALI et la sortie de PALI et trois résistances (R1 , R2, R3) montées en T, l'une (R3) des résistances reliée à la masse, étant positionnées en parallèle par rapport au condensateur (Cf), l'entrée non- inverseuse (n.i) de PALI étant reliée à la masse. (Cs) connected to the ground and whose other armature is connected to the inverting input (/) of PALI, a capacitor (Cf) being arranged between the inverting input of PALI and the output of PALI and three resistors ( R1, R2, R3) mounted at T, one (R3) of the grounded resistors being positioned in parallel with respect to the capacitor (Cf), the non-inverting input (ni) of PALI being connected to the mass.
16. Dispositif de surveillance de vibrations selon les revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la sortie de l'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) est reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique digital dont la sortie est utilisée par un circuit à microprocesseur pour calculer la variation de distance par l'exécution d'un programme mettant en œuvre la formule :
Figure imgf000032_0001
et pour déclencher une alarme par comparaison du résultat obtenu avec un seuil mémorisé, Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, Δ Vs représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, Sc représentant la sensibilité de la capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse.
Vibration monitoring device according to claims 14 and 15, characterized in that the output of the Integrated Linear Amplifier (ALI) is connected to the input of a digital analog converter whose output is used by a digital circuit. microprocessor for calculating the distance variation by executing a program implementing the formula:
Figure imgf000032_0001
and to trigger an alarm by comparing the result obtained with a stored threshold, Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, Δ V s representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the amplifier, S c representing the sensitivity of the capacitance and Cf representing the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
17. Dispositif de surveillance de vibrations selon une des revendications précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détection de la fréquence de rotation du roulement pour réaliser des mesures lorsque les bagues du roulement sont dans une position définie l'une par rapport à l'autre. 17. Vibration monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a means for detecting the rotation frequency of the bearing to perform measurements when the bearing rings are in a defined position relative to one another. to the other.
18. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de traitement fréquentiel du signal vibratoire mesuré au niveau des armatures (7, 8) du condensateur permettant d'obtenir le signal vibratoire d'au moins un des différents organes de la machine par comparaison avec les signatures vibratoires respectives de chacun des organes de la machine enregistrées au niveau d'au moins un moyen de mémorisation.18. Vibration monitoring device according to claim 16 or 17, characterized in that the device comprises at least one means for frequency processing of the vibratory signal measured at the level of the armatures (7, 8) of the capacitor making it possible to obtain the vibratory signal. at least one of the different members of the machine in comparison with the respective vibratory signatures of each of the members of the machine recorded at at least one storage means.
19. Dispositif de surveillance de vibrations selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un moyen de traitement temporel du signal vibratoire d'au moins un des organes de la machine permettant d'obtenir plusieurs paramètres statistiques de ce signal pour être comparés avec des paramètres statistiques de défauts enregistrés au niveau d'un moyen de mémorisation.19. Vibration monitoring device according to claim 18, characterized in that the device comprises at least one temporal processing means of the vibratory signal of at least one of the organs of the device. machine for obtaining several statistical parameters of this signal to be compared with statistical parameters of defects recorded at a storage means.
20. Procédé de surveillance des vibrations mettant en jeu un dispositif de surveillance selon une des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de mesure des charges induites par couplage capacitif sur une première armature conductrice (7) d'un condensateur à écartement variable positionnée par un moyen de positionnement non-conducteur, une seconde armature conductrice (8) solidarisée ou intégrée à une bague du roulement étant à un potentiel fixé.20. Vibration monitoring method involving a monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one step of measuring the capacitive coupling induced loads on a first conductive reinforcement (7) of a variable gauge capacitor positioned by a non-conductive positioning means, a second conductive reinforcement (8) secured to or integral with a bearing ring being at a fixed potential.
21. Procédé de surveillance de vibrations selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paire d'armatures étant associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature (8) solidarisée ou intégrée à la bague reliée à la masse, la première armature (7) étant positionnée par le moyen de positionnement non-conducteur (6) et reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) est relié à l'entrée non-inverseuse de PALI, l'entrée non- inverseuse de PALI étant reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve), la sortie de PALI étant reliée à son entrée inverseuse via un condensateur (C/) et une résistance (R) montée en parallèle, le procédé comprend au moins une étape de calcul de la variation (Δx) de la distance séparant les deux armatures (7, 8) du condensateur à partir de la variation de la tension (ΔVS) à la sortie d'un amplificateur de charge (AC) en utilisant la relation :
Figure imgf000033_0001
21. Vibration monitoring method according to the preceding claim, characterized in that the pair of armatures being associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature (8) secured to or integrated with the ring connected to the mass, the first armature (7) being positioned by the non-conductive positioning means (6) and connected to the inverting input (/) of a high impedance Integrated Linear Amplifier (ALI) by a cable (14) shielded, whose shield (14.3) is connected to the non-inverting input of PALI, the non-inverting input of PALI being connected to a generator supplying a DC or AC voltage (Ve), the output of PALI being connected to its inverting input via a capacitor (C /) and a resistor (R) connected in parallel, the method comprises at least one step of calculating the variation (Δx) of the distance separating the two armatures (7, 8) of the capacitor from of the variation of the voltage (ΔV S ) at the output of a charge amplifier (AC) using the relation:
Figure imgf000033_0001
Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, ΔVS représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, Sc représentant la sensibilité de la capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse.Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ΔV S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC component or alternating the voltage at the input of the amplifier, S c representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacitance of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
22. Procédé de surveillance de vibrations selon la revendication 20, caractérisé en ce que la paire d'armatures étant associée à un montage électronique formant un amplificateur de charge (AC), la seconde armature solidarisée ou intégrée à la bague de roulement est reliée à un générateur fournissant une tension continue ou alternative (Ve) et la première armature (7) positionnée par le moyen de positionnement non- conducteur (6) est reliée à l'entrée inverseuse (/) d'un Amplificateur22. Vibration monitoring method according to claim 20, characterized in that the pair of armatures being associated with an electronic assembly forming a charge amplifier (AC), the second armature secured to or integrated with the bearing ring is connected to a generator supplying a DC or AC voltage (Ve) and the first armature (7) positioned by the non-conductive positioning means (6) is connected to the inverting input (/) of an amplifier
Linéaire Intégré (ALI) à haute impédance par un câble (14) blindé dont le blindage (14.3) est relié à une armature d'un condensateur (Cs) reliée à la masse et dont l'autre armature se trouve reliée à l'entrée inverseuse (/) de l'ALI, un condensateur (Cή étant disposé entre l'entrée inverseuse de l'ALI et la sortie de l'ALI et trois résistances (R1 , R2, R3) montées en T, l'une (R3) des résistances reliée à la masse, étant positionnées en parallèle par rapport au condensateur (Cή, l'entrée non-inverseuse (n.i) de l'ALI étant reliée à la masse, le procédé comprend au moins une étape de calcul de la variation (Δx) de la distance séparant les deux armatures (7, 8) du condensateur à partir de la variation de la tension (ΔVS) à la sortie d'un amplificateur de charge (AC) en utilisant la relation :
Figure imgf000034_0001
Integrated linear (ALI) high impedance by a shielded cable (14) whose shield (14.3) is connected to a frame of a capacitor (Cs) connected to the ground and whose other frame is connected to the input inverter (/) of the ALI, a capacitor (Cή being arranged between the inverting input of the ALI and the output of the ALI and three resistors (R1, R2, R3) mounted in T, one (R3 ) of the grounded resistors being positioned in parallel with the capacitor (Cή, the non-inverting input (ni) of the ALI being connected to ground, the method comprises at least one step of calculating the variation (Δx) of the distance separating the two plates (7, 8) of the capacitor from the variation of the voltage (ΔV S ) at the output of a charge amplifier (AC) using the relation:
Figure imgf000034_0001
Δx représentant la variation de la distance (d) séparant les deux armatures du condensateur, ΔVS représentant la variation de la tension à la sortie de l'amplificateur, Ve représentant la composante continue ou alternative de la tension à l'entrée de l'amplificateur, S0 représentant la sensibilité de la capacité et Cf représentant la capacité du condensateur reliant la sortie de l'ALI à l'entrée inverseuse. Δx representing the variation of the distance (d) separating the two plates of the capacitor, ΔV S representing the variation of the voltage at the output of the amplifier, Ve representing the DC or AC component of the voltage at the input of the capacitor amplifier, S 0 representing the sensitivity of the capacitance and C f representing the capacity of the capacitor connecting the output of the ALI to the inverting input.
23. Procédé de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la sortie de l'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) étant reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique digital (CAN) dont la sortie est utilisée par un circuit à microprocesseur (MP) pour calculer la variation de distance par l'exécution d'un programme23. Vibration monitoring method according to one of the preceding claims, characterized in that the output of the Integrated Linear Amplifier (ALI) is connected to the input of a digital analog converter (ADC) whose output is used by a microprocessor circuit (MP) for calculating the distance variation by executing a program
(Prog), le procédé comprend au moins une étape de déclenchement d'une alarme après comparaison de la variation (ZIx) de l'écartement entre les deux armatures avec une valeur seuil.(Prog), the method comprises at least one step of triggering an alarm after comparing the variation (ZIx) of the spacing between the two plates with a threshold value.
24. Procédé de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le dispositif comprenant un moyen de mémorisation de la signature vibratoire de chacun des organes de la machine, le procédé présente au moins :24. Vibration monitoring method according to one of the preceding claims, characterized in that, the device comprising a means of memorizing the vibratory signature of each of the organs of the machine, the method has at least:
- une étape de mesure du signal vibratoire au niveau des armatures (7, 8) du capteur capacitif positionné au niveau du roulement,a step of measuring the vibratory signal at the level of the armatures (7, 8) of the capacitive sensor positioned at the level of the bearing,
- une étape de comparaison du signal vibratoire mesuré avec la signature vibratoire mémorisée d'au moins un organe défini de la machine,a step of comparing the measured vibratory signal with the stored vibratory signature of at least one defined member of the machine,
- une étape de détermination puis d'extraction du signal vibratoire propre à l'organe défini de la machine depuis le signal vibratoire mesuré.a step of determining and then extracting the vibratory signal specific to the defined member of the machine from the measured vibratory signal.
25. Procédé de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le dispositif comprenant un moyen de mémorisation de valeurs seuils de défaut de plusieurs paramètres statistiques, le procédé présente au moins :25. Vibration monitoring method according to one of the preceding claims, characterized in that, the device comprising means for storing fault threshold values of several statistical parameters, the method has at least:
- une étape de mesure du signal vibratoire au niveau des armatures (7, 8) du capteur capacitif positionné au niveau du roulement,a step of measuring the vibratory signal at the level of the armatures (7, 8) of the capacitive sensor positioned at the level of the bearing,
- une étape de calcul de paramètres statistiques du signal vibratoire mesuré, - une étape de comparaison des paramètres statistiques calculés avec des valeurs seuils de défauts mémorisées,a step of calculating statistical parameters of the measured vibratory signal, a step of comparing the calculated statistical parameters with stored fault threshold values,
- une étape de détermination de l'importance du défaut.a step of determining the importance of the defect.
26. Procédé de surveillance de vibrations selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le dispositif comprenant au moins un moyen d'affichage, le procédé présente au moins une étape d'affichage de la position et de l'importance d'un défaut. 26. Vibration monitoring method according to one of the preceding claims, characterized in that, the device comprising at least one display means, the method has at least one step of displaying the position and the importance of a default.
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