Modelisation et simulation electromecani

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/283488376 Modélisation et simulation électromécaniques par la MED des systèmes multi-contacts : application à la surveillance des roulements par une mesure électrique THESIS · SEPTEMBER 2015 DOI: 10.13140/RG.2.1.4400.3286 READS 1 AUTHOR: Charles Machado Université de Picardie Jules Verne 9 PUBLICATIONS 0 CITATIONS SEE PROFILE Available from: Charles Machado Retrieved on: 23 January 2016 UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE ECOLE DOCTORALE Sciences, Technologies et Santé Thèse N◦ Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE spécialité : mécanique MEMOIRE Charles Machado soutenue le 22 septembre 2015 Modélisation et simulation électromécaniques par la MED des systèmes multi-contacts : application la surveillance des roulements par une mesure électrique JURY : Rapporteur Ivan Iordanoff Professeur, I2M, Arts et Métiers ParisTech Rapporteur Daniel Nélias Professeur, LaMCoS, INSA Lyon Examinateur Jean-Paul Dron Professeur, GRESPI/MAN, URCA Examinateur Franỗois Girardin Maợtre de confộrences, LVA, INSA Lyon Examinateur Valộry Bourny Mtre de conférences, HDR, LTI, UPJV Directeur de thèse Emmanuel Bellenger Professeur, LTI, UPJV Co-Encadrant Mohamed Guessasma Mtre de conférences, HDR, LTI, UPJV Co-Encadrant Karl Debray Professeur, GRESPI/MAN, URCA i Remerciements Les travaux décrits dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Laboratoire des Technologies Innovantes (LTI-EA 3899) de l’Université de Picardie Jules Verne (UPJV) avec le soutien financier de la région Picardie, par le biais du projet SIGNATELEC (20122015) Tout d’abord, je voudrais remercier les membres actifs de l’équipe de recherche "Modélisation mécanique et modélisation des phénomènes de transfert" qui m’ont fait confiance et épaulé tout au long de la thèse Plus particulièrement, mes remerciements s’adressent Jérôme Fortin, le coordinateur de l’équipe, Valéry Bourny, Robert Bouzerar et Khaled Bourbatache qui m’ont permis de réaliser mon stage de master dans ce laboratoire Fort de cette expérience de recherche, j’ai alors eu l’occasion de poursuivre mon parcours universitaire en thèse de doctorat Je remercie ensuite mes encadrants, Emmanuel Bellenger, Mohamed Guessasma et Karl Debray pour m’avoir confié ce sujet extrêmement novateur et pluridisciplinaire Tout au long de ces ans, j’ai apprécié la fois l’autonomie qu’ils m’ont laissée et leur présence scientifique qui m’a parfois aidé clarifier certains points qui m’ont échappés J’insiste aussi sur leur entière disponibilité, toujours l’écoute de l’avancée des travaux Je voudrais également remercier tous les membres du jury Monsieur Jean-Paul Dron pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury Daniel Nélias et Ivan Iordanoff pour avoir accepté la lourde tâche d’être rapporteur J’ai beaucoup apprécié leur profond investissement et leurs intộrờts respectifs pour le travail proposộ Franỗois Girardin et Valéry Bourny pour leur travail d’examinateur avec les remarques constructives que cela a pu susciter, ouvrant par la même occasion de nouvelles perspectives de recherche Je remercie aussi Dominique Hay, le directeur de la Plate forme Technologique INNOVALTECH, José Claudon et Joël Accart qui, partir d’un cahier des charges exigeant, fixé en réunion de travail ont élaboré un banc de roulement unique et de grande qualité J’ai d’ailleurs pu profiter de leurs nombreux talents pour mettre en place le volet expérimental de ces travaux Je n’oublie pas les conditions de travail privilégiées qui m’ont été offertes au quotidien, dans une ambiance calme et décontractée Merci Hamza Haddad et Willy Leclerc avec qui j’ai partagé un bureau et dont l’aide notamment dans les dernières semaines m’a été grandement utile Je pense aussi l’environnement immédiat avec les stagiaires de master, Geoffrey Tarjus et Sana Bzioui qui ont travaillé sur le projet SIGNATELEC au cours de la dernière année Mes collègues du master de physique des matériaux d’Amiens, Eddy Chevalier et Nicolas Foy et Benjamin Carcan qui ont aussi poursuivis en thèse et avec qui j’aimais bien échanger Enfin, j’adresse mes remerciements ma famille et mes amis pour leur soutien sans faille durant toutes mes études Résumé Mots Clés : Roulement / bague élastique / diagnostic / mesure électrique / éléments discrets / problème de contact / Des études récentes ont montré qu’une mesure électrique permettait de caractériser les interfaces multi-contacts Ces recherches initiées dans les milieux granulaires sont transposées dans un cadre technologique dédié au monitoring et au diagnostic des défauts dans les roulements Cette méthode innovante exploite la richesse et la sensibilité d’une mesure électrique localisée et corrélée l’état de chargement d’un roulement Pour démontrer le potentiel de cette méthode, des mesures électriques expérimentales sont effectuées sur un banc de roulements et l’analyse des signaux révèle des similitudes avec les traditionnelles méthodes de surveillance D’un point de vue numérique, le roulement est modélisé avec la méthode des éléments discrets (MED), d’ordinaire dédiée l’étude des milieux granulaires, partir de laquelle le comportement mécanique du roulement en dynamique est reproduit Une formulation électromécanique est ensuite introduite pour en déduire une grandeur électrique numérique d’un roulement en fonctionnement, comparer avec l’expérimentation Des signatures électriques typiques en réponse des sollicitations complexes (défauts, jeux, balourds, etc) sont étudiées et l’étude du comportement mécanique des bagues ouvre des perspectives intéressantes pour comprendre et modéliser leur endommagement Alors que de nombreuses études ont été menées sur le suivi vibratoire des roulements, le recours une méthode électrique localisée, sans capteur, est inexploité et prometteur ii Abstract Key Words : Bearing / elastic ring / diagnosis / electrical measurement / discrete elements / contact problem / Recent studies have shown that an electric measurement made it possible to characterize the multi-contacts interfaces The research initiated in granular media are transposed in a technological environment dedicated to monitoring and diagnosis of defects in bearings This innovative method exploits the richness and sensitivity of a localized electrical measurement and correlated to the bearing load status To demonstrate the potential of this method, experimentals electrical measurements are performed on a bench and signal analysis reveals similarities with traditional monitoring methods From a numerical point of view, the bearing is modeled with the discrete element method (DEM), usually dedicated to the study of granular media, from which the mechanical behavior of the bearing dynamic is well reproduced Electromechanical formulation is then introduced to derive a numerical electrical quantity of a bearing in operation, compared with the experiment Typical electrical signatures in response to complex stresses (defects, clearance, imbalance, etc.) are studied Studies of the mechanical behavior of rings opens interesting perspectives to understand and model their damage While many studies have been conducted on the vibration monitoring of bearings, the use of a localized electrical method without sensor is still untapped and has promising results iii Table des matières Remerciements i Résumé ii Abstract iii Tables des matières viii Nomenclature xiv Introduction 1 État de l’art 1.1 Généralités 1.1.1 Historique 1.1.2 Principe 1.1.3 Définitions 1.1.4 Conception du roulement 1.1.4.1 La micro géométrie : les régimes de lubrification 1.1.4.2 La macro géométrie : les types de roulements 10 1.1.4.3 Les matériaux 13 La durée de vie 14 1.1.5.1 Notion de fatigue 14 1.1.5.2 La durée de vie nominale 15 1.1.5 iv v 1.1.5.3 Les durées de vie corrigées 16 1.1.5.4 Durée de vie d’un ensemble de roulements 17 Origines des dégradations 19 1.1.6.1 Le montage 20 1.1.6.2 Le fonctionnement 22 1.1.6.3 L’environnement 22 1.1.6.4 La lubrification 23 1.1.6.5 Types d’avaries 24 Existant technique pour la surveillance 25 1.2.1 Les méthodes de mesure 26 1.2.1.1 La mesure vibratoire 27 1.2.1.2 La mesure acoustique 28 1.2.1.3 La mesure de la température 29 1.2.1.4 La mesure des courants moteurs 30 1.2.2 Exploitation des mesures 30 1.2.3 Excitations du roulement 31 1.2.3.1 Défauts de roulement 31 1.2.3.2 Éxitation de balourd 32 1.2.3.3 Autres types d’éxitation 32 Moyens d’identification 32 1.2.4.1 Analyse temporelle 33 1.2.4.2 Analyse fréquentielle 34 1.2.4.3 Synthèse 35 Aspects numériques 36 1.3.1 Modélisation par éléments finis 37 1.3.1.1 Principe 37 1.3.1.2 Limitations 38 Modélisation multibody 39 1.3.2.1 Principe 39 1.3.2.2 Limitations 40 1.1.6 1.2 1.2.4 1.3 1.3.2 De la modélisation d’un milieu granulaire au roulement 2.1 42 Méthode des Éléments Discrets 42 2.1.1 Caractérisation d’un milieu granulaire 43 2.1.2 Principes de la résolution par éléments discrets 46 2.1.2.1 Détection des contacts 46 2.1.2.2 Discrétisation spatiale 47 2.1.2.3 Discrétisation temporelle 48 vi 2.1.3 2.2 2.3 2.4 Loi de comportement locale 49 2.1.3.1 Modélisation d’un milieu discret discontinu 50 2.1.3.2 Modélisation d’un milieu discret continu 53 2.1.3.3 Calcul du pas de temps critique 55 Code de calcul MULTICOR 55 2.2.1 Développement numérique 57 Background Électromécanique 58 2.3.1 L’effet Branly 58 2.3.2 Milieu granulaire métallique et lien avec le roulement 59 2.3.2.1 Modèle électrique 60 2.3.2.2 Couplage électromécanique hertzien 61 2.3.2.3 Résolutions numérique et principaux résultats 63 Banc d’essai 65 2.4.1 Paramètres variables et protocole de mesure 66 2.4.2 Mesures électriques en statique 67 2.4.3 Mesures électriques en dynamique 69 2.4.3.1 Mesures électriques avec un roulement sain 69 2.4.3.2 Mesures électriques modulées 71 2.4.3.3 Mesures électriques en présence d’un défaut 74 Bilan 76 2.4.4 Modélisation de l’état mécanique d’un roulement par la MED avec des bagues rigides 79 3.1 Introduction 79 3.2 Modélisation mécanique 80 3.2.1 Notion de rigidité d’un roulement 80 3.2.2 Conséquences sur les surfaces de contact 82 Description de l’approche discrète 83 3.3.1 Modèle mécanique 85 3.3.1.1 Les raideurs au contact 85 3.3.1.2 L’amortissement et le frottement au contact 88 Mise en charge du roulement 90 3.3.2.1 Précharge 91 3.3.2.2 Charge radiale 91 3.3.2.3 Rotation 92 Distribution du chargement 92 3.4.1 Détermination de Qmax avec les intégrales elliptiques 95 3.4.2 Détermination numérique de Qmax et ǫ 96 3.3 3.3.2 3.4 vii 3.5 Les sensibilités 100 3.5.1 Influence du type de roulement 100 3.5.2 Influence du frottement 102 3.5.3 Influence de la dissipation 104 3.5.3.1 Type de dissipation 104 3.5.3.2 Dissipation fluide 105 3.5.4 Détermination des rigidités 107 3.5.5 Détermination des pressions au contact 109 Réponse électromécanique d’un roulement avec des bagues rigides 112 4.1 Introduction 112 4.2 Modèle électromécanique 112 4.3 Réponse électrique d’un roulement idéal 114 4.4 4.3.1 Influence du jeu/précharge 114 4.3.2 Influence de la charge radiale 116 4.3.3 Influence de la vitesse 4.3.4 Limitations 119 118 Réponse électrique d’un roulement sain 120 4.4.1 Influence du jeu/précharge 122 4.4.2 Influence de la charge radiale 123 4.4.3 Influence de la vitesse de rotation 124 4.5 Réponse électrique d’un roulement anormalement chargé 125 4.6 Réponse électrique d’un roulement avec défauts 128 4.6.1 Introduction des défauts 128 4.6.2 Position des défauts 129 4.6.3 Importance des défauts 132 Réponse électromécanique du roulement avec des bagues déformables 136 5.1 Introduction 136 5.2 Préparation d’un échantillon 137 5.2.1 Génération d’un échantillon 137 5.2.2 Calibration de l’échantillon 139 5.2.3 Définition du tenseur des contraintes d’un milieu discret 140 5.2.4 Validation du comportement équivalent 141 5.3 Objet de l’étude 142 5.4 Étude du comportement statique 145 5.4.1 D’un point de vue mécanique 145 5.4.2 D’un point de vue électrique 148 viii 5.5 Étude du comportement dynamique 150 5.5.1 D’un point de vue mécanique 150 5.5.2 D’un point de vue électrique 154 Conclusions et perspectives 155 Bibliographie 157