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Comportement vibratoire de rotors opérant à hautes vitesses et détection des défauts de roulements

Badri, Bechir (2014). Comportement vibratoire de rotors opérant à hautes vitesses et détection des défauts de roulements. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif principal de cette thèse est l’étude du comportement dynamique des broches de machines-outils tournant à hautes vitesses et le diagnostic des roulements qui leurs servent de support. L’analyse dynamique des broches est faite en utilisant un modèle numérique composé d’un rotor et deux paliers de roulements. Elle offre la possibilité de voir l’influence de l’effet gyroscopique survenant à haute vitesse sur les fréquences naturelles du système. Les développements réalisés permettent une meilleure compréhension de la dynamique des broches d’usinage tournant à haute vitesse et permettent de corriger les limites des zones de stabilité des paramètres de coupe, lorsque la machine opère à haute vitesse. Cette modélisation a permis la mise au point d’un simulateur numérique du comportement vibratoire des broches considérant d’un côté les phénomènes non linéaires reliés à la haute vitesse et d’un autre côté, les défauts de roulements. Il est aussi démontré au travers de l’analyse expérimentale que les centres d’usinage à hautes vitesses ne sont pas des machines tournantes conventionnelles et qu’un diagnostic fiable devra intégrer dans le processus de décision non seulement les indicateurs de vibration, mais aussi les conditions de coupe. Dans ce sens, cette thèse présente un outil expérimental original de surveillance des machines-outils combinant la mesure des vibrations couplée avec les paramètres de fonctionnement (positions XYZ, vitesse instantanée, vitesse d’avance, outil en cours, puissance instantanée…) recueillis en temps réel grâce à un protocole de communication avec le contrôleur de la machine.

Cette thèse est rédigée dans un format par articles, dans lequel 3 articles y seront présentés.

Le premier article, publié dans la revue International Journal of COMADEM présente un nouvel outil de diagnostic automatisé des défauts de roulements, appelé «Envelop Shock Detector (ESD) », destiné à détecter, filtrer et extraire les chocs provoqués par les roulements dans le domaine temporel, puis à les isoler des autres composantes harmoniques et aléatoires. L’ESD est appliqué comme outil de débruitage-filtrage temporel pour éliminer les composantes aléatoires et harmonique du signal vibratoire, et pour distinguer les défauts de roulements de ceux provoqués par les engrenages par le calcul d’un paramètre de glissement. Le même outil pourrait être utilisé comme paramètre d’entrée d’un réseau de neurones pour améliorer ses performances de détection et séparation en cas de défauts multiples provenant d’un même roulement.

Le deuxième article publié dans la revue sur l’ingénierie des risques industriels (JI-IRI), présente un simulateur numérique basé sur un modèle tridimensionnel à 20 degrés de liberté incluant l’effet gyroscopique et permettant de simuler le fonctionnement en régime transitoire -montées et descentes en vitesse- des broches de centre d’usinage, en présence de défaut de roulements. Le simulateur permet de déceler l’apparition de nouvelles fréquences critiques, hautement nuisibles pour la qualité d’usinage et surtout pour la durée de vie de l’équipement. Ces nuisances sont dues à la coïncidence entre les fréquences d’excitation et celles dues aux défauts de roulements avec les fréquences naturelles du rotor, en modes de précession avant et arrière, ainsi qu’aux fréquences du variateur de vitesse de la machine-outil.

Le troisième article, soumis pour publication dans la revue internationale Machines traite de l’influence de la vitesse de rotation sur les paramètres dynamiques des broches et de la transmissibilité des vibrations provenant d’un roulement défectueux au reste de la broche. De nouvelles fréquences naturelles apparaissent et varient avec la vitesse. Les diagrammes de stabilité, utilisant les fréquences naturelles à l’arrêt, deviennent périmés et ne sont plus représentatifs du comportement vibratoire réel du système mécanique. L’originalité dans cet article provient de l’ajout de l’effet gyroscopique pour tracer de nouveaux lobes de stabilité d’usinage et pour étudier la dérive des fréquences naturelles à haute vitesse. Les théories avancées sont validées grâce à des essais de mesures vibratoires sur la machine-outil Huron opérant à 24,000 tours par minute.

Titre traduit

Dynamic behavior simulation of bearings operating at very high speeds and damage detection challenge

Résumé traduit

This thesis is aimed at bringing more insights to the dynamic behavior of high spindles when supported by ball bearings, with localized defects infecting the surface of some of their moving parts. The analysis is based on a numerical model that simulates the response of the rotor and its two supporting bearings and takes into consideration the gyroscopic effect arising at high speed and its influence on the drift of the system natural frequencies. By conducting such investigation, and integrating the non-linearity of the dynamic parameters under Coriolis Forces, we seek a fundamental understanding of high speed machining dynamics that may lead to a better adjustment of the stability conditions, and a better surface quality of the cutting process. The developed model forms the basis of a numerical simulator, capable of generating the vibration response of the entire set spindle-bearings. Several interesting features have been added to the simulator to make the results closer to reality. In particular, we can name the nonlinear behaviour of spindle shaft in high speeds and also the existence of surface localized defect on the bearings moving parts.

Moreover, this research work clearly reveals that high speed spindles cannot be considered as conventional machines. Consequently, in the decision making process, any reliable diagnosis has to consider both vibrations indicators and cutting parameters. Based on this fact, we succeeded in this thesis to develop an innovative experimental tool dedicated to CNC spindles monitoring, which is able to measure in real time the vibration parameters (and forces, sound, current) and the cutting parameters (tridimensional position XYZ, instantaneous speed, current tool, instantaneous power consumption) through a communication protocol with the machine controller.

Since several journal articles and conference papers have already been published or submitted from this research, the thesis by publication format, also known as an article thesis, is chosen here. It is a collection of research articles with introductory summary chapters and conclusions. Except for the last one, submitted recently for publication in a highly ranked journal, all previous articles were already reviewed and accepted by referees outside ETS, thus assuring international standards.

The first article, already accepted for publication in the International Journal of Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM), presents the ESD (Envelop Shock Detector) as a new automated signal processing technique for bearings defects. It allows the detection of bearings shocks, their isolation from harmonic and random components, from the time domain. ESD is applied to distinguish bearings vibration response from gears shocks. ESD could be used also as an input parameter to a Neural Network expert system to perform a proper diagnosis of bearing affected by multiple defects.

The second article, published in the Journal of engineering of industrial risk assessment (Ingénierie des Risques Industriels - IRI), presents a spindle numerical simulator based on a tridimensional model with 20-dof, including gyroscopic effect and allowing transient speed analysis – un up and coast down- with defective bearings. The simulator detects new critical speeds due to the coincidence of excitation forces (bearing fault frequencies) with shaft precession modes (forward and backward) highly harmful to the spindle components life as well as for the machining quality.

The third article, submitted for publication in the International Journal Machines, investigates the influence of high rotational speed on the spindle dynamic behaviour. New natural frequencies appear and vary according to the cutting speed. Machining stability lobes, usually established with static natural frequencies becomes inaccurate and do not describe the true dynamic behaviour of the system. The novelty in the present work is the consideration of the gyroscopic effect –induced by high rotational speeds- in the calculation of new machining stability lobes, and the study of the vibration transmissibility from a defective bearing to the spindle system including the healthy bearing.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de diplôme doctorat en génie". Bibliographie : pages 187-198.
Mots-clés libres: Broches (Machines-outils) Vibrations Modèles mathématiques. Rotors Vibrations Modèles mathématiques. Broches (Machines-outils) Matériaux Essais dynamiques. défaut, effet, gyroscopique, roulement, broches d’usinage, diagramme de stabilité, détection de défauts
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Thomas, Marc
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Sassi, Sadok
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 17 mars 2015 20:27
Dernière modification: 11 mars 2017 00:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1428

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