Thermographie Mécanique et Procédés Thermiques
Module 4 / 5
4.1 Diagnostic des Defauts Mecaniques (Roulements, Courroies, Moteurs)
Apres l'electrique, la thermographie mecanique est le deuxieme pilier de la maintenance predictive par infrarouge. Roulements, moteurs, reducteurs, courroies, accouplements : tout organe mecanique en mouvement dissipe de l'energie sous forme de chaleur. Un echauffement anormal est souvent le premier signe d'une defaillance imminente, bien avant le bruit ou les vibrations perceptibles.
Principes de la thermographie mecanique
Dans un systeme mecanique en fonctionnement, l'energie est dissipee sous forme de chaleur principalement par trois mecanismes :
Frottement
Contact entre surfaces en mouvement relatif. Cause principale d'echauffement dans les roulements, paliers, guides, courroies. Aggrave par le defaut de lubrification, le desalignement ou l'usure.
Deformation cyclique
Flexion repetee d'un materiau (courroie, accouplement elastique, ressort). L'hysteresis mecanique convertit une fraction de l'energie de deformation en chaleur a chaque cycle.
Pertes electriques (moteurs)
Effet Joule dans le stator et le rotor, pertes fer (courants de Foucault, hysteresis magnetique). Un moteur surchauffe peut indiquer une surcharge, un probleme d'alimentation ou un defaut interne.
La methode comparative : la cle du diagnostic mecanique
En thermographie mecanique, la temperature absolue est rarement significative a elle seule. Un roulement a 55 °C peut etre normal dans un environnement a 40 °C ou pathologique dans un environnement a 20 °C. La methode de reference est la comparaison :
Comparaison spatiale
Comparer des composants identiques fonctionnant dans les memes conditions :
- Roulement cote accouplement vs cote libre du meme moteur
- Moteur 1 vs moteur 2 d'un groupe identique (pompes jumelles, ventilateurs)
- Galet tendeur gauche vs droite d'un convoyeur symetrique
Comparaison temporelle
Comparer le meme composant a differentes dates (suivi de tendance) :
- Meme charge, meme heure, meme position camera
- Suivre l'evolution du ΔT dans le temps
- Un ΔT croissant d'une inspection a l'autre signale une degradation progressive
Thermographie + vibrations : le duo gagnant
La thermographie detecte les defauts mecaniques par leur effet thermique (echauffement). L'analyse vibratoire les detecte par leur effet dynamique (vibrations). Les deux techniques sont complementaires : la thermographie est excellente pour les defauts de lubrification et les surcharges, tandis que les vibrations excellent pour les defauts de roulement debutants, le desalignement et le balourd. Le diagnostic ideal combine les deux.
Diagnostic thermique des roulements
Les roulements sont les composants mecaniques les plus frequemment inspectes en thermographie. Un roulement sain dissipe tres peu d'energie thermique. Un echauffement anormal signale un probleme qui, s'il n'est pas traite, evoluera vers la defaillance complete.
Causes d'echauffement des roulements
| Cause | Mecanisme | Signature IR typique | Gravite |
|---|---|---|---|
| Manque de lubrification | Frottement metal-metal accru entre billes/rouleaux et chemins de roulement | Echauffement progressif du palier, souvent uniforme autour du logement | Moyen a grave |
| Exces de graisse | Brassage excessif du lubrifiant, pertes par cisaillement | Echauffement apres regraissage, se stabilise en quelques heures si pas de defaut sous-jacent | Mineur |
| Desalignement | Charge radiale anormale sur les elements roulants, frottement lateral | Echauffement dissymetrique : un cote du palier plus chaud que l'autre | Grave |
| Surcharge | Force axiale ou radiale excessive, deformation des chemins | Echauffement uniforme, plus important que les roulements de reference | Grave |
| Usure avancee / ecaillage | Deformation des elements roulants, micro-ecaillage des chemins | Echauffement fort et croissant, souvent accompagne de bruit audible | Critique |
| Passage de courant | Courant parasite (EDM) a travers le roulement, micro-crateres sur les chemins | Echauffement modere mais degradation rapide. Souvent sur moteurs a variateur de frequence. | Grave |
Criteres de severite pour les roulements
Il n'existe pas de norme universelle pour les seuils de temperature des roulements (ils dependent du type, de la vitesse, de la charge et du lubrifiant). Cependant, les regles suivantes sont largement acceptees en maintenance predictive :
| ΔT (vs roulement sain identique) | Severite | Action |
|---|---|---|
| < 10 °C | Normal / Mineur | Surveiller. Verifier la lubrification au prochain arret. |
| 10 - 25 °C | Significatif | Planifier une intervention. Verifier alignement, lubrification, charge. |
| 25 - 40 °C | Grave | Intervention rapide. Relubrifier en urgence ou remplacer le roulement. |
| > 40 °C | Critique | Arret de la machine des que possible. Risque de grippage imminent. |
"Un roulement dont la temperature depasse 70 °C en fonctionnement normal est presque toujours en defaut, quel que soit le type de machine. Au-dela de 100 °C, le lubrifiant se degrade exponentiellement et la ruine est imminente."
Diagnostic thermique des moteurs electriques
Un moteur electrique est un systeme complexe ou coexistent des sources de chaleur electriques (stator, rotor) et mecaniques (roulements, ventilation). La thermographie permet de distinguer ces differentes sources et d'identifier le type de defaut.
Cartographie thermique d'un moteur
| Zone | Source de chaleur normale | Si echauffement anormal | Defaut probable |
|---|---|---|---|
| Carcasse (centre) | Pertes stator (effet Joule + pertes fer) | Temperature uniforme trop elevee | Surcharge, tension d'alimentation anormale, ventilation insuffisante |
| Palier cote accouplement (DE) | Frottement roulement + charge axiale de l'accouplement | Palier nettement plus chaud que le palier oppose | Desalignement, defaut de roulement, surcharge axiale |
| Palier cote oppose (NDE) | Frottement roulement (charge reduite) | Echauffement anormal | Defaut de roulement, defaut de lubrification |
| Boite a bornes | Pertes dans les connexions d'alimentation | Point chaud localise | Connexion desserree, borne oxydee (meme logique que l'electrique) |
| Ventilateur (cote NDE) | Air ambiant aspire pour le refroidissement | Ventilateur chaud ou moteur trop chaud malgre ventilation | Ventilateur casse/encrasse, grille obstruee, sens de rotation inverse |
| Profil axial (asymetrie) | Distribution thermique symetrique | Un cote du stator plus chaud que l'autre | Court-circuit inter-spires, desequilibre de phases, excentricite rotor |
Classe d'isolation et temperature maximale
La temperature maximale admissible d'un moteur depend de sa classe d'isolation (norme IEC 60034-1) :
| Classe | B | F | H |
|---|---|---|---|
| T max bobinage | 130 °C | 155 °C | 180 °C |
| ΔT max / ambiante (40 °C) | 80 °C | 105 °C | 125 °C |
| T carcasse typique max | 90-100 °C | 100-115 °C | 115-130 °C |
La temperature de carcasse est toujours inferieure a la temperature interne du bobinage (Δ de 10-30 °C selon la taille du moteur et la ventilation).
Courroies, accouplements, reducteurs et convoyeurs
| Organe | Echauffement normal | Defaut detectable | Signature IR |
|---|---|---|---|
| Courroies | Leger echauffement par flexion cyclique et frottement sur les poulies | Surtension (courroie trop tendue), sous-tension (patinage), usure, desalignement des poulies | Courroie uniformement chaude = tension excessive. Point chaud localise sur la poulie = desalignement ou usure poulie. |
| Accouplements | Tres faible (accouplement rigide) a modere (accouplement elastique) | Desalignement angulaire ou radial, usure des elements elastiques | Echauffement anormal de l'accouplement, dissymetrie thermique, dents ou inserts plus chauds d'un cote. |
| Reducteurs a engrenages | Echauffement modere par frottement des dentures et brassage d'huile | Manque d'huile, defaut de denture, surcharge, defaut de roulement interne | Carter uniformement chaud = manque d'huile. Point chaud localise = roulement interne. Temperature du carter croissante = degradation progressive. |
| Convoyeurs a bande | Roulements de galets, tambours d'entrainement | Galet bloque, roulement HS, bande qui frotte sur la structure, tambour desaligne | Galet chaud isole dans une ligne de galets froids = roulement bloque. Bord de bande chaud = frottement lateral (deport de bande). |
| Pompes | Paliers, garniture mecanique, corps de pompe | Cavitation, garniture qui fuit (vapeur chaude), roulement, marche a sec | Corps de pompe anormalement chaud = marche a sec ou cavitation. Garniture chaude = usure ou defaut d'etancheite. |
| Compresseurs | Clapets, cylindres, refroidisseur interetage | Clapet qui fuit, segment use, refroidisseur encrasse | Cylindre trop chaud = clapet ou segment. Refroidisseur chaud en sortie = encrassement (echangeur thermique). |
Conseil terrain : les convoyeurs a bande
Les convoyeurs industriels peuvent compter des dizaines voire des centaines de galets. La thermographie est la seule technique qui permette de scanner l'integralite d'une ligne de galets en quelques minutes. Un galet dont le roulement est bloque se repere instantanement : il est chaud au milieu d'une ligne de galets froids. C'est l'une des applications les plus rentables de la thermographie en industrie.
Le prochain chapitre aborde la thermographie des echangeurs thermiques, de l'isolation et des procedes haute temperature (fours, refractaires).