Mesure du battement d’arbre avec des capteurs de déplacement sans contact

Note d’application générale de détection LA05-0022

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Résumé:

Le battement d’arbre est une mesure courante notamment pour la surveillance de l’état. Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault fournissent des solutions de mesure sans contact utiles avec des avantages et des inconvénients distincts.

Fondamentaux

Selon la norme ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers, le « battement » est la lecture totale de l’indicateur (TIR) d’un instrument de mesure contre une surface en mouvement. Il s’agit généralement d’un mouvement rotatif et la mesure porte sur une rotation complète. Cela signifie que la valeur du faux-rond est une combinaison de plusieurs types de mouvements d’erreur, d’erreurs de forme et de facteurs de forme :

• forme de l’arbre
• droiture de l’arbre
• erreurs de centrage dans l’emplacement de l’arbre par rapport à l’axe de rotation (excentricité), et
• erreurs dans l’axe de rotation lui-même qui est le produit de plusieurs facteurs :
  • la performance des roulements de l’entraînement
  • la structure de la machine
  • l’alignement de l’entraînement (inclinaison)
• les erreurs de l’instrument de mesure (indicateur ou capteur)

Bien que des techniques existent pour affiner une mesure de faux-rond de l’arbre à seulement un ou quelques-uns de ces composants, l’objectif de cette note d’application est de mesurer le faux-rond total avec tous ses facteurs contributifs (à l’exception des erreurs de capteur). Les techniques décrites ici sont destinées à minimiser ou à éliminer la contribution du capteur au résultat final. Lorsqu’elles sont correctement appliquées, les mesures par capteurs sans contact à courants de Foucault et capacitifs du battement de l’arbre produiront des résultats avec des erreurs de capteur négligeables.

Flux radial de l’arbre

Le flux radial de l’arbre est une mesure du déplacement radial de la surface de l’arbre lorsque celui-ci tourne. En supposant un arbre rond, les facteurs contribuant au faux-rond radial comprennent la rectitude de l’arbre, l’alignement entraînement/arbre, la rigidité des roulements et l’augmentation du faux-rond à mesure que les roulements s’usent. L’équilibre est un facteur de faux-rond qui dépend des relations entre la vitesse, la rigidité et l’usure des roulements, et la rigidité globale du système. Le battement radial de l’arbre est généralement utilisé pour indiquer l’usure des roulements d’entraînement.

Battement axial de l’arbre

Le battement axial de l’arbre est une mesure du déplacement axial de l’arbre lorsqu’il tourne. Cette mesure est prise au centre de l’arbre (sur l’axe de rotation). Les mesures décentrées sont appelées « faux-rond de face ». Dans ce cas, la planéité et l’équerrage de la surface deviennent des facteurs qui contribuent à la mesure – des facteurs qui ne sont pas intéressants dans la plupart des applications. Le battement axial de l’arbre est principalement utilisé pour la surveillance de l’état du palier de butée.

Forme de l’arbre

Selon la définition ci-dessus, les formes non rondes présentent toujours un battement significatif. Un arbre ovale ou hexagonal qui tourne parfaitement aura toujours un battement significatif car l’indicateur répond aux déplacements radiaux de la surface de l’arbre dus à la forme de l’arbre.

Cette note d’application suppose que l’arbre mesuré est rond.

Droiture de l’arbre

Le faux-rond radial est affecté par la rectitude de l’arbre. Si l’arbre est courbé, les mesures de faux-rond dépendront de l’emplacement de la mesure sur la longueur de l’arbre et de l’emplacement et de la gravité de la courbure. Si un arbre est fixé aux deux extrémités (par exemple, entre l’entraînement et une boîte de vitesses), le battement maximal aura tendance à se situer près du centre. Si l’arbre n’est fixé qu’à l’extrémité d’entraînement (par exemple, les moteurs entraînant des ventilateurs ou des hélices), le faux-rond aura tendance à être pire à l’extrémité flottante de l’arbre.

Un arbre par ailleurs droit peut être monté de telle sorte que la ligne centrale de l’arbre n’est pas parallèle à l’axe de rotation. Dans ce cas, les mesures de faux-rond dépendront de l’endroit où la mesure est prise le long de l’arbre.

Composantes de faux-rond d’arbre synchrones et asynchrones

Certaines composantes de faux-rond, telles qu’un faux-rond d’arbre ou une inclinaison de l’entraînement, se répètent à certains emplacements angulaires de la rotation ; ce sont des mouvements d’erreur synchrones. D’autres composantes du faux-rond de l’arbre, telles que les fréquences des roulements (faux-rond dû à l’ovalisation des éléments roulants dans le roulement), sont cycliques mais ne se répètent pas aux mêmes emplacements angulaires ; ce sont des mouvements d’erreur asynchrones.

Temps réel/Instantané

Les valeurs instantanées du déplacement radial ou axial de l’arbre peuvent être mesurées et enregistrées à chaque emplacement angulaire pendant que l’arbre tourne. On obtient ainsi une image des déplacements instantanés qui contribuent à la mesure du faux-rond total. Cette approche est utilisée pour les opérations d’équilibrage ou pour aider à identifier les causes spécifiques du faux-rond. Ces types de mesures nécessitent des techniques et des outils relativement sophistiqués tels que l’analyseur d’erreur de broche de Lion Precision. Cette note d’application se concentre sur une seule mesure du faux-rond total de l’arbre.

Le faux-rond total de l’arbre

Dans de nombreuses circonstances, en particulier la surveillance des conditions, la seule valeur à prendre en compte est une valeur unique indiquant le faux-rond total de l’arbre. Ce nombre est généralement une moyenne ou un pic de plusieurs lectures TIR sur une période de temps et plusieurs rotations. Au fur et à mesure que les roulements et autres composants s’usent, le battement total de l’arbre augmente. Dans le cadre de la surveillance des conditions, une valeur seuil est définie au-dessus de laquelle le système est arrêté et la réparation ou la reconstruction est entamée.

Mesures du faux-rond avec des capteurs sans contact

La mesure du faux-rond de l’arbre en fonctionnement nécessite un capteur sans contact. Les types de capteurs les mieux adaptés à cette mesure sont les capteurs de déplacement capacitifs et les capteurs de déplacement à courant de Foucault (parfois appelés capteurs de déplacement inductifs).

Capacitifs ou à courant de Foucault

Les capteurs de déplacement capacitifs offrent une grande précision ; ils fonctionnent également avec tous les matériaux conducteurs ; ils fonctionnent bien avec les arbres de petit diamètre. Mais ils nécessitent un environnement propre. Les capteurs de déplacement à courants de Foucault fonctionnent dans des environnements humides et sales et peuvent être montés plus loin de l’arbre. Mais ils doivent être calibrés pour un matériau spécifique, ne fonctionnent pas aussi bien avec des arbres plus petits (< 8 X Diamètre de la sonde), et sont plus  » bruyants  » lorsqu’ils sont utilisés avec des arbres en acier magnétique en raison du  » battement électrique  » (voir les détails ci-dessous dans la section Considérations relatives au courant de Foucault).

Montage de la sonde

Ces capteurs sans contact se composent d’une sonde (tête de mesure) qui est reliée par un câble à une électronique qui entraîne la sonde et fournit une tension de sortie proportionnelle aux changements de distance entre la sonde et l’arbre.

La sonde est montée à une distance de l’arbre approximativement au centre de sa plage de mesure. Cela permet des excursions maximales de l’arbre dans les deux directions pour rester dans la plage fonctionnelle de la sonde.

Après le montage de la sonde, faites tourner l’arbre lentement pour vérifier la plage. Assurez-vous que la sonde n’entre pas en contact avec l’arbre à son point le plus proche et qu’elle reste dans la plage tout au long de la rotation.

Toute modification de la distance entre la sonde et l’arbre fera partie de la mesure du battement de l’arbre. Par conséquent, il est important que la sonde soit montée de manière rigide pour éviter que les vibrations ou d’autres mouvements externes ne déplacent la sonde par rapport à l’arbre.

Dérivation du battement total de l’arbre

Les mesures de faux-rond de l’arbre provenant du capteur sans contact suivent les déplacements instantanés en temps réel lorsque l’arbre tourne. Cette sortie doit être conditionnée pour dériver une seule mesure de « runout total ». La valeur de faux-rond peut être un type de valeur moyenne ou une valeur de crête. La méthode spécifique pour créer une valeur de runout total dépendra de l’application.

Typiquement, une valeur de runout de base est définie ainsi qu’un seuil au-dessus duquel le système nécessite l’attention de l’opérateur. Dans ce type de système de maintenance conditionnelle, les unités de mesure ne sont pas critiques ; quelles que soient les unités, l’établissement des valeurs de base et de seuil est la pièce critique de la mesure.

Valeurs moyennes

Les valeurs de sortie peuvent être moyennées dans le temps en utilisant un certain type de voltmètre à courant alternatif. Ceux-ci sont disponibles en tant qu’instruments discrets ou peuvent être disponibles dans le logiciel de support d’un système d’acquisition de données. Il est important de considérer la capacité du compteur à mesurer à la fréquence de rotation de l’arbre.

Valeurs de pointe

Les pics des valeurs de sortie peuvent être capturés et le système peut rapporter la différence entre les pics maximum et minimum. Il s’agit d’une mesure TIR (lecture d’indicateur total). Les systèmes qui capturent ces pics doivent être réinitialisés périodiquement pour maintenir la valeur actuelle si elle diminue. Si vous utilisez des capteurs capacitifs de la série Elite pour mesurer le battement de l’arbre, le module de mesure et de traitement du signal MM190 peut capturer et afficher les valeurs de crête. Le MM190 dispose également d’une fonction de suivi TIR qui capture les valeurs de crête mais permet aux valeurs de décroître avec le temps ; de cette façon, la valeur affichée est maintenue à jour sans qu’une réinitialisation soit nécessaire, même lorsque le battement est réduit. Le MM190 n’est pas une option pour les capteurs à courant de Foucault.

Préoccupations particulières pour les mesures par courant de Foucault (inductif) du battement d’arbre

Les capteurs à courant de Foucault sont étalonnés pour un matériau unique. Pour maintenir la précision, les capteurs doivent être utilisés avec ce matériau spécifique.

Les capteurs à courants de Foucault sont normalement étalonnés sur une cible plate. Le diamètre de l’arbre doit être 8 à 10 fois plus grand que le diamètre de la sonde à courants de Foucault pour fournir une cible suffisamment plate pour des mesures précises. De plus, comme les capteurs à courants de Foucault interfèrent entre eux s’ils sont trop proches les uns des autres, un diamètre d’arbre de cette taille fournit un espacement suffisant entre les sondes lorsque deux sondes sont utilisées pour surveiller le battement à 90° de distance.

Foulage électrique

Les matériaux magnétiques ont une propriété appelée foulage électrique. De petites différences localisées dans les propriétés magnétiques au sein du matériau affectent l’interaction avec les champs magnétiques des capteurs à courants de Foucault. Ces différences résultent de la composition chimique locale, de la structure cristalline et des domaines magnétiques qui sont affectés par l’historique thermique, le degré de contrainte de travail à froid, les traitements de surface et l’exposition aux champs magnétiques. Plus ces différences sont grandes, plus le battement électrique est important. Lorsque l’arbre en acier magnétique tourne, la sortie du capteur à courants de Foucault varie en fonction du battement électrique du matériau, même si l’espace entre le capteur et l’arbre ne change pas (pas de battement mécanique). Les images de droite comparent un capteur capacitif et un capteur à courants de Foucault mesurant le même arbre en acier magnétique. Les matériaux non ferreux comme le cuivre et l’aluminium ne présentent pas ce phénomène à un niveau significatif. L’acier non magnétique, bien qu’il soit meilleur que l’acier magnétique, présente toujours un petit faux-rond électrique.

Le faux-rond est généralement inférieur à 75 µm (0,003 pouce), ce qui ne représente souvent qu’une fraction de la plage de mesure du capteur de faux-rond d’arbre à courants de Foucault. Dans certaines applications, le battement électrique est faible par rapport au battement de base de l’arbre et n’introduit donc pas d’erreur significative dans la mesure totale du battement de l’arbre.

Amoindrir le battement électrique

Si votre mesure du battement de l’arbre doit être si précise que le battement électrique constituera une erreur significative, vous devrez vous attaquer au problème. La meilleure façon d’éliminer les erreurs de faux-rond électrique dans les arbres magnétiques est d’utiliser des capteurs capacitifs. Mais les applications de capteurs de battement d’arbre se trouvent souvent dans des environnements humides et sales qui nécessitent un capteur à courant de Foucault. Voici quelques méthodes pour éliminer ou réduire le faux-rond électrique.

Utiliser la plus grande sonde possible. Le champ de détection d’un capteur de faux-rond d’arbre à courants de Foucault est trois fois plus grand que le diamètre de la sonde. La sortie de la sonde est une moyenne de tout ce qui se trouve dans ce champ. L’utilisation d’une sonde plus grande permet de faire la moyenne d’une plus grande surface de l’arbre et de ses incohérences magnétiques localisées. Mais veillez à ne pas utiliser une sonde trop grande pour l’arbre (voir ci-dessus).

Manchon non magnétique. Le champ de détection par courants de Foucault ne pénètre pas très profondément dans le matériau. Un manchon en aluminium ou en cuivre de 0,5 mm (ou plus épais) constituera une cible non magnétique pour le capteur de faux-rond de l’arbre.

Conclusion

La mesure du faux-rond de l’arbre est une mesure courante et utile, notamment pour la surveillance de l’état. L’utilisation d’un seul capteur et d’une méthode pour dériver une valeur de battement unique et totale vous permet de définir des chiffres de battement de base et des seuils pour l’intervention de l’opérateur. Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault offrent tous deux d’excellentes solutions, en fonction des spécificités de la mesure du battement d’arbre et des conditions environnementales de l’application.